Sepoltura sostanziale di microplastiche terrestri nel bacino idrico delle Tre Gole, in Cina

Comunicazioni Terra e Ambiente volume 4, numero articolo: 32 (2023) Citare questo articolo

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Le dighe idroelettriche incidono sul trasporto di microplastiche dai fiumi all’oceano. Il fiume Yangtze è una grande fonte di plastica nell’oceano. Qui riportiamo le concentrazioni e le composizioni di microplastica in una gamma di frazioni dimensionali per campioni di sedimenti raccolti nei tratti superiore e inferiore della diga delle Tre Gole nel 2008, 2015, 2019 e 2020. Troviamo un aumento graduale dell'abbondanza di microplastica nel tempo, con ritenzione preferenziale di microplastiche di piccole dimensioni (<300 μm) nei sedimenti del bacino della diga. Le piccole microplastiche rappresentano circa il 44-90% delle microplastiche identificate e l’82% di tutte le particelle di polietilene, che erano il tipo di polimero dominante. La nostra stima del carico di massa plastica totale nei sedimenti del serbatoio suggerisce che la diga delle Tre Gole trattiene fino a 8.048 ± 7.494 tonnellate di microplastiche all’anno per anno, che equivalgono al 47 ± 44% del flusso di microplastiche del fiume Yangtze verso l’oceano.

Attualmente viviamo nell'"epoca della plastica" con la presenza onnipresente di microplastiche sulla Terra1,2,3,4,5. L’ambiente marino è particolarmente preoccupante a causa dell’elevata contaminazione da microplastiche6,7,8, con l’immissione globale di plastica nell’oceano stimata in circa 10 milioni di tonnellate all’anno8,9. L’input terrestre è la principale fonte di microplastiche marine10, contribuendo tra il 64 e il 90% del totale di plastica immessa negli oceani8,11,12. In tutto il mondo sono state costruite estese dighe per la produzione di energia idroelettrica, il controllo delle inondazioni e la navigazione marittima, con conseguente frammentazione dei sistemi fluviali globali a flusso libero13,14. I serbatoi che si formano a monte delle dighe diminuiscono la velocità del flusso, aumentano il tempo di permanenza idraulica, intrappolano quantità annuali crescenti di sedimenti e di conseguenza alterano l'impronta degli inquinanti15,16. L’arricchimento di microplastiche nelle acque superficiali dei serbatoi in prossimità delle dighe17 conferma la pressante necessità di determinare l’impatto della costruzione di dighe sullo squilibrio di massa tra i detriti di plastica che entrano nell’oceano e quelli osservati nell’oceano1. Il seppellimento delle microplastiche nei sedimenti costituisce un importante deposito di plastica negli ambienti marini e terrestri5,18,19. È noto che le dighe aggravano l’accumulo di inquinanti organici20, metalli pesanti15, azoto e fosforo21. Tuttavia, l’effetto delle dighe sulle microplastiche sedimentarie è in gran parte sconosciuto.

Ad oggi, la ricerca sulla contaminazione da microplastica nei serbatoi è scarsa19,22,23,24,25,26,27. Solo 35 delle 183 pubblicazioni esistenti sulle microplastiche di acqua dolce hanno segnalato la contaminazione da microplastiche nella regione del bacino fino all’agosto 202125,26. Inoltre, nella maggior parte degli studi precedenti, le dimensioni e le categorie polimeriche delle microplastiche non erano ben limitate. Esistono sostanziali incertezze nelle valutazioni del carico microplastico mediante intercettazione della diga e una spiegazione per lo squilibrio di massa globale delle microplastiche è inadeguata. Ciò potrebbe essere dovuto, in parte, alla negligenza nei confronti delle microplastiche di piccole dimensioni, alle dimensioni ridotte dei campioni e alla mancanza di una stretta integrazione tra dimensioni e tipi di polimeri. Un precedente record ha segnalato l’accumulo preferenziale di microplastiche di piccole dimensioni (qui definite <300 μm28,29,30,31) nei sedimenti fluviali28. Pertanto, le crescenti scorte di microplastica nei sedimenti dei serbatoi suggeriscono che le dighe potrebbero intrappolare selettivamente grandi quantità di microplastiche di piccole dimensioni.

Il fiume Yangtze è il terzo fiume più grande del mondo e il maggiore apporto di microplastiche oceaniche a livello mondiale10. La diga delle Tre Gole (TGD), situata a Yichang lungo il fiume Yangtze, è il più grande progetto idroelettrico del mondo. I dati sulla contaminazione da microplastica del Three Gorges Reservoir (TGR) dalla fase operativa iniziale a quella operativa stabile sono molto preziosi e non sono stati ancora riportati. Qui, abbiamo effettuato quattro campagne di campionamento nel 2008, 2015, 2019 e 2020 per determinare la preferenza di accumulo e i modelli di riorganizzazione delle microplastiche durante le diverse fasi di stoccaggio dell'acqua (Figura 1 supplementare). Nei mesi di luglio e agosto 2020 dal TGD è stata scaricata un'inondazione a livello di bacino con cinque picchi di piena. Per studiare il lavaggio e la riorganizzazione della microplastica causati dalle inondazioni, abbiamo confrontato la contaminazione da microplastica di tutte le dimensioni e categorie di polimeri nel 2019 e nel 202012. Abbiamo quindi stimato il carico di massa complessivo dell’intera microplastica nel TGR. Sulla base di questi risultati, il nostro studio fornisce nuove informazioni sul ruolo principale delle dighe nella regolazione dei flussi di microplastica verso l’oceano. I nostri dati su un arco di tempo di 12 anni sono di cruciale importanza per l’indagine sulla microplastica.

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>