陆源微塑料向海大气输运路径及通量研究

　　初步估算显示，192个沿海国家在2010年向海洋中排放了0.48-1.27×107 t未管控塑料垃圾（Jambeck et al., 2015），其中，入海河流和沿海排放是上述陆源塑料垃圾和微塑料进入海洋的两个主要输入路径（Lebreton et al., 2017）。然而，海洋中塑料垃圾总估算量和陆源输入之间仍然存在巨大鸿沟Eriksen et al., 2014；van Sebille et al., 2015），这暗示着海洋中的微塑料污染极有可能还有其他尚未被发现的源汇过程。

　　有研究表明大气沉降对于海洋水体中溶解性黑碳的重要贡献，其通量将近占到河流输入的40%左右（Bao et al., 2017），因此大气输运极有可能是一条尚未被认知到的，但至关重要的微塑料潜在输入路径。前期研究中，研究人员计量了在陆地环境的大气微塑料沉降通量（Bergmann et al., 2019; Dris et al., 2016），并在更为偏远地区同样发现了大量的微塑料沉降（Allen et al., 2019）。据此，本研究推测大气输运是海洋表层水体微塑料潜在却极为重要的输入途径，是海洋微塑料污染的重要来源。然而，尽管已有研究已经考虑了大气沉降对陆地区域微塑料污染的重要意义，但目前大气微塑料向海输运过程及通量鲜有报道（图1）。据此，在近年来围绕大气微塑料源汇过程开展了调查研究，初步证实了大气沉降对于海洋表层水污染的重要贡献。主要研究涉及以下3个方面：

图1 大气环境中微塑料从陆地向海洋扩散的模式。黄色和蓝色箭头表示文献和本研究的聚焦的环节

1.我国典型沿海城市大气降尘微塑料分布特征

　　同步收集了我国5个典型沿海城市（沧州、连云港、舟山、厦门和海口）大气降尘样品，其采集站位基本涵盖了我国重要沿海省份（图2a）。研究区域采集站位大气微塑料沉降为23.04-67.54 n/(m2·d)，均值为44.15±18.84 n/(m2·d)。大气微塑料沉降通量峰值出现在浙江省舟山市（67.54±16.72 n/(m2·d)），而最低值出现在海南省海口市（23.04±13.64 n/(m2·d)）。此外，区域间大气微塑料沉降通量比对揭示出了其显著的空间异质性（Kruskal-Wallis检验，c2=10.21，df=4，P<0.05）（图2c）；大气微塑料沉降通量与采集区域年末常住人口（Pearson's correlation, P＞0.05）和城市面积（Pearson's correlation, P＞0.05）并无显著线型关系。本研究所获得的大气微塑料日沉降通量明显低于比利牛斯（Pyrenees）流域的观测值（365 n/(m2·d)）（Allen et al., 2019），但与相邻沿海城市观测数据在量级上相当（烟台、天津和大连）（74.8-244.9 n/(m2·d)）（田媛等, 2020）。

图2大气降尘采集站位地理位置（a）、对应样品中微塑料形状组成（b）及其沉降通量（c）。从上到下，图b中大气微塑料形态分布和图c中平均沉降通量对应图a中各个站位。

2.上海市低空大气总悬浮颗粒物微塑料空间分布特征

　　研究涉及站位如图3所示，各站位大气微塑料丰度均值范围在0.13-3.07 n/m3之间，丰度均值达到了1.42±1.42 n/m3（平均值±标准差）。研究区域近地表大气微塑料水平分布如图4a所示，其丰度峰值出现在人口更为密集的YN站位，而最低值出现在近海一侧的NH站位。与人口密集型超大型城市法国巴黎悬浮态大气微塑料含量中位数相比（0.9 n/m3）（Dris et al., 2017），上海市近地表空气中漂浮微塑料含量基本相当（0.93 n/m3）。此外，本研究还首次报道了垂向上大气微塑料分布特征，其丰度为0.92-1.45 n/m3，而均值为1.12 n/m3。从垂向空间分布来看（图4b），近地表（1.70 m）大气微塑料丰度高于中层（33 m，均值0.99 n/m3）和高层（80 m，均值0.92 n/m3）采样层，但并无显著差异（Kruskal-Wallis检验，c2=0.27，df=2，P＞0.05）。

图3研究区域大气微塑料采样站位布设。a: 采样站（LK、YN、PJ和NH）；b：LK站的实景照片；c：LK站的整体布局图（LK-1、LK-2和LK-3）。LK站采样点的高度分布（LK-1、LK-2和LK-3）。
图4上海大气悬浮态微塑料丰度水平分布（a）和垂直分布（b）。在图 5a 中，各站距离海岸线的距离是通过连接 LK 和 NH 站的投影线测量的。

