河口细颗粒泥沙与微塑料异质聚集的环境效应理论研究进展

秦 民，邱 静，陈志和，洪昌红，李 旻，区 竞

(1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.中山大学 土木工程学院，广东 珠海 519082；3.广东省华南地区水安全调控工程技术研究中心，广东 广州 510275；4.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635；5.广东省流域水环境治理与水生态修复重点实验室，广东 广州 510006)

1 研究背景

细颗粒泥沙是河口水环境与水生态的重要组成部分，尽管河口的面积不大，但世界上最大的25条河流却运输了相当数量的颗粒物质，约占河流运输颗粒总量的40%[1]。伴随近年来全球气候变暖，海平面有逐年升高趋势，河口潮动力增强，径、潮流往复运动加剧了河口区域水土流失及沉积物再悬浮，使河口地区赋存了大量悬浮细颗粒泥沙[2]。由于细颗粒泥沙粒径小、比表面积大，具有多孔特征，可以吸附水体中的多种污染物，如重金属、无机污染物(氮、磷、砷等)、有机污染物、新污染物(微塑料、抗生素等)。近年来在世界各地河流中均检测到大量微塑料(microplastics，MPs)，全球每年向海洋排放的MPs总量约4.7万t，因其颗粒小、数量庞大，对环境危害程度更深，因此在国际上引起了广泛关注[3]。过去50年里，全球范围内已生产约92亿t塑料[4]。虽然塑料制品给人类带来了可观的社会效益，但塑料污染也给生态环境带来了巨大危害[5-6]。2004年，Thompson等[7]首次提出了“微塑料”，其一般指粒径小于5 mm的小颗粒塑料，被形象地比作水中的“PM 2.5”[8]。研究表明，MPs既是污染物的来源，也是其输移运动的载体，能对污染物的迁移行为产生较大影响[9]。

河口是淡水系统和开阔海洋系统之间的过渡区域，区域经济发达、人类活动剧烈，大量细颗粒泥沙与MPs在此聚集[10]。聚集行为是细颗粒泥沙与MPs均具有的特性之一[11-12]，在赋存高浓度天然悬浮颗粒物的河口水体环境中，相对MPs含量，细颗粒泥沙数量明显更多[13]，MPs更易与细颗粒泥沙发生异质聚集，从而影响各自的聚沉、再悬浮和渗透等迁移行为，进而影响环境物质的稳定性、流动性和生物可利用性，引起一系列连锁的环境要素响应[14]。目前，在泥沙研究领域，关于泥沙环境效应、泥沙对其他污染物迁移转化过程影响的研究已比较丰富，泥沙颗粒的絮凝及驱动和影响因素、泥沙吸附和解吸附机理机制等已基本明晰；在MPs研究领域，MPs的赋存分布和迁移转化规律等基础研究的成果已比较丰富，迁移过程的主要影响因素也基本明确；相比之下，关于泥沙与MPs异质聚集及其环境效应的研究却鲜有报道，两者聚集的原因，驱动和影响聚集的环境条件，异质颗粒物聚集后的输移特征和环境效应等诸多问题尚未明晰；而且以往泥沙环境效应的研究多关注于吸附-解吸过程、污染物“宏观”吸附量等，对颗粒动态微界面作用、表面活性吸附点位等研究较少。而这些内容，对河口生态系统研究和水污染治理修复十分必要，只有明晰泥沙与MPs聚集的机理机制，聚集后各自输移运动过程的变化，及其对其他污染物迁移转化的影响等内容，才能解析MPs的环境效应及采取何种措施来减缓MPs环境负效应对人类或生态系统的影响。

