Pollution Status and Characterization of Microplastics in Some Lakes and Reservoirs in China

  • CHEN Dan , 1, 2 ,
  • LI Ju 3 ,
  • WANG Ping 2, 4 ,
  • WANG Rui 1 ,
  • YUAN Zhiwei 1 ,
  • YANG Yuanyuan 1 ,
  • DENG Chunnuan , 1, *
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Received date: 2023-09-13

  Revised date: 2023-10-27

  Online published: 2026-03-12

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Abstract

As an emerging pollutant, microplastics are widely distributed in environmental mediums such as water, atmosphere and soil. Research data on microplastics in surface water and sediments in selected lakes and reservoirs in China was collected and analyzed from 2017 to 2023. The study focused on assessing the contamination levels of microplastics in Chinese lake and reservoir environments, as well as examined the distribution characteristics of microplastics. The study revealed a high abundance of microplastics in Chinese lake and reservoir environments, indicating a high level of microplastic pollution. The microplastic particles found in water and sediment were predominantly small in size (mostly less than 1 mm) and transparent in color. The main types identified were fibers, fragments, and films, with the primary polymers being polypropylene (PP), polyethylene (PE), and polyurethane (PU). The total abundance of microplastics in lakes and reservoirs water was significantly and positively correlated with provincial gross domestic product (GDP) and wastewater discharge, and the abundance of microplastics in lakes and reservoirs sediment was significantly and positively correlated with the population, wastewater discharge, and output value of farming. The main sources of contamination in lakes and reservoirs varied among regions, with human activities being identified as the most influential factor. This research holds great importance in systematically assessing microplastic pollution in Chinese lake and reservoir environments.

Cite this article

CHEN Dan , LI Ju , WANG Ping , WANG Rui , YUAN Zhiwei , YANG Yuanyuan , DENG Chunnuan . Pollution Status and Characterization of Microplastics in Some Lakes and Reservoirs in China[J]. Wetland Science, 2024 , 22(4) : 536 -544 . DOI: 10.13248/j.cnki.wetlandsci.2024.04.007

塑料制品因其成本低廉、延展性强、性质稳定等特点而被广泛应用于人类的生产生活中[1]。20世纪以来,人们对塑料制品的需求不断攀升,塑料的产量也逐渐增加,塑料制品的大量使用和塑料废弃物的管理不善导致了严重的环境污染问题[2]。微塑料(Microplastics, MPs)是备受关注的新兴污染物之一[3],广泛定义为直径小于5 mm的塑料颗粒[4],按其来源可以分为初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是指由制造商特意生产或添加到产品中的塑料颗粒或物质,如添加在日化用品中的微珠以及合成纺织品中的微纤维等[5],次级微塑料是由大型塑料碎片经过物理、化学或生物过程分解而形成的,其尺寸和组成更具有异质性[6]。微塑料很容易通过水生生态系统输送和运移,因此也被称为水环境中的PM2.5[7]。此外,由于微塑料小颗粒的特点使得其能够悬浮在大气中进行长距离迁移,然后沉降在偏远的生态系统中[8],在南极[9]、北极[10]和深海[11]都发现了微塑料的踪迹。
中国是世界上塑料材料的生产消费大国,微塑料污染情况不容乐观[12]。据国家统计局数据,2022年中国塑料制品行业统计塑料制品产量约为7.77×107 t,但再生利用率仅为16.5%[13],大量废弃塑料通过各种途径进入不同环境介质,破碎变成微塑料。与海洋和河流相比,湖泊作为内陆淡水资源汇集的重要水体,水域较为封闭,水体交换更新周期长,对微塑料来说扩散性较低,更容易发生微塑料积累[14]。研究表明,湖泊中的微塑料污染已经与海洋中的污染情况相当或更为严重[15],对湖泊微塑料污染开展研究具有重要的科学和社会意义。另外,人工建成的水库由于其水文水动力条件与湖泊相似,在对污染物环境行为的影响上通常表现出和湖泊类似的特征,因此本研究将中国水库的微塑料污染也纳入相关研究中。
关于微塑料的研究在中国开展得相对较晚,近年来,中国淡水生态系统微塑料研究发展迅速,越来越多的研究集中于微塑料在陆地及淡水生态系统中的分布和环境行为[16]。本研究对已经发表的有关中国湖泊和水库微塑料污染的论文进行统计和分析,旨在了解当前中国重要湖泊和水库的污染现状及特征,探讨不同区域湖泊和水库微塑料污染来源,进一步明确微塑料污染对环境的影响,为微塑料污染防治及生态风险研究提供参考。

