从陆地到海洋：基于GIS水文溯源技术的海岸带沉积物微塑料污染源解析

本研究针对陆源微塑料(MPs)入海路径不清的难题，开发了基于地理信息系统(GIS)的水文溯源方法，通过分析丹麦13个海岸监测站的沉积物样本（≥10 μm），结合FPA-μFTIR成像技术，揭示了污水处理厂出水与PVC/纤维、雨水径流与聚丙烯(PP)的显著相关性。该研究为海岸带MPs治理提供了源头追溯新工具，发表于《Environmental Research》。

　　

塑料污染已成为全球性环境问题，其中粒径≤5 mm的微塑料(MPs)因其持久性和潜在生态风险备受关注。尽管海洋被认为是MPs的最终归宿，但约80%的海洋塑料实际来自陆地，通过河流网络输送入海。然而，在丹麦这样的多水系国家，复杂的水文网络使得精准追溯MPs的陆源输入路径成为巨大挑战。现有研究多局限于单一河流或少数聚合物类型，缺乏国家尺度的系统性溯源方法。

针对这一空白，丹麦环境保护署的研究团队在《Environmental Research》发表研究，创新性地将地理信息系统(GIS)与水文建模结合，开发了一套海岸带MPs溯源技术。团队采集了丹麦13个海岸监测站的沉积物样本，通过改进的FPA-μFTIR（焦平面阵列傅里叶变换红外光谱）成像技术分析MPs特征，并构建全国尺度的几何网络模型，追踪了5,918个潜在污染源（包括雨水排放口、污水处理厂出水和合流制溢流点）的传输路径。

关键技术方法
研究采用HAPs岩芯采样器获取海岸沉积物，通过气浮法提取MPs以减少破碎风险。小粒径MPs（10-500 μm）采用128×128像素FPA-μFTIR成像（5.5 μm分辨率），大粒径（500-2000 μm）通过ATR-FTIR表征。利用ArcGIS 10.8构建几何网络模型，基于最小成本算法计算MPs传输距离。质量控制包括HEPA过滤实验室环境和空白样校正。

研究结果

3.1 环境微塑料特征
所有站点均检出MPs，浓度范围508-23,340 items/kg。聚丙烯(PP)在数量上占优（图4B），而聚乙烯(PE)质量占比最高。值得注意的是，密度低于海水的"轻质MPs"在S8、S11等站点占比超70%（图4E），颠覆了密度决定沉降的传统认知。纤维占比16.9%，其中聚丙烯腈(PAN)纤维最长，而PVC碎片质量最大（91 μm中值粒径，49 ng中值质量）。

3.2 水文溯源关联性
GIS模型成功识别出三类关键污染源：

1. 污水处理厂出水与纤维/PVC显著正相关（p<0.05），可能与丹麦1970年代PVC污水管网老化有关；
2. 雨水径流和合流制溢流(CSO)事件频率与PP含量呈正相关；
3. 生化需氧量(BOD)高的出水点更易释放纤维，反映二级处理不彻底的影响。

4 方法论优势与局限
相比传统水动力模型，该GIS方法在国家级尺度上展现出独特优势：

• 整合多元污染源（点源/非点源）和20种聚合物数据；
• 仅需基础水文数据即可实现快速筛查；
• 可视化传输路径助力精准布点监测。
  但该方法未考虑沉积-再悬浮过程，对绝对浓度预测存在局限，更适合作为前期筛查工具。

结论与展望
该研究首次在丹麦全境尺度上证实了内陆排放与海岸MPs的聚合物特异性关联：污水处理厂是纤维/PVC的主要来源，而城市雨水管网输送大量PP。提出的GIS溯源框架为环境管理部门提供了三方面决策支持：

1. 优先升级高BOD出水的污水处理工艺；
2. 在PVC管网密集区实施管道更换计划；
3. 针对PP污染加强雨水径流拦截设施建设。
   未来可结合水动力模型对重点流域进行精细化模拟，推动"源头-路径-汇"的全链条治理。这项研究不仅为海岸带塑料污染治理提供了新范式，其方法论更可推广至全球类似水文条件的地区。