综上，本文结合近年国内外研究动态，总结并分析细颗粒泥沙与MPs异质聚集的驱动因素及其环境效应，在理论研究维度方面进行拓展延伸，以宏观层面—来源分布性指标、介观层面—聚集传输性指标、微观层面—界面吸持性指标为主要组成，构建河口细颗粒泥沙与MPs异质聚集环境效应的评估指标体系。该项研究对区域水污染防控和水环境治理具有借鉴意义，对强化河口水环境治理技术、提升水污染防控水平和能力具有基础支撑作用，对国内外湾区和陆海交汇地带的城市水污染防治工作有重要参考价值。

2 泥沙及其聚集物的环境效应理论

2.1 环境效应的概念与内涵“效应”是指在自然科学领域因物理或化学作用所产生的现象和结果，偏重于描述由某种原因而可能导致的一系列具有一定关联或相似特征的结果或现象。本文所指的环境效应为自然过程和人类活动导致环境系统的结构和功能发生变化的过程，注重由环境变化而带来的效果(现象)或对其他因子产生的影响[15]。例如，温室效应的起因是大量温室气体的长期累积使大气升温，导致地球表面温度升高[16]，产生的环境效果(现象)类似于栽培种植农作物的“温室大棚”，故称温室效应，其对环境造成的影响有气候变化和气温变化。又如，黄河悬浮泥沙的环境效应是由于泥沙颗粒可以吸附各种有机、无机、生物体等物质，在泥沙表面会形成有利于氮转化的微界面从而对氮的迁移转化产生影响，其产生的环境效果(现象)是会改变有机氮降解、硝化作用、反硝化作用等[17]。

2.2 细颗粒泥沙环境效应细颗粒泥沙主要成分为天然矿物及有机质，是河流水系的天然组成部分，对河流的水文、地貌和生态功能起着重要作用，自身不具有环境毒性[18]。细颗粒泥沙的环境正效应可表现为沉积后对底栖水生生物生境和栖息地的塑造[19]，其中富含的有机质还能为水生生物提供营养成分[20]。相反，其也有一定环境负效应，如过量细颗粒泥沙会降低生境条件，直接损害生物群结构，从而破坏水生生态系统[21]。由于细颗粒泥沙含量占比较大，且具有较强的吸附能力，可以吸附水体中的各种污染物颗粒，是重金属、氨氮、MPs等污染物迁移转化的主要载体[22]，泥沙运动过程会显著影响大多数污染物迁移转化过程[23]。因此，大量国内外关于泥沙及其聚集物的环境效应研究均与泥沙吸附、解吸污染物颗粒等过程相关，只有将水文水动力、泥沙运动、泥沙与污染物颗粒吸附和解吸规律等结合起来才能解释和说明污染物在水体中的迁移转化过程，清楚污染物入河或入海通量，了解其对生态环境的影响[24]。

2.3 微塑料的环境效应已有研究表明生物组织内普遍可检测到MPs赋存[25]。MPs能够从环境中吸收有机污染物、金属和病原体等，进入生物体后因为它们之间的相互作用会诱发更大的毒性效应[26]。关于MPs对生物的毒理效应已有非常丰富的研究成果，Abidli S等[27]评估了PE-MPs(聚乙烯微塑料)对地中海贻贝的潜在毒性影响，在低浓度时诱发氧化损伤、高浓度时会使两性消化腺的抗氧化系统失活；Ouyang M Y等[28]将鲤鱼暴露在环境相关浓度的MPs中30天，然后再排泄MPs 30天后，对其生长、同位素和元素组成以及肠道微生物群进行了调查，发现MPs的摄入和排泄对同位素和元素组成没有明显影响，但改变了生物体肠道微生物群落的结构和组成，并降低功能多样性。全球各主要规模较大的河口，都是人口集聚、经济相对发达的地区，水体污染物组成比较复杂，而MPs具有不溶于水的性质，能以颗粒物形式漂浮、悬浮或沉积在水体，其输移、归趋等均与泥沙运动息息相关[29]，水中的泥沙运动会显著影响MPs的聚沉、再悬浮和渗透等重要迁移行为，进而改变MPs的入海通量和赋存分布[30-31]。MPs与泥沙颗粒形成异质聚集的过程及聚集体颗粒在水环境中的输移和归趋会受水体盐度、pH值、水动力条件、潮汐等多种因素的共同影响；在各种自然、社会因素不变的情况下，形成的聚集体颗粒由于比表面积、表面点位等发生了变化，其吸附、解吸重金属等污染物的能力也会发生变化，较单一颗粒物总重金属吸附量增多或减少，进而对河流、河口或近海海洋生态系统产生环境效应。

