大气微塑料的形态依赖传输与聚酯纤维在河口-外海梯度上的指示作用

《Environmental Pollution》：Morphology-Dependent Transport of Atmospheric Microplastics and the Indicator Role of Polyester Fibers across the Estuarine- Offshore Gradient

　　

摘要：

大气是陆地基质微塑料（MPs）从陆地传输到海洋的重要途径，但由于采样和量化方面的挑战，关于大气微塑料传输程度的研究有限。在这里，我们聚焦于一个典型的陆海界面——长江口，以调查大气微塑料的传输特征和沉积通量。结果表明，颗粒丰度和质量浓度分别为 0.03 ± 0.02 个/m³ 和 0.01 ± 0.02 μg/m³。未发现显著的空间或季节（夏季、秋季和冬季）变化，表明分布模式稳定。估计长江口上空的微塑料大气沉积通量为 0.04 ± 0.08 吨/年。值得注意的是，形态被认为是控制其分布和传输潜力的重要因素。通过使用形状依赖阻力模型，我们估计了不同非球形微塑料的沉降速度。占所有微塑料 90.19% 的纤维表现出相对较低的沉降速度（约 0.05 m/s），表明其具有从陆地到海洋的高大气传输能力。相比之下，非纤维状微塑料显示出明显较高的沉降速度（约 0.75 m/s），并且从口内到近海区域的丰度相应下降。在河口梯度上，纤维状聚酯微塑料的丰度保持一致，表明它们可以记录背景大气微塑料污染水平，并且可以作为塑料污染管理和全球塑料条约发展所需可靠证据的贡献。

引言

塑料产品的广泛使用和丢弃导致了大量塑料垃圾¹。环境中的塑料垃圾通过物理、化学和生物过程分解为小于 5 毫米的微塑料²。由于其重量轻和体积小，微塑料可以发生长距离大气传输，甚至已在南极和北极⁽³⁾, ⁽⁴⁾ 以及青藏高原⁵ 等偏远地区被检测到。近年来，大气微塑料污染已成为日益关注的问题，因为它们更容易被动物甚至植物通过吸入和叶片气孔气体交换摄入⁽⁶⁾, ⁽⁷⁾。然而，与水和土壤环境中的微塑料相比，关于大气微塑料的研究相对缺乏。

大气微塑料日益被认为是将陆地塑料来源转移到海洋的主要途径⁸。连接陆地和海洋的河口区域是陆源微塑料传输到沿海水域的关键过渡区，因此亟需探索⁹。长江口位于西太平洋沿岸，是东亚最大的河口系统，也是具有全球生态意义的区域。该地区强烈的人类活动导致了多样的微塑料来源⁹。然而，这些大气微塑料向海传输的研究匮乏，因此确定这些微塑料是否容易传输到海洋至关重要。

形态是影响微塑料大气传输潜力的关键因素¹⁰。实验模拟表明，纤维状微塑料由于其细长的形态和较大的表面积与体积比，沉降速度降低，这增强了形状依赖的空气动力学阻力⁽¹¹⁾, ⁽¹²⁾。这使得纤维状微塑料能够在空气中悬浮很长时间并长距离传输。例如，Tatsii 等人使用 3D 打印的微塑料纤维和球体来量化它们各自的传输潜力，发现微塑料纤维的沉降速度比体积等效的球形颗粒低 76%，从而增加了传输距离¹²。我们通过两年期间的巡航采样长期野外观测验证了这些模型，发现微塑料纤维在一百个纬度跨度上表现出显著的传输效率¹⁰¹⁰。

陆海梯度也可能影响微塑料的分布。在河口水域中，微塑料丰度通常显示出明显的空间梯度，受潮汐、水排放和流动控制。Hitchcock 等人发现，与人类活动相关的河口中的微塑料浓度比未受干扰的河口高出一个数量级¹³。与此模式一致，Fulfer 等人确定了纳拉甘西特湾沉积物中可比较的空间梯度¹⁴。鉴于它们的尺寸较小且纤维比例较高¹⁵，迫切需要了解大气纤维状微塑料的陆海传输动态。我们之前的工作揭示了长距离大气迁移期间强烈的形状依赖传输，纤维表现出极高的传输效率¹⁰；然而，这些模式是否控制陆海界面处的传输仍不清楚。尽管形态依赖的大气传输证据不断增加，但这些动态是否在河口陆到海梯度上得以保持，以及它们如何影响微塑料的分布和沉积通量，仍然不清楚。

因此，本研究分析了长江口大气微塑料在不同季节以及从口内到外海区域的丰度和传输特征。研究目的是：(i) 研究分布特征（丰度、质量、形态、聚合物组成）；(ii) 说明不同形态微塑料在陆海界面处的传输潜力；(iii) 估计大气沉积通量并确定大气微塑料污染的指标。

章节片段

样本采集

2023 年 10 月至 2025 年 3 月期间，使用“渤海科”（2023）、“创新 1 号”（2024）和“润江 1 号”（2025）研究船在长江口采集大气微塑料样本。按照官方巡航分类，采样活动代表夏季（2024 年 7 月）、秋季（2023 年 10 月，2024 年 10 月）和冬季（2024 年 3 月，2025 年 3 月），分别对应长江口的汛期、正常流量期和枯水期（图 S1）。

大气微塑料的海向分布

使用镊子从 23 个大气样本中挑出总共 976 个颗粒。其中，974 个颗粒成功转移并使用微米傅里叶变换红外光谱（μ-FTIR）进行分析，两个颗粒在手动转移过程中丢失。基于光谱鉴定，265 个颗粒被确认为微塑料，709 个颗粒被归类为非塑料或光谱模糊，并被排除在后续分析之外。

所有大气样本中均检测到微塑料

结论

本研究揭示，形态似乎是控制大气微塑料在长江口陆海界面传输的重要因素。由于比表面积高且质量低，纤维状微塑料估计具有较低的沉降速度，并显示出从河口内到近海区域相对稳定的浓度。另一方面，非纤维状微塑料通常表现出从近岸到外海的下降趋势。重要的是，因为

CRediT 作者贡献声明

Zhenming Ge：撰写 – 审阅与编辑。Xinyue Tang：撰写 – 审阅与编辑，验证。Qiqing Chen：撰写 – 审阅与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。Dan Zhang：撰写 – 审阅与编辑。Yan Yang：撰写 – 审阅与编辑，验证，资源，方法论，形式分析。Fei Jiang：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，资源，方法论，调查，形式

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢：

本工作得到科学研究创新能力支持青年人才项目（编号 SRICSPYF-ZY2025146）、中国国家自然科学基金委员会（编号 42577312）、2024 年国际合作种子资金中国海洋十年行动项目（GHZZ3702840002024020000027）、中国国家自然科学基金（编号 CSTB2024NSCQ-MSX1120）以及上海市科学技术委员会拨款（24520790302）的支持。数据和样本

姜飞|杨燕|魏平|王宣正|刘洋|唐新月|葛震明|张丹|陈奇清

华东师范大学河口海岸国家重点实验室，中国上海 200241