중국 삼협저수지(Shire Gorges Reservoir)에 육상 미세플라스틱이 대량으로 매장됨

커뮤니케이션 지구 및 환경 4권, 기사 번호: 32(2023) 이 기사 인용

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수력 발전 댐은 강에서 바다로의 미세 플라스틱 이동에 영향을 미칩니다. 양쯔강은 바다에 플라스틱을 배출하는 대규모 공급원입니다. 여기에서는 2008년, 2015년, 2019년 및 2020년에 삼협댐 상류 및 하류에서 수집된 퇴적물 샘플에 대해 다양한 크기 비율에 걸쳐 미세 플라스틱 농도와 구성을 보고합니다. 우리는 시간이 지남에 따라 미세 플라스틱 풍부도가 점진적으로 증가하는 것을 발견했습니다. 댐 저수지 퇴적물에 작은 크기(<300μm)의 미세 플라스틱이 우선적으로 유지됩니다. 소형 미세플라스틱은 확인된 미세플라스틱의 약 44~90%를 차지하며, 주요 폴리머 유형인 모든 폴리에틸렌 입자의 82%를 차지합니다. 저수지 퇴적물의 총 플라스틱 질량 부하에 대한 우리의 추정에 따르면 삼협댐은 퇴적물에 8048 ± 7494톤/년의 미세 플라스틱을 보유하고 있으며 이는 바다로 유입되는 양쯔강 미세플라스틱 플럭스의 47 ± 44%에 해당합니다.

우리는 현재 지구 곳곳에 미세플라스틱이 존재하는 '플라스틱 시대'에 살고 있습니다1,2,3,4,5. 해양 환경은 높은 미세플라스틱 오염으로 인해 특히 우려되는 부분입니다6,7,8. 전 세계적으로 바다로 유입되는 플라스틱 양은 연간 약 천만 톤에 달하는 것으로 추산됩니다8,9. 육상 유입은 해양 미세플라스틱10의 주요 공급원으로, 해양으로 유입되는 전체 플라스틱 유입량의 64~90%를 차지합니다8,11,12. 수력 발전, 홍수 조절 및 운송을 위해 전 세계적으로 광범위한 댐이 건설되었으며, 그 결과 자유롭게 흐르는 전 세계 하천 시스템이 분열되었습니다13,14. 댐 상류에 형성되는 저수지는 유속을 감소시키고 수리학적 체류 시간을 증가시키며 매년 증가하는 퇴적물 양을 가두어 오염물질의 발자국을 변경합니다15,16. 댐 근처 저수지 표면수에 미세 플라스틱이 농축된 것은17 댐 건설이 바다로 유입되는 플라스틱 잔해와 바다에서 관찰되는 플라스틱 잔해 사이의 질량 불균형에 미치는 영향을 확인해야 할 긴급한 필요성을 확인시켜 줍니다1. 퇴적물에 매장된 미세플라스틱은 해양 및 육상 환경의 주요 플라스틱 흡수원입니다5,18,19. 댐은 유기 오염물질20, 중금속15, 질소 및 인21의 축적을 악화시키는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 댐이 퇴적 미세플라스틱에 미치는 영향은 거의 알려져 있지 않습니다.

현재까지 저수지의 미세플라스틱 오염에 대한 연구는 드물다19,22,23,24,25,26,27. 담수 미세플라스틱에 관한 기존 출판물 183개 중 35개만이 2021년 8월까지 저수지 지역의 미세플라스틱 오염을 보고했습니다125,26. 게다가 대부분의 이전 연구에서는 미세플라스틱의 크기와 폴리머 카테고리가 제대로 제한되지 않았습니다. 댐 차단으로 인한 미세플라스틱 부하 평가에는 상당한 불확실성이 존재하며 전 세계 미세플라스틱 질량 불균형에 대한 설명은 부적절합니다. 이는 부분적으로 작은 크기의 미세 플라스틱에 대한 부주의, 작은 샘플 크기, 크기와 폴리머 유형 간의 긴밀한 통합 부족 때문일 수 있습니다. 이전 기록에서는 강변 퇴적물에 작은 크기의 미세 플라스틱(여기서는 <300μm28,29,30,31로 정의됨)이 우선적으로 축적된다고 보고했습니다. 이처럼 저수지 퇴적물에서 증가하는 미세플라스틱 축적량은 댐이 선택적으로 다량의 작은 크기의 미세플라스틱을 가둘 수 있음을 시사합니다.

양쯔강은 세계에서 세 번째로 큰 강이자 전 세계적으로 해양 미세플라스틱이 가장 많이 유입되는 곳입니다10. 양쯔강을 따라 이창에 위치한 삼협댐(TGD)은 세계 최대 수력 발전 프로젝트입니다. 삼협저수지(TGR)의 초기 운영 단계부터 안정적인 운영 단계까지의 미세플라스틱 오염 데이터는 매우 귀중하여 아직까지 보고된 바가 없습니다. 여기에서는 다양한 물 저장 단계에서 미세플라스틱의 축적 선호도와 재구성 패턴을 결정하기 위해 2008년, 2015년, 2019년, 2020년에 4가지 샘플링 캠페인을 수행했습니다(보조 그림 1). 2020년 7월과 8월 동안 5개의 홍수 피크가 있는 유역 전체에 홍수가 TGD에서 배출되었습니다. 홍수로 인한 미세플라스틱 세척 및 재구성을 조사하기 위해 우리는 2019년과 202012년에 모든 크기와 폴리머 범주에 걸쳐 미세플라스틱 오염을 비교했습니다. 그런 다음 TGR에 있는 전체 미세플라스틱의 전체 질량 부하를 추정했습니다. 이러한 결과를 바탕으로 우리 연구는 해양으로의 미세플라스틱 플럭스를 조절하는 데 있어 댐의 주요 역할에 대한 새로운 통찰력을 제공합니다. 12년 동안의 데이터는 미세 플라스틱 조사에 매우 중요합니다.