2.4 异质聚集颗粒物的环境效应理论研究框架

(1)现象探究。河口是河流汇入海洋的重要节点，汇聚了大量细颗粒泥沙和MPs颗粒物。异质聚集环境效应研究的基础是通过实地采样分析和室内、室外试验等探究颗粒物的来源、含量、分布、输移运动、吸附、聚集等现象和行为，针对不同颗粒物异质聚集(絮凝)现象，明晰驱动细颗粒泥沙与MPs异质聚集的条件及影响因素。

(2)环境效应。细颗粒泥沙与MPs异质聚集所造成的环境效应，是人类活动与淡水河流和近海海洋系统交互影响中非常典型的特征之一。作为一种新污染物，MPs的分布已十分广泛，其与细颗粒泥沙异质聚集后，会改变各自赋存状态和悬浮在水体中的浓度，进而使其他物质的状态和浓度发生相应改变，由此产生环境效应。虽然作为一种污染物质，细颗粒泥沙与MPs聚集的环境效应主要表现为负效应，会产生很多弊端和影响，但其也有一定正效应，如异质聚集后沉积至水底，使沉积物物质组成发生变化，会促进水生植物的生长；或其他污染物质吸附于异质聚集体而沉降，降低水体中其他污染物浓度等。明晰异质聚集的环境效应，对后续水污染防治和水环境治理工作至关重要。

(3)管理体系。异质聚集环境效应研究的最终目的是实现新污染物MPs的科学管控，建立一套行之有效的陆海统筹MPs污染防控技术体系。从“源头-过程-末端”实现污染物全过程控排减量。本文根据前人已有研究方向和成果，梳理并总结形成了细颗粒泥沙与MPs异质聚集环境效应的理论研究框架，如图1所示。

3 泥沙与MPs聚集的驱动和影响因素

3.1 聚集机制及影响因素聚集(同质聚集或异质聚集)是河口悬浮颗粒物的常见传输过程，由于河口自然水环境中细颗粒泥沙浓度明显高于MPs的浓度，MPs颗粒更容易与细颗粒泥沙形成异质聚集体[12，32]。颗粒物絮凝聚集通常可用带电胶体稳定性经典理论(DLVO理论)[33]和“桥接”理论[34]解释。针对黏性细颗粒泥沙絮凝问题，已经取得了大量研究成果，表明泥沙特性(矿物种类，水体泥沙浓度，泥沙粒径)、环境介质条件(水体污染物浓度，pH值，温度，盐度，电解质类型及浓度)、环境动力条件(紊动强度，水文情势)和其他环境因素对泥沙絮凝作用有影响，影响泥沙吸附、解吸附特性，从而影响污染物迁移转化过程[35]。而根据DLVO理论，MPs自身理化性质(如颗粒大小、尺寸、组分、表面涂层)和环境条件(如电解质浓度和价态、pH值、溶解有机物DOM、表面活性剂等)都可以影响、调节MPs的聚集过程[36]，而其他非DLVO过程，包括水合作用、空间位阻、聚合物“桥接作用”和磁性作用等也会影响MPs的稳定性[37]。

3.2 泥沙与MPs聚集驱动和影响因素关于泥沙与MPs的相互作用过程及影响因素，近年来也有一些研究成果，证实在上覆水体中，MPs与悬浮泥沙之间的相互作用受水环境介质条件和水动力及其他自然条件如风力和人类活动、MPs/泥沙自身理化性质的影响；与悬浮泥沙的异质聚集作用，影响MPS颗粒的沉降行为[38]。

