微塑料(Microplastics,MPs)是指粒径在5 mm及以下的固体塑料颗粒,由聚合物、功能添加剂和其他化学添加剂组成,它是国际上广泛关注的四类新污染物(持久性有机污染物、内分泌干扰物、抗生素、微塑料)中的一种[1]。“微塑料”一词的提出者Thompson最近在Science期刊发表的文章中从微塑料的来源重新对微塑料进行了分类,定义生产出的粒径≤5 mm的塑料为初级微塑料,如用于生产加工用的塑料粉末原材料、装饰用的塑料闪片、日化品中的塑料微珠磨砂剂等;生产出的粒径>5 mm的塑料,在垃圾处理过程或自然环境中,经机械破碎或风化作用而形成的更小粒径的塑料为次级微塑料,如轮胎和纺织品的磨损、塑料垃圾的回收利用、以及环境中塑料的老化分解等[2]。环境中检出的微塑料以次级微塑料为主。微塑料因其具有环境普遍性、难降解性、易迁移性、生物累积性和载体性等特征,对生态环境和人类健康存在较大风险,受到广大学者的密切关注[3]。
1 微塑料的迁移行为与生态环境效应
已有的研究表明,微塑料存在于全球尺度的各种环境当中,包括海滩、深海、冰川、河流、湖泊等以及多种营养级的生物体内[2]。微塑料可通过多种途径进入到自然环境,如纺织品上的纤维或轮胎磨损产生的灰尘会直接释放到空气中、道路和污水系统中的微塑料通过地表径流流入水生态系统、污水处理厂的微塑料通过污水污泥直接排放到农田土壤[4]。微塑料一旦流入到环境中便会在生态系统进行扩散和迁移。在水环境中,微塑料会像天然颗粒一样受水的运动而发生迁移、沉积和重悬行为。然而,与天然颗粒不同的是,由于微塑料在形状(如薄膜、纤维、微球、碎片、碎块等形状)、粒径和密度上的多样性,不同类型微塑料的迁移过程可能会迥然不同[5]。因此,相比于天然颗粒,微塑料在环境介质中的迁移过程更为复杂,目前对其完全了解仍然存在一定的挑战。
微塑料因其粒径较小极易被生物误食,并可通过食物链在不同营养级之间传递,给生物个体及种群带来负面影响[6]。微塑料中添加剂的释放在一定程度上可以增强微塑料的生物毒性[7]。微塑料作为载体可以吸附环境中的其他污染物如抗生素、重金属(Heavy Metals,HMs)和持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants,POPs)等,不仅影响环境污染物的迁移过程,还可与污染物相互作用产生复杂的毒性效应[8]。微塑料上附着的生物膜(即“塑料际微生物”)也是影响微塑料环境行为和生态环境效应的关键因素[9]。生物膜可以增加微塑料的密度,促进微塑料的沉降[10]。同时,生物膜上携带致病细菌和病毒也是微塑料影响病原微生物迁移和扩散的重要途径[11]。此外,微塑料还可通过影响介导碳、氮、磷、硫循环相关的微生物群落组成、酶活性和基因丰度等来影响不同环境介质中生源要素的循环过程,进而对整个生态系统产生影响[12]。
2 水库调度运行下微塑料污染现状与生态环境风险
《2023年全国水利发展统计公报》显示,到2023年底,全国已建成各类水库94 877座,水库总库容9 999亿m3。其中,大型水库836座,中型水库4 230座。全国已建成流量为5 m3/s及以上的水闸94 460座,其中大型水闸911座。水利工程建设有效保障了水资源的合理配置和高效利用,更是防洪抗旱、促进农业生产、保护生态环境的重要举措。大坝建设阻拦了河流的纵向连通性,改变河流水文水动力条件,影响河流水环境演化过程,同时也会影响微塑料在河流中的输移过程及其生态环境效应。
2.1 我国水库微塑料污染现状
我国关于水库微塑料污染现状的研究主要集中在长江及其支流地区,其次有黄河的小浪底水库,海河的二道闸水库和沙颍河流域的梯级水库群等,总的来看,水库水体微塑料丰度范围在120~156 667个/m3,沉积微塑料丰度在75.6~63 081个/kg(表1)。通过野外调查发现,嘉岩水库中的微塑料丰度相对较高,其中水体微塑料丰度在11 000~61 700个/m3左右,沉积物微塑料丰度在2 600~15 700个/kg[13]。三峡水库的微塑料污染状况受到的关注较多,其水体微塑料丰度范围在800~6 214个/m3,沉积物微塑料丰度范围在1 031~630 81个/kg[14-16]。金沙江的观音岩水库和汉江中下游梯级水库群的微塑料丰度处于相对中等水平[17-18]。其他水库的微塑料丰度相对较低。相比之下,我国水库中水体和沉积物中的微塑料丰度普遍高于河流环境,而与湖泊环境相比则处于相当或略低的污染水平[17,19 -20]。与欧洲的多瑙河和艾因河上的水库相比,我国水库微塑料污染水平略高或相当,但远远低于位于卢瓦尔河的水库中的微塑料丰度[21-23]。由于采样季节、采样方法和样品处理方法等的差异,不同研究结果之间较难进行更为精确的对比。
表1 我国水库微塑料污染现状Table 1 Status of microplastic pollution in reservoirs across China |
| 发表 年份 | 河流 | 水库名称 | 采样时间 | 微塑料丰度 | 微塑料主要类型 | 采样方法 | 参考 文献 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2015 | 长江 | 三峡 | 湿季 | 水体:3.408~13.618个/m2 | 500μm~1.6 mm;PP、PE、PS | 112 μm 孔径拖网 | [26] |
| 2021 | 长江 | 三峡 | 湿季 | 水体:0.162±0.061~4.25±3.87个/m2(拖网采样),800.0±300.0~3 088.9±330.6个/m3(过滤水样) | 碎块、纤维;<1 mm;PP、PE | 拖网、 不锈钢桶 | [14] |
| 2022 | 长江 | 三峡 | 汛期, 洪水过后 | 水体:6 214±5 394个/m3 | 碎块、纤维;<300 μm;PE | 不锈钢桶 | [15] |
| 2023 | 长江 | 三峡 | 汛期 | 沉积物:1 031~63 081个/kg | <300 μm;PE | 不锈钢 抓斗取样器 | [16] |
| 2023 | 长江 | 三峡 | 连续时间 采样 | 水样(含粒径>5 mm的塑料颗粒):293~156 667个/m3 | 纤维、碎片;0.1~5 mm;PET、PA、PE、PP、PVC、PS; | 尼斯金式 水取样器 | [31] |
| 2022 | 长江 | 嘉岩 | 汛期 | 水体:11 000~61 700个/m3(均值27 500±23 300个/m3) 沉积物:2 600~15 700个/kg(均值6 900±5 960个/kg) | 碎片;<300 μm;PE | 5 L不锈钢 桶、彼得森 抓斗取样器 | [13] |
| 2022 | 金沙江 | 观音岩 | 蓄水期 | 水体:2 270~14 450个/m3 | 纤维;<0.5 mm;PS、PP和PE | 泵过滤系统 | [17] |
| 2022 | 汉江 | 丹江口、王甫洲、 崔家营、兴隆 | 湿季 | 水体:4 467~8 400个/m3(均值6 260±1 431个/m3) | 纤维;200~500 μm;尼龙 | 5 L 不锈钢桶 | [18] |
| 2020 | 岷江 | 水口 | 干季 | 水体:120~2 720个/m3 | 纤维;PET;2 mm以下;白色 | 铁桶 | [35] |
| 2024 | 乌江 | 普定、洪家渡、 东风、索风营、 乌江渡、构皮滩、 思林、沙沱、 彭水、银盘 | 湿季 | 沉积物:75.6~1 036.2个/kg | 碎块、纤维;PE、PP | 重锤岩心 取样器 | [27] |
| 2022 | 乌江 | 普定、引子渡、 洪家渡、平寨、 东风、索风营、 乌江渡、构皮滩、 思林、沙沱、 彭水、银盘 | 湿季 | 沉积物:310~2 620个/kg(均值1 354个/kg) | 碎块、纤维、薄片;<1 mm;PP、PE | 皮特森抓 斗取样器 | [24] |
| 2024 | 雅砻江 | 两河口、洋房沟、 锦屏1、锦屏2、 官地、二滩、 桐子林 | 湿季 | 水体:河道16~1 223个/m3(均值325.25个/m3),水库972~2 902个/m3(均值1 801.55个/m3) 沉积物:河道86~195个/kg(均值136.56个/kg);水库186~356个/kg (均值283.43个/kg) | 纤维、碎块、薄膜;200~500 μm、<200 μm | 不锈钢桶、 采泥器 | [36] |
| 2021 | 海河 | 二道闸 | 湿季 | 沉积物:1 346~11 917个/kg(均值4 980±2 462个/kg) | <1 000 μm;PE | 皮特森抓斗 取样器 | [33] |
| 2020 | 黄河 | 小浪底 | 调沙前期、 调沙中期、 调沙后期 | 水体:0.105~1.17个/m2 | 泡沫、薄膜;PS、PE | 64 μm 浮游生物网 | [25] |
| 2023 | 沙颍河 | 昭平台、白龟山、沙河水闸、 平凝成水闸、扶沟水闸、 周口水闸、 郑步口交汇处船闸、 张策水闸、洋枪水闸、 阜阳水闸 | 连续时间 采样 | 水体均值:1 130±790个/m3 沉积物均值:324.53±187.68个/kg | 纤维、碎块、薄膜;PE、PP | 5 L 不锈钢桶 | [37] |
2.2 水库调度运行对微塑料输移的影响
研究表明,大坝的建设和运行会显著影响微塑料在水库中的迁移行为(图1)。首先,大坝的截留作用会促进微塑料在水库中滞留和沉积,使水库成为微塑料的汇区[14,16,26]。梯级水库对微塑料的拦截具有累积效应,梯级坝的建设导致不同采样点之间产生地理隔离,降低坝区之间微塑料群落的相似性[24]。其次,水库特征如流域面积也会影响水库的微塑料丰度。研究发现,水库流域面积越大,沉积物中微塑料丰度越低[27]。微塑料在大型深水水库水体中具有分层分布的特点,微塑料往往在中层聚集较多,且随着水深增加,微塑料的粒径和形状占比都会发生明显变化[18,28]。水库的水位波动对微塑料的迁移行为也具有显著影响。在水位下降期间,由于流速减缓,微塑料会在消落带区域聚集,成为库区微塑料的汇;当水位上涨时,聚集在消落带的微塑料又被降雨冲刷进库区水体,成为库区微塑料的源[29]。
水利调度一方面满足了防洪和供水需求,另一方面也改变了河流季节流量模式,使微塑料的输移过程发生变化。研究发现,水库蓄水后微塑料会倾向于在坝前和岸线水体中积累,由于水力停留时间增加,水中漂浮的植物残留物会在水库中逐渐累积,导致微塑料下沉[17]。防洪调控会削弱大坝对微塑料的物理阻隔作用,降低微塑料丰度和类型在坝上和坝下之间的差异[15]。水沙调控产生的人为洪水加速了微塑料从内河向河口和海洋的迁移,同时也均一化了微塑料的粒径分布趋势[25]。也有研究发现,大坝下游的微塑料聚合物类型降低[30],这可能跟大坝下泄水的冲刷作用有关。较强的水动力作用会驱动坝下沉积物微塑料的重新释放,促进微塑料向下游输移[31]。此外,水利调度还可通过影响泥沙分配间接改变微塑料的环境行为。当水体含沙量较高时,高浓度的泥沙颗粒会增加与微塑料颗粒的碰撞机率,加快微塑料的机械破碎和沉降。泥沙与微塑料的聚集作用会影响微塑料的滞留和释放[32]。研究发现,总有机碳含量较高和泥土(2~63 μm)占比较高的的沉积物中微塑料丰度会更高,砂土(63~2 000 μm)占比较高的沉积物中微塑料丰度更低[33]。相比之下,细砂对微塑料的聚集能力更强,低能沉积环境中可能会滞留更多的微塑料,而水动力作用较强的环境更易导致微塑料从沉积物中重新释放[34]。
2.3 水库微塑料污染的危害
2.3.1 饮用水安全风险
通过研究发现,水库微塑料丰度往往高于河道微塑料污染水平,水库成为微塑料赋存的热点地区(图1)。水库生态系统对于维持水库水质安全和保护生物多样性具有重要意义。
2.3.2 生态环境风险
3 微塑料管控政策和防治策略
3.1 近年来我国出台的限塑减塑政策法规
我国限塑已有20余年,期间出台过10多份相关的法律政策文件。从2020年1月发布的《国家发展改革委 生态环境部 关于进一步加强塑料污染治理的意见》开始,我国的塑料污染开始由粗暴禁止向分领域治理转型。相比之前,“新版限塑令”的限塑范围和限塑力度更大。在限塑范围上,除了塑料袋之外,农用地膜、一次性发泡塑料餐具、塑料棉签、含塑料微珠的日化产品等均纳入监管范围。限塑的主要领域也从“超市、商场、集贸市场等商品零售场所“扩展到“在塑料污染问题突出领域和电商、快递、外卖等新兴领域”。同时新版限塑令加强了推广应用替代产品和模式、规范塑料废弃物回收利用和处置、和完善支撑保障体系等方面的内容。该文件首次提到了“加强江河湖海塑料垃圾及微塑料污染机理、监测、防治技术和政策等研究,开展生态环境影响与人体健康风险评估”。
到2021年9月,国家发展改革委和生态环境部联合发布《关于印发“十四五”塑料污染治理行动方案的通知》,标志着我国塑料污染治理进入第三阶段:全链条治理。行动方案指出:到2025年,塑料污染治理机制运行更加有效,地方、部门和企业责任有效落实,塑料制品生产、流通、消费、回收利用、末端处置全链条治理成效更加显著,白色污染得到有效遏制。行动方案中进一步加强了江河湖海塑料垃圾清理整治和微塑料污染防治工作。要求发挥各级河湖长制平台作用,实施江河、湖泊、水库管理范围内塑料垃圾专项清理,建立常态化清理机制,力争重点水域露天塑料垃圾基本清零。制定长江经济带塑料污染治理实施方案。组织开展江河湖海塑料垃圾及微塑料污染机理、监测、防治技术等相关研究。
2022年5月,国务院办公厅发布《关于印发新污染物治理行动方案的通知》,将微塑料列为重点新污染物并纳入监管。同年12月份,生态环境部发布的《重点管控新污染物清单(2023年版)》将常用于塑料添加剂的十溴二苯醚、短链氯化石蜡等纳入重点管控新污染物清单。2023年6月,上海市生态环境局发布关于印发《上海市重点管控新污染物清单(2023年版)》的通知,将微塑料及十溴二苯醚、短链氯化石蜡等塑料添加剂一同纳入上海市重点管控新污染物清单。
3.2 水库微塑料污染防治策略
微塑料从产生到进入淡水环境的过程涵盖生产、流通、回收和处置等多个环节。因此,必须实施源头控制、过程阻断和末端治理相结合的全链条治理策略,以有效应对淡水环境的微塑料污染。在水库微塑料污染的防治工作中,除了从源头上减少塑料制品的生产与使用外,采取有效措施阻断微塑料进入水库的途径以及及时清除库区微塑料颗粒,是维护水库生态环境的关键(图2)。水库中的微塑料主要来自上游河道和入库支流,因此要防控这些区域的微塑料污染。建议在入河排污口安装微塑料拦截装置,以有效拦截污水中的塑料和微塑料颗粒。水库周边的农田塑料垃圾也会通过降雨和地表径流流入库区,成为水库微塑料的重要来源。及时清理农田塑料垃圾并减少地膜使用,有助于减缓水库的微塑料污染。此外,可以在河岸带模拟原生态湿地,种植水生植物,通过人工湿地、滞留塘和生态缓冲带等措施,进一步拦截、阻断和净化陆源微塑料。对于水上作业产生的包括塑料垃圾在内的船舶垃圾,需要严格按照相关法律法规进行处理。
自2021年发布《关于印发“十四五”塑料污染治理行动方案的通知》以来,我国各地区逐步加强了对江河湖海塑料垃圾的清理工作。针对塑料垃圾,可以通过清漂措施将其从水中去除,从而减少微塑料颗粒的二次生成。然而,由于微塑料粒径较小且难以肉眼识别,传统的机械打捞方法并不适用。目前尚无针对环境水体微塑料的有效清除技术。可考虑采用机械打捞和膜过滤或者循环水泵抽滤的方式去除水中的微塑料颗粒,但目前尚缺乏实施案例,这些方法的可行性仍需进一步探讨。有研究表明,水生植物能够通过根部吸收微纳米级塑料颗粒[49],因此可以考虑在水库受污染区域搭建生态浮岛,将水生植物种植在水面,通过根系和微生物作用吸收和拦截水体中的微塑料颗粒。然而,这种方法的有效性仍需在更大规模的试验中进行验证。生物聚集是一种新兴的水体颗粒物去除技术,可以通过投加生物絮凝剂来快速捕获和去除微塑料,但需要注意外源微生物给水库可能带来的生态环境风险。
由于水库的周期性调度和各自特征的差异,微塑料在水库中的赋存特征和迁移行为更加复杂。建议开展水库塑料和微塑料污染动态监测,摸清微塑料的存量与积累规律。同时,结合水库的调度方式及其特征,针对性地开发高效且可行的微塑料末端处置方法。
4 结束语
我国水库普遍受到微塑料污染,微塑料种类繁多,对水库生态环境造成潜在威胁。水库的调度运行进一步复杂化了微塑料的迁移过程和生态风险,目前针对水库微塑料污染的有效防治措施尚不完善,面临较大挑战。因此,建议加强水库微塑料污染监测,研发相应的防控和清除技术,以缓解水库微塑料污染问题,保障水库生态系统的健康。