📌 摘要
微塑料（MPs）作为新兴地下污染物，其在连通大型淡水湖泊的近岸含水层中的赋存状况与迁移潜力尚不明确。本研究利用激光直接红外（LDIR）光谱技术，对太湖周边近岸含水层中的微塑料进行了系统表征，并结合氡-222质量平衡模型，定量估算了微塑料经湖泊地下水排泄（LGD）向太湖输送的潜在通量。
十个浅层地下水样品中均检出微塑料，丰度范围为176至1526颗/升，均值为576.9±404.6颗/升。共鉴别出22种聚合物类型，以硅橡胶、氟橡胶（FKM）和氯化聚乙烯（CPE）为主，反映出生活、工业及旅游等多元复合来源。微塑料以粒径小于50微米的碎片状颗粒为主，这一粒径与形态组合有利于其在多孔介质中迁移。
在三种粒径依赖的迁移情景下，经LGD向湖泊输送的微塑料年负荷估算值，按数量计为1339±966至3560±2738万亿颗/年，按质量计为6.1±6.9至57.0±49.8吨/年。在20–50微米粒径区间内，经LGD输入的微塑料负荷与估算的河流年输入量处于同一数量级。尽管上述估算存在较大不确定性，研究结果揭示了湿润冲积平原中湖岸浅层地下水微塑料的广泛分布，并表明LGD可能是细颗粒微塑料向浅水湖泊输送的一条此前被忽视的重要途径，亟需将地下水与地表水的水力联系纳入未来塑料污染评估体系。
🧭 引言
微塑料已成为全球性污染物，在河流、湖泊、水库等地表淡水环境中已有大量研究记录，但其在地下水中的赋存、归趋与迁移规律至今仍认识不足。这一知识缺口尤为令人担忧，因为地下水是大陆最大的淡水储库，极易受到来自受污染土壤、垃圾填埋场及地表水体的微塑料输入。
目前，在喀斯特地貌、火山岛、冲积含水层及饮用水源地等多种水文地质环境中均已检出地下水微塑料，报道的丰度跨越数个数量级（0.48至6832颗/升），但在人口密集、人类活动强烈、地下水与湖泊水力联系紧密的湿润冲积平原地区，系统性研究仍十分匮乏。在此类环境中，湖泊地下水排泄（即地下水向湖泊的弥散性、持续性汇入）对湖泊水量平衡与水化学动态具有重要影响，可能是微塑料进入湖泊的一条被忽视的途径。
已有研究表明，微塑料可通过包气带垂向渗透进入浅层含水层，并随地下水流路径发生侧向迁移；粒径仅1–5微米的微塑料颗粒在浅层冲积含水层中的迁移性甚至超过部分保守性溶质，具备在含水层中长距离迁移的潜力。
太湖是中国第三大淡水湖，地处湿润、人口密集、高度工业化的长江三角洲冲积平原，是探究湖岸地下水微塑料赋存及其经LGD迁移的理想研究场所。太湖表层水、沉积物、水生生物及周边支流中均已广泛检出微塑料，其浅层含水层具有较强的渗透性，可接受来自周边地区显著的地下水补给，但其附近浅层含水层的微塑料赋存状况及其向湖泊的迁移潜力至今仍基本未被探明。
基于此，本研究旨在：系统表征太湖近岸地下水中微塑料的丰度、多样性与组成特征，识别其潜在来源；通过分析微塑料的粒径与形态等物理性质，评估其在地下环境中的迁移潜力；结合氡-222质量平衡模型与微塑料数据，定量估算经LGD向太湖输送的微塑料潜在通量。本研究将详细的聚合物表征与同位素示踪地下水通量估算相结合，为评估LGD作为微塑料向淡水湖泊输送途径提供了早期定量框架。
🧪 材料与方法
研究区域
太湖位于长江三角洲，是一个大型浅水淡水湖泊，湖面面积2338平方千米，平均水深1.9米，周边分布有多座大型城市，为近2000万人口提供重要的饮用水来源。太湖流域属典型亚热带季风气候，1981–2010年多年平均气温16.2摄氏度，年均降水量1122毫米，降水主要集中在5至9月。太湖盆地下伏第四系松散沉积物，厚度一般为50至300米，孔隙发育，渗透性较好。潜水含水层厚度约2至5米，地下水位埋深通常在地面以下1.0至3.0米，季节性波动可达1米。太湖盆地浅层地下水与地表水之间水力联系密切，盆地西南部大部分时间地下水位高于地表水位。
样品采集