3.2.1 颗粒物理化性质 Besseling等[38]采用精细时空分辨率水文模型，考虑了对流运输、同质和异质聚集、沉降-再悬浮、聚合物降解、生物膜存在和掩埋，对纳米到毫米大小的球形MPs颗粒的归趋和迁移过程进行了情景建模研究，结果表明MPs与泥沙颗粒会形成异质聚集体，颗粒大小对MPs的归趋和保留以及沿河沉积物中堆积热点的位置具有显著影响。该研究还指出，较小的纳米级颗粒以及较大的微米级或毫米级MPs颗粒被优先保留，而中等大小的MPs则会随水流运动进入海洋；这表明小颗粒MPs异质聚集体的沉降过程受泥沙颗粒数量和浓度影响较大，而随着MPs颗粒逐渐增大，异质聚集体的沉降过程逐渐转由MPs的数量和浓度决定。Thorbjoern等[39]通过在实验室进行的沉降管实验表明悬浮泥沙会降低PVC-MPs(聚氯乙烯微塑料)的稳定性，MPs颗粒与悬浮泥沙形成的聚集体比单个MPs颗粒的沉降速度更快，这就导致了MPs颗粒在河口和海洋环境中持续沉积，使得底栖生物MPs负荷不断增加。Li等[40]研究认为小SS(悬浮沉积物)与PE-NPs(聚乙烯纳米微塑料)异质聚集对PE-NPs的沉降影响很小，因为PE-NPs在水中的沉降行为主要受浮力作用。

3.2.2 水环境介质条件 河口处悬浮泥沙组分主要以黏性泥沙为主，并且水体盐度较高，MPs易与细颗粒黏性泥沙发生絮凝过程。根据DLVO理论，环境离子强度和浓度增加会压缩颗粒物的扩散层，使静电斥力降低，范德华力增加，从而增加颗粒聚集或沉降速率。当溶液浓度超过临界凝结浓度值时，静电斥力作用将不显著，MPs颗粒聚集速率将迅速增加。一般来说，阳离子价态越高，认为离子强度越大，而PS(聚苯乙烯)颗粒在NaCl溶液比在CaCl2、MgCl2溶液更不容易发生聚集[41]。Yu等[42]开展PS纳米颗粒与带有不同电荷的天然矿物胶体的异质聚集实验，发现静电作用是驱动异质聚集过程的主要机制，随着MPs颗粒浓度增加，存在电荷中和-电荷逆转机制，进而影响异质聚集行为。Wu J等[43]研究了不同环境介质条件下氧化铝矿物与PS颗粒异质聚集情况，发现pH≤7时，PS与氧化铝颗粒发生了明显异质聚集，盐度增加可提高异质聚集率，这与Wang等[44]利用原始和老化PE颗粒与典型黏土矿物异质聚集沉降实验结果一致，高盐度有利于PE颗粒的异质聚集沉降。聚集颗粒物特性与水流特性也是影响异质聚集的重要因素。

3.2.3 河口水动力条件 河口是陆海相互作用和人类生产生活高度密集的关键地带，受径、潮流互相影响，水动力条件十分复杂，同时也是极端天气的直接影响地区，更加剧了河口水动力条件的复杂性。河口水流剪切力对异质聚集有双重作用，进入水体中的颗粒物会在水流剪切力的作用下“失稳”，彼此碰撞发生絮凝，而絮凝过程进一步发展，随着聚集体越来越大，黏结作用减弱，在水流剪切力作用下会破碎；最后各颗粒物在不断失稳、碰撞、絮凝、破碎、再碰撞等周而复始的过程中达到相对平衡的状态。目前，关于动水作用下细颗粒泥沙与MPs异质聚集的研究成果鲜见，但已有丰富的研究成果证明河口水动力条件对细颗粒泥沙和MPs的输移及归趋至关重要。Teresa S等[45]和李振亮等[46]得出了比较相似的结论，即在比较小的水流剪切力时，聚集体的聚集态大于分散态；在中等水流剪切力时，絮凝发生率最大化，此时产生了最大的聚集体；当水流剪切力进一步增大，聚集体分散态大于聚集态，大粒径的聚集体会破碎成较小的颗粒。顾伟康[47]在研究水动力变化条件下三峡库区支流MPs输移过程时，也发现水流的湍流混合作用对MPs的垂向运动影响很大。

