تاثیر ساختار مورفولوژیک بر حضور میکروپلاستیک در منطقه هایپریک رودخانه زیارت

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته دکتری مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

3 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

4 دانشیار گروه محیط‌زیست، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران

5 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، گرگان، ایران.

چکیده

سابقه و هدف: ناحیه هایپریک یک ناحیه اشباع بینابینی زیر بستر رودخانه و جداره‌های آن است که شامل بخشی از جریان رودخانه می‌شود که به داخل بستر نفوذ کرده است و کارکرد بسیار مهمی در اکولوژی جانداران دارد. در این ناحیه، قسمتی از جریان آب سطحی اکسیژن و مواد مغذی را به جانداران می‌رساند و پس از طی زمان معینی دوباره به آب سطحی باز می‌گردد. در رودخانه‌ها، میکروپلاستیک‌های کوچک و سبک وزن به پایین دست منتقل می‌شوند، اما اغلب در رسوبات بستر رودخانه نیز یافت می‌شوند که ماندگاری طولانی مدت را نشان می‌دهد. این مطالعه به بررسی توزیع و خصوصیات میکروپلاستیک در رسوب منطقه هایپریک رودخانه زیارت پرداخته است.
مواد و روش‌ها: این مطالعه به بررسی حضور میکروپلاستیک در رسوب منطقه هایپریک رودخانه زیارت پرداخته است. برای این منظور، نمونه‌برداری از منطقه هایپریک در سه ساختار مختلف مورفولوژیک (جزیره، کنده و پله-حوضچه) در فصل تابستان انجام و رسوبات این منطقه جهت بررسی وجود میکروپلاستیک به آزمایشگاه منتقل شد. نمونه‌برداری از سه نقطه در هر محل انجام گرفت. ذرات میکروپلاستیک از نظر اندازه در چهار دسته کمتر از 500 میکرومتر، بین 500 تا 1000 میکرومتر، 1000 تا 3000 میکرومتر و 3000 تا 5000 میکرومتر قرار گرفتند. اشکال میکروپلاستیک به فیبر، گلوله، رشته و قطعه تقسیم شدند. رنگ ذرات میکروپلاستیک نیز با توجه به رنگ سطح آنها ثبت شد. شناسایی نوع پلیمر با دستگاه FTIR انجام شد. با استفاده از روش آماری تحلیل واریانس چندمتغیره یک طرفه (MANOVA)، ارتباط بین میکروپلاستیک و ساختار بررسی شد.
یافته‌ها: نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که میکروپلاستیک در سه ساختار مورفولوژیکی شامل جزیره، کنده و پله-حوضچه وجود دارد. بیشترین فراوانی میکروپلاستیک برای ذرات با مقیاس (<1000 میکرومتر) است. میکروپلاستیک‌هایی به شکل رشته و فیبر بیشترین فراوانی را در این سه ساختار مورفولوژیکی دارند. رنگ‌ غالب مشاهده شده میکروپلاستیک‌ها در رسوبات شامل مشکی بود. نوع پلیمر ذرات نیز پلی اتیلن بوده است. بررسی آماری ارتباط بین میکروپلاستیک و ساختارهای مختلف مورفولوژیک نشان داد که تفاوت معناداری بین اندازه و شکل میکروپلاستیک و ساختارهای مورفولوژیک در رودخانه زیارت وجود ندارد.
نتیجه‌گیری: نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که میکروپلاستیک‌های کوچک‌تر از 1000 میکرومتر در مقیاس منافذ به طور بالقوه فراوان‌ترین کسر اندازه را در رسوبات رودخانه زیارت نشان می‌دهد. از آنجایی که بسیار بعید است که این مورد فقط برای رودخانه زیارت باشد، می‌توان نتیجه گرفت که اهمیت میکروپلاستیک‌ها با اندازه در مقیاس مختلف و پایین‌تر برای سایر سیستم‌های رودخانه نیز قابل توجه است. با توجه به تاثیر نوع طبقه‌بندی بر تحلیل نتایج، می‌توان انتظار داشت که با تحلیل نتایج در اندازه‌ تفکیک کوچک‌تر طبقات، حضور میکروپلاستیک‌ها در اندازه‌های با تفکیک کوچک‌تر در رسوبات بستر رودخانه به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. یکی از ویژگی‌های رودخانه زیارت در محل نمونه‌برداری پژوهش حاضر، نزدیکی محل نمونه‌برداری به تصفیه‌خانه می‌باشد. لذا در تجمع میکروپلاستیک‌های این محدوده که هم محل بازدید گردشگران و هم محل حضور تصفیه‌خانه است می‌توان نقش بیشتر را به تصفیه‌خانه نسبت داد. ضمن آن‌که حضور فیبر با فراوانی بالا در منطقه که منشا اصلی آن فاضلاب‌های خانگی است تاییدی بر این مدعا است.
واژه‌های کلیدی: منطقه هایپریک، میکروپلاستیک، جزیره، کنده، پله-حوضچه.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Impact of Morphological Structures on the Presence of Microplastics in the Hyporheic Zone of the Ziarat River

