《Journal of Hazardous Materials Advances》：Micro- and Nano-plastics in the Global Cryosphere: Sources, Transport, Distribution, and Impacts
微塑料和纳米塑料（MNPs）是持久性污染物，现已在全球冰冻圈中检测到，包括高山积雪、喜马拉雅冰川、北极海冰和南极积雪。本综述综合了2010-2026年关于雪冰系统中MNPs的赋存、来源、传输路径和危害相关影响的证据。当前观测表明，大气沉降是到达偏远冰冻圈区域的主要输送途径，极地和高山站点的轨迹分析和沉降测量支持了这一结论。海洋环流和海冰过程提供了额外的路径和临时储存。报告中的浓度和聚合物类型在不同区域和研究中差异很大，反映了采样设计、污染控制和分析检测限的差异。冰冻圈既是汇也是延迟的二次源：季节性和长期融化可以重新动员历史储存的颗粒进入下游水生生态系统。新出现的证据表明对食物网和雪/冰反照率有潜在影响。优先需求包括统一的方法、改进的纳米塑料定量、长期监测以及综合冰冻圈-塑料质量平衡模型，以加强环境风险评估。
**Introduction**
人为塑料碎片已广泛存在于偏远环境，如极地冰盖、高山冰川和远程雪堆，突显了塑料污染的全球性。自20世纪中叶大规模生产以来，塑料累积产量超90亿吨，年产量超4亿吨，大量废物进入环境后经紫外线、机械磨损和热循环逐渐碎裂为微塑料（MPs，<5 mm）和纳米塑料（NPs，<1 μm），统称微塑料和纳米塑料（MNPs）。全球冰冻圈（冰川、冰盖、海冰、永久冻土和季节性积雪）储存约70%淡水，通过高反照率调节气候并驱动洋流，现已成为塑料污染的重要汇。该综述基于Obbard等（2014）首次量化北极海冰中MPs浓度并发现远超表层海水，以及Bergmann等（2019）对阿尔卑斯山至北极弗拉姆海峡的MPs记录，将研究扩展至高山、北极和南极系统。综述目标包括：（1）批判评估冰冻圈MNP和纳米塑料的分析方法，包括检测限和可靠性；（2）综合各冰冻圈组分的MNP赋存，明确数据空白；（3）区分远程大气和海洋输送与局部近源贡献；（4）评估生态系统和表面能量平衡影响，区分实测与模型推测；（5）优先确定最紧迫的知识空白。
**Sources and Emission Pathways**
**Oceanic Sources and Sea-Ice Incorporation**
全球海洋汇估计含有数万吨至数十万吨塑料碎片，是极地海冰的关键近源。北大西洋洋流和穿极漂流将海洋塑料碎片输送到北极水域。在海冰形成过程中，盐水排斥作用浓缩溶解和颗粒物质，从水柱中清除MPs并纳入冰基质，导致海冰中MPs浓度比下层海水高出数个数量级。
**Global Plastic Production and Primary Sources**
主要塑料生产以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）为主，这些聚合物均已在冰冻圈样品中检出。初级微塑料（如化妆品微珠和预生产塑料颗粒）相对次要，次级微塑料由大塑料碎裂产生。城市、农业和工业区是大气MNPs的主要陆地源，合成纺织纤维（如洗涤释放）在阿尔卑斯山、北极和南极雪样中普遍存在。轮胎磨损颗粒和道路粉尘也是重要大气MPs来源，交通密度与城市大气MPs浓度相关。农业塑料地膜降解和土壤MPs再悬浮也贡献显著。
**Local and Proximal Sources**
尽管远程传输将MNPs带到最偏远冰冻圈，局部近源（如高山地区、峡湾社区和极地研究站）的贡献很少被量化。Yu等（2024）显示内蒙古高原积雪中MPs分布受土地利用、人口密度和工业活动与区域大气模式的协同作用。南极研究站附近浓度升高（罗斯岛平均约29粒子L
-1，麦克默多站和斯科特基地附近最高）。欧洲阿尔卑斯山冬季运动活动增加滑雪区雪堆中MPs负荷。北极航运和旅游沿新航道扩张是日益重要的近源。但多数输入为定性描述，尚无区域源解析预算。
**Atmospheric Transport: The Primary Delivery Mechanism**
**Mechanisms of Atmospheric Plastic Dispersion**
大气是MNPs从人口密集源区输送到偏远冰冻圈的主要载体。低密度塑料颗粒通过湍流风再悬浮或直接排放进入对流层，可被对流和地形过程抬升至自由对流层，实现跨大陆传输。干沉降受颗粒大小、密度和风速控制，湿沉降中，降雪因表面积大、下落速度慢，高效捕获大气颗粒，将MPs富集于表面雪堆。
