《Water Security》：Beyond abundance: A mechanistic ‘properties-to-behavior’ framework for microplastic fate, risk, and water security in aquatic ecosystems
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•微塑料的特性决定了其在水中的命运、生物可利用性和毒性。•氧化指数和ζ电位控制着污染物的结合和迁移。•塑料上的生物膜形成加剧了生态和病原风险。•从特性到行为的框架将颗粒特征与生态结果联系起来。•本研究提出了一个整合生态系统的微塑料风险缓解框架。引言塑料污染被认为是人类世最严重的环
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微塑料的特性决定了其在水中的命运、生物可利用性和毒性。
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氧化指数和ζ电位控制着污染物的结合和迁移。
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塑料上的生物膜形成加剧了生态和病原风险。
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从特性到行为的框架将颗粒特征与生态结果联系起来。
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本研究提出了一个整合生态系统的微塑料风险缓解框架。
引言
塑料污染被认为是人类世最严重的环境危机之一[1][2]。自20世纪50年代以来，全球塑料产量呈指数级增长，导致微塑料（MPs）在水生生态系统中的普遍存在[3]。现在，在从海洋到淡水环境的所有水域、沉积物、底栖区域和生物中都检测到了微塑料[4][5]。它们要么来自初级来源（例如，化妆品微珠、纺织纤维、工业颗粒），要么通过机械、光氧化和生物过程从较大的塑料碎片降解而来[6]。由于废水排放、城市径流、工业排放和农业回流的持续释放，微塑料已经从极地地区扩散到深海沉积物[7][8]。在固体废物分类和污水处理基础设施仍在发展的发展中国家，河流和市政排水系统成为微塑料污染的主要通道[5][9]。据报道，污水处理厂每天会释放150万到650万个微塑料颗粒，其中一部分会滞留在污泥中，这些污泥通常被用作肥料或填埋，从而形成了额外的释放途径[10][11]。
有充分的证据表明，由于微塑料的物理化学特性（大小、形状、聚合物类型、结晶度、表面化学性质和风化作用），它们对环境的影响尤为严重，而这些特性共同决定了它们的反应性和迁移行为[12]。这些小而形状不规则的颗粒具有更大的表面积和更好的吸附能力，可以促进污染物与土壤基质的结合，并提高土壤对微生物的吸收。风化作用导致的表面氧化和开裂改变了其疏水性和ζ电位，从而调节了颗粒的聚集和垂直迁移[5][13]。同时，微生物的定殖会形成生态冠层，改变颗粒的电荷，促进持久性有机污染物、重金属和抗生素的吸附[14]。通过这些机制，微塑料作为动态载体，在不同环境组分和营养级之间传输污染物。尽管基于微塑料的全球研究正在迅速发展，但目前主要集中在数量分析和聚合物鉴定上，而对这些特性如何决定其在环境中的命运、迁移和毒性的机制理解仍然有限。此外，采样、消化和检测方法上的差异进一步限制了数据的可比性和综合分析。《欧盟指令2019/904》和《印度塑料废物管理规则（2016年；2022年修订）》在《环境保护法（1986年）》的框架下制定，提出了通过分类和延长生产者责任来减少塑料负荷的政策框架，这些内容在其他地方有更详细的阐述[15]。然而，这些措施主要集中在数量控制上，侧重于材料的收集和回收，而不是解决导致持久性和生态风险的物理化学特性问题。为了应对这些挑战，本综述开发了一个从特性到行为的框架，将微塑料的特征与其环境迁移、转化和生态毒性后果联系起来。根据PSALSAR协议进行了系统性的文献综述（2000-2024年），涵盖了水生环境中的同行评审研究，以确定微塑料行为的关键物理、化学和生物学决定因素。本工作的目标是：（I）确定影响微塑料稳定性、迁移性和与共污染物相互作用的具体特性控制因素；（II）阐明这些相互作用如何驱动生物可利用性、生物积累和营养级转移；（III）提出一种统一的、以特性为中心的监测、建模和微塑料风险评估策略。通过将颗粒特定特征与环境反馈效应相结合，这种表征方法有助于从描述性量化转向预测性和基于特性的风险评估。所提出的框架可以为统一监测标准提供信息，并有助于制定基于证据的可持续塑料管理和循环经济转型的政策。
章节摘录
方法论
遵循PSALSAR（Protocol–Search–Appraisal–Synthesis–Analysis–Reporting）框架进行了系统综述，以识别和综合有关水生环境中微塑料的存在、特性和环境命运的研究。从2000年到2024年发表的同行评审文献通过Web of Science、Scopus、ScienceDirect、SpringerLink和Google Scholar检索，使用与微塑料来源、命运和生态毒性影响相关的布尔关键词组合进行筛选。
微塑料的研究现状
尽管过去二十年间微塑料的研究迅速增加，但这项文献计量分析揭示了几个明显的主题不平衡。第一波研究主要集中在1970至2000年代的海洋环境，研究内容反复涉及颗粒计数、尺寸阈值和聚合物鉴定[17][18]。第二波研究始于2010年代，伴随着拉曼显微镜（RM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术的快速进展。
微塑料的特性
微塑料的环境行为主要由物理、化学和微生物特性共同决定，这些特性构成了本框架中的“从特性到行为”的核心联系。这些特性决定了微塑料的浮力、可降解性和吸附反应性[36]。
微塑料在水生生态系统中的命运
在水生系统中，微塑料的命运不仅由被动扩散决定，还受到内在特性与水动力条件之间瞬时相互作用的影响。由环境介质层的密度和尺寸分布控制的稳定和动态过程决定了微塑料在水-沉积物-生物层之间的重新分布，以及其他特性，包括表面积、净电荷和由风化作用驱动的转化[23]。
微塑料的从特性到行为的框架
所提出的框架如图8所示，将微塑料的命运重新概念化为内在物理化学和生物特性的结果，而不仅仅是颗粒的数量。该框架整合了形态学、化学和微生物特性，解释了微塑料沿水生梯度的聚集、吸附和营养级迁移[21]。该框架表明，微塑料的命运是特定于环境的，由氧化作用、静电作用、生物膜生长和进展循环等因素决定，而不仅仅是聚合物类型。
研究的局限性
本综述存在某些局限性。文献搜索仅限于英文的同行评审出版物，可能存在一定程度的区域和语言偏见，并排除了相关的灰色文献。此外，PRI示例仅限于其物理和化学术语，因为生物膜覆盖率和微生物多样性尚未在汇编的微塑料文献中作为标准化的定量指标进行报告。
结论
本研究建立了一个基于微塑料数量与其物理化学和微生物特性之间关系的“从特性到行为”的机制框架，以重新概念化微塑料的命运。该框架结合了形态学、化学和微生物生物膜，阐明了在动态水生系统中的吸附、聚集和生物可利用性。分析表明，微塑料的行为在很大程度上受到这些特性的调控。
CRediT作者贡献声明
Sushma Kumari：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Chandana Narayanappa：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，方法论，资金获取，概念化。Atun Roy Choudhury：撰写 – 审稿与编辑，验证。Jitesh Lalwani：撰写 – 审稿与编辑，验证，概念化。Sumathi Sethupathi：
伦理批准
本文不包含任何涉及人类参与者或动物的研究。
资金
作者未从公共、商业或非营利机构获得任何特定的研究资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
Sushma Kumari|Chandana Narayanappa|Atun Roy Choudhury|Jitesh Lalwani|Sumathi Sethupathi|D. Daniel|Marcio Ferreira Martins
