發(fā)布時間：2024-07-22
????微塑料直徑小于5毫米，主要來源于塑料制品、輪胎、衣服等產(chǎn)品的生產(chǎn)與使用，可通過跨介質(zhì)傳輸至地下含水層。地下水是全球水資源不可或缺的一部分，近地殼上部的現(xiàn)代地下水體積為全球地表水資源總量的3倍。自2019年首次在喀斯特含水層發(fā)現(xiàn)微塑料后，地下水微塑料研究正逐漸成為水環(huán)境新污染物研究領(lǐng)域的熱點主題。然而，現(xiàn)有地下水微塑料研究大多集中在野外觀測為主的局部范圍，不同尺度視角的污染特征尚未得到足夠的重視。
多尺度地下水微塑料的污染特征、形成機制與風(fēng)險效應(yīng)研究，可為地下水微塑料污染控制和管理提供更充分的科學(xué)證據(jù)。于此，中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所聯(lián)合澳大利亞核科學(xué)技術(shù)組織在地下水微塑料數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)上提出了尺度對比分析（Contrasting Analysis of Scales，CAS）路徑（圖1）。尺度對比分析英文縮寫CAS恰巧與中國科學(xué)院相同，其中文名亦可喻為“中科路”，是基于空間尺度縮放對數(shù)據(jù)進行分流和統(tǒng)計的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動研究方法體系。該路徑分析了29個城市地下含水層共300余個有效監(jiān)測記錄的地下水微塑料數(shù)據(jù)，即通過設(shè)定各監(jiān)測點位的環(huán)境條件，對數(shù)據(jù)從全局、區(qū)域、局部進行降尺度分流，進而對同一尺度下分流的各組數(shù)據(jù)進行豐度、組成和特征的統(tǒng)計對比分析。CAS路徑和分析結(jié)果以Microplastic accumulation in groundwater: Data-scaled insights and future research為題發(fā)表在Water Research。
全局尺度對比分析發(fā)現(xiàn)，微塑料污染來源的異質(zhì)性導(dǎo)致了不同地下水類型中微塑料形態(tài)分布的差異（圖2）。根據(jù)地下水與地表水的聯(lián)系以及水文特征，地下水類型被分為開放式地下水和封閉式地下水。開放式地下水中微塑料的豐度中位數(shù)為4.4粒/升（組內(nèi)變異系數(shù)為161.6%），近70%的微塑料粒徑為0.1-5.0毫米；封閉式地下水中微塑料的豐度中位數(shù)為2.5粒/升（組內(nèi)變異系數(shù)為883.5%），粒徑小于0.1毫米的微塑料高達80.0%。兩種地下水類型中的微塑料均以透明色、纖維和聚丙烯為主要的顏色、形狀和聚合物類型。
區(qū)域尺度對比分析發(fā)現(xiàn)，人為活動是封閉式地下水微塑料形態(tài)特征產(chǎn)生差異的主要因素（圖3）。依據(jù)采樣點土地利用類型的差異，封閉式地下水分為農(nóng)業(yè)區(qū)、居民區(qū)、工業(yè)區(qū)、垃圾填埋區(qū)、自然保護區(qū)與未分類區(qū)地下水。自然保護區(qū)和垃圾填埋區(qū)的地下水中，微塑料豐度的中位數(shù)分別為17.5和13.4粒/升（組內(nèi)變異系數(shù)為85.0%）。兩個區(qū)域的微塑料顏色與形狀均以黑色、纖維為主。聚丙烯和聚酰胺分別是自然保護區(qū)與垃圾填埋區(qū)主要的聚合物類型。農(nóng)業(yè)區(qū)地下水微塑料形態(tài)特征與這兩個區(qū)域存在顯著性差異。農(nóng)業(yè)區(qū)的微塑料豐度中位數(shù)低（1粒/升），但是組內(nèi)變異系數(shù)極高（716.7%），與地膜分解有關(guān)的碎片和聚丙烯是該區(qū)域微塑料的主要特征。
局部尺度對比分析發(fā)現(xiàn)，微塑料受地下水水流的影響，更傾向于聚集在下游（圖4）。同上游相比，下游的微塑料顏色豐富度增加。在微塑料的形狀上，從上游到下游碎片占比由50.8%下降至20.5%，顆粒占比從1.9%上升至8.5%，纖維占比基本保持不變。聚合物類型對比發(fā)現(xiàn)，下游的聚丙烯和聚乙烯的含量較上游下降，聚酰胺上升。無論位于上游還是下游，粒徑小于0.1毫米和介于0.1-5.0毫米之間的微塑料占比分別約為60.0%和40.0%。
CAS路徑增加了地下水微塑料污染特征的科學(xué)認(rèn)知。然而，監(jiān)測點位的不均勻分布與有限樣本量，使不同尺度下地下水微塑料污染特征研究結(jié)果存在不確定性。現(xiàn)有的研究數(shù)據(jù)主要集中在人類活動頻繁且地下水資源較為稀缺的地區(qū)，地下水充沛地域的微塑料研究數(shù)據(jù)反而極為稀缺。未來的研究需要依據(jù)區(qū)域人口密度、地下水用途和污染源，增加并優(yōu)化監(jiān)測點位的設(shè)置，建立更全面的全球地下水微塑料的監(jiān)測體系和數(shù)據(jù)平臺。隨著地下水微塑料監(jiān)測空間尺度擴展和數(shù)據(jù)持續(xù)增加，CAS路徑的更新、優(yōu)化和應(yīng)用能夠為地下水微塑料污染特征研究提供更為有力技術(shù)支撐。
圖1 地下水微塑料降尺度對比分析方法體系