1 数据与方法

1.1 文献检索和数据收集

在Web of Science、Elsevier Science Direct和中国知网(CNKI)数据库,以“湖泊(Lake)”“水库(Reservoir)”“微塑料(Microplastics)”和“中国(China)”为关键词,进行检索,时间跨度为2017年至2023年。在文献筛选过程中,优先选取微塑料丰度单位统一或能够换算的文章,其次,选取能提供明确的微塑料组成和形态的具体百分比数据的文章,共计48篇。通过系统分析上述文献,并利用Microsoft Excel对研究所需数据进行筛选整合,绘制图表。本研究中用到的省级生产总值(Provincial GDP)、人均地区生产总值(GDP per capita)、农业生产总值(Output Value of Farming)、渔业生产总值(Output Value of Fishery)、人口(Population)数据通过国家统计局官网(http://www.stats.gov.cn/sj/)获取,各地区污水排放量(Wastewater Discharge)数据来自于《中国环境统计年鉴》[17-23],各类数据都与本研究所整编的48篇文献中提供的采样年份对应,数据缺失的湖泊排除在统计分析之外。所研究的湖泊和水库主要分布在西藏自治区、新疆维吾尔自治区、湖北省、上海市、安徽省、江苏省、重庆市等,按照中国的湖区划分,主要集中分布在东部平原湖区和青藏高原湖区,云贵高原湖区和蒙新高原湖区相对较少。

1.2 数据归一化处理和元分析

在搜集到的文献中,选取干质量的沉积物微塑料丰度数据,为了便于进行数据统计和可视化分析,将湖泊和水库水体中微塑料的丰度单位统一换算为items/m3(1 items/m3=1000 items/L)。
元分析法是一种系统性的统计方法,采用此方法对众多现有文献进行再次统计,利用相应的统计指标及换算公式,进行再一次统计分析[24]。在选定的文章中,提取中国湖泊和水库微塑料的丰度与赋存特征数据(颜色、粒径、形状、聚合物类型)。基于筛选获取到的数据,利用Arcmap10.5软件,绘制研究区分布图以及不同样本中微塑料丰度分布图。利用Origin 2021软件,绘制微塑料的赋存占比图和相关分析图。

2 结果与分析

2.1 中国部分湖泊和水库环境中水体和沉积物微塑料污染现状

根据统计结果,中国部分湖泊和水库水体中微塑料丰度范围为190~49 000 items/m3(平均丰度为4 827.38 items/m3n=83)(图1),湖泊和水库沉积物的微塑料丰度范围为17.22~18 100 n/kg(平均丰度为887.59 n/kg,n=72)。可以发现,湖泊和水库地表水中微塑料丰度的极值变化大于沉积物,即湖泊和水库水体中的微塑料丰度波动范围更大。水体中的微塑料稳定性较差,其丰度通常反映的是湖泊短期内的污染状况,因此波动幅度大,且容易随外界条件的变化而改变[25]。沉积物是微塑料的终端或瞬时汇,与水体中微塑料污染水平存在密切联系,其微塑料丰度反映的通常是微塑料在长期内的累积污染。
1 中国部分湖泊和水库环境中水体和沉积物微塑料丰度

Microplastics abundance of surface water and sediment in environment of some of lakes and reservoirs in China

表1列举了世界上部分国家湖泊地表水和沉积物中的微塑料污染情况,这些湖泊与中国大部分湖泊类似,都受到不同程度的城市化、农业、渔业、旅游业等影响。通过与部分其他国家湖泊微塑料污染研究数据对比可以发现,不同国家和地区微塑料丰度存在较大差异。总体来说,无论是在地表水还是沉积物中,中国湖泊和水库环境中的微塑料丰度都较高,微塑料污染状况不容乐观。
1 一些国家部分湖泊中微塑料丰度