نویسندگان [English]

  • Nasim Shabani 1
  • Mehdi Meftah Halaghi 2
  • Amirahmad Dehghani 3
  • Hassan Rezaei 4
  • Mohammad Abdolhosseini 5
1 Ph.D. Graduate of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Professor, Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
4 Associate Prof., Dept. of Environmental Sciences, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran
5 Assistant Prof., Dept. of Water Engineering, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran.
چکیده [English]

Background and Objectives: The hyporheic zone is an interstitial saturated area located beneath the riverbed and its banks. This zone includes a part of the river flow that has infiltrated the bed and plays a very important function in the ecology of various organisms. In this region, surface water flow delivers oxygen and nutrients to the organisms, eventually returning to the surface water after a certain period. In rivers, small and lightweight microplastics are transported downstream; however, they are also frequently found in riverbed sediment, indicating long-term retention.
Materials and Methods: This study investigated the presence of microplastics in the sediment of the hyporheic zone of the Ziarat River. For this purpose, samples were collected from three distinct morphological structures (island, logjam, and step-pool) within the hyporheic area during the summer season. The sediments were then transported to the laboratory for analysis of microplastic presence. Sampling was conducted at three points in each location. Microplastic particles were categorized into four size ranges: less than 500 micrometers, 500 to 1000 micrometers, 1000 to 3000 micrometers, and 3000 to 5000 micrometers. The shapes of the microplastics were classified as fibers, pellets, lines, and fragments. The color of the microplastic particles was recorded based on the appearance of their surfaces. Polymer type identification was conducted using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The relationship between microplastics and their structural characteristics was examined through one-way multivariate analysis of variance (MANOVA).
Results: The results of this study indicate that microplastics exist in three morphological structures: Island, Logjam, and Step-Pool. The highest abundance of microplastics is found in particles measuring less than 1,000 micrometers. Among these three morphological structures, microplastics in the form of lines and fibers are the most prevalent. The predominant color observed for microplastics in sediments was black, and the polymer type of the particles was polyethylene. A statistical analysis of the relationship between microplastics and various morphological structures revealed no significant differences in size and shape between the microplastics and the morphological structures found in the Ziarat River.
Conclusion: The results indicate that microplastics smaller than 1,000 micrometers are likely the most abundant size fraction found in the sediments of the Ziarat River. Given that this phenomenon is unlikely to be exclusive to the Ziarat River, it can be inferred that the significance of microplastics of various smaller sizes is also considerable in other river systems. Considering the impact of classification methods on the analysis of results, a more detailed examination of smaller size categories is anticipated to reveal a significantly higher presence of microplastics in the riverbed sediments. One notable characteristic of the Ziarat River in the sampling area of the present study is its close proximity to the treatment facility. Consequently, the treatment plant is likely to play a significant role in the accumulation of microplastics in this region, which serves both as a tourist attraction and a wastewater treatment facility. Furthermore, the high abundance of fibers in the area, primarily originating from domestic wastewater, supports this assertion.

