《Process Safety and Environmental Protection》：Study on the removal and ecological risk of microplastics in road runoff by collapsible loess bioretention facilities
编辑推荐：
本研究以庆阳市道路下方的可压缩黄土海绵设施为对象，分析了不同降雨期间微塑料（MPs）的去除效率及生态风险降低效果。结果显示，MPs去除率介于43.15%至72.42%，其中PET、纤维及20-50μm颗粒的去除率最高（72.85%、69.96%、62.14%）。该设施可有效降低MPs的生态风险，建议优化黄土填料以提高性能。
王晓娟|闫亚萍|宋西晨|周建强|刘秀云|张婷婷|高素霞|李家鹏|刘建林|曹连宝|李伟|魏碧贵
兰州交通大学环境与市政工程学院，中国甘肃省兰州市730070
摘要
由于汽车活动和人类活动，城市径流成为水环境中微塑料（MPs）污染的主要来源。本研究以庆阳市道路上铺设的可折叠黄土生物滞留设施作为研究对象，分析了这些设施在不同降雨期间对径流中微塑料的去除效果以及生态风险的降低程度。研究结果表明，微塑料的去除率在43.15%至72.42%之间。其中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、纤维以及粒径为20~50μm的微塑料的去除率最高，分别为72.85%、69.96%和62.14%。这些设施能够有效降低微塑料带来的生态风险。未来，改进可折叠黄土填充材料将有助于提高其稳定性和净化性能，为西北黄土高原地区城市径流中微塑料的高效去除及生态风险控制提供理论基础。
引言
微塑料（MPs，粒径≤5μm）是一类新的污染物，目前已成为全球性的环境问题（Viaroli等人，2022年）。雨水径流是将微塑料从陆地转移到各种水体的主要途径。水生环境被认为是微塑料最普遍存在的环境（Shruti等人，2021年）。近年来，人们对雨水径流中微塑料污染的关注日益增加，有研究表明日内瓦湖每年通过雨水径流释放的微塑料量约为8.9吨，超过了大气沉降和污水处理设施排放量的总和（Boucher等人，2019年）。城市径流中的微塑料来源包括塑料碎片、轮胎磨损颗粒、道路灰尘、建筑废弃物残留物、工业废物的渗滤液、合成纺织品洗涤过程中释放的纤维、聚合物油漆碎片以及大气沉降物（Jiao等人，2024年）。道路油漆老化、车辆磨损和轮胎碎片是雨水径流中微塑料的主要来源。武汉（Sang等人，2021年）、香港（Mak等人，2020年）、法国巴黎（Robin等人，2021年）、澳大利亚维多利亚州（Su等人，2020年）和墨西哥（Pinon-Colin等人，2020年）的城市雨水径流中均含有微塑料，其浓度分别为2.75~19.04颗粒/L、1.4~6.8颗粒/L、7~134颗粒/L、20.6~529.3颗粒/L和66~191颗粒/L。加拿大Vaughan停车场雨水径流中的微塑料浓度达到了186±173颗粒/L（Smyth等人，2021年）。Chen等人（2020年）研究了雨水排放系统中的微塑料浓度，范围为130±30至8,500±1,241颗粒/L。Zhang等人（2023年）对中国北京市不同降雨期间居民区雨水径流中的微塑料浓度进行了研究，发现其浓度在0.6~18.6颗粒/L之间。Jayalakshmamma等人（2023年）从美国新泽西州纽瓦克收集的雨水径流样本中检测到微塑料浓度为23~168.7颗粒/L。上述研究表明，雨水径流是接收水体中微塑料的重要来源，为减少微塑料进入水体提供了干预措施的基础。
由于水力条件和重力的共同作用，微塑料会在土壤和水环境中积累（Kara和Erkan，2025年）。研究表明，城市雨水径流中的污染物成分比其他环境介质（如废水、湖泊和农业径流）更为复杂（Grbi?等人，2020年）。微塑料进入水生环境后会携带多种有害物质，威胁水生生物。它们还会通过接触生物体进入食物链或食物网，从而导致次生危害，最终影响生态系统的组成和功能（Yan等人，2021年）。微塑料会对水生动物造成肠道损伤，引发炎症反应，并扰乱生物体内的能量流动（Najibzadeh等人，2025年）。因此，雨水径流中微塑料的生态毒性效应不容忽视。水生生物会无意中摄入微塑料，这些微塑料会在其体内持续积累，影响其营养吸收和多种生物功能，包括生殖、内分泌、呼吸和免疫系统。微塑料不仅是环境污染的产物，还可能构成公共卫生隐患（Jiang等人，2025年；Zhu等人，2025年）。
