陳 浩

(上海環(huán)境保護(hù)有限公司，上海 200233)

0 引言

微塑料(Microplastics)通常是指粒徑小于5 mm的人造塑料聚合物產(chǎn)品(初級微塑料)以及由塑料產(chǎn)品破碎風(fēng)華形成的殘體物(二級微塑料)。自上世紀(jì)50年代以來，全世界的塑料產(chǎn)量呈現(xiàn)指數(shù)性增長。至2018年，全球塑料產(chǎn)量更是接近了3.6億噸，其中我國的塑料產(chǎn)品貢獻(xiàn)了全世界產(chǎn)量的30%。隨著全球性塑料生產(chǎn)過剩的出現(xiàn)，加之塑料廢棄物的低效處理處置，微塑料在全世界絕大多數(shù)的水生和陸域系統(tǒng)中均被發(fā)現(xiàn)，成為全球范圍內(nèi)關(guān)于新興污染物研究的重要焦點(diǎn)之一。2015年，在德國舉行的七國集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人峰會上，各國政府通過發(fā)布聯(lián)合宣言承認(rèn)并警告了微塑料污染對全球生態(tài)系統(tǒng)及人類健康構(gòu)成的風(fēng)險。迄今為止，微塑料污染已被廣泛認(rèn)為是與氣候變化同等重要的環(huán)境問題之一，并且是一個在近中期階段可能會影響到人類保護(hù)生物多樣性能力的新興問題。

自2010年以來，陸域系統(tǒng)尤其是陸域水體中普遍發(fā)生的微塑料污染，得到了各國政府和全球科學(xué)家的強(qiáng)烈關(guān)注。就此而言，約80%的海洋微塑料被認(rèn)為是來源于陸域系統(tǒng)[1-2]。Jambeck與Lebreton等人[3-4]在2015年和2017年分別展開的評估研究顯示，共計(jì)115～241萬噸塑料廢物已通過陸域河流被輸送進(jìn)入海洋。預(yù)計(jì)在未來幾十年內(nèi)，這一數(shù)字將持續(xù)增長。陸域水體系統(tǒng)中已被報道的高負(fù)荷微塑料污染，凸顯了全面了解其發(fā)生、來源及風(fēng)險的緊迫性。城市水生態(tài)環(huán)境作為陸域水體系統(tǒng)的重要組成部分，其微塑料污染格局的空間異質(zhì)性與代表性，為理解微塑料污染的發(fā)生與傳播，并實(shí)現(xiàn)可能的管控減排，提供了一個系統(tǒng)性的框架。

本文綜述了陸域水體環(huán)境微塑料污染研究的興起與發(fā)展，探討了城市水生態(tài)環(huán)境的微塑料污染概況、主要來源以及微塑料的生態(tài)風(fēng)險。

1 陸域水體環(huán)境微塑料污染研究的興起與發(fā)展

塑料產(chǎn)品包括PE(聚乙烯，polyethylene)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯，polyethylene terephthalate)及PP(聚丙烯，polypropylene)等聚合物材質(zhì)，因其輕巧耐用、價格低廉等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于包裝、物流、醫(yī)療、化妝品等幾乎全部的生產(chǎn)生活領(lǐng)域。然而，塑料工業(yè)的超體量發(fā)展同步帶來了一系列的環(huán)境問題。大量的塑料廢棄物被不當(dāng)處置或低效回收，并通過各種途徑進(jìn)入河流和海洋等水生態(tài)環(huán)境，加之塑料本身的難降解性，使得塑料廢棄物在這些環(huán)境中快速大量累積。

