巴林天然与人工红树林中微塑料污染及生态风险评估：丰度、聚合物组成与近岸–离岸变化规律

《Toxics》：Microplastics Contamination and Ecological Risk Assessment in Natural and Afforested Mangrove Stands of Bahrain: Abundance, Polymer Composition, and Onshore–Offshore Variability

　　

红树林生态系统是具有重要生态意义的沿海栖息地，然而有关巴林海岸微塑料（MP）污染的数据仍然匮乏。本研究调查了2025年采集的四个红树林区域（12个站点）沉积物中微塑料的丰度、特征及生态风险。研究人员采用密度分离法提取微塑料，并通过尺寸、形状、颜色及拉曼光谱（Raman spectroscopy）表征其聚合物组成；同时采用污染负荷指数（Pollution Load Index, PLI）、聚合物危害指数（Polymer Hazard Index, PHI）和潜在生态风险指数（Potential Ecological Risk Index, RI）评估生态风险。所有站点均检出微塑料，丰度范围为533.33 ± 2.08至958.33 ± 6.5个/千克干重。碎片（fragments）是主要形状，黑色为优势颜色。<10 μm和10–30 μm是两个最丰富的粒径等级，其中<10 μm的超细组分在阿拉伯海湾红树林生态系统中此前未被表征，表明现有方法低估了微塑料丰度及相关生态风险。鉴于此类超细颗粒具有高表面反应活性、强吸附能力和潜在根系吸收能力，本研究强调需要标准化、高分辨率的检测方法。尼龙-6（Nylon-6）在所有采样点均占主导地位，无论其处于近岸还是离岸环境，均表明存在普遍且持久的人为来源。尽管生态风险指数显示总体环境风险为低至中等水平，但微塑料在巴林红树林沉积物中的普遍存在引发了对长期生态影响的担忧。这些发现为未来的时空监测、精细化生态风险评估以及制定有针对性的管理策略以保护沿海生态系统提供了坚实的基线。

# 巴林天然与人工红树林沉积物微塑料污染特征及生态风险解读

## 1. 研究背景与科学问题

微塑料（Microplastics, MPs）通常指直径小于5 mm的塑料颗粒，其污染已成为全球性环境挑战，对生态系统完整性、粮食安全和人类健康构成深远威胁。微塑料来源于初级和次级两类途径：初级微塑料是为个人护理产品、工业研磨剂和合成纺织品制造等用途而有意生产的微小颗粒；次级微塑料则是由较大塑料碎片经紫外线辐射、机械磨损和理化风化过程逐步破碎产生。由于微塑料具有持久性和广泛扩散性，其已在海洋、淡水、陆地和大气环境中普遍存在。红树林凭借复杂的气生根系统降低水流速度、促进细颗粒沉积，因而成为微塑料的高效汇集区，其沉积物中的微塑料浓度通常高于邻近的海草床、盐沼和裸沙沉积物。全球红树林沉积物中微塑料浓度差异显著，范围从1.22至6390个/千克干重，城市中心、工业区和渔业区附近浓度较高。

阿拉伯海湾的红树林生长于全球最极端的海岸环境中，面临高盐度、高温和淡水资源匮乏等压力，主要优势种为白骨壤（*Avicennia marina*）。巴林是海湾地区红树林面积最小的国家之一，因沿海开垦、城市扩张等压力，其天然红树林面积在1967—2020年间丧失超过95%，仅剩约48公顷。为此，巴林将红树林保护和恢复纳入国家气候减缓和生物多样性战略，计划到2035年将红树林覆盖率翻两番。目前巴林的红树林包括自然形成的林分和通过人工种植建立的人工林分。然而，关于巴林海岸微塑料污染的数据仍十分有限。本研究旨在量化天然与人工红树林沉积物中微塑料的丰度、表征其尺寸/形状/颜色/聚合物组成，比较近岸与离岸站点的空间分布格局，并采用污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（RI）评估生态风险。

## 2. 研究内容与主要结论

研究人员于2025年1—6月在巴林四个红树林区域（Tubli Bay、Ras Sanad、Arad Bay和Fasht Al-Jarim，共12个站点）采集沉积物样品。其中Ras Sanad和Tubli Bay为长期建立的成熟天然林分，Arad Bay（约27年）和Fasht Al-Jarim（约12年）为人工恢复林分；近岸站点包括Tubli Bay、Ras Sanad和Arad Bay，离岸站点为距大陆约20 km的Fasht Al-Jarim。微塑料提取采用饱和NaI溶液（密度约1.80 g cm^?3）进行密度分离，随后以10% KOH消解有机质，经真空过滤后利用共聚焦拉曼显微镜（Renishaw inVia Qontor，785 nm激光，光谱范围605–1715 cm^?1）进行聚合物鉴定。同时测定了水体理化参数（温度、盐度、pH、溶解氧、氨氮、磷酸盐、硝酸盐）和沉积物粒度组成。生态风险计算采用PLI、PHI和RI指数，并用单因素方差分析、PERMANOVA、SIMPER、Spearman相关和主成分分析（PCA）进行统计检验。

