Enfouissement important de microplastiques terrestres dans le réservoir des Trois Gorges, Chine

Communications Terre & Environnement volume 4, Numéro d'article : 32 (2023) Citer cet article

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Les barrages hydroélectriques ont un impact sur le transport des microplastiques des rivières vers l’océan. Le fleuve Yangtze est une importante source de plastique dans l’océan. Nous rapportons ici les concentrations et les compositions de microplastiques dans une gamme de fractions granulométriques pour des échantillons de sédiments collectés dans les tronçons supérieur et inférieur du barrage des Trois Gorges en 2008, 2015, 2019 et 2020. Nous constatons une augmentation progressive de l'abondance des microplastiques au fil du temps, avec rétention préférentielle de microplastiques de petite taille (<300 μm) dans les sédiments du réservoir du barrage. Les petits microplastiques représentaient entre environ 44 et 90 % des microplastiques identifiés et 82 % de toutes les particules de polyéthylène, qui constituaient le type de polymère dominant. Notre estimation de la charge massique totale de plastique dans les sédiments du réservoir suggère que le barrage des Trois Gorges retient jusqu'à 8 048 ± 7 494 tonnes an‒1 de microplastiques dans les sédiments, ce qui équivaut à 47 ± 44 % du flux microplastique du fleuve Yangtze vers l'océan.

Nous vivons actuellement à « l’ère du plastique » avec la présence omniprésente de microplastiques sur Terre1,2,3,4,5. L’environnement marin est particulièrement préoccupant en raison de sa forte contamination par les microplastiques6,7,8, l’apport mondial de plastique dans l’océan étant estimé à environ 10 millions de tonnes par an8,9. Les apports terrestres sont la principale source de microplastiques marins10, contribuant entre 64 et 90 % de l’apport total de plastique dans les océans8,11,12. De vastes barrages ont été construits dans le monde entier pour la production d’hydroélectricité, le contrôle des crues et la navigation, entraînant la fragmentation des systèmes fluviaux mondiaux à écoulement libre13,14. Les réservoirs qui se forment en amont des barrages diminuent la vitesse d'écoulement, augmentent le temps de séjour hydraulique, piègent des quantités croissantes de sédiments chaque année et modifient par la suite l'empreinte des polluants15,16. L’enrichissement en microplastiques des eaux de surface des réservoirs proches des barrages17 confirme l’urgence de déterminer l’impact de la construction de barrages sur le déséquilibre de masse entre les débris plastiques entrant dans l’océan et ceux observés dans l’océan1. L’enfouissement des microplastiques dans les sédiments constitue un puits de plastique majeur dans les environnements marins et terrestres5,18,19. On sait que les barrages exacerbent l’accumulation de polluants organiques20, de métaux lourds15, d’azote et de phosphore21. Cependant, l’effet des barrages sur les microplastiques sédimentaires est largement inconnu.

À ce jour, les recherches sur la contamination microplastique dans les réservoirs sont rares19,22,23,24,25,26,27. Seules 35 des 183 publications existantes sur les microplastiques d’eau douce faisaient état d’une contamination par des microplastiques dans la région du réservoir jusqu’en août 202125,26. En outre, les tailles et les catégories de polymères des microplastiques ne sont pas bien limitées dans la plupart des études précédentes. Des incertitudes substantielles existent dans les évaluations de la charge microplastique par interception de barrage et une explication du déséquilibre mondial de la masse des microplastiques est inadéquate. Cela peut être dû, en partie, à la négligence des microplastiques de petite taille, à la petite taille des échantillons et au manque d’intégration étroite entre les tailles et les types de polymères. Un précédent signalement a signalé l’accumulation préférentielle de microplastiques de petite taille (définis ici comme <300 μm28,29,30,31) dans les sédiments fluviaux28. Ainsi, les stocks croissants de microplastiques dans les sédiments des réservoirs suggèrent que les barrages peuvent piéger sélectivement de grandes quantités de microplastiques de petite taille.

Le fleuve Yangtze est le troisième plus grand fleuve du monde et le plus grand apport de microplastiques océaniques au monde10. Le barrage des Trois Gorges (TGD), situé à Yichang, le long du fleuve Yangtze, est le plus grand projet hydroélectrique au monde. Les données de contamination microplastique du Réservoir des Trois Gorges (TGR) depuis la phase d'exploitation initiale jusqu'à la phase d'exploitation stable sont très précieuses et n'ont pas encore été rapportées. Ici, nous avons effectué quatre campagnes d'échantillonnage en 2008, 2015, 2019 et 2020 pour déterminer les préférences d'accumulation et les modèles de réorganisation des microplastiques au cours de différentes étapes de stockage de l'eau (Fig. 1 supplémentaire). En juillet et août 2020, une crue à l’échelle du bassin versant avec cinq pics de crue a été déversée à partir du TGD. Pour étudier le rinçage et la réorganisation des microplastiques provoqués par les inondations, nous avons comparé la contamination microplastique de toutes tailles et catégories de polymères en 2019 et 202012. Nous avons ensuite estimé la charge massique globale de l'ensemble des microplastiques dans le TGR. Sur la base de ces résultats, notre étude apporte de nouveaux éclairages sur le rôle majeur des barrages dans la régulation des flux de microplastiques vers l’océan. Nos données sur une période de 12 ans sont d’une importance cruciale pour l’enquête sur les microplastiques.

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>