微塑料污染問題的發(fā)現(xiàn)起源于海洋環(huán)境的研究。2004年，Thompson等人[5]首次報道了在英國海岸沙灘發(fā)現(xiàn)的微塑料顆粒與纖維，并在《Science》雜志上提出了“微塑料”一詞，用以描述海洋中微小的塑料粒子。至2010年后，Claessens[6]及Eriksen等人[7]在大西洋和太平洋中也相繼發(fā)現(xiàn)了微塑料粒子。2014年的一項(xiàng)評估調(diào)查表明，全球海洋中可能漂浮著7 000～35 000噸的塑料垃圾[8]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年向海洋排放480～1 270萬噸[9]塑料垃圾，尺寸從微米到米不等[10]。隨著全球微塑料污染研究的不斷深入，陸域環(huán)境被認(rèn)為是海洋微塑料的主要來源。據(jù)估計(jì)，2010年全球192個沿海國家共產(chǎn)生了2.75億噸塑料垃圾，其中約有2.5%～6.6%的塑料垃圾進(jìn)入海洋[11]。這意味著超過95%的塑料垃圾被留在陸域環(huán)境中，被回收、處理、焚燒或丟棄[12]。2010年后，隨著研究調(diào)查的拓展，亞馬遜河[13]、長江[14]、泰晤士河[15]、多瑙河[16]及萊茵河[17]等世界主要河流的表層水和沉積物中均發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在，與這些河流關(guān)聯(lián)的河口海岸帶往往是微塑料污染的熱點(diǎn)區(qū)域。亞馬遜河口的調(diào)查顯示[13]，在該水域14種共26個魚類樣本的胃腸中取出了共計(jì)228個微塑料顆粒，包含了PE及PA(聚酰胺，polyamide)等多種聚合物類型。對泰晤士河展開的現(xiàn)場調(diào)查則在河床上攔截到了共計(jì)8 490件水下塑料物品[15]。此外，包括安大略湖[18]、鄱陽湖[19]、密歇根湖[20]、日內(nèi)瓦湖[21]及青海湖[22]等在內(nèi)的主要內(nèi)陸湖泊中也都發(fā)現(xiàn)了微塑料污染。密歇根湖的評測數(shù)據(jù)甚至展示了水域內(nèi)巨大的微塑料污染負(fù)荷[20]，即大約有10億個塑料顆粒漂浮于湖區(qū)表面，豐度平均為17 276個/km2。

我國陸域水體環(huán)境的微塑料污染在不同區(qū)域間的分布則有著顯著差異。2018年，Di等人[23]的調(diào)查顯示，我國三峽水庫表層水及沉積物中的微塑料豐度分別達(dá)到了1 597～12 611個/m3和25～300個/kg(濕重)。青海湖表層水中微塑料的豐度為0.05×105～7.58×105個/km2，湖岸沉積物中微塑料豐度為50～1 292個/m2，魚類樣品中微塑料豐度為2～15個/只，聚合物類型主要為PE與PP[22]。此外，2014年的調(diào)查表明，我國長江口地表水微塑料的豐度為500～10 200個/m3，遠(yuǎn)高于東海海水的0.03～0.455個/m3[14]。相比之下，長江口沉積物中的微塑料豐度則達(dá)到了20～340個/kg(干重)[24]。在洞庭湖及其支流展開的幾乎為水域全覆蓋的采樣監(jiān)測顯示，該區(qū)域表層水的微塑料豐度達(dá)到了0.62～4.31個/m2，沉積物微塑料豐度則為21～52個/100 g(干重)[25]。Su[26]等人在2015年調(diào)查了太湖水域的微塑料污染水平，利用浮游生物網(wǎng)收集樣本的微塑料豐度達(dá)到0.01×106～6.8×106個/km2，地表水為3.4～25.8個/L，沉積物則為11.0～234.6個/kg(干重)。該研究顯示常見的微塑料為PE、PET及PP等。

從現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)來看，陸域水體環(huán)境的微塑料污染相較海洋環(huán)境明顯更為嚴(yán)重。然而，就研究數(shù)量而言，陸域水體微塑料研究所涉及的區(qū)域仍然僅占全球陸域水體總量的小部分，且遠(yuǎn)少于對海洋環(huán)境的研究。