3.2.4 其他自然和人类活动 Browne M A等[48]对英国Tamar河口的风向和沉积方式对MPs空间分布模式的影响进行了研究，表明在顺风的地方，密度较小的MPs更丰富，细颗粒泥沙沉积也更多；然而，无论盛行风和沉积方式如何，MPs的丰度在整个河口保持不变；与MPs模式相反，在一个有更多细颗粒泥沙沉积的逆风地点，有相当数量、非常密集的MPs，说明细颗粒泥沙的絮凝过程有助于MPs在水体中的运动。因此，测试MPs的丰度与世界各地海滩岸线沉积物颗粒大小之间的关系非常重要，也表明人口越多的地区有更多的MPs碎片。Barnes[49]在2005年就首次研究了整个南半球塑料碎片堆积的时空趋势，表明其堆积赋存与纬度明显相关，超过90%的塑料碎片丰度变化可以用采样国的人口密度来解释。已有较多关注于河口或海岸带表层沉积物中MPs赋存特征的研究成果，同样说明MPs或细颗粒泥沙的含量和空间变化取决于若干环境因素，包括邻近海岸线、人为压力水平、河口位置或建筑物以及是否存在植被等[50]。

综上，驱动和影响河口细颗粒泥沙与MPs异质聚集的因素包括颗粒物自身理化性质、水体化学条件、河口水动力条件、其他自然和人类活动等。其中，颗粒物自身理化性质包括细颗粒泥沙与MPs的尺寸、形状、种类、密度、比表面积、表面官能团、吸附点位等；水体化学条件有pH值、温度、盐度、离子组成和强度、溶解其他物质等；河口水动力条件有流场、流速、流量、流态、水位等；其他自然和人类活动有风力作用、光照作用及暴雨、台风、植物、微生物、水工建筑物等。

根据目前研究进展，关于细颗粒泥沙和MPs相互作用的研究多是在静水条件下进行的，没有考虑湍流影响，而在实际水体中，湍流是影响泥沙与MPs聚合过程的重要因素[39-42]。目前，受限于实验手段，在动水条件下进行悬浮细颗粒泥沙与MPs聚集以及二者形成聚集体后对水体中其他污染物(如重金属离子)的吸附和解吸过程研究还比较困难，因此复杂水动力条件下泥沙运动对MPs迁移转化及归趋的影响研究还处于起步探索阶段。

4 河口异质颗粒物聚集的环境效应分析

4.1 河口异质颗粒物聚集及环境效应河口承担泄洪、纳潮、供水、生态、航运等多种重要任务，水系复杂交织、人类活动影响剧烈，使河口的MPs和重金属等污染防控面临巨大挑战，除来自区域经济和人口快速增长压力外，还面临复杂多变的水动力和化学条件压力。河口异质聚集会显著改变悬浮MPs的分布和赋存，加之水流扰动会使底部沉积物中赋存的MPs进入上覆水体，成为“新污染源”，泥沙与其作用后的不均匀沉降，还会进一步改变河口沉积物中MPs的赋存，对生活在潮间带的水生动植物产生影响，目前这种危害的“质”并不十分明显，如栖息地环境变化、交配产卵行为异常、发育和活动受阻等，但随着污染物不断积累增多，“量变”终会产生“质变”，带来极大危害。

