论文部分内容阅读
伴随着近几十年来全球塑料产量的急剧增加，塑料废弃物在自然及人类社会环境中的累积与迁移已经成为日益严重的世界性问题，受到科学界及社会各界的广泛关注。当前大量的监测数据显示，微塑料污染已遍布全球海洋、河流、湖泊、土壤、大气等环境，形成了巨大的环境生态风险。
城市是微塑料污染的最主要来源，对城市微塑料污染输出的研究是实现微塑料污染有效防控的首要关键。其中，城市排水管道是微塑料向受纳河道传输的重要路径，但关于城市排水管道中微塑料的污染现状及其向受纳河道的污染输出尚未明确，城市河道中微塑料的污染现状与污染行为也尚不清晰。此外，微塑料表面微生物群落的选择性生长可能代表了一种微生物迁移的新机制，从而对管道生态系统甚至是河道生态系统产生不利影响，因为微塑料可以在不同环境介质中迁移。但是，城市排水管道中微塑料表面微生物群落的定植尚未得到研究。
上海市地处长江三角洲平原地区，是国际经济、金融、贸易、航运和科技创新中心。作为全球化的大都市，上海市地区人口密度大，人类活动频繁，排污总量大，塑料制品流通量及使用量居于全国前列，是微塑料污染研究的重点区域。另一方面，上海市城乡跨度较大，不同区域排水管道及河道内的污水水质会因城市化发展进程、区域下垫面使用规划、流域污染管控政策力度及人口密度等原因形成显著差异性，从而进一步造成市域内不同排水管道及河道水体、沉积物中微塑料丰度及分布的差异。但目前，对此问题的认识与相关监测仍然不足，因而难以更加有效地提出微塑料污染防控的关键技术、政策与措施。
因此，本研究围绕城市排水管道及受纳河道的微塑料污染问题，探讨了管道污水及沉积物中微塑料的丰度、形状、聚合物类型等分布特征，解析了不同城市下垫面排水管道中微塑料的污染现状，讨论了城市排水管道微塑料向受纳河道的传输路径并明确其传输通量。同时，以城市排水管道污水和沉积物为培养基质，展开了微塑料表面微生物定植生长的培养实验，明确了微塑料、生活污水和沉积物中微生物群落的差异，以及聚合物类型对微塑料表面定植微生物群落的影响。在此背景下，本研究还围绕受纳河道中的微塑料污染，分析了城市河道表层水及沉积物中微塑料的分布特征，并在此基础上，阐释了城市河道中微塑料的污染现状与污染行为。
研究结论如下：
（1）上海市排水管道中微塑料的污染丰度较高。其中，管道污水中微塑料的平均丰度为69个·L-1，管道沉积物中微塑料的平均丰度更是达到了7865个·kg-1（湿重）。微塑料尺寸越小丰度越高。其中，低于500μm、纤维状、透明色和聚酯类的微塑料在上海市排水管道中占比最高。
（2）不同城市下垫面排水管道中微塑料的污染丰度表现出空间差异性，即居民区排水管道中微塑料的丰度略高于工业区。但是，不同城市下垫面（居民区和工业区）排水管道中的微塑料污染却表现出相似的形状分布和聚合物组成。
（3）城市排水管道中的微塑料可以通过污水处理厂排放、管道溢流或管道直排等方式进入受纳河道。据本研究估算，每年上海市排水管道向受纳河道传输微塑料的总量约为8.66×1013~1.03×1014个。因此，城市排水管道巨量的微塑料污染输出，使得城市管网系统成为全球微塑料污染物质流中十分重要的路径组成。
（4）微塑料作为一种广泛存在的微生物载体，能够为微生物的生长提供一个良好的栖息地，也能够促进微生物在不同环境介质中的迁移。与生活污水和沉积物相比，微塑料表面定植微生物的Alpha多样性有所降低，且群落组成结构也呈现显著不同。某些细菌甚至是功能性细菌（譬如假单胞菌）能在微塑料表面发生选择性生长，增大其在环境中的生态风险。此外，聚合物类型对微塑料表面定植微生物群落（OTU丰度、Alpha多样性和群落组成）的影响较小。
（5）上海市城市河道中普遍存在微塑料污染，表层水中微塑料的平均丰度为7.5±2.8个·L-1，而沉积物中微塑料的平均丰度则达到了1575.5±758.4个·kg-1（湿重）。微塑料尺寸越小丰度越高。其中，低于500μm、纤维状、透明色和聚酯类的微塑料始终在上海市城市河道中占比最高。
（6）上海市城市河道中的微塑料污染较为严重，且污染丰度高于天然淡水河道及国内外其他城市河道。潜在来源（主要为洗衣废水、个人护理产品和塑料废弃物等）、水动力学条件和本身理化性质等各种因素会影响不同城市河道中微塑料的形状分布和聚合物组成，但3种形状（纤维、碎片和薄膜）和4种聚合物类型（聚酯、聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯）仍占据多数。
本研究能明确城市排水管道及受纳河道中微塑料的分布特征，探明微塑料在两者中的污染水平与行为，既丰富了城市系统中微塑料的研究数据，也为城市系统中微塑料管控政策的制定提供依据。同时，通过管道污水及沉积物中微塑料表面的微生物群落定植研究，获得了微塑料表面微生物群落特征的初步资料，为更加深入的研究管道微塑料对管道生态系统的影响打下研究基础。