3.东海及西太平洋低空大气微塑料分布特征

　　从2018年11月24日至2019年1月3日，冬季季风盛行时，在西太平洋通过走航的方式收集了海上低空大气颗粒物样品（图5），用于印证和揭示大气沉降对于海洋表层微塑料污染贡献。

图5研究中采样轨迹地理位置（a）和使用的采样装置（b）。红色虚线和黑色圆点分别表示航迹和大气样品采集的起点或终点。采样区域(ab、bc和cd)的划分是基于距离海岸线的一般距离，代表近岸（ab）、远洋（bc）和偏远（cd）区域。

　　距离大陆较近的边缘海区域（ab）海上大气微塑料丰度较高（均值：0.13±0.24 n/m3），而更偏远的菲律宾海盆区域（bc和cd区域）丰度最低（部分样品中未发现微塑料）(图6a)。各采样区（ab、bc和cd）的大气微塑料丰度差异显著（Kruskal-Wallis检验，c2=36.69，df=2，P=0.00＜0.01）。随着离陆地的距离增加，大气微塑料丰度呈显著下降的趋势，呈现出显著的陆源输入特征。

　　基于靠港期间短时间序列样品，发现日间大气微塑料丰度均值（0.45 n/m3）高于夜间（0.22 n/m3）（图6b），但并没有显著差异（Kruskal-Wallis检验，c2=0.92，df=1，P=0.34＞0.05）。该分析证实了其输运的持续性，而在盛行风向影响下内陆的微塑料会通过大气沉降持续向海洋环境输。

图6研究区域大气微塑料丰度的空间（a）分布和昼夜变化（b）。在图6b中，在2018年11月24日-25日开船前，收集了白天和夜间的近岸海上大气样品。饼图显示了每个样本区域或时期的相应微塑料形状组成。
参考文献：
Allen, S. et al., Atmospheric transport and deposition of microplastics in a remotemountain catchment. NAT GEOSCI 12 339 (2019).
Bao,H., Niggemann, J., Luo, L., Dittmar, T. & Kao, S., Aerosols as a source ofdissolved black carbon to the ocean. NAT COMMUN 8 510 (2017).
Bergmann, M. et al., White and wonderful? Microplastics prevail in snow from the Alps tothe Arctic. SCI ADV 5 x1157 (2019).
Dris, R., Gasperi, J., Saad, M., Mirande, C. & Tassin, B., Synthetic fibers inatmospheric fallout: A source of microplastics in the environment? MAR POLLUTBULL 104 290 (2016).
Dris, R. et al., A first overview of textile fibers, including microplastics, inindoor and outdoor environments. ENVIRON POLLUT 221 453 (2017).
Jambeck, J. R. et al., Plastic waste inputs from land into the ocean. SCIENCE 347 768(2015).
Lebreton, L. C. M. et al., River plastic emissions to the worlds oceans. NAT COMMUN 8(2017).
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Liu,K., Wang, X., Wei, N., Song, Z. & Li, D., Accurate quantification andtransport estimation of suspended atmospheric microplastics in megacities:Implications for human health. ENVIRON INT 132 105127 (2019).
Liu,K. et al., Consistent Transport of Terrestrial Microplastics to the Oceanthrough Atmosphere. ENVIRON SCI TECHNOL 53 10612 (2019).
Liu,K. et al., Global inventory of atmospheric fibrous microplastics input into the ocean: An implication from the indoor origin. J HAZARD MATER 400 123223 (2020).
van Sebille, E. et al., A global inventory of small floating plastic debris. ENVIRON RES LETT 10 124006 (2015).
田媛 et al., 环渤海海岸大气微塑料污染时空分布特征与表面形貌. 环境科学学报 40 1401 (2020).

作者介绍：

　　刘凯，2021年6月获得华东师范大学河口海岸科学研究院海洋科学博士学位，随后在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室从事博士后研究工作，主要从事海洋微塑料源汇过程及其生态环境效应方面研究。主持博士后面上项目，并获得上海市博士后日常经费资助；曾参与国家重点研发计划、UNESCO-IOC项目及国家自然基金项目。近年来，在国家重点研发计划、国家自然基金、华东师范大学“优博项目”和“未来学者培育计划”项目资助下，开展了大气微塑料陆海的输运过程及大洋微塑料沉降模式方面的工作。以第一（含并列）和通讯作者身份在国内外知名刊物Environ. Sci. Technol、Water. Res、Environ.Int、J. Hazard. Mater等上发表论文12篇，合作发表论文12篇；申请发明专利1项；参与英文译著1部；担任J. Hazard. Mater、Environ.Int、Environ. Pollut、Mar. Pollut. Bull、Arch. Environ. Con. Tox、Atmos. Pollut. Res、Sci. Reps、S/N Applied Science 和Microplastics and nanoplastics刊物审稿人。