在太湖湖岸约500米范围内，共采集10个地下水样品（G1–G10）和6个河水样品（R1–R6）用于微塑料分析。所有地下水样品及部分河水样品于2022年3月采集，其余河水样品于2022年7月采集。地下水样品取自太湖西岸、北岸及西山岛沿岸的大口径生活用井，这些区域此前已被确认为主要的地下水排泄区。采样前，使用潜水泵对水井抽水不少于30分钟，直至温度、pH值和总溶解固体（TDS）趋于稳定。每个采样点采集3份子样并合并为1升混合样，储存于棕色玻璃瓶中用于微塑料分析。
微塑料提取与分析
微塑料提取参照美国国家海洋和大气管理局（NOAA）标准方法，并经适当改良。样品经13微米不锈钢滤膜真空过滤后，用乙醇超声提取滤膜上的颗粒物，加入30%过氧化氢去除天然有机质，再经氯化锌溶液（密度1.7–1.8克/立方厘米）超声密度分离，最终将提取液浓缩至0.1毫升，滴至高反射率载片上，干燥后进行微塑料分析。
微塑料表征采用激光直接红外（LDIR）分析仪（安捷伦8700），可检测20至500微米范围内颗粒的数量、粒径及聚合物类型。每个颗粒均通过中红外光谱（975–1800波数）与聚合物标准谱库进行比对，匹配质量阈值设定为不低于0.70，天然蛋白质颗粒依据红外光谱特征予以排除。颗粒形态以长短轴比进行分类，分别为纤维状（长短轴比不大于0.3632）、丝状碎片（0.3632–0.5106）、碎片（0.5106–0.8011）、球形碎片（0.8011–0.8923）和球形（不小于0.8923），其中丝状碎片和球形碎片归并为碎片类以便与已有研究比较。
整个采样、处理及分析过程均执行严格的质量保证与质控程序。实验室空白（超纯水）中未检出微塑料；现场程序空白（每个空白约检出1.3±1.5颗细小微塑料颗粒）中未检出地下水样品中的主要聚合物类型，表明背景污染可忽略不计。
氡-222质量平衡模型与微塑料负荷估算
采用氡-222质量平衡模型估算太湖地下水排泄通量。模型将太湖视为控制体积，在稳态条件下，氡的来源包括地下水排泄、沉积物–水界面的扩散及镭-226衰变，氡的去除则主要由大气逸散和自身衰变决定。通过各源汇项平衡求得地下水来源的氡通量，再结合地下水端元氡活度，换算得到全湖积分的地下水排泄通量（66亿立方米/年）。经LGD向湖泊输送的微塑料负荷，通过将近岸地下水微塑料丰度与地下水排泄通量相乘计算得到，并在三种粒径依赖情景下分别估算。
📊 结果与讨论
地下水微塑料丰度与多样性
十个近岸地下水样品中均检出微塑料，各采样点丰度差异显著，范围为176至1526颗/升，均值为576.9±404.6颗/升，处于全球地下水微塑料报道值的高端区间。全球地下水微塑料均值通常在0.07至2103颗/升之间，多数研究报道值在1至100颗/升，本研究均值与迄今报道的全球第二高值（647颗/升）相当。本研究相对较高的微塑料丰度，至少部分归因于LDIR方法较低的检测下限（20微米）和更高的分析灵敏度，跨研究比较时需审慎解读。
近岸地下水微塑料多样性同样高于全球多数研究。各采样点的辛普森多样性指数介于0.38至0.90之间，均值为0.72，超过全球均值0.62（该值为高低多样性的分界阈值）。十个采样点共鉴别出22种聚合物类型，各点含6至17种，其中12种聚合物在5个或以上采样点检出，分布广泛。在检出的聚合物中，硅橡胶、氟橡胶和氯化聚乙烯丰度最高。尽管这三种聚合物在地下水研究中鲜有报道，但在污水处理厂出水和城市地表水中频繁检出，其在无锡市（太湖重要毗邻城市）附近河流中的检出进一步验证了本研究聚合物鉴定结果的可靠性。相比之下，聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯和聚苯乙烯等常见聚合物类型在地下水中丰度相对较低，但在太湖及周边河流地表水中更为普遍。
地下水微塑料分布的影响因素
通过对十个地下水采样点聚合物组成的主成分分析，发现七个采样点（G1、G3、G4、G5、G7、G8、G9）形成紧密聚类，以硅橡胶为主要聚合物（在四个采样点占比超过50%），这七个点均位于主要城市区下游10千米以内，表明生活污水可能是重要的微塑料来源，与无锡市污水处理厂出水中硅橡胶占主导地位的发现一致。
