# 多巴湖大型热带湖泊表层水与近岸沉积物中微塑料分布的时空格局：印度尼西亚多巴湖证据

《Scientifica》：Spatiotemporal Patterns of Microplastic Distribution in Surface Water and Nearshore Sediments of a Large Tropical Lake: Evidence From Lake Toba, Indonesia

　　

微塑料（MP）污染在淡水生态系统中的记录日益增多，但来自大型热带湖泊的湖泊尺度证据仍然有限。研究人员于旱季和雨季对印度尼西亚多巴湖21个站位的表层水和近岸沉积物中的微塑料（MP）进行了评估。表层水（雨季1.461 ± 0.836 vs. 旱季0.288 ± 0.110 particles m^?3）和沉积物（雨季3.14 ± 0.59 vs. 旱季1.26 ± 0.31 particles g^?1 dry weight）中的平均MP丰度均为雨季高于旱季。碎片（fragments）和粒径1000–2000 μm的颗粒占优势，黑色和蓝色颗粒合计占所观测MP的67%–68%。表层水丰度在北部湖区最高，而近岸沉积物丰度在南部湖区较高。这些对比性格局与湖内空间再分布和滞留一致，但迁移路径和沉积物聚焦（sediment focusing）过程并未直接测定。因此，水产养殖、捕捞、旅游和家庭活动仅作为潜在而非已确认的来源进行讨论。本研究提供了首个整合多巴湖表层水和近岸沉积物的季节性分辨、全湖基线，并确定了来源特异性监测和水动力学调查的优先方向。

**研究背景与问题**

塑料污染已成为全球性环境挑战，每年进入水生系统的塑料超过1400万吨，塑料产量从20世纪50年代的约150万吨/年增至2022年的逾4亿吨。塑料进入环境后持久存在并逐步破碎为微塑料（microplastics, MPs），威胁水生生态系统、生物多样性和人类健康。MP通常定义为粒径小于5 mm的合成聚合物颗粒，但其实际检出粒径范围取决于采样与分析方法的操作下限。湖泊MP研究虽已显著扩展，但针对大型热带湖泊、空间覆盖广且具季节分辨率、同时考察水体与沉积物的研究仍相对少见。湖内环流、颗粒性质、生物污损、聚集和沉积条件可能使表层水与沉积物中的浓度发生解耦，而此类机制仅靠空间调查难以直接评估。在印度尼西亚，MP研究主要集中于海洋和河口环境，湖泊系统研究稀少，且多局限于少数站点。多巴湖作为东南亚最大的火山湖，此前尚未开展MP分布或沉积物聚焦评估，构成热带地区大型湖泊MP研究的关键知识空白。为此，研究人员提出两个假设：（1）MP丰度在两个环境基质中均随湖区不同而变化；（2）MP丰度在旱季与雨季之间存在差异，并评估所观测的水—沉积物格局是否与潜在人为输入和湖内再分布相一致。

**关键技术方法**

研究人员在多巴湖北部、东部、南部和西部四个湖区布设21个站位，覆盖浮动网箱养殖区、主要旅游区、最大河流入湖口、唯一地表出流口及人口密集岸线等对比性土地利用与水文环境，于8月（旱季）和12月（雨季）采样。表层水采用口径60 cm、孔径300 μm的Bongo网配合校准流量计拖曳采集，每个站位过滤约1037.14 ± 94.29 m³水体；近岸沉积物以不锈钢铲采集0–5 cm表层、水深约2–5 m处约500 g样品。实验室经5 mm与300 μm不锈钢筛分级、饱和NaCl溶液（ρ = 1.2 g cm^?3）密度分离、30%过氧化氢（H₂O₂）氧化消解、过滤后于体视显微镜下观察分类，并对16个样品（84个环境样品的19%）中的44颗颗粒采用衰减全反射—傅里叶变换红外光谱（ATR–FTIR）进行聚合物鉴定。研究设置4个程序空白进行质量控制，数据以Kruskal–Wallis检验及Dunn事后检验等非参数方法分析，显著性水平p < 0.05。

**研究结果**

3.1 空间与季节格局概览：在21个站位中，表层水MP丰度雨季高于旱季，北部湖区旱季为0.191–0.629 particles m^?3（0.364 ± 0.169），雨季为1.500–3.570 particles m^?3（2.334 ± 0.672）；西部、东部、南部湖区旱季均值分别为0.237 ± 0.038、0.267 ± 0.109、0.269 ± 0.044 particles m^?3，雨季分别为1.461 ± 0.262、1.492 ± 0.303、1.724 ± 0.305 particles m^?3。近岸沉积物丰度以南部湖区最高，旱季为1.01–1.91 particles g^?1 dry weight（1.514 ± 0.374），雨季为2.79–4.33 particles g^?1 dry weight（3.666 ± 0.653）；北部、东部、西部湖区旱季均值分别为1.048 ± 0.160、1.248 ± 0.273、3.088 ± 0.560 particles g^?1 dry weight，雨季分别为2.628 ± 0.355、1.280 ± 0.326、3.270 ± 0.385 particles g^?1 dry weight。旱季区域差异不显著（p > 0.05），雨季丰度在各湖区之间存在差异（水体p = 0.025，沉积物p = 0.037），北部与南部湖区区别于其他湖区。两个基质中MP丰度均持续表现为雨季更高，且雨季各站位间变异更大，尤其在表层水中。

