饮用水源中微塑料低丰度但高毒性及潜在生态风险

《Journal of Environmental Management》：Low abundance but high microplastic toxicity and potential ecological risks in a drinking-water source

　　

摘要

饮用水源中的微塑料（MPs）构成潜在的健康风险，但在低强度人类活动下其生态威胁仍知之甚少。为此，本研究聚焦于密云水库（北京主要的饮用水源），系统采集了水库、上游保护区及下游河段的水面水和沉积物样本。使用立体显微镜和显微傅里叶变换红外光谱测定 MP 丰度和特征。通过综合应用基于特征的源识别、多样性指数和条件破碎模型，识别潜在来源和破碎特征。使用污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（PERI）评估生态风险。结果显示 MP 丰度较低（水体：0.56?±?0.36 个/L；沉积物：74.48?±?54.91 个/kg），以纤维和薄膜（<1?mm）为主。主要聚合物包括粘胶纤维、聚乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。生活污水和农业被认为是主要潜在贡献者。PLI 表明所有地点均为 I 级（最低风险），而 PHI 和 PERI 显示多个地点存在高风险，并与农业和建设用地面积呈正相关，突显了土地利用对毒性的控制。在水库内，除 R2 外，所有地点的 PHI/PERI 值均为 IV-V 级，超过了位于入口处的上游河流水点，从而呈现出低丰度但高毒性和潜在生态风险的模式。因此，饮用水源区的有效管理应优先考虑减少高危害输入，而不仅仅是降低 MP 丰度。值得注意的是，当前危害框架中忽略粘胶纤维可能会低估实际的生态风险。

引言

湖泊和水库中的饮用水源是确保区域供水安全和维持生态系统稳定的战略资源。随着城市化进程和人类活动强度的增加，饮用水源日益暴露于新兴污染物中，特别是微塑料（MPs）（Duong 等，2025 年）。迄今为止，MPs 已在河流、湖泊、水库和饮用水处理系统中被广泛检测到（Crew 等，2020 年）。由于体积小、持久性强和高迁移性，MPs 可以通过饮用水和食物进入人体（Qiu 等，2023 年）。此外，MPs 可能作为有毒污染物的载体，构成潜在的健康风险（Wagner 等，2014 年）。尽管饮用水源区通常受人类干扰相对有限，但 MPs 仍被广泛检测到（Mo 等，2024 年；Shen 等，2025 年）。因此，系统表征这些区域 MPs 的发生、来源和生态风险，对于确保饮用水安全和制定有效的污染控制策略至关重要（Li 等，2023 年）。

目前，内陆水域微塑料研究主要集中在主要河流和河口（Wang, Y. 等，2021 年）。例如，莱茵河和密西西比河表面水中的 MP 丰度范围从几乎无法检测到每升数百个不等（Gilbert 等，2024 年；Shruti 等，2021 年）。然而，关于饮用水源区，特别是综合河流–水库供水系统的研究仍然有限（Zhao 等，2024 年）。少数研究指出温带和亚热带水库具有较高的 MP 污染潜在风险（Guo 等，2021 年）。这导致了关于饮用水源区 MPs 生态影响和人类暴露风险的不确定性（Koelmans 等，2019 年）。值得注意的是，饮用水水库相对较长的水力停留时间可能会促进 MP 老化、破碎和污染物累积（Yang 等，2025 年），从而进一步增加生态风险。近年来，生态风险评估框架已从简单的基于粒子丰度的评估转变为纳入特定聚合物危害指标和其他风险指标的多维方法（Yu 等，2025 年）。这些进展使得能够更全面地表征饮用水源区 MP 污染复杂的污染特征和潜在生态毒性。

