波斯湾近海沉积物中的微塑料：分布、聚合物组成及生态风险评估

《iScience》：Microplastics in Persian Gulf offshore sediments: Distribution, polymer composition, and ecological risk assessment

　　

### 亮点
- 首次使用PHI、PLI和PERI指数对波斯湾近海微塑料进行风险评估
- T1S3站位因含有有毒聚合物而成为最高风险区域
- 聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是主要聚合物（41%），微塑料多为黑色（67%）且呈纤维状（74%）
- 局部热点区域（如T1S3站位）根据研究结果表现出极高的生态风险

### 摘要
本研究评估了波斯湾近海沉积物中的微塑料（MPs）污染与生态风险。波斯湾是一个具有重要战略意义的半封闭海域，但近海微塑料数据十分有限。为弥补这一空白，本研究整合了污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（PERI），并利用经拉曼光谱验证的聚合物鉴定方法，将微塑料丰度与特定聚合物的危险性联系起来。39个采样站位的沉积物中微塑料含量为5–45个颗粒/kg，表明存在广泛的人为影响而非局部来源。黑色纤维占主导地位，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是最常见的聚合物。然而，高危害聚合物（聚氯乙烯和聚苯乙烯）是风险的主要驱动因素，使生态风险与颗粒丰度脱钩。尽管大多数站位的PLI值较低，但位于波斯湾西北部的T1S3站位始终被PHI和PERI识别为关键风险区域，原因在于有害聚合物的积累。这些发现表明，聚合物级别的毒性是比单纯丰度更敏感的近海生态风险指标。

### 图形摘要
（图形摘要）

### 引言
塑料越来越多地成为工业环境中传统材料的理想替代品，这主要归因于其轻量化特性以及在停产期间所能提供的潜在经济优势。预测表明，到2050年全球塑料产量可能超过6亿吨，反映出接近现有产量水平的翻倍增长。在波斯湾地区，海湾合作委员会（GCC）国家每年合计生产超过3000万吨塑料，而伊朗贡献约500万吨。塑料生产和消费的加速增长正在加剧塑料废弃物的产生，放大了其在海洋系统中所产生的环境影响。最近的全 球估计表明，如果没有根本性的缓解措施，到2040年累积泄漏入海的塑料可能达到2.5亿吨。微塑料（MPs，<5 mm）已成为水生环境中广泛存在且持久性强的污染物。每年有大量管理不当的塑料废弃物进入海洋系统，其中物理、化学和生物过程逐渐将宏观塑料分解为微塑料。估计每年有超过40万吨碎片进入波斯湾。波斯湾的半封闭形态、浅水地形、受限的水循环以及高蒸发量共同延长了污染物的停留时间，使该盆地对长期微塑料积累尤为敏感。独特的温盐结构模式可能影响这些颗粒从沿海区域向近海沉降点的输送。一旦进入这些环境，微塑料会通过紫外线辐射、机械磨损和微生物作用发生破碎，从而增加其表面积和环境反应性。这种增强的反应性促进了持久性有机污染物（POPs）、重金属和多环芳烃（PAHs）的吸附，使微塑料能够作为有害物质载体。实验研究表明，微塑料可能诱导海洋生物产生氧化应激和生理紊乱。因此，微塑料造成的生态风险既源于其物理存在，也源于其参与化学和生物相互作用的能力。波斯湾是一个全球战略性海洋生态系统，支撑着主要渔业、近海石油和天然气平台、海水淡化厂以及快速扩张的沿海人口。人为压力——近海碳氢化合物开采、密集的航海交通、盐卤排放和市政及工业废水排放，结合自然水动力学条件的限制，加剧了沉积物中的污染物积累。沉积物作为微塑料的长期汇，整合了当地排放和区域输送机制。然而，其作为污染物二次来源的潜力仍然是波斯湾脆弱生物多样性面临的一个令人担忧的问题。尽管全球对微塑料的关注度很高，但波斯湾的近海沉积物却鲜受关注。大多数以往研究集中在海滩、表层水或近岸沉积物上；因此，近海区域的盆地范围分布、聚合物组成和生态风险仍缺乏明确约束。这一知识缺口限制了区域风险建模，并阻碍了有效管理方法的应用。此外，许多波斯湾及国际研究强调微塑料丰度，而往往忽视了聚合物特异性毒性，而这对于生态危害潜力至关重要。在波斯湾这一半封闭盆地中，这种忽视尤为显著，该区域正处于强烈的工业化和航海活动之下，由石化工业引入的多种聚合物类型各具有不同的危害特征。鉴于该地区工业压力与有限循环条件的独特组合，确定聚合物特异性风险尤为重要。尽管关于波斯湾及类似系统中微塑料的研究有所增加，但若干方法学上的限制阻碍了全面的风险评估。许多研究主要依赖视觉分类或基于密度的提取，通常缺乏系统的 spectroscopic 验证，导致颗粒可能被错误识别和聚合物特征不准确。即使使用了 spectroscopic 方法（例如傅里叶变换红外光谱[FTIR]），在复杂基质中鉴定风化、着色或生物污损的颗粒仍然具有挑战性。此外，研究主要聚焦于沿海热点区域，而作为微塑料积累关键汇的近海沉积环境却缺乏探索，这限制了盆地规模的理解。同样，生态风险评估常常使用基于丰度的指标，而往往忽视聚合物特异性危害的基本作用。