国内相关研究表明在三峡库区、长江支流、太湖、武汉城市水体、珠江流域、上海城市河道、洞庭湖、洪湖等水体中均检测出MPs的存在[51]。受极端天气和人类活动影响，内陆河流产生的大量MPs颗粒会排放输移至河口处，显著影响原本细颗粒泥沙聚集形态及对重金属离子等污染物的吸附和解析过程。MPs和细颗粒泥沙表面通常为负电荷[42]，两者在水生环境中通过静电排斥作用可以形成较稳定状态；受全球气候变化和海平面上升影响，潮动力明显增强，盐度增加的情况下，MPs与细颗粒泥沙的异质聚集率会有所提高[33，35]。由于水动力条件和盐度发生变化，MPs和泥沙颗粒的粒径可能会因高湍流剪切力而变小，更易发生异质聚集，但聚集后的聚集体所受浮力增大，也会使小粒径聚集体的下沉速率减小、大粒径聚集体下沉速率增大，从而影响MPs在河口地带的赋存分布[38，40]。此外，MPs排放还会改变泥沙对重金属的吸附和解吸过程，MPs和泥沙颗粒的碰撞概率增加，相互干扰的强度增加，使重金属的吸附量减少[15]；而MPs与泥沙颗粒聚集会改变各自在水相环境的运动状态，异质聚集后的体积和粒径增大，比表面积较单一颗粒物增大，吸附点位变少，也会降低对重金属的吸附量。

4.2 异质聚集颗粒物环境效应特征指标目前，各河口地区的经济社会发展水平和生态环境需求各不相同，其MPs监测与管理尚处于起步探索阶段，对河口细颗粒泥沙与MPs异质聚集过程及其环境效应并没有特别清晰的认识和了解，为进一步定量分析和评估细颗粒泥沙与MPs异质聚集对河口的环境效应，有必要建立一套评估指标体系，从异质聚集颗粒物的来源形成、输移归趋、微界面作用等全生命过程角度阐述和评估异质聚集颗粒物的环境效应，对科学开展河口MPs污染物预防、修复和治理工作，助力打赢水污染防治攻坚战提供理论基础和科学依据。河口区不同维度细颗粒泥沙与MPs异质聚集颗粒物环境效应分析评估体系如图2所示。

图2 河口区不同维度细颗粒泥沙与MPs异质聚集颗粒物环境效应分析评估体系图

(1)宏观层面—来源分布性指标。自1950年代以来，全球塑料产量呈指数级增长。但由于塑料不当处理和老化分解，导致塑料碎片和MPs在环境中广泛分布[4]。研究表明，MPs广泛存在于淡水和海洋环境中[52-53]，可以通过点源污染如：污水处理厂尾水排放、大量倾倒废物垃圾等；面源污染如：雨水径流、城市或乡村道路轮胎磨损等进入地表径流，船舶和水上塑料制品长期老化也会增加水体MPs含量，分布和赋存在河流、湖泊、地下水中的MPs会随水流汇集在河口，进而最终进入海洋[12，54]。影响其在水体中丰度的主要因素有集水面积、水动力条件、周边城市化发展、人口密度、污水处理厂分布和处理工艺、水体类型(如湖泊、内河涌、干流等)、航运、水体生境等。水底沉积物，特别是深海沉积物被认为是MPs颗粒的最终归宿，因为深海沉积物中MPs的丰度通常高于陆地土壤、水面和上覆水体[55]。了解悬浮细颗粒泥沙和MPs的异质聚集过程，首先要大致明确河口区泥沙颗粒和MPs颗粒的来源分布和赋存特征，因为不同产业、地区、自然条件下产生的颗粒物在成分、类型、形状、尺寸等方面有较大差异，而颗粒物的理化性质又决定了异质聚集的介观聚集输移和微观界面作用，因此宏观层面的来源分布性指标十分必要，此层面的指标体系应涵盖细颗粒泥沙与MPs主要来源，如：区域主要水文站的输沙量数据，统计部门公布的微塑料制品产量、污水处理厂的分布及排放数据、河口周边港口的船舶水运数据，相关行业公报或发展报告等。此外，要充分考虑经济社会发展和人口规模等，如：GDP、工业总产值、河口区人口密度、联合国开发计划署提供的人类发展指数[56]等。

