基于CiteSpace的淡水环境微塑料研究现状及新兴趋势的可视化文献计量分析

曹玥祺，林 莉，潘 雄，董 磊

(1.长江科学院 流域水环境研究所，武汉 430010；
2.长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉 430010)

塑料相比其他材料，有质量轻、耐磨损、价格低、化学性能稳定等优点，被广泛应用于医疗、服装、工业等领域[1]。被使用过的塑料垃圾经过物理降解、光降解和生物降解作用进一步分解，其中颗粒粒径<5 mm的定义为微塑料[2]。微塑料可根据来源分为一级微塑料与二级微塑料两类[3]，一级微塑料主要存在于药品、化妆品和工厂排放的污水中，是直接排放的微小塑料颗粒[4]；
二级微塑料是从大块塑料碎片在海上和陆地上分解而来的小塑料块[2,5-6]。此外，根据其不同的特性，微塑料按形状特征可细分为碎片、颗粒、泡沫、纤维、薄膜[7-8]，或者按化学成分分为聚丙烯 (PP)、聚乙烯 (PE)、聚酰胺 (PA)、聚苯乙烯 (PS) 、聚氯乙烯 (PVC)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)[9]。

由于微塑料的广泛应用性及体积小、比表面积大等特征，它更容易吸附有机污染物、重金属以及环境中的其他物质[10-12]。它们还作为媒介连接生物与环境的交流，并且影响我们生活的环境[13]。微塑料广泛分布于海洋[14]、土壤和淡水中[15-16]，已被列为环境领域与生态科学领域的重大科学问题之一[17]。有研究预测，到2100年，海洋中将有2.5×107～1.3×108t(<5 mm)的微塑料漂浮[18]，将这些基于质量的数据转换成浓度单位，即浓度范围为9.6～48.8颗粒/m3，这是海洋环境中当前浓度的50倍[19]。微塑料颗粒很容易被外界力量带入水文系统和食物链[19]。据估计，海洋环境中70%～80%的微塑料是通过河流进入的[9]，但与海洋环境相比，湖泊、河流、水库等淡水环境中的微塑料没有得到全面的研究[20]，有关海洋生态系统微塑料的研究论文的发表量是淡水系统研究论文的5倍[21]。Yao等[22]以Web of Science为数据库，分析了淡水、海水微塑料研究之间的差距，对不同淡水来源和淡水生物进行研究，提出淡水微塑料研究未来面临的挑战与机遇。苏洁等[23]以Web of Science和中国知网(CNKI)为数据库对微塑料研究进行分析，认为微塑料污染物在海洋环境中的分布特征以及由此带来的生态污染是该领域的研究热点，微塑料对贝类生物的污染特征及复合效应和淡水环境微塑料污染是目前国际研究的新兴趋势。王磊[24]以Web of Science和中国知网(CNKI)为数据库得到海洋环境微塑料、微塑料监测、溯源及生物摄入累积是研究热点。

上述研究主要集中于对淡水环境与其他生态环境结合的微塑料综合分析，未涉及淡水环境微塑料领域单独的研究热点与趋势分析。为更深入地了解并总结国内、国际淡水环境中微塑料研究现状与趋势，应用文献计量学，结合CiteSpace软件进行可视化分析，揭示淡水微塑料研究的整体脉络，为研究人员提供参考和创新思路。在本研究中，通过对已识别记录的参考文献的数量、趋势、研究团队和引用频率进行对比和分析，基于关键词聚类等分析确定了微塑料的研究热点和未来趋势。

2.1 文献检索条件

外文文献来自于Web of Science (WOS)核心合集，中文文献来自于中国知网(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)，时间跨度均为2007年1月1日—2021年7月24日。

CNKI期刊数据库检索条件：主题=(“淡水微塑料”OR“湖泊微塑料”OR“水库微塑料”OR“河流微塑料”)；
为使分析结果更符合实际情况，排除与淡水环境和微塑料无关的文献，排除科普、会议论文、会议摘要和编辑资料的文献，最终搜索结果为161篇。