Microplastics abundance in part of lakes in some countries

样本类型 研究区 所在
国家
微塑料丰度
/(items/m³)
参考文献
地表水 Laguna Lake 菲律宾 14.29 [26]
Guaiba Lake 巴西 11.9~61.2 [27]
La Salada 阿根廷 143.3 [28]
30 lakes in NE Poland 波兰 780 [29]
Ontario Lake 加拿大 800 [30]
Vellayani Lake 印度 4 100 [31]
样本类型 研究区 所在
国家
微塑料丰度
/(items/kg)
参考文献
沉积物 Erie Lake 美国 92.5 [32]
Red Hills Lake 印度 27 [33]
Ontario Lake 加拿大 352 [34]
Phewa Lake 尼泊尔 100.5 [35]
Simcoe Lake 加拿大 55 [36]
Vellayani Lake 印度 5.4 [31]

2.2 中国部分湖泊和水库环境中微塑料的理化特征

在中国湖泊和水库环境中,无论是水体还是沉积物,小于1 mm粒径的微塑料都占据主体,且随着粒径的增大,微塑料的占比减小(图2)。许多淡水湖泊微塑料研究表明,小粒径微塑料都占主导地位,如北美的五大湖[37]、蒙古国的霍夫斯格尔湖[38]和中国的太湖[39]等。
2 中国部分湖泊和水库水体和沉积物中不同粒径微塑料所占比例

Percentage of microplastics of different particle sizes in water and sediment of some lakes and reservoirs in China

小尺寸微塑料颗粒对水生生物会构成更严重的潜在威胁[40-41]。首先,小尺寸的微塑料颗粒具有更大的比表面积,更容易吸附积聚其他污染物[42],具有更大的毒性。其次,由于细小尺寸的微塑料外观与浮游动物相似[43],被水生生物误食的可能性较高。对中国鄱阳湖的野生鱼类[43]和吕泗渔场的养殖鱼类[44]进行解剖后发现,鱼体内小尺寸的微塑料占比更高。鄱阳湖鱼类体内的微塑料粒径主要集中在0.1~1.0 mm,占比约为50%,吕泗渔场的鱼体内微塑料粒径集中在0.1~2.0 mm,占检测样本总量的60%左右。
统计分类结果表明,湖泊和水库中无色透明的微塑料占主导地位,在水体中无色透明微塑料占比为31.3%,在沉积物中占比为27.2%,黑色、白色、蓝色等也是常观测到的颜色(表2)。颜色分类数据可以成为识别微塑料污染来源的依据[45],一般来说,大多劣质一次性产品是由无色透明塑料制成的,此类产品体积大,使用寿命短,容易风化破碎,是微塑料的主要来源[46]。彩色微塑料很可能来源于各种使用寿命长的塑料制品[47],黑色微塑料可能来源于轮胎磨损产生的橡胶颗粒[48]
2 中国部分湖泊和水库水体和沉积物样本中微塑料的颜色组成

Color composition of microplastics in water and sediment samples from some lakes and reservoirs in China

所处
环境
不同颜色微塑料颗粒所占比例/%
无色
透明
黑色 白色 蓝色 红色 绿色 黄色 其他
水体 31.3 15.5 6.6 13.0 5.9 5.1 2.9 19.8
沉积物 27.2 19.1 14.7 14.6 8.1 7.1 4.4 4.7
根据统计分析结果,在中国部分湖泊和水库环境中发现了多种形状的微塑料,纤维是主要微塑料形状(表3)。在水体样本中,其占比高达49.6%,在沉积物样本中,占比为34.9%。碎片也是湖泊和水库中微塑料的一大类型,在水体样本中,其占比为16.2%,在沉积物样本中占比为19.6%。薄膜在水体和沉积物中的占比分别为8.6%和9.3%,占比差异不大。在中国湖泊和水库环境中,球状类微塑料观测到的频率较低,而这类微塑料的主要来源就是初级微塑料,这表明中国湖泊和水库环境中的微塑料主要属于大塑料破碎化而来的次级微塑料。微塑料的形状特征与其来源密切相关,通常来说,纤维的来源通常是渔具和纺织品,衣物洗涤及渔业活动是将它们释放到环境中的重要途径[49],薄膜通常来源于塑料袋和包装材料[50],碎片主要来自环境中大型塑料的碎裂和降解[51]
3 中国部分湖泊和水库水体和沉积物样本中微塑料的形状组成

