水环境中微塑料的赋存特征及生态风险研究进展

杨少博 谢健 魏连通 覃浩

摘要：微塑料是一种新兴持久性污染物，广泛存在于地表水和饮用水中，已成为全球性关注的环境问题。为全面了解水环境中微塑料污染现状，加强对微塑料污染的风险监控，综述了水环境中徽塑料的来源、分布特征、潜在生物毒性和生态风险。同时，对未來研究和关注的方向进行了展望，即从微塑料对人体健康的影响机制、水体微塑料污染的源解析、微塑料与其他污染物的生态复合效应的研究，进一步开发徽塑料去除的新技术，并根据实际情况制定相关徽塑料防治和风险管控的法律法规，为水环境中微塑料的污染防治和管控治理提供参考。

关键词：水环境；微塑料；来源；分布；生态风险

中图分类号：X820.4 文献标志码：B

前言

塑料具有化学稳定性好、可塑性强、成本低廉等性能，已被广泛应用于生活和生产中。相关资料显示，2050年全球塑料的生产量将达到120亿吨，截止2015年，全球已产生大约63亿吨废弃塑料，其中，仅有约9%的塑料废弃物被再生回收利用，12%的塑料废弃物被焚烧处理，其余79%的塑料废弃物未得到妥善处置而随意丢弃并在环境中累积，对全球生态环境构成严重威胁。

塑料在风化、紫外线照射及微生物的协同作用下逐渐降解为尺寸较小的塑料颗粒，通常将粒径小于5 mm的塑料定义为微塑料（Microplastics，MPs）。微塑料是一种新兴持久性污染物，具有体积小、易迁移、难降解等特性，在水体、大气、土壤、食品、饮用水甚至人体中均有检出。目前，水体中赋存的微塑料主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PIA）、聚酰胺（PA）等。2015年，微塑料污染被列入环境与生态科学研究领域亟待研究的第二大科学问题。微塑料在水环境中的污染与控制技术成为了环境领域新的关注点。

1微塑料的来源及分类

1.1来源

水环境中微塑料最主要的来源包括工业生产、农业生产、生活废弃物等多种途径。有研究表明，微塑料污染的直接来源可能包括污水处理厂的尾水排放、水体中塑料垃圾的风化降解以及水土流失或地表径流形成的陆源输入。

污水处理厂排放是微塑料进入自然环境的重要途径之一，仅仅是衣物清洗、逛街、游泳、洗脸等日常活动产生的大量塑料纤维进人污水处理厂，虽然微塑料在处理过程中不断降解改性，但可在水处理阶段结合化学物质，对水处理微生物造成毒害作用，降低其处理效果，导致微塑料残留随着污水的排放进入河流、湖泊等水体。中国平均每年有209.7万亿个微塑料颗粒排放水生环境中，其中80%以上来自污水处理厂。目前，虽然污水处理技术对微塑料的截留率可高达98%，但由于污水排放量巨大，这也导致通过污水处理厂排入水体中的微塑料总量巨大并持续增加。

1.2分类

微塑料按照形成方式可分为初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是指以微粒形式经过河流、污水处理厂等而直接排人环境中的塑料，主要来自塑料颗粒工业生产产品中被特意制备成微米级甚至更小的塑料颗粒，比如牙膏、面部清洁剂、化妆品、树脂颗粒、药物载体等所产生的微塑球或微塑珠，工业生产过程产生微小颗粒和粉末的泄露也是初级微塑料的主要来源。1L生活污水中纤维状微塑料颗粒数量达100多个。次级微塑料是陆地和水环境中存在的大块塑料经风化、光解、磨损被破碎、降解形成的微塑料，如废弃的碎塑料、渔网、城市垃圾及水处理厂废液中的大块塑料经物理、化学和生物过程的作用而形成。次级微塑料形成过程较慢，是水环境中微塑料的主要组成部分。