Keywords: Hyporheic Zone, Microplastic, Island, Logjams, Step-pool.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hyporheic Zone
  • Microplastic
  • Island
  • Logjams
  • Step-pool

مراجع

1.Woessner, W. W. (2017). Hyporheic zones. In Methods in Stream Ecology 1 (pp. 129-157). Academic Press.‏
2.Movahedi, N., Dehghani, A., Schmidt, N., Trauth, N., & Meftah Halaghi, M. (2020). Comparison of Hyporheic Exchanges in 2D and 3D Riffle-Pool, Journal of Civil Engineering, 52(8), 13.
3.Boulton, A. J., Findlay, S., Marmonier, P., Stanley, E. H., & Valett, H. M. (1998). The functional significance of the hyporheic zone in streams and rivers. Annual Review of Ecology and Systematics 29, 59-81.
4.Frei, S., Piehl, S., Gilfedder, B. S., Löder, M. G. J., Krutzke, J., Wilhelm, L., & Laforsch, C. (2019). Occurence of microplastics in the hyporheic zone of rivers. Scientific reports, 9(1), 1-11.
5.Alimohammadi, M., Nabizadeh Nodehi, R., Yunesian, M., Hashemi, S. Y., & Karimyan, K. (2017). A Review of Microplastics, Threat to the Environment and Human Health. 2nd International and 20th National Conference on Environmental Health and Sustainable Development. Yazd, Iran.
6.Arthur, C., Baker, J. E., & Bamford, H. A. (2009). Proceedings of the International Research Workshop on the Occurrence, Effects, and Fate of Microplastic Marine Debris, September 9-11, 2008, University of Washington Tacoma, Tacoma, WA, USA.
7.Kershaw, P. J., & Rochman, C. M. (2015). Sources, fate and effects of microplastics in the marine environment: part 2 of a global assessment. Reports and Studies-IMO/FAO/ Unesco-IOC/ WMO/ IAEA/UN/UNEP Joint Group of Experts on the Scientific Aspects of Marine Environmental Protection (GESAMP) Eng No. 93.
8.Crawford, C. B., & Quinn, B. (2016). Microplastic pollutants. Elsevier Limited.
9.Capozzi, F., Carotenuto, R., Giordano, S., & Spagnuolo, V. (2018). Evidence on the effectiveness of mosses for biomonitoring of microplastics in fresh water environment. Chemosphere, 205, 1-7.
10.Nam, S. H., Kim, S. A., Lee, T. Y., & An, Y. J. (2023). Understanding hazardous concentrations of microplastics in fresh water using non-traditional toxicity data. Journal of Hazardous Materials, 445, 130532.
11.Yang, L., Kang, S., Luo, X., & Wang, Z. (2024). Microplastics in drinking water: A review on methods, occurrence, sources, and potential risks assessment. Environmental Pollution, 123857.
12.Obbard, R. W., Sadri, S., Wong, Y. Q., Khitun, A. A., Baker, I., & Thompson, R. C. (2014). Global warming releases microplastic legacy frozen in Arctic Sea ice. Earth's Future, 2(6), 315-320.
13.Ganie, Z. A., Mandal, A., Arya, L., Sangeetha, T., Talib, M., & Darbha, G. K. (2024). Assessment and accumulation of microplastics in the Indian riverine systems: Risk assessment and implications of translocation across the water-to-fish continuum. Aquatic Toxicology, 272, 106944.
14.Duis, K., & Coors, A. (2016). Microplastics in the aquatic and terrestrial environment: sources (with a specific focus on personal care products), fate and effects. Environmental Sciences Europe, 28(1), 2.
15.Wagner, S., Klöckner, P., Stier, B., Römer, M., Seiwert, B., Reemtsma, T., & Schmidt, C. (2019). Relationship between discharge and river plastic concentrations in a rural and an urban catchment. Environmental Science & Technology, 53(17), 10082-10091.