(2)介观层面—聚集传输性指标。介观(mesoscopic)是指介于宏观和微观之间的状态，对于颗粒物尺寸，一般认为其尺度在纳米和毫米之间[57]。该层次指标主要反映颗粒物聚集过程及输移、归趋动力学性质及其影响因素。颗粒物自身理化性质作为驱动和影响河口细颗粒泥沙与MPs异质聚集的因素之一，其对聚集行为和过程及聚集体的输移、归趋至关重要，因此在介观尺度层面，为了解颗粒物组成成分、表面形貌特征和元素组成等，需开展河口原位观测与采样，进行室内聚沉试验，观察颗粒物聚集沉降行为。该层面的指标体系应涵盖，①由水文部门实测或整编资料、年鉴获取的河口各站点水动力指标和水化学指标，如：流量、流速、水位、潮位、pH值、含氯度、盐度、温度等；②从气象部门或者水利部门等获取的风力、光照、暴雨、涉水工程等数据；③由环保部门或自然资源部门获取的河口动植物、微生物、其他重金属或有机污染物等资料；④采样与观测试验获取的颗粒物尺寸、形状、组成、浓度等；⑤根据聚沉实验，采用数理统计方法计算的细颗粒泥沙与MPs的聚集概率，聚沉速率，分形维数[58]等。

(3)微观层面—界面吸持性指标。已有较多研究关注于单一泥沙颗粒或MPs颗粒与其他污染物的环境作用，针对水体中泥沙与污染物的界面作用，国内外学者主要从泥沙吸附污染物、泥沙与污染物界面作用等方面开展研究[59]。胡国华等[60]研究表明黄河泥沙颗粒物界面具有强烈的吸附能力，是各种环境微污染物的载体，微量物质在界面上可以发生各种化学反应，而且这些反应还可能得到催化促进。由于泥沙的电化学特性显著，可以在溶液中构成复杂的双电层，强烈影响颗粒物本身的稳定性和与其他颗粒物界面的相互作用。胡国华等[60]和贾晓凤等[61]的研究都表明泥沙的运动状态和吸附特征会影响污染物的存在形式，当水动力或水化学条件等外部因素发生变化时，如遇到高盐度海水，已被吸附于泥沙颗粒表面的污染物可被解吸下来，沉积物中的污染物也可能伴随冲刷过程而重新释放进入水体，造成二次污染。RONG H F等[62]研究表明水体中不同电性的MPs颗粒可通过化学吸附作用吸附在泥沙表面，水体中广泛存在的蛋白质通过对带有不同电性的MPs颗粒产生静电作用进而影响其吸附量。陈志和等[63]基于SPH方法(光滑粒子流体动力学方法)耦合电场力、布朗运动力、曳力等，构建复杂微界面作用模型，模拟细颗粒泥沙吸附Pb2+的微界面作用过程。Fang等[15]和Chen等[64]分别采用等温吸附动力学与微界面作用模式识别方法，说明了细颗粒泥沙与重金属离子的微界面作用特征以及模式识别。综上，水动力和水化学条件发生变化，或颗粒物发生异质聚集都会影响单一颗粒物吸附和解吸特性，进而影响其吸附其他污染物的能力，产生环境效应。因此，基于宏观层面和介观层面条件及指标，开展颗粒物异质聚集界面作用试验研究，通过异质聚集颗粒物的微界面作用模式识别，探究异质聚集颗粒物对河口水体多元重金属离子(Cd、Pb、Cu)的吸附特征、模式及吸附量变化情况，阐明异质聚集体对河口水体重金属的环境效应，具有十分重要的意义和价值。由于吸附过程同时受pH、离子浓度、离子种类、重金属添加顺序等多重影响，是介观层面的深入研究，因此在介观层面—聚集传输性指标体系的基础上，应增加通过动态竞争吸附试验获得的用于反映异质聚集颗粒物表面官能团、吸附点位、聚集颗粒物孔隙率等相关指标。

