微塑料在河流-沉积物-地下水界面处的特定聚合物转移与滞留现象

《Water Research》：Polymer-specific transfer and retention of microplastics at the river–sediment–groundwater interface

本研究在德国东北部哈维尔河与泰洛运河两个河床过滤站点，通过采样和近红外光谱分析发现：微塑料（MPs）≥32 μm在河床过滤过程中被高效去除（降低84%-99%），其迁移受水流动力和聚合物密度共同调控。沉积物中高密度聚合物（如PET、PVC）显著富集，而亲水性PA在地下水与表面水中存在但几乎不沉积。河床分层结构显示0.1-0.2 m深度为MP热点层，船行引起的电流导致河床中央再悬浮而河岸边缘沉积。这些结果揭示了河床过滤对饮用水安全的重要性，并证实聚合物物理性质与水流动力共同决定MP命运。

　　本研究探讨了微塑料（MPs）在地表水与地下水系统之间的传输与滞留过程，特别是在德国东北部的两个河岸过滤（bank filtration）地点。研究揭示了不同聚合物在沉积物与水体界面的特定行为，为理解微塑料在淡水生态系统中的分布机制提供了重要的实证依据。微塑料因其广泛的分布和潜在的环境与健康风险，已成为全球关注的焦点。通过采用统一的采样和分析方法，研究人员在地表水、沉积物和相邻地下水样本中检测到了MPs≥32微米的颗粒，时间跨度从2022年10月至2024年3月。研究结果表明，河岸过滤过程对微塑料具有显著的去除效率，这为保护饮用水资源和维持淡水生态系统健康提供了关键的科学依据。

### 研究背景与意义

微塑料颗粒广泛存在于河流、河床沉积物和地下水等淡水环境中。它们不仅可能携带重金属、病原体和有机污染物，还可能对生态系统的正常功能造成影响，并对人类健康构成潜在威胁。河流不仅是陆源塑料进入海洋的重要通道，也是微塑料在河床沉积物中暂时或长期储存的区域。地表水与地下水之间的水交换，如潜流交换和河岸过滤，有助于微塑料向河床沉积物迁移。同时，某些河段可能因促进沉积而成为微塑料沉积的热点区域，其主要受河流系统的水动力条件和微塑料的物理特性影响。较大且密度较高的微塑料颗粒因其较大的斯托克斯数（Stokes number）更容易沉降，从而在地表水中形成聚合物特异性分布。然而，湍流和洪水可能重新悬浮沉积层，导致大量微塑料颗粒进入水体，其中较大的颗粒比小颗粒上升得更快。尽管如此，大多数关于微塑料沉降和上升的实验室研究是在静态或均匀流条件下进行的，未能全面反映真实水动力条件下的行为。因此，本研究在实际水文条件下评估微塑料的传输与滞留过程，以补充现有知识。

### 研究方法与实验设计

研究选择了德国东北部的哈弗尔河（Havel River）和特尔托运河（Teltow Canal）两个河岸过滤地点。这两个地点具有相似的水文地质条件，但河水中微塑料的浓度存在差异。哈弗尔河的流域以农村为主，预计微塑料浓度较低；而特尔托运河由于接受大量处理后的废水输入，成为微塑料污染的热点区域。研究人员在两个地点分别采集了地表水、地下水和河床沉积物样本，并通过多种方法进行微塑料分析。

在采样过程中，地表水样本采用2英寸的潜水泵（Grundfos MP1）进行采集，采样量为300升，而地下水样本为1000升。采样前，系统会先通过100升水进行冲洗，以减少背景污染。所有样本均通过50微米的不锈钢滤芯进行过滤，并在实验室中进一步处理。处理步骤包括使用超声波浴提取颗粒，随后将其过滤至无粘合剂的玻璃纤维滤膜上。对于河床沉积物样本，采用冷冻核心（freeze core）方法获取，样本长度为100厘米，直径在30至50厘米之间。沉积物样本被分为10厘米的段，部分用于微塑料分析，另一部分用于分析颗粒大小分布、沉积物质地和有机质含量。

在微塑料分析中，研究人员使用了近红外成像光谱技术，该技术能够准确识别不同聚合物的种类。通过对样本像素光谱与参考库进行比较，采用改进的光谱角映射（MSAM）方法进行分析。实验过程中还进行了质量控制和质量保证，包括使用六种程序空白样本和三种恢复测试，以确保数据的准确性和可靠性。

### 研究结果

在哈弗尔河的样本中，地表水中的微塑料平均浓度为76.9 ± 55.6个/立方米，而相邻地下水中的微塑料浓度显著降低，达到12.2 ± 7.1个/立方米，降幅超过84%。这种显著的浓度差异表明河岸过滤在微塑料去除方面具有高度效率。地表水中的微塑料颗粒大小以96微米为主，而地下水中的颗粒大小略大，为128微米。此外，不同样本中微塑料的聚合物组成存在明显差异，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）在地表水中占主导地位，而在沉积物和地下水中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）的比例显著增加。