2 城市水生態(tài)環(huán)境的微塑料污染現(xiàn)狀

城市是一個跨越廣泛土地利用梯度的大規(guī)模匯水區(qū)，經(jīng)歷了相當(dāng)巨大的人為影響，已被公認(rèn)為是微塑料污染的重點(diǎn)區(qū)域。作為陸域環(huán)境微塑料的主要輸出地，關(guān)于城市微塑料污染發(fā)生、現(xiàn)狀及傳播的研究是實(shí)現(xiàn)全球性微塑料污染管控的關(guān)鍵內(nèi)容之一。2015年，Dris等人[27]即提出了微塑料污染的研究應(yīng)更多地關(guān)注受人類活動影響嚴(yán)重的區(qū)域，尤其是城市。在此之后，城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的研究在全球范圍內(nèi)得到了進(jìn)一步的發(fā)展。2017年，Wang等人[28]對長江武漢段和漢江武漢段的研究顯示，這些水體環(huán)境的微塑料豐度分別達(dá)到了2 516.7±911.7和2 933±305.5個/m3，遠(yuǎn)高于其他地區(qū)河流的污染狀況。其團(tuán)隊(duì)的調(diào)查還顯示，武漢市內(nèi)20個湖泊的表層水微塑料豐度處于1 660.0±639.1至8 925±1 591個/m3之間。Zhao等人[29]在2015年對閩江、椒江及曲江等城市河流的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，這些河流及其河口表層水的微塑料賦存量分別達(dá)到了1 245.8±531.5個/m3、1 170.8±953.1個/m3、955.6±848.7個/m3和680.0±284.6個/m3。2018年上海市河流的調(diào)查則顯示城市河道沉積物的微塑料平均豐度為802個/kg(干重)[30]。另一方面，趙等人[31]對上海市區(qū)及市郊河道的對比調(diào)查進(jìn)一步表明，這些河道沉積物的微塑料平均豐度(以濕重計(jì))達(dá)到了1 575.5±758.4個/kg。其中，上海市中心城區(qū)蘇州河的沉積物微塑料豐度更是高達(dá)6 233.4±1 890.4個/kg[32]。這些持續(xù)近5年的調(diào)查結(jié)果警示了我國城市水生態(tài)環(huán)境中嚴(yán)峻的微塑料污染狀況。

同樣是發(fā)展中國家，Lahens等人[33]對越南西貢市市區(qū)河道的監(jiān)測顯示，在市政措施相對低效、環(huán)境污染嚴(yán)重的區(qū)域，塑料纖維和碎片分別高達(dá)172 000～519 000個/m3和10～223個/m3。Dris等人[27]對巴黎市區(qū)河道表層水的調(diào)查則顯示其微塑料污染明顯不如比西貢市嚴(yán)重，但仍然不容樂觀(3～108個/m3)。Wagner等人以德國萊比錫市為例，通過模型估算得出2016年整個流域的塑料輸出總量為3.0×106個/年[34]。

當(dāng)前的研究進(jìn)一步證明，受人類活動影響大的城市水生態(tài)環(huán)境面臨更高的微塑料污染風(fēng)險。2011年，Moore等人[35]的調(diào)查顯示，區(qū)域水體的微塑料豐度與其與城市中心的距離存在明顯的關(guān)聯(lián)性。這在武漢市湖泊水體微塑料污染的調(diào)查中也得到了證明，即靠近于市中心的北湖中微塑料豐度顯示最高，而遠(yuǎn)離市中心的武湖中微塑料豐度最低[28]。此外，Luo等人[30]的研究指出，上海市市域水體中的微塑料豐度比長江出?？诔睘┲袡z測到的微塑料豐度高了1～2個數(shù)量級。

總體上，全球范圍內(nèi)城市水生態(tài)環(huán)境所承受的實(shí)際微塑料污染狀況以及未來面臨的污染風(fēng)險預(yù)壓力是不容樂觀的。但是，現(xiàn)有研究對城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染展開的聚焦調(diào)查仍然十分稀缺。不同城市區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量會因城市化發(fā)展進(jìn)程、區(qū)域下墊面使用規(guī)劃、流域污染管控政策力度、人口密度等因素而呈現(xiàn)顯著的差異性。因此，對城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的來源及風(fēng)險的比較調(diào)查尤為重要。

3 城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的主要來源

在城市環(huán)境中，微塑料的來源與傳播途徑存在區(qū)域差異性，涉及眾多人類活動的影響，導(dǎo)致整體的污染格局具有很大的空間異質(zhì)性。明晰城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的來源，為系統(tǒng)地理解微塑料污染的發(fā)生和傳播規(guī)律，并通過構(gòu)建自上而下的環(huán)境措施與環(huán)境政策以實(shí)現(xiàn)可能的管控減排，提供了一個頗具代表性的框架。