由于各层面各项特征指标的来源、物理意义、量纲、单位、测算方法等均不相同，加之评估时指标权重的确定过程比较困难，故可采用多指标、多目标决策分析法，确定最终综合评价指数。综上，通过指标收集和计算评估、室内试验研究，可以基于GIS平台结合遥感光谱分析，明晰细颗粒泥沙与MPs的主要来源区域，再结合颗粒物聚集机制机理研究和水动力、水化学环境条件分析，确定颗粒物聚沉趋势和赋存特征，再结合原位采样试验结果，进一步明晰细颗粒泥沙与MPs的主要来源、分布和赋存。开展本研究不仅可以分析研究区域较易发生异质颗粒聚集的位置，从而采取相应措施；还可根据自然条件和社会经济发展预测异质聚集颗粒物的输移和归趋特征，确定是否可以通过工程调度或其他手段来有效干预聚集行为的发生，为水污染防治和水环境治理提供支撑。

5 结论与展望

5.1 结论本文聚焦河口细颗粒泥沙与MPs的异质聚集问题，取得的主要结论如下：

(1)MPs大量排放会明显改变细颗粒泥沙与重金属的吸附和解吸过程，并影响细颗粒泥沙的输移、归趋特征和环境效应。驱动和影响河口细颗粒泥沙与MPs异质聚集的因素可以概况为四大类，分别是：颗粒物自身理化性质、水体化学条件、河口水动力条件、其他自然和人类活动。目前，在动水条件下进行悬浮细颗粒泥沙与MPs聚集以及二者形成聚集体后对水体中其他污染物(如重金属离子)的吸附和解吸过程研究还比较困难，复杂水动力条件下泥沙运动对MPs迁移转化及归趋的影响研究还处于起步探索阶段。

(2)基于文献调研、资料收集处理、原位采样和观测试验、异质颗粒物聚沉实验、微界面动态吸附实验等，从不同维度—宏观、介观、微观，选取相应的特征指标，能比较全面地定量分析和评估细颗粒泥沙与MPs异质聚集的环境效应。宏观至微观，涵盖了颗粒物来源至归趋的全生命周期活动，特别是介观和微观层面的研究，对异质聚集颗粒物赋存分布和减量控制有重要作用。

5.2 展望后续将根据本文提出的各层面特征指标，选取具体河口研究区域，开展原位采样和实验研究，分析评估河口研究区的细颗粒泥沙与MPs异质聚集环境效应。目前，MPs沿河流—河口—海洋路径的输移过程模拟研究鲜见，由于MPs具有不溶于水的特性，其与细颗粒泥沙异质聚集后的聚集体输移过程模拟研究是十分有必要的，对有物理模型的河口研究区，可同步开展数学模拟和物理模拟，模拟结果可与原位采样和观测试验的结果进行比较。此外，由于细颗粒泥沙与MPs的异质聚集会改变原有颗粒物的表面形貌、吸附点位和特征等，而人们对异质聚集的吸附机理和复合风险还知之甚少。根据已有生物学研究成果，当与MPs结合时，不同的污染物或颗粒物类型、剂量会产生不同的环境影响，含有MPs的聚集体对生物的毒性效应依然主要来源于其他污染物，而非MPs本身，但MPs会显著影响其他污染物的输移过程，因此研究异质聚集的吸附和解吸也颇有意义。