为克服上述局限性，本研究采用高分辨率拉曼光谱和多指数风险评估框架，对波斯湾近海沉积物中的微塑料污染进行了全面评估。拉曼光谱通过振动指纹提供可靠的聚合物鉴定，并便于检测难以用传统方法分类的暗色、风化或形态改变的颗粒。生态风险采用三个互补指数进行评估：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），分别捕获污染程度、聚合物特异性毒性和综合生态风险。通过将光谱确认与毒性信息及多指数生态风险评估相结合，本研究为波斯湾近海微塑料生态风险提供了全面的基线，并建立了理解海洋沉积物中微塑料污染环境影响的机制框架。这一综合框架加强了该地区未来环境监测和风险缓解的科学基础。本研究假设，所研究水生系统中与微塑料相关的生态风险在很大程度上受聚合物组成和颗粒丰度的综合影响所支配，反映了主导输入源的变化。具体而言，预计接收来自高毒性或抗降解聚合物类型较高贡献且微塑料浓度升高的站位，将表现出按比例增加的基于PLI、PHI和PERI的生态风险评分。

### 结果与讨论

#### 微塑料的统计分析与分布
描述性统计分析用于评估各采样站位微塑料浓度的分布模式（图1，表S1）。采用Shapiro-Wilk检验评估数据的正态性。在五个站位中，p值低于0.05，表明呈非正态的右偏分布，这是环境微塑料数据集的典型特征。因此，采用Kruskal-Wallis检验（ANOVA的非参数替代方法）来确定各站位间是否存在显著差异，结果具有高度显著性（Sig = 0.00，p < 0.05）。采用Mann-Whitney U检验进行事后成对比较，并调整显著性阈值以控制I类错误。由于环境微塑料数据的非正态性、零膨胀以及通常的偏态特征，使用非参数统计方法是恰当的。波斯湾沉积物中微塑料浓度范围为5至45个颗粒/kg，在工业区附近和航运通道附近观察到较高水平，而在受影响较小的区域浓度较低。尽管本研究未直接追溯污染物来源，但这种模式可能表明人类活动对微塑料空间分布存在一定的影响。这些模式与全球观察结果一致，显示即使在偏远的海洋环境中也存在微塑料。微塑料的空间分布受水动力学过程尤其是潮汐流的影响很大，后者调节着颗粒污染物的积累和再分配。微塑料常常作为持久性有机污染物（POPs）、重金属和新兴污染物的载体，造成相当大的生态风险。详细的浓度图（图2）突出了由人类活动和水动力学作用驱动的微塑料污染热点。值得注意的是，在四个站位（T1S4、T2S3、T4S2和T4S3）未检测到微塑料。这可能表明这些站点的人为影响相对较低；然而，鉴于微塑料分析方法固有的方法学局限，对未检测到的颗粒缺失应谨慎解释。此外，近期研究强调，方法学差异（如基于网具采样与整体沉积物采样之间的差异）可能会影响波斯湾微塑料的检测率。这凸显了在跨研究比较时需要谨慎解释的必要性。

**图1** 波斯湾沉积物采样站位位置

**图2** 波斯湾沉积物中微塑料的浓度

#### 微塑料粒径分布
波斯湾近海沉积物中微塑料的粒径分布提供了关于主导降解过程和环境条件的见解。在本研究中，500–1000 μm（30%）和1000–1500 μm（29%）的粒径级别占主导地位，二者合计占已鉴定颗粒的59%（图S1和S1.1）。约11%的颗粒落在100–500 μm范围内，而大于2000 μm的颗粒约占14%。在本研究的分析框架内，未能可靠确认小于100 μm或大于3000 μm的微塑料颗粒。然而，在显微镜检查期间偶尔可以观察到小于100 μm的颗粒，但它们未被可靠确认为微塑料，因此被排除在最终的拉曼光谱聚合物鉴定之外。尽管100–500 μm范围内的微塑料在总数中所占比例相对较小，但由于其增强的生物可利用性以及被海洋生物摄食的更大潜在性（从而促进营养传递和生物累积），其生态相关性仍然相当大。大于2000 μm颗粒丰度相对较低可能与波斯湾的特征条件——强烈的水动力学活动、高太阳辐射和高温下的破碎过程有关，这些条件可以加速将较大的塑料碎片分解为较小的颗粒。

#### 微塑料颜色分布
波斯湾近海沉积物中微塑料的颜色组成分析（图S2和S2.2）揭示了一种独特的分布模式。黑色颗粒是观察到的主要类型之一。类似的颗粒偶尔被报告与轮胎磨损、工业涂料以及沿海及工业环境中石油相关活动有关。然而，颜色本身不能作为来源的可靠指标。微塑料的着色可能源于制造添加剂、环境风化过程（如光氧化），或在环境暴露期间吸附有机和无机物质，包括生物膜的形成（可使原本较浅的塑料变暗）。因此，本研究关于潜在来源的任何解释都应被视为暂时的，因为未进行直接来源追溯分析（如热解、气相色谱-质谱联用[GC-MS]或特定化学标记）。因此，这些观察结果仅作为人为影响的可能指示，而非确认的来源归属。目前的证据不足以明确区分固有暗色颗粒与通过环境改变而变暗的颗粒。黄色（16%）、蓝色（8%）和白色（6%）的微塑料通常与一次性塑料和市政废弃物有关，也观察到这些类型。红色颗粒（3%）最少，以往研究与特殊工业应用有关，尽管紫外线暴露下的颜料褪色也可能影响其环境持久性。水动力学分选和沉积物沉积过程可能通过粒径和密度依赖的输送机制间接影响颜色分布。从生态毒理学角度来看，黑色颗粒可能由于其较高的太阳吸收能力而对局部热应激有所贡献，而黄色和蓝色颗粒可能因其颜色类似于某些鱼类的猎物物品而增加摄食风险。此外，微塑料丰度与增高的邻苯二甲酸酯和有机污染物水平之间的关联突显了它们作为疏水污染物载体的潜在作用。尽管对微塑料的颜色改变已有广泛记录，但波斯湾地区颗粒变暗的具体环境驱动因素仍然了解不足。