研究结果显示，所有12个站点均检出微塑料，丰度范围为225–1900个/千克干重，区域平均值为533.33 ± 2.08至958.33 ± 6.5个/千克干重。碎片（97.8%）是最主要的形状，黑色（92.1%）为优势颜色。粒径分析显示，<10 μm和10–30 μm是两个最丰富的粒径等级，其中<10 μm的超细组分此前在阿拉伯海湾红树林中未被报道。聚合物组成方面，尼龙-6（Nylon-6）在所有站点均占主导地位，在近岸站点占30–61%，在离岸站点高达68.5%；此外还检出PET、FEP、PTFE、PP、PS、PU及复合物等共10种聚合物类型。生态风险评估表明，PLI值将25%的站点归为风险等级I、75%为等级II；PHI值将所有站点归为等级II；RI值将所有站点归为等级I，总体风险为低至中等水平。统计检验显示，天然林分与人工林分之间微塑料丰度无显著差异（F = 0.723, p = 0.415），近岸与离岸站点间也无显著差异（F ≈ 0, p = 0.987），但聚合物组成在近岸–离岸梯度上呈现明显分化：近岸站点聚合物类型多样，PET分布于完整粒径谱；离岸站点仅检出<60 μm的颗粒，且以FEP、PTFE和Nylon-6为主。PCA表明微塑料丰度与硝酸盐、磷酸盐沿同一排序轴聚集，但研究人员明确指出这仅是统计关联，不构成因果关系。

## 3. 关键技术方法

本研究主要采用了四项关键技术方法：（1）基于饱和NaI溶液（密度≈1.80 g cm^?3）的密度分离法提取沉积物中的微塑料，结合10% KOH消解去除有机质，并使用0.7 μm玻璃纤维滤膜过滤；（2）共聚焦拉曼光谱（Raman spectroscopy）进行单颗粒化学鉴定，光谱范围605–1715 cm^?1，785 nm激发波长，通过与文献参考光谱比对确定聚合物类型，并以聚苯乙烯（PS）作为阳性对照，同时设置野外空白和实验室空白进行质量保证/质量控制（QA/QC）；（3）生态风险评价采用污染负荷指数（PLI）、聚合物危害指数（PHI）和潜在生态风险指数（RI），其中PHI和RI仅基于具有既定危害分数的聚合物（PET、PP、PS、PU和Nylon-6）计算；（4）多元统计分析包括单因素方差分析（ANOVA）、置换多元方差分析（PERMANOVA，基于Bray–Curtis距离）、相似性百分比分析（SIMPER）、Spearman相关分析和主成分分析（PCA）。样品来源为巴林四个红树林区域共12个站点，样品的采集、处理和分析均遵循严格的质量控制流程。

## 4. 研究结果分述

### 4.1 微塑料丰度与粒径分布

微塑料丰度在各站点间差异显著，离岸人工林Fasht Al-Jarim的J2站记录到最高值（1900个/千克干重），而同一区域的J1站仅为225个/千克干重，显示出强烈的空间异质性。天然林分Ras Sanad和Tubli Bay的丰度分别为550–1125和550–875个/千克干重。统计检验表明微塑料丰度在天然与人工林分之间、近岸与离岸之间均无显著差异。粒径分布方面，所有颗粒集中于1.1–66.1 μm范围，<10 μm和10–30 μm为优势粒级；天然与近岸站点覆盖完整粒径谱，而人工与离岸站点仅检出<60 μm的颗粒。

### 4.2 形状与颜色特征

碎片以97.8%的绝对优势成为最普遍的形状，其次为薄膜（1.09%）、纤维（0.55%）和颗粒（0.55%）。颜色方面，黑色占92.1%，其余依次为红色、棕色、灰色、蓝色、粉色和绿色。碎片占优势表明微塑料主要来源于大型塑料碎片的渐进风化破碎，黑色主导则与广泛风化、有机污损以及黑色塑料制品（如塑料袋和包装）的低回收率有关。