點(diǎn)源污水的排放通常包括污水廠(WWTPs)的尾水排放和排水系統(tǒng)的溢流(包括旱天及雨天溢流)，是城市水生態(tài)環(huán)境最主要的污染源。就這一點(diǎn)而言，微塑料污染同樣不例外，尤其是微塑料顆粒和纖維。在城市區(qū)域，即使大部分的生活污水都能夠被WWTPs收集和處理，但由于處理工藝和去除效率方面的原因，通常處理后的出水仍含有少量微塑料。考慮到持續(xù)大量的尾水排放，WWTPs仍會向受納水體釋放相當(dāng)數(shù)量的微塑料粒子。Mason等人[36]對美國WWTPs出水的評估顯示，每天約有30～230億(平均130億)個微塑料粒子排放到該國的水體環(huán)境中。Murphy等人[37]對英國格拉斯哥市一個服務(wù)60萬人的二級WWTP的微塑料排放量估算，每天約有6.5×107個微塑料粒子被排入受納水體。迄今為止，在WWTPs的進(jìn)水和出水中已檢測到30多種微塑料聚合物，其中最常見的為PET(4%～35%)、PA(聚酰胺，3%～30%)、PE(4%～51%)和PES(聚酯，28%～89%)[38]，但不同WWTPs進(jìn)出水的微塑料濃度存在較大差異，聚合物的類型也各不相同。PE、PET、PA被廣泛用于服裝制造業(yè)。PE不僅用于生產(chǎn)個人護(hù)理用品，如磨砂洗面奶、牙膏等，也用作食品包裝膜和水瓶等的原材料。生活污水中通常是纖維狀微塑料的占比最高，它們可能主要來自家用洗衣機(jī)的洗滌過程[39]。值得注意的是，根據(jù)已有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)[37,40-41]，我國WWTPs對微塑料的處理效率普遍偏低，而歐洲地區(qū)WWTPs的處理效率基本都在90%以上。賈等人[42]對上海市兩個大型WWTPs的監(jiān)測顯示，其對微塑料的去除率僅為60%左右，且去除過程主要發(fā)生在物理階段。此外，相當(dāng)大的一部分污水微塑料將以WWTP剩余污泥的形式被保留和處置。對剩余污泥回收處理的不當(dāng)管理，將使其成為陸地微塑料的重要來源，2015年我國重新進(jìn)入環(huán)境的剩余污泥微塑料的平均數(shù)量估計(jì)為1.56×1014個/年[43-44]。

考慮到排水管網(wǎng)溢流的年排放量十分巨大，特別是在我國的南方地區(qū)，是城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的重要來源(見圖1)。明確排水管網(wǎng)溢流與城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的聯(lián)系，將為微塑料在城市環(huán)境中的遷移分布提供重要的數(shù)據(jù)支撐。陳等人[32]對上海市排水系統(tǒng)展開的大規(guī)模調(diào)查估算顯示，市域排水系統(tǒng)溢流的微塑料年排放量達(dá)到了8.50×1014個/年，幾乎是通過本地WWTPs尾水排放的6倍，高于法國巴黎大區(qū)合流制系統(tǒng)溢流微塑料(纖維)年排量2個數(shù)量級(4×1012～5×1012個/年)[27]。因此，排水系統(tǒng)溢流對水生態(tài)環(huán)境微塑料負(fù)荷的貢獻(xiàn)完全不亞于通常受到更多關(guān)注的WWTPs尾水排放。這些溢流污水中出現(xiàn)的高比例的有毒塑料成分，包括PE和PP[45]，進(jìn)一步表明排水系統(tǒng)溢流可能對受納水體生態(tài)及公眾健康構(gòu)成風(fēng)險。相較于其他污染源的研究，城市排水系統(tǒng)溢流所能構(gòu)成的微塑料污染風(fēng)險仍是未知的。

此外，由地表徑流及大氣沉降所構(gòu)成的面源污染也是城市水生態(tài)環(huán)境微塑料污染的來源之一，尤其是在水體點(diǎn)源污染得到較大程度治理的區(qū)域。Moore等人[46]以洛杉磯市雨水系統(tǒng)附近的河口水域?yàn)楸O(jiān)測對象，顯示暴雨過后水體中直徑小于4.75 mm的塑料垃圾從10個/m3增加到了60個/m3，說明強(qiáng)降雨會顯著提高城市水體中的微塑料豐度。Cheung等人[47]的研究指出，經(jīng)過3天的降雨后，香港一條河流中的微塑料豐度幾乎是同一地區(qū)沿海海面上觀測到的微塑料豐度的兩倍。此外，Yonkos等人[48]對美國切薩皮克灣四條河流的研究顯示 ，有三條河流在降雨后出現(xiàn)了最高的微塑料豐度。Cai等人[49]在東菀市的大氣沉降物中也觀察到了纖維和非纖維微塑料，其豐度范圍為31±8至43±4個/(m2·d)。

