张乐|李曦|李琦|沙海超|张颖|高新伟
中国西北大学城市与环境科学学院，西安，710127
摘要
随着对淡水生态系统中微塑料（MP）污染的关注日益增加，人们越来越需要了解其与水生群落结构之间的关联，尤其是在渭河流域，这种关联目前仍知之甚少。本研究系统地调查了该关键流域系统中微塑料的分布模式和生态相关性，发现水中的微塑料浓度为1500-5167个/立方米，沉积物中的微塑料浓度为480-2670个/千克。成分分析表明，以小型（<1005毫米）白色/透明纤维颗粒为主，这反映了其不同的来源特征。统计分析显示，微塑料的大小是预测群落变化的最强统计指标，其中<50微米和50-100微米大小的微塑料与群落变化的相关性最为显著，而形态和颜色特征则影响较小。偏最小二乘路径模型（PLS-PM）揭示了水生各组分之间的潜在传输路径：水中的微塑料与浮游动物群落的相关性更强，而沉积物中的微塑料与底栖动物群落的相关性更紧密。这些发现为了解河流生态系统中微塑料的大小依赖性关联和组分特异性统计关系提供了依据。
引言
塑料材料的广泛使用和生产量呈指数级增长，2021年达到了近4.75亿吨[1]。虽然塑料具有耐用性和化学稳定性，但这些特性也导致了其在环境中的持续积累，估计每年有1900-2300万吨微塑料进入水生生态系统[2]。微塑料（MPs）已成为特别令人担忧的污染物，它们主要通过两种途径进入淡水系统：一是个人护理产品和工业磨料中制造的微珠（初级微塑料）的直接排放；二是较大塑料碎片通过光氧化、机械磨损和生物过程的环境降解（次级微塑料）[3][4]。当代研究记录了微塑料在全球生态系统（包括淡水系统、海洋环境和陆地土壤）中的普遍存在[5][6][7]。淡水生态系统是微塑料污染的重要传输通道和积累区域，通过地表径流、废水排放和大气沉降物接收微塑料[8][9][10]。在中国河流网络中，微塑料的分布模式受到流域特征、人类活动和水动力条件的显著影响[11][12]。微塑料在水生系统中的垂直迁移受悬浮和沉积过程的控制，这对它们的空间分布和生态影响至关重要[13]。关键物理化学性质（如颗粒大小、密度、形态和表面特征）共同调节这些传输机制[14]。例如，较大颗粒（1-4毫米）的沉降速度取决于其大小，颗粒长度越大，沉降速度越快[15]。相比之下，较小颗粒的命运主要受水动力条件（如湍流扩散和平流）控制[16]。密度驱动的分层进一步决定了微塑料的分布：高密度颗粒或表面吸附污染物的颗粒倾向于在沉积物中积累，而低密度颗粒则保持悬浮或漂浮状态[17]。生物污损增加了复杂性，因为微生物定殖和生物膜的形成会提高颗粒密度，加速沉积过程[18]。此外，滤食性生物的摄入和随后的排泄会在水层间重新分配微塑料，形成生物介导的传输路径[14]。这种空间异质性的微塑料分布带来了多层次的生态风险：浮游生物面临更高的浮游微塑料暴露风险，而底栖群落则在沉积物中遇到更高的微塑料浓度。这种分区的污染会破坏物种相互作用和营养动态，最终改变生态系统结构和功能[19]。
微塑料在水生系统中产生多层次的生态影响，其效应受物理化学性质和环境动态的调节。对于微生物而言，微塑料的影响深受表面性质和聚合物类型的影响，这些因素共同影响微生物定殖、生物膜群落结构和生物地球化学循环过程[20][21]。相比之下，微塑料对水生生物的生物可利用性受颗粒特征的影响较大，因为较小（<1001毫米）的颗粒由于尺寸匹配性更容易被滤食性生物摄入，而有色颗粒则通过模仿天然猎物而具有更高的营养转移潜力[22]。摄入微塑料后，它们会通过内部磨损、营养吸收干扰和氧化损伤引发生理压力[23]，最终影响生物体的生长和繁殖[24][25]。这些个体层面的效应会放大，破坏种群动态和群落结构，同时通过改变沉积物基质、干扰营养循环和营养级联效应改变生态系统功能[21][26][27]。作为黄河最大的支流，渭河流域已被记录存在微塑料污染[28][29]，但其相关的生态后果仍不明确。鉴于该河流的重要生态意义和强烈的人为压力，这种影响在渭河流域可能尤为明显。微塑料传输机制与其生态效应之间的复杂相互作用强调了综合评估的必要性，以全面理解微塑料污染对不同生境组分（从水到沉积物）中生物群落的影响。