在特尔托运河的样本中，地表水中的微塑料平均浓度为261 ± 162个/立方米，而相邻地下水中的浓度降至2.8 ± 3.7个/立方米，降幅达到99%。值得注意的是，在特尔托运河的某些地下水样本中，甚至没有检测到微塑料颗粒。这表明在特定条件下，微塑料的去除效率可能非常高。此外，不同深度的沉积物中微塑料的分布也呈现出显著的空间异质性。特尔托运河的河床沉积物中，微塑料的最高浓度出现在0.1至0.2米的沉积层中，而哈弗尔河的河床沉积物中，微塑料的浓度在0.1至0.2米的沉积层中也达到峰值。这些结果表明，微塑料在河床中的分布与水动力条件密切相关，尤其是在船引起的水流（ship-induced currents）影响下，沉积物中的微塑料分布呈现出明显的空间差异。

### 聚合物特异性分布的机制

研究还发现，不同聚合物在不同环境中的分布具有显著的特异性。在地表水中，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）占主导地位，而在沉积物和地下水中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）的比例显著增加。这种聚合物特异性分布可能是由于它们的密度差异和水动力条件的影响。例如，PET和PVC由于密度较高，更容易沉降到沉积物中，而PE和PP由于密度较低，更倾向于停留在水体中。此外，某些聚合物如聚酰胺（PA）虽然在地表水和地下水中被检测到，但在沉积物中却未被发现，这可能反映了其较高的地下水迁移能力。

研究人员通过非度量多维尺度分析（NMDS）进一步验证了这些发现。NMDS分析表明，不同环境中的聚合物组成存在显著差异，而采样地点、深度和时间对聚合物组成的影响相对较小。这说明，聚合物在不同环境中的分布主要由其物理特性与水动力条件共同决定。此外，微塑料的尺寸在不同环境中保持相对稳定，表明除了尺寸外，聚合物的密度、表面电荷和水流动力等因素对微塑料的传输行为具有重要影响。

### 水动力条件对微塑料分布的影响

水动力条件在微塑料的分布和迁移中起着至关重要的作用。在哈弗尔河和特尔托运河的采样点，研究人员观察到船引起的水流对微塑料的重新悬浮和重新分布有显著影响。这些水流可能在河床中形成动态的沉积和再悬浮过程，导致微塑料在河床中的分布呈现空间异质性。例如，在哈弗尔河的导航运河中，由于水流较强，微塑料的浓度较低，而在河岸区域，由于水流较弱，微塑料的浓度较高。这种现象支持了研究假设，即船引起的水流在微塑料沉积物库存中起到关键作用，使得水流能量较低的河岸区域成为微塑料的临时沉积区。

此外，研究还发现，微塑料在河床中的分布与沉积物颗粒大小和水文条件密切相关。在哈弗尔河的河岸区域，沉积物颗粒较大，导致微塑料的垂直迁移受到限制。而在特尔托运河的河床中，由于颗粒较小，微塑料的垂直迁移更为显著。这表明，微塑料的迁移不仅受其物理特性影响，还受到沉积物颗粒大小和水文条件的共同作用。因此，在设计和管理河岸过滤系统时，需要综合考虑这些因素，以最大限度地去除微塑料并减少其对地下水和饮用水资源的潜在影响。

### 研究结论与展望

本研究为理解微塑料在地表水与地下水系统中的传输与滞留机制提供了重要的实证数据。结果显示，河岸过滤是微塑料迁移的有效屏障，尤其是在以沙质河床和含水层为主的环境中，微塑料的去除效率高达99%。这种高去除效率表明，河岸过滤系统在保护饮用水资源和维持淡水生态系统健康方面具有重要作用。然而，研究也指出，微塑料的分布不仅受垂直迁移的影响，还受到横向水流和沉积条件的调控。因此，在评估微塑料的迁移路径和滞留潜力时，需要综合考虑多种因素。

此外，本研究揭示了不同聚合物在不同环境中的特异性分布，这为未来的微塑料管理策略提供了科学依据。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚氯乙烯（PVC）由于密度较高，更容易沉降到沉积物中，而聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）则更倾向于留在水体中。这种聚合物特异性分布可能与它们的物理和化学特性有关，如密度、表面电荷和亲水性。因此，在制定微塑料污染控制措施时，需要针对不同聚合物的特性进行差异化管理。

总之，本研究为微塑料在地表水与地下水系统中的传输与滞留机制提供了新的视角，强调了水动力条件和聚合物特性在微塑料分布中的重要作用。这些发现不仅有助于理解微塑料在淡水生态系统中的行为，也为未来的环境管理和政策制定提供了科学支持。