悬浮沉积物的絮凝作用以及河流与湖泊的水动力特性共同决定了可漂浮微塑料的垂直传输过程及其最终归宿

《Journal of Hazardous Materials》：Suspended sediment flocculation and riverine–lacustrine hydrodynamics jointly shape the vertical transport and fate of buoyant microplastics

　　

摘要

了解微塑料（MPs）在淡水系统中的垂直传输和命运对于阐明其重新分布和下游传输至关重要。然而，在与河流相连的湖泊中，控制浮力微塑料向下传输的机制仍缺乏定量研究。在这里，我们为鄱阳湖开发了一个三维水动力-颗粒追踪模型，以研究在不同 river-lake 交换模式下的浮力微塑料垂直传输情况，模型中考虑了沉积物絮凝这一动态过程对颗粒大小和有效密度的影响。模拟结果显示，不同大小的微塑料开始沉降所需的时间分别为 69 μm、210 μm 和 750 μm，平均分别为 4.5 小时、35.4 小时和 756.8 小时，同一种大小的微塑料在空间上的沉降差异最大可超过 60%。沉积物絮凝将小颗粒的沉降时间从几周缩短到几小时，而水动力混合则加速了大颗粒的向下传输。河流条件有利于微塑料的输出和沉积，而湖泊条件则增强了颗粒在表面的滞留；在回流期间，长江输入的微塑料增加了湖泊中的含量，悬浮沉积物诱导的密度增加促进了小浮力微塑料的快速沉积。这些发现强调了将颗粒大小依赖性反应与沉积物絮凝和 river-lake 水动力学相结合的重要性，以理解河流相连湖泊中浮力微塑料的传输和命运，为预测和风险评估提供了基于过程的见解。

引言

微塑料（MPs，<5毫米）因其持久性、积累性和在水生及陆地系统中的广泛存在而成为日益严重的环境和公共卫生问题[1]、[2]、[3]。因此，人们越来越关注微塑料在不同环境中的分布、传输、积累和命运[4]、[5]。海洋通常被认为是微塑料的重要最终归宿，而大约80%的海洋微塑料污染来自陆地来源[1]。淡水系统不仅是连接陆地来源与下游水域和海洋的关键通道，也是微塑料可能被滞留、沉积和重新释放的重要区域[6]、[7]、[8]。鉴于人类居住区、生产活动和资源使用对淡水系统的依赖性[9]、[10]，明确微塑料在淡水中的传输、滞留和命运对于理解局部暴露风险和流域范围内的重新分布至关重要。

垂直传输是控制微塑料迁移和环境命运的关键过程[11]。对于负浮力的微塑料，以往的研究通过引入颗粒形状描述符（包括 Corey 形状因子[12]、Aschenbrenner 形状因子[13] 和基于机器学习的形状因子[14]）逐步改进了阻力公式。理论上，由于低密度，浮力微塑料倾向于在水面附近积累。然而，在淡水沉积物中检测到了低密度聚合物如聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）[15]、[16]、[17]，这突显了理解其向下传输机制的必要性。目前关于浮力微塑料向下传输的研究主要集中在生物膜附着上，生物膜可以在大约3-9周内通过增大微塑料的大小和有效密度来促进其沉降[4]、[18]、[19]。然而，在悬浮沉积物浓度较高（SSC）和足够的碰撞条件下，浮力微塑料也可以与悬浮沉积物发生异质聚集。这一过程可以在几小时内发生[20]，比生物膜诱导的密度增加快得多。现有证据表明，微塑料-沉积物异质聚集是推动浮力微塑料向下传输的重要机制[21]、[22]、[23]。然而，沉积物絮凝如何重塑浮力微塑料垂直传输的关键阶段，仍缺乏定量研究。