内陆水域 MPs 来源多样，包括生活污水、工业废水、农业活动、交通相关排放和大气沉降（Guo 等，2021 年；Lenaker 等，2019 年）。传统的源识别方法依赖于对聚合物组成、颗粒形态和其他特征特征的定性解释，这引入了相当大的主观性（Mohan 和 Lakshmanan，2023 年）。为此，开发了数据驱动的方法。Wang 等（2019 年）结合颗粒形态、聚合物、粒径和其他指标建立了特定来源分类系统，并引入了多样性指数来量化来源混合复杂度。随后，Wang, L. 等（2021 年）提出了一种条件破碎模型，基于 MP 尺寸分布推断污染源和运输路径。然而，该模型主要应用于土壤和大气沉降（Chen 等，2023 年；Zhang 等，2022 年）。此外，运输、沉降、老化和二次破碎等水生过程会大幅改变 MP 特征（Jiang 等，2025 年），增加了基于单一方法源识别的不确定性（Fahrenfeld 等，2019 年）。

作为中国首都北京的主要地表饮用水源，密云水库的水质对区域饮用水安全至关重要。为了系统评估该水库 MPs 的发生特征、来源和生态风险，并提出控制政策，从水库、上游源区和下游河段系统采集了水面水和沉积物样本。使用立体显微镜和显微傅里叶变换红外光谱测定 MP 丰度和组成。通过整合基于特征的源识别、MP 多样性指数和条件破碎模型，综合调查了潜在来源和破碎特征。使用污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（PERI）评估生态风险。本研究旨在：（1）表征 MPs 的空间发生模式；（2）识别 MPs 的潜在来源；以及（3）综合评估该饮用水源区相关的生态风险。

章节摘要

研究区域

位于潮白河流域（CBRB）内的密云水库是北京最重要的地表饮用水源（图 1）。上游源区覆盖约 15,800?km²，白河和潮河作为两条主要入流。其各自的集水区面积约为 9100?km² 和 6700?km²（Wang 等，2026 年）。该流域具有温带大陆性半湿润季风气候特征，多年平均气温为

MP 丰度和发生特征

丰度：表面水中的 MP 丰度范围为 0.10 至 1.80 个/L，平均值为 0.56?±?0.36 个/L，中位数（四分位距，IQR）为 0.48 (0.25) 个/L，而沉积物丰度范围为 10.00 至 260.00 个/kg，平均值为 74.48?±?54.91 个/kg，中位数（IQR）为 57.50 (46.25) 个/kg。两组数据均显著偏离正态分布（P?

水库水源地 MP 的低丰度但高毒性风险

尽管 CBRB 的 MP 丰度相对较低（图 S1），但多个地点的 PHI 和 PERI 值达到 IV 级或更高，特别是在密云水库（图 6c–f）。值得注意的是，全流域 MP 丰度比高度城市化河流低大约一个数量级（Corcoran 等，2020 年；Xia 等，2024 年；Yu 等，2025 年），但高于偏远、受干扰较少的河流（Liu 等，2023 年）。MP 丰度和 PLI 均与人均 GDP 呈显著正相关

结论

本研究揭示了潮白河流域（CBRB）关键组成部分密云水库微塑料（MP）污染独特的“低丰度但高风险”模式。尽管 MP 丰度相对较低，但除 R2 外，水库中的 PHI 和 PERI 均达到 IV-V 级，表明仅基于丰度的风险评估是不够的。这种高毒性和潜在生态风险主要归因于高危害聚合物（如 PU、PVC）的存在以及主导地位

CRediT 作者贡献声明

Xinyi Cai: 写作 – 初稿，可视化，方法论，形式分析。 Xuefa Wen: 写作 – 审阅与编辑，监督。 Jing Wang: 写作 – 审阅与编辑，监督，调查，资金获取，概念化。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文报道工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了 中科院 (中国科学院) 基础研究青年科学家项目（项目编号 YSBR-037）和 国家自然科学基金（项目编号 32471661）的支持。

Xinyi Cai|Xuefa Wen|Jing Wang

中国科学院地理科学与资源研究所生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京，100101，中国