基于对微塑料传输动态及其在水生系统中多层次生态影响的现有理解，本研究旨在通过三个相互关联的研究目标对渭河流域的微塑料污染进行全面评估：（1）系统地描述不同环境组分（水和沉积物）中微塑料的空间分布模式；（2）定量分析人为活动与自然环境因素在控制微塑料分布和传输过程中的相对贡献；（3）分析微塑料对水生群落结构重组和生物多样性影响的尺寸依赖性效应。我们的研究将建立关于微塑料污染的关键基线数据，同时增进对微塑料与生态系统相互作用的理解。研究结果将为渭河流域制定有针对性的管理策略提供支持，并为全球类似淡水系统的生态风险评估提供可借鉴的框架。
研究区域描述
渭河的主河道位于北纬33.5-37.3度、东经104.0-110.3度之间，全长818公里，发源于定州市渭源县，最终流入渭南市潼关县的黄河。流域总面积为134,766平方公里。渭河流经关中平原，该地区是中国人口密集的区域。为了研究微塑料对渭河水中动物群落结构的影响，本研究……
微塑料的浓度和组成特征
本研究中，水中的微塑料浓度范围为1500至5167个/立方米，平均值为2960 ± 898个/立方米。沉积物中的微塑料含量范围为480至2670个/千克，平均值为1304 ± 633个/千克（图2A）。微塑料被分为五种大小（<50微米、50-100微米、100-500微米和>1000微米）、六种颜色（白色/透明、黑色、蓝色、红色、黄色和绿色）以及四种形态（纤维状、膜状、碎片状）。
微塑料的丰度、分布和迁移
作为黄河的支流，渭河的微塑料污染程度处于中等水平（表S6）。我们的数据表明：虽然水中的微塑料含量低于黄河干流的报告值，但沉积物中的浓度明显更高。这种差异可能归因于渭河较慢的流速，这有利于微塑料的沉降和积累[31][32]。从空间上看，我们观察到微塑料浓度随下游逐渐增加……结论
本研究阐明了渭河流域微塑料复杂的空间动态，揭示了微塑料大小分布与水生群落结构变化之间的显著关联。微塑料和水生群落在河流梯度上的不同空间聚集现象尤为明显，尤其是在颗粒与生物之间的大小选择性相互作用方面。此外，环境因素对水中微塑料丰度的影响大于人类活动的影响。
环境影响
微塑料污染对水生生态系统构成多尺度威胁。微塑料的物理化学异质性决定了它们的环境迁移性和生物可利用性，从而驱动水生群落的结构变化。本研究确立了颗粒大小是生态影响的主要决定因素，表明其在其他微塑料特性中的决定性作用。微塑料在垂直方向上的迁移导致了分区的暴露效应。作者贡献声明
李曦：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究、资金获取、概念构思。李琦：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。张乐：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、研究、数据分析、概念构思。高新伟：研究。沙海超：撰写 – 审稿与编辑。张颖：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42277414）、中国国家自然科学基金重点项目（项目编号42230513）和陕西省自然科学基金（项目编号2025JC-YBQN-371）的支持。