#### 微塑料形态与聚合物组成
形态分析显示，纤维是波斯湾近海沉积物中占主导地位的的微塑料类型，占已鉴定颗粒总数的74%（图S3和S3.1）。碎片和薄膜为次要类别，分别占23%和3%。纤维状微塑料的主导地位主要归因于多种人为来源，包括从纺织材料广泛释放合成纤维、渔具降解以及家庭洗衣废水排放。为应对潜在的空气纤维污染，在分析工作流中实施了严格的质量保证/质量控制（QA/QC）程序。

这些措施包括使用棉质实验服、遮盖玻璃器皿以及与样品同时处理的过程空白。过程空白的分析结果显示纤维计数可忽略不计，表明实验室污染极小，所检测到的大部分纤维很可能源自环境。在T1S3站位，即阿万德河、亨迪詹河和卡伦河与海水交汇处附近，记录了特别高的浓度。这种空间分布模式很可能反映了河流输入与区域人为活动的共同影响。然而，这一解释应谨慎对待，并不意味着直接的因果归因。该形态分布的生态意义十分重大，因为纤维状微塑料具有较高的生物可利用性，且在食物链各营养级中的摄入可能性更高，有可能促进有毒物质通过海洋食物网的传递。同时，次级碎屑的存在表明大型塑料废弃物仍在持续降解，反映出该区域废弃物管理面临的持续挑战。综合聚合物分析鉴定出聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为主要聚合物（41%），其次为聚乙烯（PE，23%）、聚丙烯（PP，15%）、聚氯乙烯（PVC，10%）、聚酰胺（PA，6%）和聚苯乙烯（PS，5%）（图S4和S4.1）。这一组成特征与波斯湾近期研究结果一致，也符合此前关于该区域沉积物中PET占主导的报道。聚合物鉴定使用拉曼光谱法，并结合参考光谱数据库进行验证，同时设定光谱匹配质量阈值为≥0.80，以最小化误分类。PET相对较低的密度（1.38–1.41 g/cm3）使其相较于海水更易沉降和积累于底质沉积物中。此外，生物污损过程可能增加初始呈浮力的聚合物（如PE和PP）的有效密度，从而促使其最终沉积于沉积物中。这些物理特性部分解释了沉积物中PET占主导地位的现象，也说明了聚合物性质如何影响环境分布。从生态毒理学角度来看，PET被视为相对高危害的聚合物，原因在于其环境持久性、污染物吸附能力以及添加剂浸出的可能性。PE和PP被归类为中等危害聚合物，但它们仍表现出显著的疏水性污染物吸附能力，且在环境条件下可能释放潜在有毒添加剂。PET占已鉴定聚合物的最大比例（41%）。本研究中观察到的PET主导地位，与波斯湾及其他沿海环境海洋沉积物中报道的聚合物组成模式基本一致。然而，区域间比较应谨慎解读，因为采样设计、沉积物特性和分析检测限的差异可能影响所报道的聚合物分布。本研究中观察到的PET相对较高比例（41%）与多个半封闭海洋系统中报道的数值相当，但进行区域比较时应考虑各研究间的方法学差异。这一模式可能部分反映了区域消费趋势，尤其是瓶装饮料的广泛使用，同时受到废弃物管理基础设施不足的制约。然而，直接的来源解析超出了本研究范围，需要进行针对性的法医聚合物分析。波斯湾微塑料的空间分布很可能反映了多种相互作用的综合影响。人为输入，包括未经处理的污水排放、城市径流，以及石油工业、农业、渔业和航运等经济活动，是重要的潜在来源。此外，洋流模式、潮汐波动和波浪作用等水动力学过程影响微塑料的输运和沉积。这些过程连同颗粒密度、形态和粒径，可能影响埋藏效率和长期沉积物积累。因此，波斯湾的沉积物可能作为微塑料的重要汇，而风暴或疏浚等间歇性扰动可能使埋藏的颗粒重新活化，成为二次来源。这些发现凸显了开展协调的区域监测项目以及采用符合当前联合国环境规划署建议的标准化分析框架的必要性。聚合物危害指数（PHI）分析表明，39个采样站位的PHI值在波斯湾范围内存在显著的空间异质性（图3）。站位被分为极高（PHI = 100–1000）、高（10–100）、中等（1–10）和低（<1）危害类别。两个站位属于极高危害类别，其中T1S3站位的PHI值最高，其次是T0S3。这些地点的PHI值升高主要与被评为高危害的聚合物有关。尽管这些聚合物在总丰度中并不占主导，但它们在PHI计算中的危害加权导致其对最终指数值的贡献不成比例。明显的空间模式被观察到，较高的PHI值集中在波斯湾西北部。虽然多条主要河流（如阿万德河、卡伦河和亨迪詹河）汇入该区域，但现有数据集不支持将观察到的PHI模式归因于特定的河流输入。因此，这些水文系统仅作为潜在的区域尺度影响进行讨论，而非已确认的来源。在其他半封闭盆地中也报道了类似的河流相关积累趋势，但本研究的结论并未验证波斯湾存在此类机制。九个站位被归类为高危害，四个为中等危害，其余为低危害。沿海地区更频繁地观察到PHI值升高；然而，基于当前数据集无法确认工业综合体、石化活动、港口运营或渔业可能做出的贡献。因此，这些因素仅作为与文献中报道的全球趋势一致的一般性潜在贡献因素进行讨论。不建议在没有补充来源追踪分析（如添加剂指纹分析或降解模式分析）的情况下，将PHI作为特定污染源指示指标进行解读。波斯湾的环境特征可能进一步塑造PHI的空间分布。海湾的半封闭构型及其较长的水滞留时间（3–5年）有助于浮力污染物的留存。这些解释依赖于文献中已有的水动力学描述，因为本研究未进行水动力学测量或建模。细粒、富含有机质的沉积物可增强微塑料的留存，但本研究未测量沉积学参数，因此仅将其作为潜在的背景因素考虑。从沿海高危害区域到近海低危害区域的梯度趋势明显。尽管在其他半封闭海域也报道了类似模式，但由于缺乏水动力学或沉积物输运数据，这一解释的强度受到限制。总之，PHI评估显示研究区域存在显著的空间变异性，局部热点主要由被评为高危害类别的聚合物存在所驱动。研究结果指示了空间上相对升高的危害水平，但与其他海洋系统相比，并不意味着异常高的污染水平。因此，PHI值应被解读为聚合物相关危害的相对指标，而非毒理学风险的直接度量。要就区域微塑料污染的来源和生态意义得出更确定的结论，还需要开展涉及水动力学建模、更精细空间分辨率、生物暴露研究和高级来源追踪方法的进一步调查。图3：波斯湾沉积物聚合物危害指数。微塑料的污染负荷指数（PLI）采用PLI评估了远岸沉积物中微塑料污染的综合水平，通过比较检测到的丰度与基线值（图4）。在缺乏经验证的工业化前背景水平的情况下，本研究采用数据集中观察到的最低微塑料浓度作为PLI计算的基线值（Coi）。这一务实的方法与微塑料研究中的既定方法论一致。值得注意的是，该基线与波斯湾其他基于沉积物的评估中报道的最低浓度一致，包括在该特定区域最近的研究。独立区域数据集之间的一致性加强了将最低测量丰度作为背景条件操作代理指标的使用，确保PLI提供相对人为负荷的比较评估，同时降低高估污染严重性的可能性。大多数远岸采样站位被归类为1类（PLI <10），表明波斯湾远岸环境的大部分区域微塑料负荷相对较低。这表明在这些远离海岸的距离上，水动力弥散和较大颗粒（>100 μm）的沉降速率可能限制了显著积累。然而，如近期方法学评估所指出的，这些低PLI值应谨慎解读，因为它们可能反映了排除了小于100 μm的颗粒，而这些颗粒通常构成总塑料负荷的重要部分。图4凸显了几个被归类为2类（PLI 10–100）的关键热点区域，底栖生态系统存在局部压力迹象。位于西北区域的T1S3站位显示出较高的PLI。这一模式可能与附近阿万德河、卡伦河和亨迪詹河水系潜在输入一致；然而，本研究未进行水动力学建模或来源追踪分析来证实这一解释。这些河流系统是高度人口上游流域城市及工业塑料废弃物的重要通道。第2类站位在东部区域的聚集，具体为靠近班达尔林吉港和霍尔木兹海峡的T5S3、T6S2和T7S2站位，暗示与繁忙的航运交通、港口活动以及人口密集沿海城市中心未经处理的城市径流之间存在合理关联。PLI值的空间变异反映了人为输入与区域水动力学之间复杂的相互作用。波斯湾的反气旋环流模式和季节性洋流可能促进微塑料从沿海点源向特定远岸汇的输运。虽然远岸PLI总体偏低，但第2类热点的存在表明，某些区域由于流速降低或特定的沉积物陷阱特征而成为积累区。与地中海或渤海等其他半封闭盆地相比，波斯湾的远岸PLI似乎处于中等水平，但局部热点超过了多个开放海域环境所报道的水平。最终，虽然PLI提供了标准化的比较指标，但所报道的数值本质上与方法学检测限相关。数据集中缺乏极小粒径微塑料意味着当前PLI很可能是实际污染负荷的保守估计。未来的评估应纳入亚100 μm组分和特定场地的水动力学建模，以确认这些空间趋势并阐明远岸微塑料封存机制。图4：波斯湾沉积物污染负荷指数。微塑料的潜在生态风险指数（PERI）基于PERI的生态风险评估揭示，波斯湾远岸沉积物存在显著的空间异质性（图5）。空间地图表明，T1S3站位属于极端危险类别（PERI >1200），而包括T1S1、T3S3、T3S2、T3S1、T0S3、T7S1、T5S3、T6S4和A-F在内的九个站位被归类为危险（PERI：600–1200）。这一模式凸显了局部热点的存在，在这些地点，主要聚合物的化学毒性可能导致生态风险升高。在T1S3站位，PVC和PA的优势存在尤其值得关注，因为PVC含有氯基添加剂和各种稳定剂，与高毒性潜力相关。同样，被归类为高风险的站位以PA比例较高为特征，PA是一种已知在海洋条件下会释放危险单体和降解副产物的聚合物。六个站位——T6S2、T5S5B、T7S3、T7S2、SH01和T6S1——落在高风险或相当风险类别中，主要与PE和PP等中等毒性聚合物的存在有关。

