发布时间：2024-07-22
????微塑料直径小于5毫米，主要来源于塑料制品、轮胎、衣服等产品的生产与使用，可通过跨介质传输至地下含水层。地下水是全球水资源不可或缺的一部分，近地壳上部的现代地下水体积为全球地表水资源总量的3倍。自2019年首次在喀斯特含水层发现微塑料后，地下水微塑料研究正逐渐成为水环境新污染物研究领域的热点主题。然而，现有地下水微塑料研究大多集中在野外观测为主的局部范围，不同尺度视角的污染特征尚未得到足够的重视。
多尺度地下水微塑料的污染特征、形成机制与风险效应研究，可为地下水微塑料污染控制和管理提供更充分的科学证据。于此，中国科学院城市环境研究所联合澳大利亚核科学技术组织在地下水微塑料数据整合的基础上提出了尺度对比分析（Contrasting Analysis of Scales，CAS）路径（图1）。尺度对比分析英文缩写CAS恰巧与中国科学院相同，其中文名亦可喻为“中科路”，是基于空间尺度缩放对数据进行分流和统计的一种数据驱动研究方法体系。该路径分析了29个城市地下含水层共300余个有效监测记录的地下水微塑料数据，即通过设定各监测点位的环境条件，对数据从全局、区域、局部进行降尺度分流，进而对同一尺度下分流的各组数据进行丰度、组成和特征的统计对比分析。CAS路径和分析结果以Microplastic accumulation in groundwater: Data-scaled insights and future research为题发表在Water Research。
全局尺度对比分析发现，微塑料污染来源的异质性导致了不同地下水类型中微塑料形态分布的差异（图2）。根据地下水与地表水的联系以及水文特征，地下水类型被分为开放式地下水和封闭式地下水。开放式地下水中微塑料的丰度中位数为4.4粒/升（组内变异系数为161.6%），近70%的微塑料粒径为0.1-5.0毫米；封闭式地下水中微塑料的丰度中位数为2.5粒/升（组内变异系数为883.5%），粒径小于0.1毫米的微塑料高达80.0%。两种地下水类型中的微塑料均以透明色、纤维和聚丙烯为主要的颜色、形状和聚合物类型。
区域尺度对比分析发现，人为活动是封闭式地下水微塑料形态特征产生差异的主要因素（图3）。依据采样点土地利用类型的差异，封闭式地下水分为农业区、居民区、工业区、垃圾填埋区、自然保护区与未分类区地下水。自然保护区和垃圾填埋区的地下水中，微塑料丰度的中位数分别为17.5和13.4粒/升（组内变异系数为85.0%）。两个区域的微塑料颜色与形状均以黑色、纤维为主。聚丙烯和聚酰胺分别是自然保护区与垃圾填埋区主要的聚合物类型。农业区地下水微塑料形态特征与这两个区域存在显著性差异。农业区的微塑料丰度中位数低（1粒/升），但是组内变异系数极高（716.7%），与地膜分解有关的碎片和聚丙烯是该区域微塑料的主要特征。
局部尺度对比分析发现，微塑料受地下水水流的影响，更倾向于聚集在下游（图4）。同上游相比，下游的微塑料颜色丰富度增加。在微塑料的形状上，从上游到下游碎片占比由50.8%下降至20.5%，颗粒占比从1.9%上升至8.5%，纤维占比基本保持不变。聚合物类型对比发现，下游的聚丙烯和聚乙烯的含量较上游下降，聚酰胺上升。无论位于上游还是下游，粒径小于0.1毫米和介于0.1-5.0毫米之间的微塑料占比分别约为60.0%和40.0%。
CAS路径增加了地下水微塑料污染特征的科学认知。然而，监测点位的不均匀分布与有限样本量，使不同尺度下地下水微塑料污染特征研究结果存在不确定性。现有的研究数据主要集中在人类活动频繁且地下水资源较为稀缺的地区，地下水充沛地域的微塑料研究数据反而极为稀缺。未来的研究需要依据区域人口密度、地下水用途和污染源，增加并优化监测点位的设置，建立更全面的全球地下水微塑料的监测体系和数据平台。随着地下水微塑料监测空间尺度扩展和数据持续增加，CAS路径的更新、优化和应用能够为地下水微塑料污染特征研究提供更为有力技术支撑。
图1 地下水微塑料降尺度对比分析方法体系
图2 开放式地下水与封闭式地下水之间采样点分布（a），以及微塑料丰度（b）、颜色（c）、形状（d）、聚合物类型（e）和粒径（f）的差异
图3 封闭式地下水在农业区（AA）、居民区（RA）、工业区（IA）、垃圾填埋区（LA）、自然保护区（NR）以及未分类区（UA）的微塑料丰度（a）、颜色（b）、形状（c）、聚合物类型（d）和粒径（e）差异
图4 微塑料在地下水上游与下游采样点的丰度（a-f）、颜色（g）、形状（h）、聚合物类型（i）与粒径（j）差异
相关资料：
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.
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