微塑料根据形状可分为纤维状、颗粒状、碎片状、薄片状和泡沫状等，其中大部分水体中纤维状、碎片状、薄片状等微塑料含量均在80%以上，纤维状微塑料的迁移性更强，而碎片状和薄片状微塑料大部分是大块废弃的塑料分解而成的次生微塑料，迁移性较弱。相关报道统计分析了水中46种不同聚合物类型的微塑料，结果显示检出频率较高的为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龙（NY）、聚酯纤维（PES），其中聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE），聚苯乙烯（PS）等3类微塑料是水环境中微塑料的主要类型，含量范围为48.5%-97.0%。《Plastics Europe 2019》报道指出全球不同类型塑料中主要也为PP、PE、PS，分别占生产总量的19.3%、29.7%、6.4%。

2微塑料在水环境中的分布及影响因素

2.1海洋和湖泊

湖泊可以作为微塑料的临时或长期汇集池，河流被认为是各种微塑料进入海洋的主要运输通道，每年由河流向海洋输送的塑料垃圾高达115-241万吨，河流成了微塑料输入海洋和湖泊的主要渠道。潘雄等研究了2019年丰水期丹江口水库及其入库支流表层水体中微塑料分布情况，发现库区微塑料平均丰度7 248 n·m3，粒径大小主要在75～4 703 um之间，微塑料丰度随其粒径的增加而下降，且尼龙材质微塑料最为普遍，占比为36.4%，其次为聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。袁海英等研究发现，滇池近岸水体微塑料丰度在800-6 000 n·m-3之间，平均值为2 867 n·m-3，检出的聚合物类型主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚型聚氨酯（PEU）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚醋酸乙烯酯（PVAc），微塑料形状主要以纤维状微塑料为主，其次为碎片和薄膜状。太湖的表层水体微塑料的丰度为3.4-25.8 ind·L-1，其中漂浮在水面的微塑料丰度达到了0.01×10-6.8×10 ind·km-2，远高于武汉、台州、温州、福州和国外其他地区的淡水水域；由于西北部竺山湾和梅梁湾毗邻苏锡常城市圈，人口密度大，人类活动频繁，导致微塑料污染更为严重。2010年-2019年中国各地表水系中河流和湖泊的MPs丰度分别为3.9-7 900 n·m-3和340-8 900 n·m-3，其主要来源为城市活动、渔网渔具，最终通过地表径流迁移至水体或污水处理系统。

2.2生活饮用水

生活饮用水可能是人类生活中微塑料的潜在来源。生活饮用水中微塑料来源较为广泛，主要成分为聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸类等。目前，由于净水处理工艺對微塑料去除效果的限制及输配过程中外源物质的释放，江苏省不同饮用水处理工艺对微塑料的去除率为32.8%-50.2%，微塑料经沉淀、砂滤和膜分离等净水处理工艺后并不能完全去除，其进入供水管网，生活饮用水中可检测到微塑料的存在。有研究表明，采集了全球14个国家的159个饮用水样，其中81%的样本检出了微塑料，预测人体年均微塑料摄人量可超过5 800个，88%的微塑料来自于生活饮用水，微塑料污染已广泛存在于生活饮用水中。柴然等研究了青岛市生活饮用水中微塑料的分布特征，采集了青岛市内不同水源类型的32个末梢水进行检测，发现微塑料的检出率为78.1%，最大丰度达360 n·L-1，来自城区地表水的样品检出率最高为81.8%，主要检出类型为聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨基甲酸乙酯、聚甲醛酯、聚氯乙烯、聚砜8种，其中PET占比最高为85.8%，其次是聚酰胺占比8.5%。钟丹等研究表明聚乙烯（PE）和不锈钢管内生物量随管网中余氯含量增加而逐渐降低，说明管网水中残留的消毒剂等能分解微塑料表面的生物膜，导致生物膜一微塑料聚积物密度减少而重新悬浮到水中，最终进入龙头水中。微塑料在供水管网中经消解、机械磨损等系列反应作用后，一部分会与管网中的有机物、微生物等物质作用从而影响管网水质的安全，一部分则沿管网直接进入龙头水被居民使用。（见表1）