城市是微塑料污染的最主要来源，对城市微塑料污染输出的研究是实现微塑料污染有效防控的首要关键。其中，城市排水管道是微塑料向受纳河道传输的重要路径，但关于城市排水管道中微塑料的污染现状及其向受纳河道的污染输出尚未明确，城市河道中微塑料的污染现状与污染行为也尚不清晰。此外，微塑料表面微生物群落的选择性生长可能代表了一种微生物迁移的新机制，从而对管道生态系统甚至是河道生态系统产生不利影响，因为微塑料可以在不同环境介质中迁移。但是，城市排水管道中微塑料表面微生物群落的定植尚未得到研究。
上海市地处长江三角洲平原地区，是国际经济、金融、贸易、航运和科技创新中心。作为全球化的大都市，上海市地区人口密度大，人类活动频繁，排污总量大，塑料制品流通量及使用量居于全国前列，是微塑料污染研究的重点区域。另一方面，上海市城乡跨度较大，不同区域排水管道及河道内的污水水质会因城市化发展进程、区域下垫面使用规划、流域污染管控政策力度及人口密度等原因形成显著差异性，从而进一步造成市域内不同排水管道及河道水体、沉积物中微塑料丰度及分布的差异。但目前，对此问题的认识与相关监测仍然不足，因而难以更加有效地提出微塑料污染防控的关键技术、政策与措施。
因此，本研究围绕城市排水管道及受纳河道的微塑料污染问题，探讨了管道污水及沉积物中微塑料的丰度、形状、聚合物类型等分布特征，解析了不同城市下垫面排水管道中微塑料的污染现状，讨论了城市排水管道微塑料向受纳河道的传输路径并明确其传输通量。同时，以城市排水管道污水和沉积物为培养基质，展开了微塑料表面微生物定植生长的培养实验，明确了微塑料、生活污水和沉积物中微生物群落的差异，以及聚合物类型对微塑料表面定植微生物群落的影响。在此背景下，本研究还围绕受纳河道中的微塑料污染，分析了城市河道表层水及沉积物中微塑料的分布特征，并在此基础上，阐释了城市河道中微塑料的污染现状与污染行为。
研究结论如下：
（1）上海市排水管道中微塑料的污染丰度较高。其中，管道污水中微塑料的平均丰度为69个·L-1，管道沉积物中微塑料的平均丰度更是达到了7865个·kg-1（湿重）。微塑料尺寸越小丰度越高。其中，低于500μm、纤维状、透明色和聚酯类的微塑料在上海市排水管道中占比最高。
（2）不同城市下垫面排水管道中微塑料的污染丰度表现出空间差异性，即居民区排水管道中微塑料的丰度略高于工业区。但是，不同城市下垫面（居民区和工业区）排水管道中的微塑料污染却表现出相似的形状分布和聚合物组成。
（3）城市排水管道中的微塑料可以通过污水处理厂排放、管道溢流或管道直排等方式进入受纳河道。据本研究估算，每年上海市排水管道向受纳河道传输微塑料的总量约为8.66×1013~1.03×1014个。因此，城市排水管道巨量的微塑料污染输出，使得城市管网系统成为全球微塑料污染物质流中十分重要的路径组成。
（4）微塑料作为一种广泛存在的微生物载体，能够为微生物的生长提供一个良好的栖息地，也能够促进微生物在不同环境介质中的迁移。与生活污水和沉积物相比，微塑料表面定植微生物的Alpha多样性有所降低，且群落组成结构也呈现显著不同。某些细菌甚至是功能性细菌（譬如假单胞菌）能在微塑料表面发生选择性生长，增大其在环境中的生态风险。此外，聚合物类型对微塑料表面定植微生物群落（OTU丰度、Alpha多样性和群落组成）的影响较小。
（5）上海市城市河道中普遍存在微塑料污染，表层水中微塑料的平均丰度为7.5±2.8个·L-1，而沉积物中微塑料的平均丰度则达到了1575.5±758.4个·kg-1（湿重）。微塑料尺寸越小丰度越高。其中，低于500μm、纤维状、透明色和聚酯类的微塑料始终在上海市城市河道中占比最高。
（6）上海市城市河道中的微塑料污染较为严重，且污染丰度高于天然淡水河道及国内外其他城市河道。潜在来源（主要为洗衣废水、个人护理产品和塑料废弃物等）、水动力学条件和本身理化性质等各种因素会影响不同城市河道中微塑料的形状分布和聚合物组成，但3种形状（纤维、碎片和薄膜）和4种聚合物类型（聚酯、聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯）仍占据多数。
本研究能明确城市排水管道及受纳河道中微塑料的分布特征，探明微塑料在两者中的污染水平与行为，既丰富了城市系统中微塑料的研究数据，也为城市系统中微塑料管控政策的制定提供依据。同时，通过管道污水及沉积物中微塑料表面的微生物群落定植研究，获得了微塑料表面微生物群落特征的初步资料，为更加深入的研究管道微塑料对管道生态系统的影响打下研究基础。