浊流驱动下合成微纤维的传输机制：从平滑床面到宏观粗糙度的转变研究

本研究针对微塑料污染中的微纤维(MFs)在浊流(turbidity currents)中的传输动力学问题，通过水槽实验系统探究了床面粗糙度(d50)和水深(H)对PET微纤维沉降特性的影响。研究人员首次建立了包含床面颗粒度、MFs沉降速度(WF)、Corey形状因子(csf)的非维度模型，揭示了MFs在从河流到海洋环境中的长距离传输机制，为预测塑料污染分布提供了新思路。

　　

在全球塑料污染日益严重的背景下，微塑料(MPs)特别是微纤维(MFs)的环境行为备受关注。这些直径小于5mm的合成纤维因其高长径比、柔韧性和低密度等特性，在水环境中表现出独特的传输和沉降模式。尽管已有研究证实浊流(turbidity currents)是MPs长距离传输的重要载体，但关于MFs在复杂床面条件下的传输机制仍存在显著知识空白。

意大利佛罗伦萨大学(University of Florence)土木与环境工程系的研究团队在《Marine Pollution Bulletin》发表的最新研究中，通过锁交换水槽(lock-exchange flume)实验系统，首次揭示了从微观到宏观粗糙度(d₅₀=5.67-60.87mm)床面条件下，三种不同形态PET微纤维(5×0.025mm、5×0.045mm、3×0.045mm)的传输规律。研究创新性地建立了包含流体动力学参数和MF特性的预测模型，为理解真实环境中塑料污染物的归宿提供了重要工具。

研究采用4.4米长实验水槽，设置7种不同粗糙度床面和3种水深条件(H=87-263mm)，通过CCD相机追踪浊流前锋速度(V_F)，并利用沉积物陷阱收集MFs。关键技术包括：(1)锁交换技术模拟浊流形成；(2)高精度光学显微镜(ZEISS SteREO Discovery.V12)定量MFs；(3)Corey形状因子(csf)表征纤维形态；(4)Manning方程计算剪切速度(u*)；(5)Rouse数(P_F=W_F/k·u*)分析颗粒输运模式。

研究结果部分：

1. 浊流前锋动力学：发现V_F与d₅₀/H呈线性负相关(R²=0.76)，宏观粗糙度(d₅₀=60.87mm)使惯性区缩短至x～150cm，而平滑床面可达x～300cm。

2. 微纤维沉降特征：MFs沉积百分比沿水槽呈指数衰减，特征距离ΔX与纤维直径显著相关。细纤维(d_F=0.025mm)的ΔX(100-140cm)远超粗纤维(40-50cm)，显示柔韧性对悬浮能力的提升作用。

3. 预测模型构建：建立非维度关系式ΔX/H=0.091·(V_F/W_F·csf)-0.307(R²=0.95)，首次将床面颗粒度、纤维沉降速度和形态特征统一量化。

讨论部分强调，该研究对理解河口和近岸环境中MFs的"分选效应"具有重要启示：细纤维更易被输运至远海，而粗纤维易在粗糙床面区滞留。模型可应用于城市合流制溢流系统(first flush)中微塑料-污染物复合体的传输预测。研究同时指出，床面粗糙度通过增强机械破碎(abrasion)可能加速MFs的二次微塑料化，这一发现对评估底栖生态系统风险具有直接意义。

这项研究突破了传统浊流研究仅关注平滑床面的局限，为复杂自然环境下微塑料传输模型的建立提供了关键参数。未来研究可进一步结合生物膜(biofouling)效应，完善对实际环境中MFs归宿的预测能力。