**Evidence from Remote Monitoring Studies**
Allen等（2019）在法国比利牛斯山远程高山站（海拔1425 m）记录到持续大气MPs沉积（365粒子m
-2 d
-1），后向轨迹分析显示颗粒来自数百至数千公里外人口密集区。Bergmann等（2019）在北极弗拉姆海峡附近雪中记录MPs达1760粒子L
-1，远超本地排放潜力，后向轨迹支持北大西洋和欧洲源区。Brahney等（2020）在美国落基山脉量化大气MPs通量，模型显示来自城市和农业源。Evangeliou等（2020）用全球大气传输模型估计每年1.3万至2.5万吨微塑料到达北极，主要通过大气。Zhu等（2024）在青藏高原确认大气MPs沉积路径。其他研究进一步三角测量了西欧、阿尔卑斯山、乌拉尔山和中东等源区。
**Particle Characteristics and Transport Efficiency**
颗粒大小和形态强烈影响传输距离。纤维状MPs因高空气动力阻力远程传输占优，而较紧凑的碎片和薄膜沉降更快但仍可到达高山和极地。颗粒大小随离源距离系统性减小，符合尺寸选择性沉降。但推断依赖于后向轨迹和传输模型，其不确定性很少传播；轨迹系综在多日传输中发散，气象再分析数据粗颗粒，源归因多为定性。三个过程（尺寸和密度选择性沉降、化学和光氧化风化改变密度和表面性质、地形抬升增强湿沉降）很少被显式处理，需要定量不确定性感知处理。
**Occurrence and Distribution in Snow and Ice**
**Alpine and High-Altitude Environments**
高山雪堆和冰川是研究最充分的MPs污染冰冻圈环境。Scheurer和Bigalke（2018）在瑞士阿尔卑斯山土壤和地表水中记录了系统性MPs污染，建立冰冻圈MPs释放与下游集水区的联系。MPs在加那利群岛埃尔泰德峰（海拔3718 m）和日本北海道保护雪原中也被确认，扩展了大气MPs沉积的地理范围。青藏高原和喜马拉雅山脉是最高、最敏感的环境。Zhang等（2024）在纳木错流域雪和冰川融水中识别MPs，归因于南亚和东亚工业中心的大气沉积。珠穆朗玛峰萨加玛塔国家公园所有水样（包括冰川下）均含MPs。
**Arctic Snow and Sea Ice**
Obbard等（2014）在北极海冰中记录MPs（38–234粒子L
-1）。Peeken等（2018）用μFTIR光谱分析五个海洋区域的冰芯，识别17种聚合物，平均浓度33–651粒子L
-1，多年冰中浓度高，指示多个冻融周期的累积历史。斯瓦尔巴德峡湾沉积物和表层水中MPs污染在定居点附近升高。北极海冰上的雪含有极高MPs浓度，确认持续大气输入。格陵兰沿海和峡湾水域检出PET纤维，来自本地和远程源。
**Antarctic Snow and Sea Ice**
Aves等（2022）在罗斯岛所有雪样中检出MPs（约29粒子L
-1），PET纤维占优，后向轨迹显示来自6000公里以远源，研究站附近浓度升高。Kelly等（2020）发现南极海冰是季节性大储库，春季-夏季融冰释放累积的MPs至生物生产力高峰期。Kelly等（2024）泛南极调查在所有冰芯中检出MPs（平均44.8粒子L
-1）。研究站近源和大气传输扇区主导是南极雪MPs丰度的两个主要控制因素。
**The Nanoplastic Frontier**
**Definition, Properties, and Environmental Relevance**
纳米塑料（NPs）定义为小于1 μm的塑料颗粒，具有高表面积体积比，可穿透生物膜、吸附溶解有机物和污染物，毒性潜力更高。在冰冻圈中，NPs可能存在于所有检测到MPs的环境中，但检测技术难度极大。
**Detection Methods for Nanoplastics in Cryospheric Matrices**
Materi?等（2022）首创热脱附-质子转移反应-质谱（TD-PTR-MS）检测高山雪中NPs，检测限低于1 ng，识别了PE、PS、PET、PVC和轮胎材料。随后在格陵兰和南极冰芯中测量NPs，建立了多年代历史记录。其他新兴方法包括受激拉曼散射（SRS）显微镜、原子力显微镜-红外光谱（AFM-IR）、表面增强拉曼光谱（SERS）和热裂解气相色谱-质谱（Py-GC-MS），机器学习加速了颗粒识别。
**Global Distribution of Nanoplastics**
Materi?等（2022）在格陵兰冰芯中测得NPs平均13.2 ng mL
-1，南极海冰中平均52.3 ng mL