Shape composition of microplastics in water and sediment samples from some lakes and reservoirs in China

所处
环境
所占比例/%
纤维 碎片 薄膜 颗粒 泡沫 其他
水体 49.6 16.2 8.6 7.8 10.7 7.1
沉积物 34.9 19.6 9.3 8.9 6.0 21.3
表4可以看出,中国湖泊和水库环境的水体中占比较高的几种微塑料聚合物类型分别是聚乙烯(20.2%)、聚丙烯(20.1%)、聚氨酯(14.0%)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(12.7%),沉积物中占比较高的几种聚合物类型分别为聚丙烯(18.3%)、聚氨酯(17.3%)、聚乙烯(12.3%)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(11.3%)。密度在微塑料的垂直运输中起着重要作用,与水样相比,沉积物中聚酰胺(PA)的占比高于水体,可能是由于聚酰胺的密度为1.14~1.15 g/cm3,略大于水体,相对易于沉降。聚丙烯在水体中的占比高于沉积物,为结晶型高聚物,常用塑料中聚丙烯最轻,密度仅为0.90~0.91g/cm3,密度小于水体,所以更多滞留在水体中。不论在沉积物还是水体中,聚丙烯、聚乙烯和聚氨酯都是主要聚合物类型,是湖泊和水库环境中主要的微塑料污染物。聚合物类型的丰度与巨大的需求密切相关,据统计聚丙烯和聚乙烯是使用最广泛的聚合物,占全球塑料产量的60%,广泛应用于食品包装、塑料袋子和容器生产以及管道制造等各个领域[52]
4 中国部分湖泊和水库水体和沉积物样本中微塑料的聚合物组成

Polymer composition of microplastics in water and sediment samples from some lakes and reservoirs in China

所处环境 所占比例/%
聚丙烯 聚氨酯 聚乙烯 聚对苯二甲
酸乙二醇酯
聚酰胺 聚苯乙烯 聚氯乙烯 其他
水体 20.1 14.0 20.2 12.7 6.8 8.9 6.9 10.3
沉积物 18.3 17.3 12.3 11.3 9.1 8.4 4.5 18.8
表5所示,对一些国家和地区的湖泊和水库微塑料研究都表明,湖泊微塑料颗粒以小粒径为主(<1 mm),无色透明、黑色和蓝色是湖泊微塑料中常见的颜色,纤维、碎片、薄膜是主要形状,聚丙烯、聚乙烯是最常见的聚合物。这些常见微塑料的理化特征都与其来源密不可分,无色透明微塑料可能归因于大量一次性塑料制品的使用;渔业活动、生活污水的排放及环境中大量塑料废弃物破碎裂解是湖泊中纤维、碎片含量高的原因,聚丙烯、聚乙烯丰度高主要是因为其广泛生产使用,且密度较低,有利于它们在环境介质中扩散[57]
5 一些国家部分湖泊中的微塑料理化特征

Physicochemical characterization of microplastics in part of lakes in some countries