尽管聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的本征毒性低于聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS），但其高疏水性和吸附持久性有机污染物（POPs）及重金属的能力使其成为次生污染物的主要载体。近期研究进一步表明，渐进性碎裂为粒径<100 μm的颗粒会显著增加其生物可利用性，放大生态暴露途径。被归类为中风险或轻微风险的采样站位似乎以低毒性聚合物（如聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）为主，含有相对较少量的有害聚合物。PET由于其广泛使用而普遍分布于海洋沉积物中，但与PVC和PS相比，其吸附污染物的能力相对有限。图5所示的空间分布显示，最高PERI值（红色标记）聚集在海湾的西北部和东南部区域。该模式可能反映了西北部主要河流输入（如阿尔德湾达河系）以及东南部霍尔木兹海峡附近密集的航海活动、石化作业和废水排放的影响。然而，与审稿人反馈一致，这些关联性现已以概率性而非确定性的方式呈现，鉴于缺乏直接来源追踪数据。重要的是，本研究的PERI值应谨慎解读，因为该方法严重依赖聚合物毒性加权，并未纳入粒径依赖性毒性或添加剂特异性危害。此外，从数据集中排除粒径<100 μm的微塑料可能导致在PE和PP等高光氧化链断裂和机械碎裂敏感性聚合物主导的站位中低估生态风险。在生态层面，中等或极高的PERI值表示风险升高，可能导致生物影响，如胃肠道阻塞、摄食效率降低、氧化应激和生殖功能障碍。微塑料吸附有害化学物质的潜在能力进一步放大了向包括具有重要商业价值的鱼类物种在内的高位生物的 trophic 传递风险。总体而言，PERI结果强调了聚合物组成在塑造海湾近海沉积物空间风险格局中的核心重要性，同时也凸显了靠近污染源和水动力滞留区在形成局部热点中的作用。未来研究应纳入细粒径微塑料（<100 μm）、原位添加剂化学分析和水动力模型，以完善生态风险估算。除上述发现外，将所采用的风险评估方法置于更广泛的方法论背景中同样重要。本研究使用这些指数作为相对生态风险指标，应在毒性加权框架的局限性内进行解读，该框架不能完全涵盖所有微塑料特异性物理效应，如粒径、形状、老化和聚合物碎裂动力学。