-1。高山冰川的NPs浓度与持续大气负荷一致。由于方法限制，当前测量可能严重低估全球冰冻圈NP负担。
**Environmental and Ecological Impacts**
**Cryospheric Albedo and Surface Energy Balance**
MNPs在雪冰表面积累可能降低表面反照率，但需区分两种效应：大气中悬浮微塑料的辐射强迫（模型估计小净强迫）和地表沉积MNPs的反照率降低。对于黑碳和矿物尘埃，地表强迫已通过实测和辐射传输模型量化，而MNPs尚无等效原位测量。塑料的聚合物类型、颜色和表面化学差异导致单颗粒效应可变。MNPs与天然光吸收杂质（LAIs）的相互作用增加复杂性，可能作为冰晶形成核并改变雪变质速率。在气候变暖背景下，即使微小反照率降低也可能放大正反馈过程。
**Trophic Impacts in Cryosphere-Associated Ecosystems**
春季和夏季融雪融冰将累积的MNP负荷以脉冲形式释放到接收水体，与生物生产力高峰期重合。北极海冰融化期对应春季浮游植物水华，桡足类等浮游动物达到峰值丰度，创造成MPs热点。实验室和野外研究表明多种海洋生物（如南极磷虾）摄入MPs，出现消化管阻塞、摄食减少等效应，但多数实验所用颗粒浓度远超环境水平，且为原始未老化颗粒。因此，危害效应需谨慎解读为潜在途径而非定量种群影响。在极地筑巢和觅食的海鸟和海豹、鲸鱼等海洋哺乳动物体内已发现MPs，但毒理学意义仍在研究中，与持久性有机污染物（POPs）的复合效应复杂。
**Freshwater Ecosystems and Downstream Contamination**
在高山环境中，冰川和融雪溪流是冰冻圈释放MNPs的首个接收者。冰川融水溪流中MPs浓度高于下游河谷河流，冰川储存和释放是高山集水区MPs预算的重要来源。冰川湖作为饮用水水库，易受上游融冰MPs累积负荷影响，青藏高原部分湖泊浓度超过污染严重的低地河流。寡营养高海拔淡水系统中的无脊椎动物、鱼类和两栖动物摄入MPs引发生态毒理学担忧。
**Plastic-Associated Microbiomes: The Cryospheric Plastisphere**
塑料颗粒在水中迅速获得生物膜（“塑料圈”）。在寒冷环境中，嗜冷微生物和稀缺硬基质可能使MNPs成为独特生态位。最受关注的是MNPs可能携带人类病原体和抗生素抗性基因到偏远生态系统，但该证据在温带水域和废水系统中已证实，而在冰冻圈仍为理论风险。尚无研究表征冰冻圈塑料上塑料圈的分类群、病原体携带或抗性基因转移；其在碳氮等生物地球化学循环中的作用也尚未探索。
**Analytical Methods and Methodological Challenges**
**Sample Collection and Contamination Control**
清洁雪冰携带极低颗粒负荷，易受程序污染，分析物与假象可能同量级。最佳实践措施（不锈钢采样容器、天然纤维衣物、洁净室处理、空白控制）已逐步采用但推广不均，不一致的污染控制是跨研究比较的主要障碍。冰冻圈地球化学已发展出超洁净协议（如严格冰芯去污和空白控制融冰），引入这些方法将显著提升MNP数据集可比性。
**Chemical Identification: μFTIR and μRaman Spectroscopy**
μFTIR和μRaman光谱是颗粒识别的主力，μFTIR实际限制在>10–20 μm，μRaman约1 μm，较小颗粒无法检测。冰冻圈样品颗粒稀少，需扫描大面积滤膜以积累足够计数，所得浓度是下界，取决于研究设定的尺寸阈值，因此不同检测下限的研究间浓度比较实质上是不同尺寸分数的比较。
**Size Limitations and the Nanoplastic Gap**
解析纳米塑料需放弃逐颗粒成像，转向整体质谱或专用纳米探针，每种方法均有未经验证的误差结构。TD-PTR-MS在冰芯中实现半定量，但复杂有机背景干扰，需多元标准加入和空白校正，在生物活性融水中仍为半定量。SRS显微镜可单颗粒亚微米成像，但通量和有机质自荧光敏感性待验证。AFM-IR低通量、确认性而非普查性。Py-GC-MS提供整体聚合物质量，但基体纯化不完全，有机和矿物组分可偏倚质量估计，且不提供颗粒数和形态。所有检测限均来自理想标准或非冰冻圈基质，实际雪冰和融水中的准确度和误差范围未量化，需进行跨实验室循环比对。
**Standardization and Harmonization**
缺乏国际公认的冰冻圈MNPs采样、提取、纯化、鉴定和报告程序，单位多样性（粒子L