3.2 MP特征：表层水记录到碎片、纤维、薄膜和归类为颗粒（pellets）的圆形颗粒四种形态，检出粒径为300–5000 μm，圆形颗粒仅见于雨季（300–2000 μm），1000–2000 μm为最常记录的粒径组，粒径组间比较不显著（p = 0.282），其他粒径类别间比较亦不显著（p = 0.965）。近岸沉积物记录到五种形态（增加泡沫），整体以1000–2000 μm粒径组占优，粒径分布在各湖区（p = 0.793）和季节（p = 0.290）间均无显著差异。颜色方面，黑色颗粒占表层水MP的43.29%、沉积物的23.80%，蓝色分别占23.80%和24.96%，黑色和蓝色与较少见颜色间存在差异（p < 0.05）。碎片在两基质中均为优势形态，表层水为0.269–2.500 particles m^?3（0.877 ± 0.576），沉积物为0.80–4.26 particles g^?1 dry weight（2.109 ± 0.166）；纤维在表层水为0.025–0.896 particles m^?3（0.133 ± 0.161），沉积物为0–0.31 particles g^?1 dry weight（0.034 ± 1.074）；薄膜、圆形颗粒和泡沫丰度较低，泡沫未见于水体、仅痕量见于沉积物，形态间差异显著（p < 0.05）。ATR–FTIR分析子集中，聚乙烯（polyethylene, PE; 44.44%）和聚丙烯（polypropylene, PP; 37.04%）最常见，其次为聚氯乙烯（polyvinyl chloride, PVC; 7.41%）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate, PET; 7.41%）和聚酰胺（polyamide, PA; 3.70%），该比例仅代表分析子集。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究提供了首个整合多巴湖表层水与近岸沉积物的全湖、季节分辨评估。21站位设计涵盖对比性湖区、土地利用与水文环境，为所采样组分与生境建立基线，但不代表约300 μm以下MP、垂直水柱或深盆沉积物。表层水样品共鉴定9734颗疑似MP颗粒（过滤水样16207.86 m³），沉积物共提取9239颗（4200 g），碎片分别占水体MP的80.23%和沉积物的95.89%，与大型塑料破碎为淡水系统重要途径相一致；退化消费品、渔业与水产养殖材料、旅游相关废弃物及生活垃圾为可能贡献者，但未开展正式来源解析，故仅作为潜在来源。与全球其他湖泊比较，多巴湖表层水浓度低于松山湖、程海和汤逊湖近岸水体，但研究采用300 μm Bongo网而多项研究使用更细滤膜或直接采水，故不能直接判定污染程度更低；沉积物丰度高于松山湖、程海、查帕拉湖和加拿大半偏远北方湖泊，低于高度城市化的汤逊湖，处于受扰动较轻或中等影响湖泊与强城市化湖泊之间。表层水丰度相对较低而沉积物丰度较高的组合与颗粒滞留和沉降相一致，但需沉积物捕获器、水动力测量或定年沉积柱确认才能证明盆地尺度沉积物聚焦。碎片优势可能与包装、生活垃圾、旅游、渔业、水产养殖及岸线活动相关，但形态本身不能识别具体来源。PE和PP的普遍检出与包装、容器、绳索、渔业与水产养殖设备等用途相符，风化、生物污损、聚集及粪粒结合可提高其有效密度并促进沉积，但聚合物鉴定仅覆盖16个样品，应视为分析子集的描述。空间上，表层水丰度高值出现在北部Haranggaol（站位2）和Silalahi（站位13）等集约化浮动网箱养殖区附近，沉积物丰度南部高于北部，可能与局部输入、岸线滞留、再悬浮、颗粒密度、生物污损、聚集或环流有关；人口较多的Pangururan（站位21，35692人）和Balige（站位8，46585人）附近站位丰度高于Lottung（3439人）等低人口地点，但人口未作为独立因果预测因子检验。季节上，表层水雨季丰度约为旱季五倍，与降雨驱动的流域径流、支流排放、侵蚀及流域内塑料碎屑再活化相符；查帕拉湖在低水位期浓度最高的对比表明MP动态具有湖泊特异性，深水热带湖泊可能更受雨季降雨驱动输入影响，但水文流量与降雨未同步定量，径流仅为合理解释而非直接证明机制。旅游中心Parapat和Tomok部分站位亦呈较高值。管理应优先开展旅游中心、网箱养殖区、河口、人口密集岸线和参照点的来源清单与常规监测，结合改进固废收集、旅游与养殖设施垃圾控制、径流拦截及跨季节、跨深度标准化监测；本研究未评估饮水暴露、生物摄取、毒性、病原体或吸附化学物质，故不能量化健康或生态风险。结论指出，本研究提供了多巴湖表层水与近岸沉积物MP的首个全湖、双季节基线，两基质中雨季丰度更高、碎片占优、表层水与近岸沉积物峰值出现在不同湖区；这些格局与多重局地输入和可能的湖内再分布一致，但未直接证明来源贡献、向湖下输运、风驱动环流或沉积物聚焦。管理优先事项包括加强人口密集岸线、旅游中心、河口和网箱养殖区周边的废物控制及标准化多深度监测；解决机制与生态意义需水动力测量、深盆沉积物、更广泛的光谱确证及明确的QA/QC校正。