**图5 波斯湾潜在生态风险指数**

**研究局限性**

本研究提供了波斯湾近海沉积物中微塑料污染的首批空间显式评估之一；然而，其结果的解读应考虑在应用的方法论框架约束内进行。特别是，小于100 μm的微塑料颗粒无法在所应用的分析工作流程中可靠确认；因此，报告的浓度具体代表≥100 μm的组分。该方法论限制很可能导致对微塑料总量的保守估计，因为更细的微塑料组分在本研究中仍处于光谱学明确确认的极限之外。另一个重要限制涉及环境解释的推论性质。尽管已识别的热点区域与人为活动（如河流排放、工业集群和港口运营）以及该半封闭盆地中已知的水动力结构表现出强烈的空间对应关系，但所提出的机制仍为间接推论。包括洋流介导的输运、季节性环流变化和聚合物特异性沉降行为在内的过程，是基于已确立的区域海洋学知识和先前研究进行解释的，而非基于原位水动力测量或数值模拟。因此，尽管观察到的空间模式暗示了水动力的影响，但水动力在控制微塑料在近海沉积物中的输运、沉积和积累方面的定量作用仍受到不足的约束。此外，本文应用的生态风险指数（PHI、PLI和PERI）依赖聚合物级别的危害分类，并未明确纳入添加剂特异性毒性或降解相关转化，这可能给生态风险表征引入不确定性。

解决这些局限性代表了未来研究的重要方向。将协调一致的外场采样活动与高分辨率三维水动力模型和拉格朗日粒子追踪模拟相结合，将大大改善对主要输运途径、积累区和源-汇关系的识别。此外，将沉积物粒度、矿物学组成和有机碳含量纳入未来调查，有助于阐明聚合物特异性沉降动力学和滞留机制，从而提高对近海环境沉积模式的解读。这些实证方法和建模方法的整合对于从主要相关性评估向更具机制性和预测性的框架推进至关重要，后者能够支持有效的环境管理策略。

基于PLI的生态风险评估也需要谨慎解读。该指数依赖于研究特定的基线浓度（Co?），这允许在采样站位之间进行内部比较，但本质上限制了跨区域基准比较。为波斯湾沉积物中的微塑料建立标准化背景浓度将显著提高未来区域评估的可比性和稳健性。此外，将聚合物特异性降解动力学、添加剂释放行为和长期环境老化过程纳入未来风险评估，将增强时间分辨率并减少生态危害估计相关的不确定性。在这一更广泛的方法论背景下，同样重要的是将本风险评估方法与微塑料生态风险评估快速演进的领域相对比。尽管已提出若干高级框架以更明确地整合暴露动力学、危害表征和聚合物特异性毒性，但它们在基于外场的沉积物研究中的实际应用仍然有限。缺乏统一的毒性阈值、暴露指标的 inconsistency 以及跨聚合物类型和粒径组分全面生态毒理学数据集的稀缺，继续制约着这些方法的应用。这些挑战在数据有限的海洋环境中尤为突出，如波斯湾近海区域，该区域的微塑料丰度、聚合物组成和生态响应基线信息仍然匮乏。在这些条件下，使用已建立的指数——即PHI、PLI和PERI，为评估沉积物环境中的微塑料污染水平和相关生态风险提供了一种实用的筛查级框架。这些指数受益于广泛采用、方法可重复性以及大量比较研究，使得本研究结果能够在既有的全球框架内进行解读。随着聚合物特异性毒性数据库的扩展和更标准化实验方法的出现，未来研究将更有能力纳入新一代风险评估框架，实现对微塑料生态风险更精细、区域校准的评估。