300 μm size fraction in the upstream were only 5.7-fold the concentrations of the downstream records. As such, the negligence of small-sized microplastics would result in the gross underestimation of microplastic contamination./p> 10−100 > 300−1000 > 1000−5000 μm (Fig. 2b). The small-sized fraction was the most predominant and represented 55.1–78.1% of the recovered plastic debris. The predominance of small-sized fractions across different water-storage stages suggests that the burial of microplastics in sediments is a size-selective process. Processes that enhance microplastic density, such as biofilm colonisation5,40,41,42, high-density material bonding (e.g. suspended sediments43, natural organic matter44 and extracellular polymeric substances45), and aggregate formation46, are more prone to occur on smaller particles with higher specific surface areas47,48,49, and appear to be one explanation for the preferential accumulation of small-sized microplastics in sediments. Compared to the marine environment, such processes may be more prevalent in freshwater systems due to the lower water density of ~1 g∙cm−3, which promotes the settling of microplastics from the water column50. Moreover, the decreased flow velocity and enhanced hydraulic retention time in reservoirs can enhance the homogeneous and heterogeneous aggregation of microplastics and facilitate their vertical transport5,32, especially for smaller microplastics48,51,52,53. After sinking, these small-sized microplastic aggregates may remain negatively buoyant and hidden beneath the surface water49, while larger plastic debris are at higher risks of breaking down into smaller pieces and regaining buoyancy to migrate upwards due to the non-uniformity of fouling54. As such, our understanding of the trigger mechanism of particle size on the downward transport of microplastics is far from robust and requires further investigation./p>300 μm size fraction than sediments in 2015−2020 (Fig. 2b). We attributed this apparent mismatch in the size distribution in 2008 to the remaining litter along the water-level fluctuation zone caused by population migration. During the stable operating stage after 2010, the different water-storage stages had not yet significantly modified the size distribution of microplastics. Notably, we observed no significant changes in their size distribution, even after the massive flooding event, which is also supported by the minimally altered size distribution by catchment-wide flooding in northwest England12. Our long-term assessment of microplastic contamination over a spatially extensive transect in the TGR highlighted the continuously predominant occurrence of small-sized microplastics./p>

The size of all the recovered polymer groups ranged from 16 to 5000 μm (Supplementary Table 1). Approximately 81.6% of PE, 5.9% of PP, 10.8% of cellulose and 0.4% of PET were <300 μm (Fig. 3a and Supplementary Fig. 3). This suggests that previous negligence of small-sized microplastic measurements has led to gross underestimations in the abundance of most littered PE. With respect to the small-sized fractions, PE (68.4−91.2%) had a higher contribution compared to cellulose (4.3−24.9%) and PP (3.0−12.3%) (Fig. 3b). The predominance of PE in small-sized fractions at all our sampled locations during different years suggests that the size-selective entrapment by the dam was closely associated with polymer type. This is understandable, as different polymers possess diverse surficial properties (e.g. hydrophobicity and surface topography)57 and exhibit varied binding abilities with biological and abiotic materials42,43. Moreover, different polymers and their adsorbed organic matter may provide varied carbon sources (e.g. the recalcitrant C of the plastic itself2 and microbial biomass. Sci. Adv. 4, eaas9024 (2018)." href="/articles/s43247-023-00701-z#ref-CR58" id="ref-link-section-d129151454e927"58,59 and the unstable C, such as plastic-derived dissolved organic matter by initial photodegradation and adsorbed additives59,60,61), and their corresponding biofilm growth can differ. For example, biofilm formed on the surface of different microplastics had distinctive features and led to various density changes in microplastics42. Thus, the negligence of small-sized microplastics introduces serious uncertainties in the estimations of both overall and polymer-specific abundance and risks. Due to the small sample size, previous studies have rarely conducted integrated analyses of polymer types and particle sizes28. The polymer compositions of most previous records were limited to the >300 μm microplastics (Supplementary Table 3) and are therefore not directly comparable with our study. Therefore, investigations based on large sample sizes across all sizes and polymer categories are necessary to more accurately assess the size-based and polymer-specific microplastic contamination./p>300 μm sieve67,68. Thus, all-sized investigations are essential to eliminate the uncertainty in microplastic contamination measurements./p>15 m or between 5−15 m and impounding more than 3 m3) are currently in operation, which fragment the free flow of global rivers69. Thus, the focus should be placed on the microplastic burdens of global-scale reservoirs. Moreover, dam constructions alleviate the oceanic burden of microplastics and provide a potential opportunity for future oceanic plastic remediation. Also, the transformation of reservoir dispatching methods could enhance the possibility of regulating the flux of microplastics to the sea. Our data also revealed the selective entrapment phenomenon of small-sized microplastics in the reservoir bed. The significance of investigating microplastic contamination across all sizes and polymer categories has been suggested previously1,8. Our observations further stress the importance of integrated analyses of polymer types and particle sizes based on large sample sizes. With respect to smaller microplastics of <10 μm or even <1 μm, significant knowledge gaps on their abundance, fate, and risks highlight the need for critical investigations in the future./p>