为减少微塑料及其携带的污染物在环境介质中的扩散所造成的生态毒性效应，可采用两种方法：源头控制和过程控制（Barboza等人，2018年）。源头控制主要通过清扫街道来减少道路表面的微塑料和污染物负荷，从而从源头上减少雨水径流。过程控制则利用粗颗粒捕捉装置拦截和阻挡进入雨水的微塑料，或通过拦截和沉淀去除悬浮颗粒物。因此，生物滞留设施因其兼具减少径流和控制污染物的双重功能而在城市雨水管理中得到应用（Knappenberger等人，2022年；Smyth等人，2021年）。目前关于生物滞留设施中微塑料去除效果的研究较少。有研究表明，使用生物滞留设施可去除83%~95%的微塑料（Gilbreath等人，2019年）。Lange等人（2021年和2022年）研究了瑞典无植被的生物滞留设施，发现添加0.5米深的沙子填充材料后，20~100μm和100~200μm微塑料的去除率分别为96.9%和62.5%。Werbowski等人（2021年）和Smyth等人（2021年）发现，当沙子和土壤填充物中的沙子含量为70%时，微塑料的去除率可超过91%；而当沙子含量为62%时，仅去除84%的微塑料。不同生物滞留设施的微塑料去除效率存在差异。本研究选择的生物滞留设施基于黄土制成。虽然以往的研究多集中在利用改良型可折叠黄土去除雨水径流中的氮，但针对可折叠黄土生物滞留设施中微塑料去除效果和风险评估的研究较少。
本研究聚焦于中国甘肃省陇东黄土高原庆阳市建设的一种可折叠黄土生物滞留设施。研究内容包括：评估降雨径流中微塑料的分布情况以及生物滞留设施的去除效果；分析微塑料去除前后的潜在生态风险；探讨降雨条件对可折叠黄土生物滞留设施去除微塑料的影响，并提出改进该设施填充材料的方法。这不仅满足了城市雨水污染控制的实际需求，也为研究微塑料的环境行为和水生生态系统健康提供了新的切入点。从理论和实践角度来看，促进中国西北黄土高原地区生物滞留设施的技术创新和可持续发展具有重要意义。
研究区域概述
研究区域位于甘肃省东部的黄土高原庆阳市，属于北温带半湿润半干旱气候区，冬季漫长寒冷，夏季短暂且温度不高。庆阳市的年平均降水量在414~592毫米之间。每年7月初至8月为雨季，此期间降水量呈现“单峰”分布特征。
可折叠黄土生物滞留设施进出口处微塑料的丰度分布
图3.1（a）~（d）展示了不同降雨期间道路表面生物滞留设施进出口处不同聚合物的丰度分布。从图中可以看出，四种样本中聚合物的丰度最高的是ACR（1106颗粒/L）、FMQ（260颗粒/L）、CPE（239颗粒/L）和PU/FKM（149颗粒/L）。研究表明，雨水径流中的聚合物种类会随降雨情况而变化。结论
本研究以中国甘肃省庆阳市的可折叠黄土生物滞留设施为研究对象，分析了不同降雨期间该设施对微塑料的去除效果及生态风险评估。主要结论如下：
1) 生物滞留设施进出口处的微塑料浓度分别为1008~4006颗粒/L和287~1105颗粒/L，其中进口处的微塑料主要为黑色。
数据说明
研究数据已纳入论文。资金来源
本研究得到了甘肃省教育部门的资助：产业支持项目[2025CYZC-24]、甘肃省教育部门：高校科研创新平台重大项目[2024CXPT-14]、国家自然科学基金[编号：52060014]、兰州交通大学青年研究基金[2024062]。未引用的参考文献
(Grbi?等人，2020年；Jordyn Wolfand，2023年；Khodabandeh，2023年；Mai和Huang，2020年；Wang等人，2023年；Yuan等人，2022年；Zhang等人，2023年)
作者贡献声明
周建强：软件开发、数据整理。宋西晨：软件开发、数据整理。闫亚萍：软件开发、数据整理。魏碧贵：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹集。王晓娟：撰写、初稿撰写、方法设计、数据整理。李伟：数据调查。曹连宝：数据调查。刘建林：数据调查。李家鹏：数据调查。高素霞：数据分析。张婷婷：项目管理、资金筹集。刘秀云：软件开发、数据整理。利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