尽管存在这些局限性，本研究提供了波斯湾近海沉积物中微塑料污染及相关生态风险的首批区域特异性筛查级评估之一，从而为未来的机制性研究和长期监测研究建立了重要的基线。

**结论**

基于对波斯湾近海沉积物微塑料污染的全面评估，该地区表现为微塑料的潜在积累区，受多个人为压力和盆地半封闭环流的塑造。微塑料的空间分布显示局部浓度区；然而，由于方法论限制，特别是无法可靠识别小于100 μm颗粒的聚合物类型以及缺乏水动力模型，这些模式应谨慎解读。表现出较高生态风险指标的站位，如T1S3，凸显了需要进一步调查和监测的区域。纤维（74%）和深色颗粒（67%）的占主导地位，以及以PET（41%）为主、其次是PE（23%）、PP（15%）、PVC（10%）、PA（6%）和PS（5%）的聚合物组成，刻画了研究区域观察到的微塑料特征。该组成可能反映了与区域使用模式和废物管理实践相关联的潜在污染模式。为避免过度归因，颜色和聚合物趋势的解读被表述为指示性而非确定性的，承认了环境风化、光氧化和生物污损的修饰效应。在没有整合添加剂水平化学和区域排放清单的情况下，聚合物和颜色特征无法确凿地关联到特定来源。使用PHI、PLI和PERI的综合生态风险评估揭示了显著的空间异质性。虽然大部分近海区域表现出低污染负荷，但靠近人为压力的站位显示出较高的危害水平。然而，鉴于这些指数对聚合物级别危害类别的依赖以及缺乏添加剂特异性毒性和聚合物老化数据，它们被解读为相对指标。因此，报告的风险值应被视为采样域内的比较度量，而非生态影响的绝对度量。总体而言，本研究为波斯湾中部近海提供了首批近海沉积物基线之一，提供了一个支持未来区域评估的框架。结论是在数据集分析约束的范围内呈现的，包括基于密度的提取偏差和对于<100 μm颗粒的有限分辨率，这可能低估了最具生物可利用性的粒径组分。这些局限性强调了在向更细沉积物组分或具有不同水动力体制的近岸环境外推研究结果时保持谨慎的必要性。研究结果凸显了在风险升高区域进行持续监测工作的重要性，并可能有助于为未来管理策略提供信息。综合策略仍然至关重要，包括改善废物管理基础设施、加强工业排放监管以及能够捕捉时间趋势的区域协调监测计划。

未来研究应纳入沉积学参数（如粒径、TOC（总有机碳））、原位水动力测量和先进的三维/拉格朗日模型，以更稳健地阐明输运途径和沉积控制。跨学科整合——包括海洋学、生态毒理学、沉积学和聚合物科学——对于解决控制微塑料在该半封闭盆地中输运和滞留的机制至关重要。解决波斯湾微塑料污染对于支持生态系统完整性和渔业可持续性具有重要意义。本研究强调，要充分理解该区域的微塑料动态，需要综合的跨学科努力并加强跨境合作。鉴于海湾的共享环流模式以及塑料排放的跨界性质，此类合作尤为重要，它们共同需要协调一致的区域监测和缓解框架。要充分理解波斯湾微塑料动态，最终将需要改进对小粒径组分的表征、增强时间监测以及对区域生态系统中输运过程和生物相互作用的更清晰理解。

**资源可用性**

**通讯联系人**

进一步的资源信息和要求应向通讯联系人Ali Mehdinia（[e-mail]）提出，并将由其予以满足。

**材料可用性**

本研究未产生任何新颖或独特的试剂。用于数据生成和分析的所有材料和方法均在论文中描述。

**数据和代码可用性**

本研究中生成和报告的所有数据均可在合理请求下从通讯联系人处获取。本研究未生成或报告任何原创代码。复制或重新分析本文所呈现数据所需的任何其他信息均可在合理请求下从通讯联系人处获取。

**致谢**

本工作得到伊朗国家海洋与大气科学研究所（INIOAS）和伊朗国家环境基金（INEF）（项目编号9310/1020571）的支持。

**作者贡献**

P.A.，数据管理、形式分析、调查研究、方法学；撰写——初稿，以及撰写——审阅和编辑；A.S.，数据管理、形式分析和调查研究；A.M.，采样、概念化、方法学、监督，以及撰写——审阅和编辑。

**利益声明**

作者声明不存在竞争利益。

**方法**

**关键资源表**

| 试剂或资源 | 来源 | 标识符 |
|---|---|---|
| 化学试剂、肽和重组蛋白 | | |
| Extran? 洗涤剂（5%） | Merck（德国达姆施塔特） | 化学试剂 |
| 过氧化氢（H?O?，30%，稀释至3%） | Merck（德国达姆施塔特） | 化学试剂 |
| 盐酸（HCl，1 M） | Merck（德国达姆施塔特） | 化学试剂 |
| 芬顿试剂（FeSO? + H?O?） | Sigma-Aldrich（德国施泰因海姆） | 化学试剂 |
| 饱和氯化钠（NaCl）溶液 | Merck（德国达姆施塔特） | 化学试剂 |
| 饱和碘化钠（NaI）溶液 | Merck（德国达姆施塔特） | 化学试剂 |
| 软件和算法 | | |
| Google Earth Pro | Google Co.（美国加利福尼亚） | 软件 |
| ArcGIS 10.3 | ESRI（美国加利福尼亚） | 软件 |
| Labspec 6 | Horiba Scientific（日本京都） | 软件 |
| IBM SPSS Statistics 25 | SPSS Inc.，美国 | 软件 |
| 其他 | | |
| R/V Persian Gulf Explorer | 伊朗国家海洋与大气科学研究所（INIOAS），伊朗 | 研究船 |
| Van Veen 抓斗取样器 | HYDRO-BIOS（德国阿尔滕霍尔茨） | 野外设备 |
| 不锈钢勺（预清洗） | Lab Chem Corporation（印度古吉拉特邦艾哈迈达巴德） | 采样工具 |
| 0.45 μm 膜过滤器 | MACHEREY-NAGEL（德国德伦） | 滤器 |
| Whatman GF/C 玻璃纤维过滤器，55 mm，1.2 μm | Sigma-Aldrich（德国施泰因海姆） | 滤器 |
| 针式装置 | 本地 | 仪器 |
| OZL-45 立体显微镜 | KERN & SOHN（GmbH，德国巴林根） | 仪器 |
| LabRAM HR Evolution 共聚焦拉曼显微镜 | Horiba Scientific（日本京都） | 仪器 |