在淡水系统中，河流通常被视为将微塑料输送到下游乃至海洋的主要通道，而湖泊由于其相对较弱的水动力学特性，常被视为沉积池或临时滞留库[17]、[24]。然而，这种简单的传输-滞留二分法并不适用于鄱阳湖。作为中国最大的与河流相连的湖泊，鄱阳湖受到边界水位和 river-lake 交换过程的强烈影响[25]、[26]，其水力停留时间较短且变化较大，大约为6.4-39.4天[27]，远短于伊利湖（约2.7年）和安大略湖（约7.5年）[18]。全球只有大约10-20%的湖泊报告水中的微塑料浓度超过10个/升[28]、[29]。相比之下，鄱阳湖表面水中的微塑料含量大约为5到34个/升[30]，使其成为微塑料含量相对较高的淡水湖泊之一。在此背景下，对鄱阳湖中微塑料的研究逐渐从存在、空间分布和来源识别[31]、[32]扩展到传输过程和生态影响[33]、[34]。数学模型越来越多地被应用于通过结合水动力场和颗粒追踪方法来研究微塑料的传输，从而确定河流、湖泊、河口和沿海水域中的传输路径、滞留区、输出通量和积累热点[35]、[36]、[37]。更近期的模型还考虑了颗粒大小、密度、形状、沉降、再悬浮和湍流扩散等因素，以更好地模拟垂直交换和床面相互作用[1]、[38]。然而，这样的建模框架很少应用于量化悬浮沉积物絮凝引起的密度增加如何与不同的 river-lake 水动力学条件相互作用，从而影响浮力微塑料的垂直重新分布和环境命运。因此，明确不同 river-lake 交换条件下的这些耦合效应仍然是一个重要的研究课题。

因此，本研究以鄱阳湖为例，通过考虑悬浮沉积物絮凝和生物膜附着，量化了在不同 river-lake 交换模式下浮力微塑料的垂直传输和环境命运。具体来说，本研究旨在（1）澄清悬浮沉积物絮凝、生物膜附着和水动力混合对浮力微塑料垂直传输的影响；（2）揭示在不同 river-lake 交换模式下浮力微塑料在水柱中的垂直分布；（3）量化流动模式如何通过耦合的垂直和水平传输来调节微塑料在悬浮、沉积和输出之间的分配。

章节摘录

研究区域

鄱阳湖（28°22′-29°45′N, 115°47′-116°45′E）位于长江中下游，是中国最大的淡水湖。它每年排入长江的水量约占长江主干流年平均流量的13-15%（图1a）[39]、[40]。1992年，鄱阳湖被列入《拉姆萨尔公约》保护名录，提供了重要的生态系统服务，包括生物多样性保护、水文调节和碳储存

结果与讨论

本节根据悬浮沉积物絮凝和 river-lake 水动力学的耦合效应下浮力微塑料的传输过程进行组织。为了保持一致的呈现方式，每个小节首先展示定量模型结果，随后讨论模拟模式背后的机制。3.1 不同大小浮力微塑料的沉降起始时间，3.2 有效密度的变化以及水动力驱动的沉降过程

结论

阐明水生系统中浮力微塑料的垂直分布和环境命运对于理解其生态暴露、环境滞留和流域范围内的传输至关重要。在悬浮沉积物浓度高的淡水系统中，忽略沉积物絮凝可能导致对浮力微塑料向下迁移和最终命运的评估不准确。因此，基于沉积物-微塑料絮团的平衡状态，本研究定量描述了

CRediT 作者贡献声明

Jingwei Chen:撰写 – 原始草稿、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。WANG HUA:撰写 – 原始草稿、方法论、正式分析、概念化。Zhiheng Qiu:验证、资源获取。Haosen Xu:可视化、软件。Linyou Chu:验证、数据整理。Yanqing Deng:可视化、调查。Yichuan Zeng:撰写 – 审阅与编辑、软件。Dongfang Liang:验证、软件。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家关键研发计划（2023YFC320900001）、教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM907）、国家自然科学基金（项目编号52179064）、江西省水利厅2025年科技项目（202527ZDKT19）和江西省水利厅2024年科技项目（202426ZDKT17）的支持。

Jingwei Chen|Hua Wang|Dongfang Liang|Yanqing Deng|Yichuan Zeng|Haosen Xu|Linyou Chu|Zhiheng Qiu

中国江南大学环境学院，教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室，南京210098