研究区 粒径 主要颜色所占比例 主要类型所占比例 主要聚合物所占比例 参考文献
水体 38 lakes in 23 countries worldwide 黑色(30%)、无色透明(24%)、蓝色(18%) 纤维(49.5%)、碎片(41.0%) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(30.4%)、聚丙烯(20.3%)、聚乙烯(15.7%) [53]
four inland lakes in Minnesota, USA 无色透明(58.2%)、黑色(11.5%)、蓝色(8.7%) 纤维(78.8%)、薄膜(10.1%) 聚丙烯(18.9%)、聚乙烯(10.8%) [54]
urban lakes of
Dhaka, Bangladesh
<1 mm占90.09% 无色透明(50.00%)、黑色(20.45%)、蓝色(13.64%) 纤维(23%)、薄膜(28%) 聚乙烯(70%)、聚丙烯(10%) [55]
nine lakes across Patagonia 蓝色(42%)、黑色(37%) 纤维占主导(66.7%~96.4%) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(38.3%)、聚氨酯(11.8%) [56]
沉积物 four inland lakes in Minnesota, USA 无色透明(40.9%)、黑色(21.2%)、蓝色(12.1%) 纤维(84.8%)、薄膜(7.6%) 聚乙烯(15%)、聚丙烯(10%) [54]
urban lakes of
Dhaka, Bangladesh
<1 mm占89.58% 无色透明(39.58%)、黑色(20.14%)、白色(13.19%) 纤维(35%)、薄膜(34%) 聚乙烯(57.13%)、聚碳酸酯(14.28%) [55]
Vellayani Lake <1 mm占71% 白色(51%) 纤维(100%) 聚对苯二甲酸乙二醇酯(85%)、聚乙烯(15%) [31]
Phewa Lake <1 mm占70.65% 无色透明(26.37%)、白色(16.42%)、蓝色(13.43%) 纤维(78.11%)、碎片(9.95%) 聚丙烯(42.86%)、聚乙烯(23.81%)、聚苯乙烯(14.29%) [35]

2.3 湖泊和水库微塑料分布与经济指标的关系

微塑料已经成为人类活动对自然环境影响程度的一个指标[58]。研究表明,城市化和人口与微塑料污染水平密切相关[59]。因此,经济发展水平和经济结构的差异可能导致微塑料污染水平的地区差异。
图3显示,湖泊和水库环境中微塑料的总丰度与该地区的经济发展密切相关。水体微塑料总丰度分别与省级生产总值(r=0.71,p=0.002 8)和污水排放量(r=0.72,p=0.003 3)显著正相关,与人均生产总值(r=0.52,p=0.047)显著正相关。湖泊和水库沉积物中的微塑料丰度分别与人口(r=0.59,p=0.042)、污水排放量(r=0.63,p=0.028)和农业生产总值(r=0.24,p=0.024)显著正相关。这些结果表明,湖泊和水库环境中的微塑料丰度水平受农业、渔业、经济发展程度等人类活动强度影响,这些活动强度越大,微塑料污染水平也越高。
3 湖泊和水库水体(a)和沉积物(b)中微塑料丰度与经济指标间的相关系数

Correlation coefficients between microplastics abundance and economic indicators in lakes and reservoirs water (a) and sediment (b)