16.Dichgans, F., Boos, J. P., Ahmadi, P., Frei, S., & Fleckenstein, J. H. (2023). Integrated numerical modeling to quantify transport and fate of microplastics in the hyporheic zone. Water Research, 243, 120349.
17.Bao, K., Jiang, H., Su, P., Lu, P., & Yan, Z. (2023). Vertical Profiles of Microplastics in the Hyporheic Zone Sediment: A Case Study in the Yangtze River, Nanjing Section. Sustainability, 15(10), 7895.
18.Poole, G. C., O’Daniel, S. J., Jones, K. L., Woessner, W. W., Bernhardt, E. S., Helton, A. M., Stanford, J. A., Boer, B. R., & Beechie, T. J. (2008). Hydrologic spiralling: the role of multiple interactive flow paths in stream ecosystems. River Research and Applications 24, 1018-1031.
19.Buss, S., Cal, Z., Cardenas, B., Fieckenstein, J., Hannah, D., Heppell, K., Hulme, P., Ibrahim, T., Kaeser, D., Krause, S., Lawier, D., Lerner, D., Mant, J., Malcolm, I., Old, G., Parkin, G., Pickup, R., Pinay, G., Porter, J., Rhodes, G., Richie, A., Riley, J., Robertson, A., Sear, D., Shields, B., Smith, J., Tellam, J., & Wood, P., (2009). The Hyporheic Handbook. A Handbook on the Groundwater-Surfacewater Interface and Hyportheic Zone for Environment Managers. Integrated Catchment Science Programme. Science report: SC050070. Environment Agency, Bristol.
20.Wondzell, S. M., & Gooseff, M. N. (2013). 9.13 Geomorphic controls on hyporheic exchange across scales: Watersheds to particles. Treatise on geomorphology, 203-218.
21.Millington, C. E., & Sear, D. A. (2007). Impacts of river restoration on small‐wood dynamics in a low‐gradient headwater stream. Earth Surface Processes and Landforms, 32(8), 1204-1218.
22.Doughty, M., Sawyer, A. H., Wohl, E., & Singha, K. (2020). Mapping increases in hyporheic exchange from channel-spanning logjams. Journal of Hydrology, 124931.
23.Singha, K., Doughty, M., McFadden, S., Hucks Sawyer, A., & Wohl, E. (2020). Mapping increases in hyporheic exchange from channel-spanning logjams. In EGU General Assembly Conference Abstracts (p. 1342).
24.Ren, J., Zhuang, T., Wang, D., & Dai, J. (2023). Water Flow and Heat Transport in the Hyporheic Zone of Island Riparian: A Field Experiment and Numerical Simulation. Journal of Coastal Research, 39(5), 848-861.
25.Coppock, R. L., Cole, M., Lindeque, P. K., Queirós, A. M., & Galloway, T. S. (2017). A small-scale, portable method for extracting microplastics from marine sediments. Environmental Pollution, 230, 829-837.
26.Nuelle, M. T., Dekiff, J. H., Remy, D., & Fries, E. (2014). A new analytical approach for monitoring microplastics
in marine sediments. Environmental Pollution, 184, 161-169.
27.Liebezeit, G., & Dubaish, F. (2012). Microplastics in beaches of the East Frisian islands Spiekeroog and Kachelotplate. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 89, 213-217.
28.Fries, E., Dekiff, J. H., Willmeyer, J., Nuelle, M. T., Ebert, M., & Remy, D. (2013). Identification of polymer types and additives in marine microplastic particles using pyrolysis-GC/MS and scanning electron microscopy. Environmental Science: Processes & Impacts, 15, 1949-1956.
29.Stolte, A., Forster, S., Gerdts, G., & Schubert, H. (2015). Microplastic concentrations in beach sediments along the German Baltic coast. Marine Pollution Bulletin, 99, 216-229.