圖2 開放式地下水與封閉式地下水之間采樣點分布（a），以及微塑料豐度（b）、顏色（c）、形狀（d）、聚合物類型（e）和粒徑（f）的差異
圖3 封閉式地下水在農(nóng)業(yè)區(qū)（AA）、居民區(qū)（RA）、工業(yè)區(qū)（IA）、垃圾填埋區(qū)（LA）、自然保護區(qū)（NR）以及未分類區(qū)（UA）的微塑料豐度（a）、顏色（b）、形狀（c）、聚合物類型（d）和粒徑（e）差異
圖4 微塑料在地下水上游與下游采樣點的豐度（a-f）、顏色（g）、形狀（h）、聚合物類型（i）與粒徑（j）差異
相關(guān)資料：
1. He, Y.Q., McDonough, L.K., Zainab, S.M., Guo, Z.F., Chen, C., Xu, Y.Y. Microplastic accumulation in groundwater: Data-scaled insights and future research. Water Res. 258, 121808. https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.121808
2. Vethaak, A.D., Leslie, H.A., 2016. Plastic debris is a human health issue. Environ. Sci. Technol. 50 (13), 6825–6826. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b02569.
3. Vethaak, A.D., Legler, J., 2021. Microplastics and human health. Science 371 (6530), 672–674. https://doi.org/10.1126/science.abe5041.
4. Gleeson, T., Befus, K., Jasechko, S. Luijendijk, E., Cardenas, M.B., et al. 2016. The global volume and distribution of modern groundwater. Nature Geosci. 9, 161–167. https://doi.org/10.1038/ngeo2590
5. Rochman, C.M., 2018. Microplastics research-from sink to source. Science 360(6384), 28-29. https://doi.org/10.1126/science.aar7734
6. Scanlon, B.R., Fakhreddine, S., Rateb, A., de Graaf, I., Famiglietti, J., Gleeson, T., Grafton, R.Q., Jobbagy, E., Kebede, S., Kolusu, S.R., Konikow, L.F., Long, D., Mekonnen, M., Schmied, H.M., Mukherjee, A., MacDonald, A., Reedy, R.C., Shamsudduha, M., Simmons, C.T., Sun, A., Taylor, R.G., Villholth, K.G., V?r?smarty, C.J., Zheng, C., 2023. Global water resources and the role of groundwater in a resilient water future. Nat. Rev. Earth Environ. 4 (2), 87–101. https://doi.org/10.1038/s43017-022-00378-6.
7. Panno, S.V., Kelly, W.R., Scott, J., Zheng, W., McNeish, R.E., Holm, N., Hoellein, T.J., Baranski, E.L., 2019. Microplastic contamination in Karst groundwater systems. Groundwater 57 (2), 189–196. https://doi.org/10.1111/gwat.12862.
8. Guo, Z.F., Boeing, W.J., Xu, Y.Y., Borgomeo, E., Mason, S.A., Zhu, Y.G., 2021. Global meta-analysis of microplastic contamination in reservoirs with a novel framework. Water Res. 207, 117827. https://doi.org/10.1016/j.watres.2021.117828.
9. Liu, D., Guo, Z.F., Xu, Y.Y., Chan, F.K.S., Xu, Y.Y., Johnson, M., Zhu, Y.G., 2022. Widespread occurrence of microplastics in marine bays with diverse drivers and environmental risk. Environ. Int. 168, 107483 https://doi.org/10.1016/j.envint.2022.107483.
附件下載：