3微塑料的风险

3.1微塑料的生物毒性

微塑料具有较大的比表面积，在其迁移转化过程中，老化破碎的微塑料比表面积会进一步增加，容易吸附环境中重金属（如镉和铅等）和有机污染物（如抗生素、农药类、多氯联苯、多环芳烃和二氯二苯三氯乙烷等），与微塑料中的各种添加剂导致复合污染，使其毒性增强，抑制贻贝等水生动物的胚胎发育、引起皮肤异常、氧化应激等。同时，微塑料由于粒径较小，易通过空气、饮用水和食物等途径被生物摄人人体内，会导致肠道等器官阻塞及呼吸系统疾病。研究预计，每人每年通过食盐、饮用水和呼吸进入人体的微塑料分别为（0-7.3）×10个、（0-4.7）×10个和（0-3.0）×10个。同时，可抑制水生植物的光合作用效率，导致水生植物的生长受到抑制。粒径极小的微塑料会黏附在植物体表面，堵塞植物的气孔，或被植物根系吸收，进入植物的各个组织中，降低光合色素含量等。张晨等发现沉水植物暴露在含微塑料的水中时，植物叶片出现发黄、残叶现象，其生长和光合作用都受到了严重抑制。相关数据表明，1 kg植物可富集约1 470片塑料，富集量已超过了某些处理工艺的去除量。

3.2微塑料的生态系统风险

微塑料在对自然界生物的生命安全构成威胁的同时，对生态系统也产生了微观影响。微塑料可作为特定微生物在河流湖泊中传播扩散的媒介，并在其表面定殖并形成生物膜，例如微塑料表面的塑料分解菌和潜在的病原体、致病菌等，进入到新的环境中，影响生态系统的正常功能，甚至威胁生态环境安全。微塑料作为特定微生物繁殖载体的潜在机制有：（1）微塑料坚硬的表面能为微生物的繁殖提供场所；（2）微塑料所含碳物质及其吸附的各种有机污染物可能为微生物繁殖提供生存的碳源；（3）微生物能依附于微塑料上的多糖生物膜或微生物。

微塑料的存在还会对微生物的生态功能产生微观干扰，有研究报道，微塑料能影响微生物群落的组成和氮循环过程，聚氨酯泡沫（PUF）和聚乳酸（PLA）微塑料促进了硝化与反硝化过程，而聚氯乙烯（PVC）则起抑制作用。废水中微塑料则会抑制处理过程中微生物的生长和生存。如聚氯乙烯微塑料（PVC）浸出的双酚A，可有效抑制废水活性污泥的厌氧消化过程。同时，PVC明显抑制了厌氧颗粒污泥的COD去除率（13.2%-35.5%），并导致甲烷产量下降（11.0%-32.3%）、短链脂肪酸积累增加（40.3%-272.7%）。

微塑料为疏水物质，能吸附多氯联苯（PCBs）、多环芳香烃（PAHs）、有机氯杀虫剂等疏水性有机污染物。除此之外，微塑料还能自身释放出有毒的化学物质。塑料通常会添加各种具有耐热性、抗氧化性和抗生物降解性的添加剂来达到耐蚀、耐用的特性，如多溴联苯醚、壬基酚、二氯苯氧氯酚等。微塑料在生物、非生物作用下降解时，释放其添加物质，造成较大的生态环境问题。水生生物体在累积微塑料后，会产生不同的物理性损伤及毒性效应，最终可能会对水生系统造成无法预知的生态风险。

4结论

微塑料作为一种新兴污染物，除自身含有的邻苯二甲酸酯等有毒物质外，还可吸附有机污染物、重金属、抗生素等，在自然界的作用下，这些有害物质会迁移至土壤和水体。现有研究表明，微塑料已广泛存在于海洋、湖泊甚至生活饮用水中，其含量和分布特征受到自然环境与人为因素的共同影响，呈现出一定差异性。微塑料通过食物链在动物及人体内富集，对生物及生态环境造成严重威胁。目前，微塑料对于人体的健康风险仍不确定，缺少必要的健康评估方法和标准，缺乏相应微塑料防治相关法律法规。今后研究可从基因、细胞、组织等方向研究微塑料对人体健康的影响机制，开展水体微塑料污染的源解析，探究微塑料与其他污染物的生态交互效应，进一步开发微塑料去除的新技术，并制定微塑料防治和风险管控相关的法律法规。