另外三个采样点（G2、G6、G10）则表现出明显不同的聚合物特征，反映出局地污染的差异性。G2以氯化聚乙烯（35.3%）和酚醛树脂（23.5%）为主，该点毗邻机械厂和热水器制造厂，提示工业来源；G6和G10聚合物组成相对均匀，无明显单一主导类型，两点分别位于湖滨公路旁的村委会院内和旅游资源丰富的西山岛，与交通、食品包装、旅宿服务等旅游相关活动的微塑料输入特征相符。
相关分析显示，微塑料丰度与氡-222活度之间存在显著正相关关系（相关系数为0.75，显著性水平0.01），支持地下水排泄强度与微塑料迁移之间的内在联系；与总溶解固体、溶解无机磷及氯离子浓度的相关性在统计上均不显著，提示稀释效应和工业废水来源并非控制微塑料分布的主要机制，相关结论仍需更大数据集和多季节采样加以验证。
微塑料物理特性与地下迁移潜力
十个近岸地下水采样点的微塑料粒径介于20至251微米之间，均值为42微米。粒径在20–30微米和30–50微米区间的微塑料分别占总丰度的35.2%和39.5%，合计达74.7%；粒径大于100微米的颗粒仅占6.5%。这与全球地下水以细小微塑料（小于50微米）为主的普遍规律一致。粒径大于100微米的颗粒更可能源自人类活动的直接输入（如随意丢弃、农业施用）或塑料废弃物，而非地下迁移所致，提示地下环境可能对微塑料发挥粒径选择性过滤作用，优先保留细小颗粒，较大颗粒则被截留于土壤或沉积物中。
微塑料形态以碎片状为主，占全部检出颗粒的76.3%，纤维状（13.4%）和球形（10.3%）次之。碎片状颗粒遍布各粒径等级和聚合物类型，表明大型塑料的环境风化与机械破碎可能是地下水微塑料的重要来源。总体而言，近岸地下水中微塑料以小粒径、碎片状颗粒为主，这类颗粒在多孔介质中的迁移性通常更强。室内柱实验表明，细小且形状不规则的微塑料可在渗流驱动下穿透砂质介质；野外示踪实验亦证实，极细微塑料（1–5微米）可在冲积含水层中迁移达200米以上。在太湖周边砂质、粉砂质的非固结浅层沉积物中，这一迁移过程尤为有利于微塑料经LGD输送至湖泊。
经LGD向太湖输送的微塑料潜在负荷
为量化经LGD向太湖输送的微塑料通量，研究设定了三种粒径依赖的迁移情景，分别对应粒径20–100微米、20–50微米和20–30微米，以反映不同的地下迁移保守性假设。太湖近岸浅层含水层孔隙喉道粒径分布宽泛（0.01至500微米），大于100微米的微塑料穿透孔隙网络的可能性极低，因此仅考虑不大于100微米的颗粒。
三种情景下，经LGD输送的微塑料年负荷估算结果如下：按数量计分别为3560±2738、2842±2195和1339±966万亿颗/年；按质量计分别为57.0±49.8、26.8±29.6和6.1±6.9吨/年。粒径对数量和质量负荷均有显著影响——20–50微米粒径区间主导数量估算，较大颗粒则因单颗质量较高而对质量估算贡献更大，这凸显了同时采用颗粒数量和质量指标评估LGD微塑料迁移潜力的重要性。
河流输送历来被认为是微塑料进入淡水湖泊的主要途径。以太湖五条主要入湖河流（R1–R5）2013–2022年的多年平均入湖水量为基础，估算河流微塑料年输入量约为2829±707万亿颗/年（按数量）和40.1±17.5吨/年（按质量）。在中等情景（20–50微米粒径）下，经LGD输送的微塑料负荷与河流输入量处于同一数量级；即便在最保守情景（小于30微米）下，LGD来源的颗粒数量仍相当于河流输入的近一半，质量贡献亦达15%。这表明地下水排泄可能是淡水湖泊微塑料输入的一条不可忽视的潜在途径。
本研究首次对大型淡水湖泊经LGD输送微塑料的潜力进行了定量评估。需要指出的是，上述估算存在相当的不确定性：地下水采样在空间和时间上均较为有限，将点位浓度外推至全盆地通量会引入较大误差；微塑料负荷主要依据粒径估算，聚合物密度、颗粒形态、老化程度及密度依赖的沉降等其他影响迁移的因素未能显式纳入；氡质量平衡模型采用稳态假设，可能对局部排泄异质性有所简化。未来研究应扩展多季节、空间代表性更强的采样，深化对含水层中微塑料迁移与滞留机制的认识，并结合水文模型与野外尺度实验，以更准确地量化地下水来源的微塑料通量，并将地下水途径纳入淡水塑料污染的综合评估与管理体系。
