城市径流中微塑料与重金属协同污染特征及环境排放通量研究

本研究针对城市径流中微塑料(MPs)污染问题，通过分步过滤与成像FPA-FTIR光谱技术，解析了芬兰库奥皮奥地区不同城市功能区径流中微塑料的浓度、聚合物组成及排放通量，首次揭示微塑料与镍、锌、铅等重金属的强相关性，提出雪堆场是夏季持续性微塑料释放源，为城市水环境治理提供关键科学依据。

　　

随着全球塑料年产量的持续攀升（2019年已达4.6亿吨），大量塑料废弃物通过环境迁移进入水生态系统，其中城市径流被视为微塑料（Microplastics, MPs）向自然水体输送的重要途径。尽管河流每年向海洋输送约241万吨塑料垃圾，但城市淡水系统中微塑料的迁移机制与通量仍缺乏系统研究。尤其在北极城市环境中，积雪堆放场夏季持续释放污染物、降雨事件的不确定性以及传统研究方法采样体积受限（通常仅2-50L）等问题，严重制约了对城市径流微塑料污染规律的认知。

为破解这些难题，芬兰东芬兰大学技术物理系的Tuomo Soininen和Arto Koistinen团队在《Science of The Total Environment》上发表研究，通过创新性地采用分步过滤系统与成像FPA-FTIR（焦平面阵列-傅里叶变换红外光谱）技术，对库奥皮奥市四个典型功能区（雪堆场、市中心、郊区及混合区域）的径流水体进行大体积采样（50-100L），同步分析微塑料与重金属、营养盐、固体物质的关联性，首次量化了单次降雨事件中微塑料的颗粒与质量排放通量。

关键技术方法包括：1) 使用电池泵与分步过滤系统（预过滤孔径1×2mm，分级滤膜50-315μm）采集大体积径流样本（n=21）；2) 成像FPA-FTIR光谱结合siMPle软件自动识别聚合物类型（PP/PE/PS等）并计算颗粒数量与质量；3) 超声流量计监测径流动态；4) 氢 peroxide氧化与密度分离（钠聚钨酸盐，密度1.8 g/cm3）预处理样本；5) TXRF技术分析重金属含量。

3.1 微塑料浓度、排放估算与聚合物类型

研究发现微塑料浓度波动极大（0.6-46 MPs/L），平均尺寸为185±215μm。雪堆场（Site A）呈现极高的聚丙烯（PP）主导比例（94%），而市中心（Site B）在一次降雨中暴发聚苯乙烯（PS）污染潮，推测与建筑工地泡沫塑料使用相关。单次降雨事件向环境排放的微塑料高达23.4×10⁶颗粒和62.5g质量，证实城市径流是局部水体的重要点源污染。

3.2 固体物质、营养盐与金属浓度

共48次采样显示，市中心站点（B）的铜、锌浓度显著超过斯德哥尔摩省指南值（p<0.05），其中铜均值达41.97μg/L（指南值18μg/L），锌均值175.7μg/L（指南值75μg/L）。固体物质与总磷、重金属呈中度至高度相关，但与总氮关联性弱。

3.3 微塑料与其他成分的相关性

微塑料颗粒浓度与镍呈现强斯皮尔曼相关性（0.75），与锌、铅呈中度相关（0.44-0.45）。微塑料质量浓度则与固体物质（0.69）、总磷（0.65）及多种重金属（铜0.61、铅0.62、锌0.72、镍0.8）高度相关，表明微塑料与这些污染物在径流中具有协同迁移特征。

研究结论强调：城市径流是微塑料和重金属进入水生生态系统的重要通道，尤其雪堆场在夏季持续释放微塑料而非依赖降雨事件。微塑料与固体物质、磷及重金属的强相关性提示，简单的物理过滤技术（如滞留池、砂滤或生物炭过滤）可同步去除多种污染物。本研究首次揭示北极城市环境中年微塑料排放规律，为开发自动化监测技术和针对性治理措施提供了关键数据支撑，对应对气候变化下极端降雨事件增加的污染风险具有重要预警意义。