2.4 不同湖泊和水库微塑料污染情况及污染源分析

湖泊和水库中微塑料的丰度受多种因素的影响,人类活动是最重要的因素之一。微塑料的来源多种多样,就排放方式而言,可分为直接来源(直接排放到湖泊中)和间接来源(间接进入湖泊)[14]。直接来源包括渔业养殖、旅游活动等,间接来源指人类活动产生的微塑料废物通过地表径流、污水排放、大气沉降等途径进入湖泊。通常来说,经济发展程度通常与消费水平和工业化程度以及人口基数正相关,经济发展程度较高的地区通常有更多的消费和生产活动,也意味着有更多的塑料制品使用和废弃物产生,这些废弃物经过风化作用和雨水冲刷,通过地表径流进入湖泊和水库环境。生活废水排放是微塑料的重要来源,经过污水处理厂可以去除大部分的微塑料,但废水排放仍会向环境中释放相当数量的微塑料。此外,在污水处理的沉降过程中,大部分被去除的微塑料被保留在污泥中,而这些污泥中的微塑料在进入环境后可通过雨水径流等途径进入水系统中。农业活动也是湖泊和水库微塑料的重要来源之一,农业径流是将农田土壤中的微塑料运移到湖泊和水库中的重要途径。农田土壤中的微塑料主要来源于污水灌溉和薄膜及棚膜覆盖[60],农业活动越密集频繁,产生的微塑料污染物越多。不同地区的社会发展和经济结构存在一定差异,湖泊微塑料的主要来源也相应存在差异。
从地理空间上看,位于东部平原湖区的研究区主要集中在长江中下游地区,该地区经济发达且人口密集,受人类活动影响强度较大。一般来说,城市中心的湖泊微塑料丰度通常比郊区湖泊高。例如,对武汉城市湖泊群的研究表明,城市湖泊的微塑料丰度与市中心的距离负相关[61],对长沙城市湖泊的研究也得出了类似结论[62]。中国是淡水渔业发达的地区,渔业活动是长江中下游地区湖泊微塑料的一个主要来源,在拖网作业的渔业捕捞活动和淡水养殖过程中,渔具的老化破损会造成大量的塑料碎片进入湖泊环境中。研究表明,渔业捕捞活动是太湖、鄱阳湖等湖泊微塑料污染水平高的原因[39,43]。此外,当地居民在洞庭湖、太湖等长江中下游湖泊周围开垦了大量土地,也造成了一定的塑料污染[63],且该地区的大多数湖泊被开发为旅游景点,旅游业的发展也带来了更多的塑料污染。
青藏高原湖区是仅次于长江中下游地区的又一湖泊密集区,该区气候条件恶劣,大部分地区人烟稀少,受人类活动影响有限,但也无法避免微塑料污染。大气运输在该地区的微塑料沉积中起着重要作用。研究表明,风速随着海拔高度的增长呈指数增长,青藏高原常年受强风影响,有利于其他地区微塑料的运输及积累[64]。其次,旅游业是青藏高原微塑料的另一重要来源。研究表明,不断发展的旅游业带来了更多的塑料垃圾,游客对塑料垃圾的贡献高于当地居民[65]。这些塑料进入环境,破碎风化后成为该地区微塑料的重要来源。研究表明,青藏高原地区强烈的紫外线辐射可以加速这一过程[66]。此外,青藏高原地区常见的帐篷、经幡是该地区微塑料的特有来源。随时间推移,这些织物会在高紫外线强度下裂解成纤维聚合物,并散落到环境中[65]
本研究中分布在蒙新高原湖区的研究区主要是新疆玛纳斯河下游的几个水库以及内蒙古地区的部分高原湖泊,该湖区地处内陆,水资源较少,人口密度低,经济不发达。污水排放、工业活动、旅游活动以及塑料废物管理不善是该地区湖泊微塑料的主要来源[67-69]。位于云贵高原湖区的研究区较少,对草海、剑湖、滇池等湖泊的研究表明,污水排放、农业活动以及渔业活动是这些湖泊微塑料的主要来源[70-72]

3 结论与展望

从全国范围来看,湖泊和水库环境中微塑料污染水平较高且微塑料丰度的地区差异很大,水体中微塑料丰度变化范围为190~49 000 n/m3,沉积物中微塑料丰度变化范围为17.22~18 100 n/kg。
中国湖泊和水库环境中,粒径小于1 mm的微塑料占主体,且随着粒径的增大,微塑料的数量减小。无色透明的微塑料在湖泊和水库环境中占主导地位,纤维、碎片、薄膜是主要的微塑料类型,聚丙烯、聚氨酯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯是最常见的微塑料聚合物类型。
不同地区的局部发展水平和经济结构与微塑料的丰度密切相关,中国湖泊和水库环境微塑料丰度主要受人类活动影响,人类活动越频繁的地区,微塑料的丰度会更高。湖泊和水库环境中微塑料的来源多种多样,不同地区湖泊和水库微塑料的主要来源存在差异。
结合中国湖泊和水库微塑料的统计分析结果以及当前中国湖泊和水库微塑料现状,对未来开展的研究提出以下展望:
(1)目前,中国对湖泊微塑料的研究主要集中在其污染特征上,有关湖泊微塑料的来源识别、迁移转化过程、环境归趋和降解行为等方面的研究有限,应该进一步探究湖泊微塑料的来源和生命周期,深入认识微塑料在湖泊环境中的迁移转化规律。
(2)微塑料可以通过物理毒害、化学毒害等作用影响湖泊环境中生物的正常代谢,应加强对其在湖泊食物链中的迁移和转化情况研究,评估其对水源、水生物资源以及人类饮用水安全的潜在风险,以便为相关政策的制定提供参考。
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