### 4.3 聚合物组成与分布

共检出10种聚合物类型：酞菁铜-PP（copper phthalocyanine-PP）、氟化乙烯丙烯（FEP）、尼龙-6、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、PET/二胺/多壁碳纳米管复合材料（PET/diamine/MWCNT）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚氨酯（PU）和PU/PP共混物。Nylon-6在所有站点均占主导，近岸占比30–61%，离岸高达68.5%，表明其来源为区域性、持续性的人为输入（如渔网、绳索、渔线和合成纺织品纤维）。FEP在离岸站点尤为突出（J1占44.4%），PTFE仅在离岸站点检出（J1占22.2%，J2占55.3%），而PET在天然近岸站点T1占比最高（38.5%）。PERMANOVA显示近岸–离岸站点间聚合物组成差异接近显著（p = 0.069），但SIMPER未识别出显著贡献聚合物；天然与人工林分间无显著差异（p = 0.201），但SIMPER识别PET为显著贡献者（p = 0.036）。

### 4.4 环境因子关联分析

PCA结果显示前三个主成分累计解释72.58%的方差。PC1由溶解氧（?0.546）、pH（?0.491）和温度（?0.421）主导，与盐度（0.334）负相关；PC2中硝酸盐（0.557）、微塑料丰度（0.449）和磷酸盐（0.314）同向聚集，而氨氮（?0.476）与之反向。Fasht Al-Jarim站点与营养盐和微塑料丰度沿同一轴聚集，但研究人员强调这仅是统计关联。沉积物粒度分析表明所有站点以砂质为主（63.2–89.5%），粉砂+粘土组分占2.8%–35.4%，其中J2站细粒组分最高（35.4%），与最高微塑料丰度对应，但该关系并非在所有站点一致。

### 4.5 生态风险评价

PLI值在Tubli Bay、Ras Sanad、Arad Bay和Fasht Al-Jarim分别为1.26 ± 0.31、1.76 ± 0.30、0.98 ± 0.10和1.09 ± 1.67，其中75%站点为风险等级II。PHI值分别为31.90 ± 10.12、31.92 ± 7.94、36.95 ± 5.46和29.86 ± 22.42，所有站点均为风险等级II。RI值分别为38.87 ± 8.81、54.90 ± 19.52、36.12 ± 8.00和21.13 ± 75.40，所有站点均为风险等级I。RI与PLI的相关性（R2 = 0.60）强于RI与PHI的相关性（R2 = 0.30），说明微塑料丰度对环境风险的影响大于聚合物多样性。由于现有风险指数未包含粒径依赖性毒性项，且部分聚合物缺乏危害分数，该低–中等风险分类应被视为保守估计。

## 5. 讨论与结论

讨论部分指出，离岸站点Fasht Al-Jarim的J2站异常高的微塑料丰度在缺乏邻近人为活动的情况下，更可能归因于潮汐水流、水动力环流和渔业相关活动等区域输运过程。Nylon-6在所有站点的均匀分布表明其来源为区域性输入（渔具和合成纤维），而非局部点源污染。天然林分与人工林分间微塑料丰度无显著差异，提示已建立约27年（Arad Bay）和约12年（Fasht Al-Jarim）的人工林分在沉积物截留能力上可能与成熟天然林分趋同，“天然”与“人工”的二元分类可能已不能反映当前功能状态的差异。粒径与聚合物组成沿近岸–离岸梯度呈现的分选特征，说明区域尺度水动力连通性和输运距离比局部人为活动更主导微塑料分布格局。**研究结论部分**可翻译为：本研究提供了巴林红树林沉积物微塑料污染的首次基线评估，填补了阿拉伯海湾的重要数据空白。微塑料在所有4个区域12个站点（225–1900个/千克干重）均被检出，确认这些沉积物为持久的塑料汇；碎片是主要形状，黑色是优势颜色，反映了大型碎片的广泛风化。<10 μm和10–30 μm粒级的主导地位，包括此前在海湾红树林中未记录到的<10 μm超细组分，表明传统粗阈值监测可能低估了微塑料丰度及超细颗粒（其兼具高表面反应活性、强吸附能力以及更大的根系吸收和营养级传递潜力）所带来的生态风险。尼龙-6在所有站点（无论近岸或离岸）均占主导，指向共同且持久的人为来源。生态风险指数（PLI、PHI、RI）将总体风险归为低至中等水平，但由于这些指数未考虑粒径因素，该分类可能低估了超细组分造成的真实风险。这些发现为未来时空监测奠定了坚实基础，并强调需要标准化、高分辨率的检测方法；优先研究方向包括超细微塑料的生物累积与营养级传递、其长期生态毒理效应，以及主要来源和输运途径的识别，从而为阿拉伯海湾红树林及其他沿海生态系统的靶向管理提供证据基础。