**实验模型和研究参与者详情**

本研究未使用任何实验模型（动物、人类参与者、植物、微生物株、细胞系、原代细胞培养）。

**方法详情**

**采样设计和沉积物采集**

沿波斯湾伊朗一侧采用了分层随机采样设计。

研究区域被划分为五个环境层：河口、港口、城市、工业以及相对未受干扰的生态敏感区。使用 Google 地球划定采样路线，并在每个层沿预定路线随机选择采样站（图 1）。表层沉积物是在 PGE 2201 研究航次期间收集的，该航次于 2022 年 1 月至 2 月由伊朗海洋和大气科学研究所 (INIOAS) 运营的“波斯湾探索者”号 (R/V Persian Gulf Explorer) 进行。在 39 个站点中的每个站点，使用范维恩抓斗 (Van Veen grab sampler) 从上层 0–5 厘米层收集三个重复的表层沉积物样本（总共 n = 117 个沉积物样本）。每个站点收集的三个样本代表从单次抓取中收集的子样本。样本转移到预清洁容器中，并在约 20°C 下运输至实验室。分析前样本储存在 20°C 下。

污染控制和质量保证
在样品制备和颗粒分析的全过程中实施严格的污染控制程序，以尽量减少空气传播和试剂衍生的污染。处理期间实验室窗户保持关闭，每次分析会议前使用 70% 乙醇清洁工作台面。玻璃器皿用预过滤蒸馏水冲洗，并在未使用时用铝箔覆盖。尽量减少使用塑料实验室设备，实验室人员在样品制备和颗粒检查期间避免穿着合成纤维衣物。所有试剂和溶液（蒸馏水、Extran? 洗涤剂、H2O2、HCl、芬顿试剂、NaCl 和 NaI）在使用前均通过 0.45 μm 膜过滤器预过滤。在实验室放置被动式空气采样器以监测背景沉积。通过向无微塑料沉积物 (100 g) 中添加 10 个预表征聚合物颗粒（尺寸范围 0.5–2.5 mm）进行三重重复 (n = 3) 来验证回收效率。程序空白与沉积物样本一起处理。对于每个空白，预过滤膜暴露于实验室环境中的时间与学生样本相同，随后在相同的立体显微镜条件下进行检查。使用被动式空气沉积控制来监测样品处理期间实验室中潜在的空气传播污染。暴露后，过滤膜被覆盖并使用与样本相同的视觉筛选程序进行检查。

回收实验
方法回收率使用无微塑料沉积物进行评估。为此，首先使用拉曼光谱确认其聚合物类型后制备塑料颗粒 (0.5–2.5 mm)，并通过手动去除所有肉眼可识别的类塑料颗粒制备无微塑料沉积物 (100 g)。回收率通过将 10 个预表征（通过拉曼光谱）的微塑料颗粒（每种聚合物类型，尺寸：0.5–2.5 mm）添加到样本中并按照之前描述的方法实施分离步骤来确定。完整的提取工作流程进行三重重复 (n = 3) 以确保可重复性。100 g 沉积物的 aliquots 添加了 10 个预表征聚合物颗粒，尺寸范围为 0.5 到 2.5 mm。添加的颗粒包括聚氯乙烯 (PVC)、聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚酰胺 (PA)、聚对苯二甲酸乙二酯 (PET) 和聚苯乙烯 (PS)。每个重复中添加每种聚合物的颗粒数量为 10 个。添加的沉积物样本按照用于现场采集沉积物样本的相同提取和鉴定工作流程进行处理。

沉积物制备和化学消解
每个沉积物样本约 200 g 在 50 °C 下烘干 48 小时。干燥的沉积物转移到玻璃罐中，并与 500 mL 5% Extran? 洗涤剂溶液混合。手动搅拌沉积物洗涤剂悬浮液 30 分钟，以分解沉积物聚集体并促进与沉积物基质相关的颗粒释放。随后，悬浮液被允许静置不受干扰 24 小时。静置后，可能含有悬浮微塑料颗粒的上清液被小心地倒入干净的玻璃烧杯中，并进行化学消解。收集的上清液用 100 mL H2O2 (3%)（由 30% H2O2 稀释至 3% 以控制反应）处理，并放置反应 24 小时以氧化有机物。收集的上清液用 10 mL 新鲜制备的芬顿试剂 (5% FeSO4 和 30% H2O2) 在温和搅拌下处理。在温度保持在 40°C 以下时逐渐加入试剂。然后让混合物反应 24 小时。化学消解后，所得悬浮液进行使用饱和 NaCl 和 NaI 溶液的顺序密度分离。

顺序密度分离
微塑料颗粒使用两步顺序密度分离程序进行分离。在第一步中，化学消解的悬浮液转移到干净的玻璃分液漏斗中，并与 200 mL 饱和 NaCl 溶液混合，测量的密度约为 1.2 g cm3。这一步主要用于回收相对较低密度的聚合物，包括 PE 和 PP。含有浮力颗粒的上层液体被小心地转移到干净的玻璃储器中。收集 NaCl 上清液后留下的下层相保留用于第二步密度分离。在第二步中，保留的下层相与 150 mL 饱和 NaI 溶液混合，测量的密度约为 1.8 g cm3。总混合和静置时间为 24 小时。随后将上层液体转移到另一个干净的玻璃储器中。NaCl 和 NaI 的顺序使用促进了密度范围约为 0.9–1.8 g cm?3 的聚合物回收，包括使用 NaCl 无法有效分离的相对较高密度聚合物。

真空过滤
从 NaCl 和 NaI 密度分离步骤收集的上层液体分别通过直径 55 mm、名义孔径为 1.2 μm 的 Whatman GF/C 玻璃纤维滤膜进行真空过滤。