WOS核心合集数据库检索条件：TS=(“microplastic” OR “microplastics”), AND (“river” OR “lough” OR “lake” OR “freshwater” OR “reservoir”)，文献类型为article、review，语种选择英语，最终搜索结果为1 397篇。

2.2 分析方法

CiteSpace(5.7.R5版)用于分析文献年份、机构合作、关键词共性、关键词聚类、作者共性、机构合作及演进趋势，数据汇总分析在Microsoft Excel 2013中进行，相关图形用Origin 9.1软件绘制。

3.1 发文量分析

国内外有关淡水中微塑料的发文数量趋势如图1所示。在本文检索条件和数据库的约束下，国外收录最早的淡水微塑料核心文献为2013年的SuspendedMicroplasticsandBlackCarbonParticlesintheJadeSystem,SouthernNorthSea[25]，在此之前，Moore等[26]已发表名为WorkingOurWayUpstream:ASnapshotofLand-basedContributionsofPlasticandOtherTrashtoCoastalWatersandBeachesofSouthernCalifornia的会议论文，但不在Web of Science数据库内。国内第一篇相关论文为《淡水环境中微塑料的赋存、来源和生态毒理效应研究进展》[27]，发表于2017年，说明国内淡水微塑料研究起步较晚。总体来说，国内外相关发文量整体呈增长趋势，说明国内外对淡水微塑料的研究都予以较多关注。

图1 国内外发文量趋势Fig.1 Trends of the number of published papers inChina and abroad

3.2 关键词分析

在 CiteSpace软件中以“Keyword”为分析对象，生成高频关键词共现网络图谱，对关键词进行聚类，得到国内外研究热点与新兴研究趋势。

用CiteSpace生成的知网和Web of Science中淡水微塑料研究高频关键词共现图谱如图2所示，图中节点越大，其代表的关键词共现频次越高，节点的颜色越接近红色，表示关键词越新。节点与节点之间的连线越粗越明显则表示两者之间联系越密切。在图谱中，衡量节点在整个图谱网络结构中的一个重要指标是中介中心性，陈超美[28]认为该值超过0.1，即可认为该节点比较重要，在网络结构中起到桥梁作用。

图2 淡水微塑料研究关键词共现图Fig.2 Cooccurrence maps of keywords in freshwatermicroplastics research

淡水微塑料研究中高频关键词如表1所示。从表1可以看出，知网淡水微塑料共现频次最高的关键词是“微塑料”，其他关键词为“分布”“污染”“沉积物”“河流”等，共现频次较低，这些关键词研究不够深入，各个研究方向仍处于新兴阶段，研究前景广阔，可视为国内现阶段的研究热点。针对频率最高的关键词“微塑料”进行单独分析，得到关键词为“微塑料”与淡水环境相关的高被引文献，首先是丁剑楠等[27]在2017年从赋存、来源和生态毒理效应三个方面讨论了国内外淡水环境微塑料研究进展，表明淡水环境微塑料研究中赋存相关基础研究与数据积累十分匮乏，微塑料来源和污染途径国内外学者仍未达成共识，并且淡水环境中传统和新型污染物的种类和丰度都比海洋环境中高，但尚未开展新型污染物复合污染的研究。其次吴辰熙等[29]在2018年对我国淡水环境微塑料污染与流域管控策略进行研究时指出，现

表1 淡水微塑料研究高频关键词Table 1 High frequency keywords in freshwatermicroplastics research

有调查研究已充分说明我国淡水环境微塑料污染的普遍性和严重性，需加强管控、完善法规政策以降低微塑料不利生态风险，强化对淡水环境微塑料行为、生态效应和风险等问题的研究。刘沙沙等[30](2019年)研究微塑料的环境行为及生态毒性时指出微塑料可能损害淡水生物的生理功能并加剧重金属等污染物在生物体内的积累。

