《Journal of Hazardous Materials》：Beyond the surface: Stratification and turnover control microplastic dynamics in a seasonally ice-covered sentinel lake
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本文研究了季节性冰封湖泊中微塑料(mp)的垂向分布动态。研究人员通过对加拿大安大略省Harp湖为期15个月的监测发现，热力分层和湖水周转是调控微塑料累积与再分布的关键因素。研究表明，仅进行表层水采样会导致全湖微塑料浓度被低估高达85%，这为淡水生态系统微塑料评估和质量平衡模型提供了重要方法论启示。
在塑料制品广泛应用的背景下，微塑料（粒径<5 mm）作为一种新兴污染物已引起全球关注。淡水湖泊作为全球塑料循环的关键环节，既能输送也能收集和积累微塑料。然而，目前对微塑料在湖泊中的垂向和季节性分布规律仍知之甚少，特别是在季节性冰封湖泊中。大多数研究仅限于湖泊表层采样，这可能产生偏差估计。热力分层（thermal stratification）和冰盖等季节性过程如何影响微塑料的动态分布，成为亟待解决的科学问题。
为探究这一问题，研究人员在加拿大安大略省的Harp湖（一个具有50年监测历史的哨兵湖泊）开展了为期15个月（2022年6月至2023年8月）的深入研究。该研究通过每月采集不同深度的水样（包括透光层epilimnion、温跃层metalimnion和深水层hypolimnion），并在冰封期末采集雪和冰样品，系统分析了微塑料的分布特征。
研究发现，微塑料浓度呈现显著的季节性和垂向变化。在夏季分层期间，深水层微塑料浓度最高（20.8 ± 8.0 mp/L），而在冬季冰封期末，雪和冰中微塑料浓度达到峰值（22.7 ± 20.2 mp/L）。在春季融冰和湖水周转后，微塑料浓度降至最低（5.21-6.37 mp/L）。这表明分层或冰盖期间，表层采样会显著低估全湖微塑料浓度（高达85%）。此外，研究还观察到颗粒大小、形态和聚合物组成的显著年际变异，2022年微塑料浓度和碎片尺寸均高于2023年，提示存在急性局部输入源。
关键技术方法
研究采用立体显微镜（35倍放大）进行微塑料视觉识别（尺寸检测>50 μm），并通过热针测试（hot needle test）和微傅里叶变换红外光谱（micro-Fourier Transform Infrared spectroscopy, FTIR）进行聚合物鉴定。利用激发-发射矩阵荧光光谱（excitation-emission matrix fluorescence spectroscopy, EEMs）分析溶解性有机质特征，以追溯冰层来源。通过体积加权法估算全湖微塑料浓度，并采用非参数统计检验分析差异。
3. 结果
3.1. 无冰期
2022年无冰期全湖微塑料平均浓度（14.01 ± 6.32 mp/L）显著高于2023年（4.31 ± 1.45 mp/L）。2022年观察到明显的垂向分层现象，深水层浓度显著高于表层水；而2023年未出现明显分层。碎片（fragment）为优势形态（平均占比72%），2022年碎片平均长度（305 ± 226 μm）大于2023年（195 ± 158 μm）。聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）是主要聚合物类型（79%）。
3.2. 冰封期
雪中微塑料计数浓度（22.74 ± 20.15 mp/L）显著高于湖水中相应值。雪和冰的溶解性有机质特征相似且不同于湖水，表明其来源为大气输入。微塑料在雪冰中的平均沉积通量为36.1 mp/m2/天。冰封期碎片长度（雪冰中195 ± 296 μm）显著大于湖水（110 ± 100 μm）。雪中以聚丙烯（polypropylene, 53%）为主，而湖水中以聚对苯二甲酸乙二醇酯（89%）为主。
3.3. 冰封期与无冰期对比
无冰期湖水微塑料浓度高于冰封期，但无显著差异。无冰期碎片比例（78-80%）高于冰封期（52%）。无冰期碎片长度显著大于冰封期。两个时期均以聚对苯二甲酸乙二醇酯为优势聚合物。
4. 讨论
本研究首次系统揭示了温带淡水湖中微塑料的时空分布受热力分层和冰盖调控的机制。雪、冰和分层期间的深水层作为微塑料的临时储库，在春季融冰和湖水周转时释放微塑料，导致浓度降低。垂向分层的年际差异（2022年存在而2023年缺失）可能与急性局部输入源有关。碎片优势及聚合物组成差异进一步佐证了不同来源（大气输入vs.局部人为活动）的贡献。表层采样会严重低估全湖微塑料库存，强调需进行深度积分采样。
5. 结论
研究表明，季节性过程和垂向异质性必须纳入淡水系统微塑料预算评估。冰盖和分层是调控微塑料动态的关键因素，而表层采样代表性不足。长期监测和全水柱采样对于准确评估微塑料的归趋及制定管理策略至关重要。
环境启示
本研究为湖泊微塑料监测方案和质量平衡模型提供了重要科学依据。雪、冰和深层水作为微塑料临时储库的发现，对理解微塑料在冰冻圈中的行为及其在气候变化背景下的演化具有启示意义。