30.Graca, B., Szewc, K., Zakrzewska, D., Dołęga, A., & Szczerbowska-Boruchowska, M. (2017). Sources and fate of microplastics in marine and beach sediments of the Southern Baltic Sea-a preliminary study. Environmental Science and Pollution Research, 24, 7650-7661.
31.Drummond, J. D., Nel, H. A., Packman, A. I., & Krause, S. (2020). Significance of hyporheic exchange for predicting microplastic fate in rivers. Environmental Science & Technology Letters, 7(10), 727-732.
32.Drummond, J. D., Schneidewind, U., Li, A., Hoellein, T. J., Krause, S., & Packman, A. I. (2022). Microplastic accumulation in riverbed sediment via hyporheic exchange from headwaters to mainstems. Science Advances, 8(2), eabi9305.
33.Rasta, M., Sattari, M., Taleshi, M. S., & Namin, J. I. (2020). Identification and distribution of microplastics in the sediments and surface waters of Anzali Wetland in the Southwest Caspian Sea, Northern Iran. Marine Pollution Bulletin, 160, 111541.
34.Ghanbari Tapeh, N., Fataei, E., Naji, N., Imani, A., & Nasehi, N. (2022). Determination of Frequency, Distribution and Composition of Microplastics in the Waters of Qarasu Ardabil River, Journal of Health, 13(2), 199-212.
35.Hernandez, E., Nowack, B., & Mitrano, D. M. (2017). Polyester textiles as a source of microplastics from households: a mechanistic study to understand microfiber release during washing. Environmental science & technology, 51(12), 7036-7046.
36.Yeganeh, F. M., Shakeri, A., Rastegari, M. M., & Lahijani, O. (2020). Investigating abundance and characteristics of microplastics as emerging pollutants in sediments of Taleqan dam and upstream river in Alborz province. Iranian Journal of Health and Environment, 13 (1), 65-76.
37.Eerkes-Medrano, D., Thompson, R. C., & Aldridge, D. C. (2015). Microplastics in freshwater systems: a review of the emerging threats, identification of knowledge gaps and prioritisation of research needs. Water research, 75, 63-82.
38.Horton, A. A., Svendsen, C., Williams, R. J., Spurgeon, D. J., & Lahive, E. (2017). Large microplastic particles in sediments of tributaries of the River Thames, UK–Abundance, sources and methods for effective quantification. Marine pollution bulletin, 114(1), 218-226.
39.Zhou, Q., Zhang, H., Fu, C., Zhou, Y., Dai, Z., Li, Y., & Luo, Y. (2018). The distribution and morphology of microplastics in coastal soils adjacent to the Bohai Sea and the Yellow Sea. Geoderma, 322, 201-208.
40.Bao, M., Xiang, X., Huang, J., Kong, L., Wu, J., & Cheng, S. (2023). Microplastics in the atmosphere and water bodies of coastal agglomerations: A mini-review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 20(3), 2466.
41.Cole, M., & Galloway, T. S. (2015). Ingestion of nano plastics and microplastics by Pacific oyster larvae. Environmental science & technology, 49(24), 14625-14632.
42.Avio, C. G., Gorbi, S., & Regoli, F. (2015). Experimental development of a new protocol for extraction and characterization of microplastics in fish tissues: first observations in commercial species from Adriatic Sea. Marine environmental research, 111, 18-26.
43.Arias-Andres, M., Kettner, M. T., Miki, T., & Grossart, H. P. (2018). Microplastics: New substrates for heterotrophic activity contribute to altering organic matter cycles in aquatic ecosystems. Science of the Total Environment, 635, 1152-1159.
مجله پژوهش‌های حفاظت آب و خاک
دوره 32، شماره 2
تیر 1404
صفحه 183-199

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار