安全与环境工程杂志投稿格式参考范文：湖泊生态系统微塑料的分布与迁移特征

　　摘 要:微塑料在世界各地湖泊中均有分布。湖泊生态系统微塑料可以引发生态系统失稳、生物活动紊乱及人体健康受损等一系列问题。湖泊生态系统微塑料污染与人类活动紧密相关。人类活动产生的微塑料进人湖泊后,可通过饮用水摄人、生物链传递等途径重新回到人类社会中,对人体健康造成持续影响。利用 CiteSpace软件对2013-2024年湖泊生态系统微塑料研究领域的文献进行了分析和归纳。结果发现:论文发表数量逐年上升,关注热点呈现阶段性变化趋势;以往研究主要集中在湖泊生态系统微塑料的形态与空间分布、迁移路径和生态风险等方面,预计未来研究热点为微生物群落对湖泊生态系统微塑料的迁移转化作用和微塑料环境样本的标准化采集;不同湖泊生态系统微塑料的空间分布差异可归因于人类活动,湖泊特征和地理条件,在同一湖泊中,微塑料特性湖流和风,热分层现象,生物作用共同影响微塑料的垂直沉降,而湖流和风,降雨事件,季节变化,湖泊功能区划共同影响微塑料的水平扩散。

　　关键词：微塑料;湖泊生态系统;分布特征;迁移特征

　　微塑料这一概念最早出现在有关海洋沉积物的研究中,是指直径小于5 mm 的塑料颗粒!-。原生微塑料通常指生产过程中产生的直接进入环境中的小塑料颗粒,其主要来源于化妆品生产、合成纤维洗涤等过程。而次生微塑料是由较大的塑料材料在环境中分解而成,常见来源包括塑料垃圾破碎、轮胎磨损、涂料风化等!。通过废水排放5、大气沉降、地表径流!7等途径,大量微塑料进人水生生态系统,对生态系统的健康造成了严重影响。

　　湖泊是淡水资源的重要储备库,大约90%的地表淡水资源储存在天然湖与人工湖中。作为人类生活中最重要的水源储备库之一,湖泊发挥着重要的生态功能作用。湖泊不仅可以直接为人类带来利益(如供水、减少洪水损害),还可以对环境产生积极影响(如改善野生动物栖息地)9]。但由于湖泊与人类活动联系紧密,湖泊污染不仅会对生态系统的结构与功能造成破坏,同时也会对人类健康与社会经济造成负面影响!。湖泊中的有毒物质可以通过饮用水和食物链进入人体,并进一步危害人体健康。湖泊中污染物也会影响渔业资源和农业用水,导致经济损失-21。而微塑料作为其中重要污染物之一,能通过摄人,吸入和皮肤接触等途径进人人体,并引发细胞损伤、组织病变1、代谢紊乱u4]、肠道受损!]等健康问题。同时,湖泊生态系统微塑料污染不仅影响水质,还可以通过水流输送至海洋,进一步加剧全球塑料污染问题“61。

　　目前,全球各地湖泊生态系统微塑料污染问题严重。湖泊的水力滞留时间长,因此成为了微塑料的暂时或长期储存库!7。研究表明,湖泊中的微塑料浓度高于河流和海洋us1,且湖泊生态系统微塑料往往在沉积物中积累。在全球各地不同湖泊中,均有微塑料检出。在地处偏远的北极地区湖泊中,仍有较高浓度的微塑料分布(沉积物中为239~13 331N/kg,水体中为0~1287 N/m3)!]。一般而言,微塑料污染与城市发展水平和人口密度有关[20211,发达国家湖泊生态系统微塑料浓度高于发展中国家即经济发达地区湖泊生态系统微塑料浓度高于偏远地区。

　　中国湖泊与河流中微塑料的浓度在全球范围内处于中等偏高水平。亚洲内陆水体中微塑料污染程度比其他地区更为严重[21。全球研究表明,中国太湖浮游生物样本中的微塑料丰度几乎比美国劳伦森五大湖和蒙古国霍夫斯戈尔湖高出2个数量级!23。在偏远地区如西藏12个湖泊沉积物中微塑料浓度水平高于全球其他偏远湖泊[24。长江中下游江段微塑料的平均浓度在全球采用类似方法进行采样调查的河流中也处于中等偏高水平[2。然而,与其他地区相比,中国沿海和边缘海域中的微塑料浓度处于中等偏低水平[25。这些现象似乎与'内陆水体中的微塑料通过河流等途径迁移,最终进人海洋[2627]”这一结论相矛盾。现有研究表明河流和湖泊中的微塑料容易在水体中积累[281,且小微塑料(<300 μm)在河流与沉积物中占主导地位29。基于以上研究,我们提出以下假设:与其他地区相比,中国内陆水体中的微塑料占比更多;相对于河流而言,中国湖泊作为微塑料污染的汇,储存了更多的污染物。湖泊在微塑料的迁移过程中扮演着重要角色,然而相较于其他水体,有关湖泊生态系统微塑料分布与归趋的研究较为薄弱,有待进行更深人的系统研究。

　　中国湖泊中的微塑料浓度高、分布广,对人体健康及生态平衡有很大影响,并在水生生态系统微塑料的迁移过程中扮演着重要角色。目前,相关研究主要集中在微塑料分布和浓度的分析方面,而对其在生物体和环境中动态输移过程的分析较少。本文对湖泊生态系统微塑料的分布与迁移特征进行综述,这有助于确定湖泊生态系统微塑料的污染来源、评估其生态风险、保障公共健康,同时可以揭示湖泊在水体微塑料迁移过程中所起的作用,并有助于构建模型进行大尺度流域范围的宏观分析。

　　湖泊生态系统微塑料的研究现状

　　基于 Web of Science核心合集数据库和信息可视化分析软件CiteSpaceV,在Web ofScience核心合集数据库中使用包括“微塑料”“湖泊生态系统’

　　“污染”等术语的组合检索,对湖泊生态系统微塑料领域的研究文献进行了知识图谱分析。

　　湖泊生态系统微塑料的研究起步较晚,但近年来逐渐成为学术界关注的热点问题。根据Web ofScience 核心合集数据库,统计了2013年1月1日至2024年11月4日近12年间湖泊生态系统微塑料研究领域的论文发表数量(图1)。由图1可以看出:中国与外国在湖泊生态系统微塑料污染领域的论文发表数量均增长迅速,且在2020年前后出现了指数式增长;与外国相比,中国对湖泊生态系统微塑料的研究起步较晚,但发展迅速,并保持着稳定上升的趋势。以上数据表明虽然中国湖泊生态系统微塑料研究仍有待深人,但国内研究者对该领域的关注度在不断增加。未来,该领域可能成为水体微塑料研究的热点之一。

　　基于 CiteSpace 软件对Web of Science 核心合集数据库中2013年至2024年湖泊生态系统微塑料领域的关键词进行了计量学分析,并绘制了关键词共现图谱(图2)。分析该图可以发现，近年来湖泊生态系统微塑料领域的研究热点关键词为“鉴别”'沉积物”“地表水”“合成纤维”“碎片”等。这些关键词在一定程度上表明,目前湖泊生态系统微塑料的研究大部分还是集中在对湖泊生态系统微塑料基本性质的探讨。相比之下,关于湖泊生态系统微塑料的污染源、分布特征、环境行为、迁移过程等方面的研究相对较少。而在其他类型水体中,相关研究已经取得了一定进展,这些领域可能是未来研究中需要关注的热点方向。

　　根据 Web of Science核心合集数据库中使用包括“微塑料”“湖泊生态系统”“污染”等术语组合的检索结果,提取出8个聚类方向(图3)。其中,前6类分别是“氧化应激”“非洲大湖”“水生环境”“土地利用”“生物降解”“食物网”。可以看出,2015年左右,微塑料研究主要聚焦于微塑料在湖泊中的出现和分布,重点关注表层水和沉积物中微塑料的累积、湖泊生态系统微塑料基本性质等。随着研究的深人,2018年左右,关注点逐渐扩展至微塑料的迁移路径和生态风险,特别是有关水生生物对微塑料的摄入、微塑料对重金属的累积作用等。目前,各聚类下湖泊生态系统微塑料研究的新方向为“湖泊沉积物”“聚合”“微生物群落”“环境样本”。在图3中这4个新方向对应的聚类模块半径较小,说明目前湖泊生态系统微塑料研究领域中对于这些方向的研究还不够充分,据此推测,预计未来湖泊生态系统微塑料研究热点为微生物群落对湖泊生态系统微塑料的迁移转化作用、微塑料环境样本的标准化采集、微塑料聚合物的环境影响等。

　　2湖泊生态系统微塑料的分布特征

　　湖泊生态系统中微塑料的分布在形态、时间和空间上存在着显著差异。在形态上,微塑料以碎片、纤维为主;在时间上,季节变化和水文条件对微塑料丰度有显著影响;在空间上,城市化程度、地形特征和水文条件是影响微塑料分布的主要因素。2.1 湖泊生态系统微塑料分布特征的空间差异微塑料在湖泊中分布广泛,目前世界各地不同湖泊中均有微塑料检出。由于人类活动!1、湖泊特征(主要是面积和深度)[31、地理位置[=]等因素的影响,不同湖泊中微塑料的浓度、成分、形态、粒径呈现出显著差异,具有明显的地域特征。对不同地区湖泊生态系统微塑料分布特征进行对比,结果见表1。由于使用的采样方法、调查范围和测量单位不同,比较不同地区的数据具有一定挑战性37。因此,有必要制定采样和录人数据的通用标准,以便于比较。

　　由表1可以看出，人类活动对不同湖泊生态系统微塑料分布的影响最为显著。湖泊生态系统微塑料主要来源于日常使用的塑料制品的降解、废水排放和渔业活动等。在洞庭湖和洪湖中,微塑料的主要形态为纤维(80%以上),以有色颗粒为主,主要成分为聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP),这可能归因于所研究水域中众多水产养殖场渔具存在损坏情况[331。乌梁素海中的微塑料主要成分为聚苯乙烯(PS)和PE,主要来源于农业废水、生活污水和渔业排放!]。太湖中的微塑料主要成分为聚氯乙烯(PVC)和PE,其中碎片形态的微塑料占比超过70%,这可能与太湖旅游业发达，而游客使用的由劣质塑料制成的一次性塑料制品容易破裂成小碎片有关。意大利伊塞奥湖的微塑料组成以聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙、PP为主,颜色以蓝色和绿色居多,且多为纤维状,污染源主要为废水处理厂排放]。在土耳其大坝湖中的微塑料主要成分为 PET、PVC、PS,形态多为纤维状,颜色大多透明,主要来源于地表径流、养鱼和农业活动[5湖泊的结构特征也会影响微塑料的分布。面积较大且较浅的湖泊水体中微塑料浓度较高,反之面积较小且较深的湖泊水体中微塑料浓度较低湖泊面积的大小对微塑料的分布和浓度具有重要影响。研究表明,较大湖泊往往会有更高的微塑料浓度。例如,在阿根廷巴塔哥尼亚地区的9个湖中,微塑料浓度与湖泊面积呈正相关,较大湖泊由于接收更多的城市径流和渔业废弃物,因此微塑料污染更为严重8]。湖泊的深度同样影响微塑料的分布。较浅的湖泊由于水体流动性较强,微塑料更容易在水体中分散。例如,在意大利的基乌西湖较浅且富营养化,导致其微塑料浓度相较于较深的博尔塞纳湖较高[311

　　2.2 湖泊生态系统微塑料分布特征的时间差异同一湖泊中,微塑料的分布特征在时间上的差异受到季节变化、气象条件等的影响。在不同季节,湖泊生态系统中微塑料的分布特征会发生显著变化。例如,在尼日利亚的OX-Bow湖中,旱季和雨季的微塑料主要成分及其浓度存在明显差异;在旱季,微塑料的主要成分为PET(72.6%)和PV((10.9%)主要形态为珠状,颜色以红色为主;而在雨季，PVC占81.5%,低密度聚乙烯(LDPE)占4.2%,主要形态为颗粒状,颜色以绿色为主!]。这种差异可能与雨季时暴雨冲刷周围城市生活垃圾，导致塑料污染物进人水体有关,即降雨量的增加加剧了人类活动对湖泊生态系统微塑料浓度的影响，类似地,在中国的玛纳斯河流域,旱季的微塑料平均浓度[(17士4)颗/1]高于雨季[(14±2)颗/1,][40]

　　湖泊生态系统微塑料的迁移特征

　　3.1 微塑料在湖泊生态系统中的迁移过程

　　微塑料在水体中的迁移一般包含以下几个阶段:首先,漂浮在水面上的塑料通过一系列过程,部分转变为微塑料;然后,悬浮在水中的微塑料在重力作用下发生沉积;接着,对于已沉积的微塑料，一方面,它们可能会因水文效应(如洪水)从底部重新悬浮,另一方面,它们可能永久沉积在河流或湖泊的底部;最后,重新悬浮的微塑料将继续经历上述过程,形成漂浮、悬浮、沉积、埋入水底的循环[z]湖泊生态系统中的微塑料具有类似的循环模式，微塑料主要通过河流运输、废水排放、暴雨径流等途径进入湖泊,并在湖泊中经历一系列的迁移转化过程,接着大部分微塑料随河流进入海洋,部分沉积于湖底,部分被水生生物摄人。其中,部分被水生生物摄人的微塑料可随着食物链富集,最终进人人体。因此,湖泊中的微塑料可能经历了从人类活动产生、进入湖泊、流人海洋、再重返人类生活的过程。3.2 微塑料在湖泊生态系统中迁移的影响因素

　　湖泊生态系统中微塑料迁移行为受到多种因素的影响,主要包括人为因素、物理因素(微塑料本身的物理和化学特性、水文动力条件、气象条件等)和生物因素(生物膜等)。同时,生物因素对湖泊生态系统微塑料水平分布的影响较小,往往只考虑其对微塑料垂直方向上分布的作用。本文详细概述了微塑料在湖泊中水平扩散和垂直沉降过程的影响因素。

　　3.2.1 微塑料在湖泊生态系统中垂直沉降的影响因素

　　微塑料在湖泊生态系统中的垂直沉降受多种因素影响,主要包括微塑料性质(密度和形状)、环境条件(动力与热力条件)及生物膜的生长。这些因素共同作用,决定了微塑料在湖泊水柱和沉积物中的分布模式。

　　1)微塑料性质。微塑料的性质主要包括密度与形态。由于重力作用,低密度微塑料颗粒的浓度从表面水到次表层水再到沉积物逐渐递减,而高密度颗粒则相反。例如,在对美国密歇根湖的研究中发现,低密度微塑料(如PP和PE)主要集中在表层和次表层水中,而高密度微塑料(如PET)则更多地集中在沉积物中。在形态方面,对德国托伦塞湖的研究表明,纤维状微塑料在水柱中的分布较为均匀,但不规则颗粒物(IP)浓度随着深度的增加而降低,不过这种变化仅发生在特定的时空尺度上[4z]微塑料形态对其在湖泊不同深度及沉积物中分布的影响还需进一步研究。

　　2)水动力条件。水动力条件主要包括风速和湖流。浅水湖泊沉积物受风速影响,易发生再悬浮现象!1,导致低密度微塑料经历再悬浮-沉降-再悬浮循环,增强了微塑料混合。在对太湖的研究中发现,与无波浪的水流相比,当水体受到风波扰动时沉积物更容易重悬…。湖流方面,微塑料在湖泊中的沉积和再悬浮与水流的强度和方向密切相关，在对德国托塞伦湖的研究中发现,潮间带与水的持续接触会导致微塑料颗粒沉积并再次被波浪重新悬浮,造成微塑料丰度显著降低!。

　　3)热力因素。水体热分层现象阻碍了微塑料的垂直迁移。在温度差异较大的热分层水体中，重直扩散系数减小,减少了水层之间的物质传输。热分层在一定程度上减少了微塑料在各层间的迁移使得深层水体难以获得表层微塑料[6]。深湖由于水柱深度较大,通常会形成稳定的热分层结构,影响微塑料的垂直迁移。尤其是在夏季湖泊热分层明显时期,这种阻碍作用更加显著。

　　4)生物因素。已有大量研究表明,生物膜的形成会增加微塑料的密度,从而导致其沉降!-1。例如,在大湖区的实验中,生物膜的生长显著增加了PP 颗粒的密度,加快了其沉降速度,并使得 100%的中小型微塑料以及95%的大型微塑料沉降[m1。此外,微生物也可以与微塑料聚集,形成更大的颗粒,从而增加其沉降速度。实验表明,蓝藻在高钙浓度下形成的细胞聚集体能够包裹微塑料颗粒,导致其沉降[@]。

　　3.2.2 微塑料在湖泊生态系统中水平扩散的影响因素

　　微塑料在湖泊中的水平扩散受多种因素影响主要包括自然因素(如动力条件、气象因素等)人为因素(如湖泊所处功能区)。这些因素共同作用决定了微塑料在湖泊水平方向上的分布模式。

　　1)水动力条件。水动力条件主要包括风力和湖流。湖流与风力是推动微塑料在湖泊表层扩散的主要动力。在湖泊中,随河流流人的微塑料会形成高浓度微塑料带,并逐渐向湖泊深处扩散。有关洞庭湖和洪湖的研究显示,表层水中的微塑料浓度受流域径流和河口人湖水流的显著影响]。青海湖的研究表明,湖流的作用可能是导致微塑料在湖心处富集的重要原因5。风力可以直接将微塑料从湖泊表面吹走,也可以通过引起的水流变化间接影响微塑料流向四。强风和水流可以将微塑料从污染源扩散到湖泊的其他区域。

　　2)气象条件。气象条件的改变,如起风和降雨,通常会引起微塑料分布模式的改变。对博尔纳湖的研究表明,强风和中等降雨事件后,微塑料浓度显著增加,可能是强风与降雨事件增加了污水的排放输入!]。同时,季节性变化也会对湖泊生态系统微塑料迁移产生影响。洪季与早季会影响湖泊水位分布,从而引起湖泊生态系统微塑料的空间分布变化。对鄱阳湖的研究显示,在洪季高水位期间,微塑料更容易排入河流,而在旱季低水位期间,微塑料则会在湖泊浅滩区域积累

　　总结与展望

　　本文在对湖泊生态系统微塑料污染相关研究文献的关键词进行聚类分析的基础上，,总结了湖泊环境中微塑料的分布与迁移特征。从宏观角度分析了世界各地不同湖泊生态系统微塑料在浓度、成分、形态、粒径上的差异及其产生差异的主要原因:从微观角度详细总结了湖泊生态系统微塑料的水平与垂直迁移规律,并探讨了自然因素(如湖泊动力,热力条件,气象条件等),生物因素(如生物膜,聚集体等)和人类活动(如经济生产水平、功能区划等)等影响因素,以及微塑料在这些因素影响下,在湖泊表层和沉积物中具有的不同富集特征。

　　与其他水体相比,湖泊具有其独特特征:有封闭或半封闭的特性,水体更新速率较低,水动力条件相对稳定;受附近污染源的直接影响显著,污染来源较为清晰:富营养化程度较高,湖泊环境中浮游生物、底栖生物等种类较多;湖泊水位、风速和温度随季节变化明显。这些特性使得湖泊生态系统微塑料污染的分布和迁移特点有别于其他水体,在进行微塑料归趋转化研究时具有独特意义,需要进行进一步研究。因此,未来湖泊生态系统微塑料研究应关注以下几个方面:

　　1)生物膜和生物作用对微塑料迁移的影响及其相关机理。已有研究表明海洋中的微塑料的分布、迁移特征会受到生物膜的影响。湖泊中也栖息着大量种类丰富的微生物,相比流动水体,湖泊水动力条件引起的微塑料沉降作用较弱,因此生物膜及生物对湖泊生态系统微塑料沉降的影响可能更加复杂,作用可能更为明显。有必要进一步研究湖泊生物过程对微塑料沉降、再悬浮及累积作用的影响。

　　2)季节性变化对湖泊生态系统微塑料的影响。湖泊的微塑料迁移受区域性气候因素驱动更为显著,湖泊的水位波动、热分层和季节风向变化可能显著影响微塑料的水平和乖直迁移。湖泊生态系统微塑料迁移与季节性变化之间的关系有待通过建立模型等方式进行进一步研究。

　　3)湖泊沉积物中微塑料的长期影响。相比其他流动水体,湖泊沉积物中微塑料更易长期存在对生态系统产生持久影响。长期沉积的微塑料在湖底逐渐积累,形成潜在的生态风险。微塑料的持续累积还可能对湖泊生态系统产生深远影响,特别是对底栖生物和食物网造成影响。因此，对湖泊沉积物中微塑料进行持续监测并探索其长期效应具有重要意义。

谷文;吴辰熙;熊雄;贾佳,中国科学院水生生物研究所淡水生态和生物技术国家重点实验室;中国科学院大学,202501