4 微塑料污染的生態(tài)風(fēng)險

微塑料的生態(tài)效應(yīng)包括生物攝取[50]、污染物吸附積累[51]、微生物及病原體定殖[52]等，由此造成的生態(tài)風(fēng)險隨著在不同環(huán)境領(lǐng)域均發(fā)現(xiàn)大量微塑料而被逐漸認(rèn)知和重視。微塑料可通過多種機(jī)制對生物體乃至生態(tài)環(huán)境形成風(fēng)險或?qū)嶋H危害。微塑料本身的高分子聚合物材質(zhì)即具備化學(xué)毒性，如PS(聚苯乙烯，polystyrene)被廣泛應(yīng)用于制作包裝和容器材料?，F(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)顯示，PS會改變生物體內(nèi)部的血液循環(huán)過程，甚至還會影響海洋濾食性動物的生殖作用[53-54]。微塑料還會對以浮游植物為食的動物造成負(fù)面影響，尤其是那些不能辨別食物來源的物種，比如魚類和貝類。研究表明，魚類攝入微塑料后會形成虛假的飽腹感，從而減少食物攝入，長期上會造成營養(yǎng)不足甚至死亡[13]。貝類連續(xù)攝入微塑料后會造成體內(nèi)穩(wěn)態(tài)改變，產(chǎn)生大量免疫蛋白，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)失調(diào)[55]。此外，通常為改善塑料性能而加入的化學(xué)添加劑的生物毒性更大。例如，鄰苯二甲酸鹽和聚溴二苯醚是兩種用于提高塑料塑性和阻燃性的常用添加劑，也被稱為內(nèi)分泌干擾化合物(EDCs)，可在食物鏈中不斷積累[56]。微塑料的疏水性和巨大的表面積[57]使其成為多類污染物的良好吸附載體，在特定環(huán)境條件下可大量吸附持久性有機(jī)污染物[58]、無機(jī)污染物[59]、金屬[60]和病原體[61]等。Browne等人[62]通過將線蟲暴露在含有污染物和添加劑的沙子中，發(fā)現(xiàn)微塑料會通過表面吸附作用而促進(jìn)污染物和添加劑轉(zhuǎn)移至生物體組織，損害生物體的生理功能。這些污染物可通過食物鏈在生物體內(nèi)部積累，進(jìn)一步加劇了生物體健康風(fēng)險與環(huán)境生態(tài)風(fēng)險[63]。

當(dāng)前，微塑料對人類健康和生態(tài)環(huán)境的潛在風(fēng)險越來越受到公眾、媒體、政策界和科學(xué)界的關(guān)注。雖然對于許多化學(xué)應(yīng)激源來說，既定的風(fēng)險評估已經(jīng)明確了傷害和影響的可能性，但我們對微塑料風(fēng)險的理解仍處于早期階段[64]，尤其是微塑料對人類健康和生態(tài)環(huán)境的實(shí)際風(fēng)險仍然存在高度的不確定性和未知性[65]。

5 結(jié)語

城市水生態(tài)環(huán)境作為陸域水體系統(tǒng)的重要組成部分，其微塑料污染格局的空間異質(zhì)性與代表性，為理解微塑料污染的發(fā)生與傳播，并實(shí)現(xiàn)可能的管控減排，提供了一個系統(tǒng)性的框架。在當(dāng)前全球性城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)、人口持續(xù)增長的情況下，城市水生態(tài)環(huán)境所面臨的微塑料污染風(fēng)險是十分嚴(yán)峻的。盡管涉及這一重要問題的相關(guān)研究在近年來有了長足的發(fā)展，但由于城市水生態(tài)環(huán)境在方方面面牽涉到自然與人為因素的極大復(fù)雜性，當(dāng)前的研究在探索相關(guān)問題上仍然處于初步階段，其深度與廣度依然十分不足。本文綜述并探討了城市水生態(tài)環(huán)境的微塑料污染概況、污染來源及生態(tài)風(fēng)險，突出了相關(guān)研究的重要意義，并為今后關(guān)于微塑料溯源與風(fēng)險評估的研究提供有益的思考?？紤]到當(dāng)前微塑料研究中面臨的難點(diǎn)，在未來的發(fā)展中，在整合傅里葉顯微紅外、拉曼光譜、原子力顯微及熱裂解色譜質(zhì)譜聯(lián)用等常規(guī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破用于鑒定極微尺寸和納米尺寸微塑料的便捷有效的成像技術(shù)及分子化學(xué)技術(shù)，并同步發(fā)展一體化在線監(jiān)測設(shè)備，具有十分重大的意義。此外，在微塑料樣品的采集及分離過程中，應(yīng)進(jìn)一步建立適用于不同環(huán)境場景的成套技術(shù)、裝備與標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)對這些工作在時間與人力成本上的有效壓縮，同時提高質(zhì)控效果。