-1、粒子m
-2、kg ha
-1 day
-1）、可变下限、不一致尺寸分箱和样品体积差异阻碍定量荟萃分析。ISO、GESAMP和MSFD等组织已推进海洋和淡水标准，但固体降水和水冰标准滞后。最有助于提升可比性的两步是：开发雪冰基体匹配参考材料，以及开展常规实验室间循环试验。
**Temporal Trends and Ice Core Archives**
**Ice Cores as Plastic Archives**
冰芯可保存数百年至数千年的沉积序列，为追踪历史大气污染提供档案。Materi?等（2022）在格陵兰和南极冰芯中检测到NPs，建立了冰芯用作塑料污染记录的概念验证。初步发现NP浓度随深度增加（即向更近期年代）而升高，与1950年代以来全球塑料产量指数增长一致。系统提取和分析多站点冰芯NP剖面，结合年层定年，可构建多年代塑料沉积记录。
**Seasonal Variability in Snow Deposition**
短时间尺度上，冰冻圈MNP负荷的时间变化受季节性大气传输模式、风暴频率和降雪强度控制。冬季雪堆在整个寒冷季节积累MPs，春季融雪期间快速释放形成压缩的出口脉冲。大气传输路径的年际变化受北大西洋涛动（NAO）和北极涛动（AO）等大尺度气候模态驱动，可能造成区域沉积通量显著变化，但这一关系尚未充分探索。
**Cryosphere–Climate–Plastic Interactions**
**Climate Change as an Amplifier of Cryospheric Plastic Release**
人为气候变化导致冰川全球退缩、北极海冰范围和厚度快速减少、永久冻土广泛融化。冰川融化释放累积数十年的污染物，形成慢释放放大反馈：冰川融化越多，排放到下游生态系统的塑料越多，且与当前排放脱钩，属于历史沉积的遗留负担。在北极，多年冰向季节性海冰的转变加速冻融-释放循环，增加海冰向北极表层水MPs输出事件的频率和幅度。
**Permafrost Thaw as an Emerging Release Pathway**
永久冻土融化释放之前冻结的有机碳（“快速永久冻土碳反馈”）以及共沉积的污染物（包括MPs）。尽管永久冻土MNP负担尚未系统量化，但永久冻土覆盖北半球约25%陆地表面，且活动层加深速度加快，意味着永久冻土融化可能成为未来几十年冰冻圈MNP释放的重要且不断增长的二次源，需优先研究。
**Knowledge Gaps and Future Research Priorities**
1. 纳米塑料大规模表征：需广泛部署TD-PTR-MS、AFM-IR、SRS显微镜等标准技术，以全球量化雪冰中的NP分数。
2. 分析标准化：需国际共识制定采样协议、尺寸截断、报告单位和光谱识别标准，发展可执行的标准方法。
3. 冰芯时间重建：仅两项研究用冰芯重建历史NP沉积，需系统重建以建立工业前基线、识别趋势和验证模型。
4. 反照率和辐射强迫量化：需实测不同MNP浓度、聚合物类型、颜色和尺寸分布下雪冰表面的光谱反照率效应，以参数化气候模型。
5. 生态毒理学现实主义：多数实验使用原始实验室颗粒，浓度可能不反映环境条件，需使用现场收集的老化、生物污损颗粒和实测浓度进行风险评估。
6. 永久冻土作为MNP储库：需针对性采样活动层和深层冻结土壤以评估MNP含量。
7. 整体质量平衡建模：需结合大气传输模型、海冰动力学模型和冰川质量平衡计算，以闭合全球冰冻圈MNP质量平衡并预测未来释放通量。
8. 塑料圈生物多样性和功能：需系统表征冰冻圈塑料上微生物群落，包括病原体和抗性基因转移潜力，评估生物风险。
**Conclusion**
全球冰冻圈已被微塑料和纳米塑料明确污染，从喜马拉雅和安第斯山脉的雪堆到北极和南极海冰，从格陵兰冰芯到最偏远南极研究站，所有用足够分析灵敏度采样的冰冻圈环境均检出MNPs。大气是跨大陆的主要输送载体，降雪和大气沉降高效捕获来自数千公里外城市和工业源区的塑料颗粒。海洋环流为极地海冰提供补充路径，海冰作为动态储库浓缩、保留并最终释放MNPs到极地海洋生态系统。生态后果可能严重：融冰融雪排放MNP高峰期与生物生产力高峰期时间耦合，导致不成比例的营养级暴露。气候变化加剧冰川和海冰融化，加速遗留负担的释放，使冰冻圈不再是被动汇，而是全球塑料循环中活跃且响应日益增强的中继。MNPs沉积降低雪冰反照率可能对气候正反馈有微小但可测量的贡献，代表两个环境危机之间新颖且令人担忧的相互作用。应对冰冻圈塑料危机需双管齐下：上游通过全球政策减少塑料生产和废物管理，下游投资标准化监测、先进分析能力和连接冰冻圈塑料预算与生态气候结果的模型。
