《Nature》水体中的塑料污染：微塑料、微纤维和海洋雪的动态行为研究

研究背景

全球海洋和湖泊中微塑料的污染问题已经成为一个重要的环境挑战。每年有大量的微塑料进入水体，对生态系统产生影响。微塑料与海洋雪（marine snows）的相互作用，可能干扰生物泵（biological pump）的运作，这是全球碳循环和营养物质循环的关键组成部分。然而，对于微塑料如何影响海洋雪的沉积行为和生态影响的理解一直进展缓慢。

研究内容

本文讨论了一种新的数字方法，用于研究水体中微塑料、微纤维（microfibres）以及海洋雪的动态行为。研究的目的是提高对这些物质在水体中行为及其生态影响的认识，特别是它们如何影响海洋雪的沉积速率和生物可利用性。

研究方法

Parrella及其同事开发了一种实验室方法，通过创建含有不同类型微塑料的聚合体（flocs），并使用三维粒子跟踪测速仪（3D particle-tracking velocimetry）来捕捉沉降粒子的高分辨率图像。实验中，他们构建了一个透明的柱形容器，通过高功率激光照明，并使用立体摄像机拍摄了数千张沉降粒子的图像。通过从多个角度追踪单个聚合体的沉降行为，避免了追踪多个粒子或不寻常沉降模式的问题。

研究结果

研究结果表明，微塑料的尺寸、聚合物密度和形态对海洋雪的沉降动力学有显著影响。特别值得注意的发现包括：

粒子形状的不规则性是影响偏离斯托克斯定律（Stoke’s law）预测行为的关键参数。斯托克斯定律假设粒子形状均匀、球形，并未考虑形态或多孔性，这可能导致现有模型低估微塑料在水柱中的停留时间。

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）微纤维与海洋雪的聚合体显示出与斯托克斯定律预测的最大偏差。这可能受到PET表面化学性质和聚集材料粘性的影响。

微纤维的形态和多孔性导致了对粒子拖曳阻力的变化，这对于预测水生环境中微纤维的运输动力学至关重要。

此外，研究还强调了微纤维作为微塑料中最常见类型的重要性，它们在所有环境介质中的微塑料中占多数。研究指出，无论是天然来源（羊毛、棉花）还是人造来源的微纤维，都同样值得关注，因为它们对海洋生物和生物地球化学过程的潜在影响尚未明确。

结论

这项研究通过创新的实验方法，提供了对微塑料影响海洋雪沉降行为的深入理解。研究结果对于改进生态模型、预测微塑料在水体中的行为模式以及评估其对生态系统的潜在影响具有重要意义。此外，研究还强调了需要进一步研究微纤维与海洋雪的相互作用，以及它们如何影响碳循环和食物链。通过这种高容量的3D成像方法，可以更好地理解单个粒子的行为，并为未来的气候和环境政策提供科学依据。

来源：Nature