目视筛选和分类
保留在玻璃纤维滤膜上的颗粒使用 OZL-45 体视显微镜 (KERN & SOHN GmbH, Balingen, 德国) 在 7–45× 放大倍数下进行检查。疑似微塑料颗粒根据其形态（包括形状、颜色、表面纹理、颜色均匀性以及没有可见的细胞或其他生物结构）进行初步选择。这些标准仅用于初步筛选，不被视为合成聚合物组成的确凿证据。热针测试作为额外的初步筛选程序使用，遵循 Kor et al. (2020) 和 Mehdinia et al.。目视检查和热针测试仅用于选择疑似微塑料颗粒。随后通过拉曼微光谱评估聚合物组成。小于 100 μm 的颗粒被排除在定量分析之外，因为在使用分析条件下无法确定其形态和聚合物组成。因此，颗粒定量和基于拉曼的聚合物鉴定的操作下限尺寸为 100 μm。颗粒被分配为以下六个尺寸类别：(100 ≤ L < 500 μm, 500 ≤ L < 1000 μm, 1000 ≤ L < 1500 μm, 1500 ≤ L < 2000 μm, 2000 ≤ L < 2500 μm, 2500 ≤ L < 3000 μm)。大于或等于 3000 μm 的颗粒不存在。颗粒在形态上被分类为纤维、薄膜、圆柱、颗粒或碎片。颗粒颜色被分组为白色/透明、黑色/灰色、蓝色/绿色、红色/粉色或黄色/橙色。分类由多名观察者进行，并评估了观察者的一致性。

鉴定和聚合物表征
拉曼聚合物鉴定
可疑颗粒经过热针测试，并在体视显微镜下 (OZL-45, KERN & SOHN GmbH, Balingen, 德国；放大倍数范围 7–45×；光学分辨率～5–10 μm) 进行视觉表征。使用配备集成光学显微镜的共聚焦拉曼显微镜 (Horiba LabRam HR Evolution; Horiba Scientific, 日本) 进行聚合物鉴定。使用 50× 物镜在 400–3000 cm?1 范围内采集拉曼光谱，每个颗粒的采集时间为 20 秒。根据颗粒形态应用三种激发激光：纤维状颗粒使用 532 nm 和 633 nm，颗粒状颗粒使用 785 nm。光谱采集和处理使用 Labspec 6 软件进行。所采集的光谱与内部 Labspec 6 参考库以及 Dr. Freek Ariese 提供的外部参考库进行比较。聚合物分配基于特征拉曼峰位置和相对强度模式的谱一致性，同时考虑不存在显著的光谱干扰。当光谱匹配系数≥0.80 时，颗粒被归类为聚合物，并通过视觉检查关键诊断峰进一步验证分配。虽然小于 100 μm 的颗粒在显微镜检查期间可以观察到，但它们被排除在最终的聚合物类型确定之外，因为它们的拉曼光谱无法一致地达到这一置信度阈值。因此，只有≥100 μm 的颗粒被包括在最终的基于拉曼的聚合物鉴定中。总共分析 103 个代表性颗粒，其中 93 个颗粒（约 90%）被确认为合成聚合物。

定量和统计分析
微塑料风险指数
聚合物危害指数 (PHI)
采用聚合物危害指数 (PHI) 用于此目的，并根据 Mathew et al. (2024) 提出的以下标准公式进行计算：PHI = ∑Pn × Sn。其中 PHI 量化 MPs 中存在聚合物的危害，Pn 代表每种聚合物类型的相对比例，表示为该聚合物的颗粒数除以每个采样站检测到的 MPs 总数。这确保 PHI 是站点特定的，并反映当地风险水平。Sn 表示分配给每种聚合物类型的危害评级，基于毒理学风险、添加剂浸出倾向和污染物吸附亲和力，如 Mathew et al. 报告。聚合物危害分数最终源自 Lithner et al. 提出的危害排名框架，该框架根据聚合物组成单体的毒理学分类评估聚合物。在本研究中，分配给每种聚合物类型的危害分数聚乙烯 (PE)、聚丙烯 (PP)、聚对苯二甲酸乙二酯 (PET)、聚苯乙烯 (PS)、聚氯乙烯 (PVC) 和聚酰胺 (PA) 分别为 11, 1, 4, 30, 10,001 和 47。

污染负荷指数 (PLI)
每个采样点的 PLI 根据浓度因子 (CFi) 计算，定义如下：CFi = √(Ci / Coi), PLI = √(∏CFi)。采用平方根公式源自 Zhang et al.，以减少数据分散并稳定站点间的变异性。然后计算每个站点的污染负荷指数。其中 Ci 是每个采样位置的微塑料浓度，Coi 代表微塑料的基线浓度，定义为所有采样点中观察到的最低 MP 浓度，作为缺乏经过验证的工业化前背景数据时的研究内参考基线。

潜在生态风险指数 (PERI)
随后使用以下公式确定生态风险因子 Eir：Cif = Ci / Cin, Tir = ∑(Pn × Ci × Sn), Eir = Tir × Cif。这一修正后的公式确保毒性系数 (Tir) 反映聚合物特定的化学危害，而不是之前的术语 (PnCi×Sn)，后者可能会扭曲风险贡献，并且没有得到已建立的生态风险框架的支持。单个聚合物类型所构成的累积风险有助于整体的潜在生态风险指数 (PERI)。PERI 值低于 150 表示可忽略的生态风险，而 150 到 300 之间的值表示中等风险。300 到 600 的 PERI 值表示严重风险（相当大的生态关注）；600–1200 表示高生态风险；超过 1200 的值与极严重的生态威胁相关 (Table S2)。

统计分析
统计分析使用 IBM SPSS Statistics 25 软件 (SPSS Inc., 美国) 进行。在数据输入并按采样站排序后，计算描述性统计量。使用 Shapiro-Wilk 检验评估数据分布的正态性。由于数据违反了正态性假设，因此采用非参数检验。使用 Kruskal-Wallis H 检验比较采样站之间的总体差异，并使用 Mann-Whitney U 检验进行事后成对比较。应用 Bonferroni 校正以控制与多重比较相关的 I 类错误，统计显著性设定为 α = 0.05。

额外资源
本研究未生成或贡献新的网站或论坛，且不属于临床试验的一部分。

补充信息 (1)PDF (1.09 MB)Document S1. 图 S1–S4 和表 S1 和 S2