Web of Science关于淡水微塑料研究中共现频次最高的关键词是“microplastics”，其他高频关键词为“pollution”“marine environment”“sediment”“plastic debris”等。这说明淡水环境与海洋环境中的微塑料对比、微塑料及沉积物的污染和积累是国际上研究的热点。针对频率最高的关键词“microplastics”，分析得到关键词为“microplastics”的有关淡水微塑料的高被引文献，其中Eerkes-Medrano等[31]在2015年指出微塑料在淡水环境中的输移可能与在海洋系统中有相似之处，家庭及工业塑料制品裂解和破碎后成为淡水微塑料的主要来源，所以微塑料在河流和湖泊中往往非常丰富，并且不受监管。鉴于此，需提高对这些领域的理解水平并制定适当的政策和管理工具来解决这问题。Lebreton等[32]2017年对河流中的塑料排放到海洋环境进行了研究，发现每年河流到海洋的塑料排放量预计在1.15×106～2.41×106t之间，其中大部分来自亚洲河流，但是河流系统中塑料迁移的测量和模型都存在不确定性，也应制定更好的标准对淡水环境中的塑料进行监测。Eriksen等[33]2013年对劳伦森五大湖表层水体微塑料进行分析，认为其可能来源于人们日常消费的产品，并证实了对塑料碎片进行元素分析的重要性。

通过CiteSpace对关键词进行聚类分析，得到关键词聚类的网络图谱，如图3所示。聚类结果展示了淡水微塑料研究的具体研究热点，其中标签数字越小，聚类中包含的关键词越多，故选取包含关键词最多的聚类进行研究现状分析。

图3 淡水微塑料研究关键词聚类图Fig.3 Keyword clusters in freshwater microplasticsresearch

由图3(a)可知，国内更偏向于淡水环境微塑料的生态风险研究，张子琪等[34]在对中国水环境微塑料污染现状及其潜在生态风险进行研究时指出微塑料对淡水环境中水生生物的生存、成长与繁衍有威胁，其易吸附重金属等有毒物质的特性会造成复合污染；
除此之外，微塑料对人体具有潜在的生态威胁，会通过饮食、呼吸等途径进入人体。所以今后需加强淡水环境微塑料进入人体的途径及其危害的研究。但是，目前对于微塑料如何影响淡水生态系统功能还缺乏长期试验研究，实验室条件和现实环境研究之间也存在一定的差距。骆永明等[35]在研究环境中微塑料时也指出淡水环境中的鱼类、浮游动物、双壳类等生物群体内也会有微塑料积累并带来长期影响。国际上则对纳米塑料更感兴趣，Chae等[36]2017年在对淡水环境中微塑料和纳米塑料对水生生物的毒性研究中指出，微塑料和纳米塑料均可以更有效地将粘附的污染物转移到水生生物中，并对一些生物体的繁殖产生影响，毒性的大小取决于塑料的尺寸，而通常小尺寸的微塑料及纳米塑料由于其较大的比表面积和其他特性的影响会比大颗粒微塑料更易被生物体摄入而造成伤害，也就是说体积越小的塑料对生物体的毒性反而更大。总体来说，国际与国内关于淡水微塑料的研究方向较为一致，且在多领域发展。但由于国内的研究时间更短，各个热点研究还不够深入，处于新兴阶段，未来需要多关注国际上的研究以求更新、更快的发展。

在CiteSpace中突显词揭示了突然爆发的关键词及其突显历史和突显强度。突发历史较近的关键词可被视为新兴趋势，因为突显词的黑色部分意味着研究人员在某个时间段内对某个特定领域的研究兴趣急剧增加，同时灰色部分揭示某个时间该领域研究关注度较低。中国知网和Web of Science中排名前11的突显词如表2、表3所示。

表2 淡水微塑料研究领域排名前11的突显词(CNKI)Table 2 Top 11 highlighted keywords in the field offreshwater microplastics research (CNKI)

表3 淡水微塑料研究领域排名前11的突显词(WOS)Table 3 Top 11 highlighted keywords in the field offreshwater microplastics research(WOS)

在表2中，国内“生态风险”“重金属”和“水环境”是最近一年才爆发的关键词，正是当下的研究新兴热点。如俞海睿等[37]的研究表明水生环境中微塑料对共存有机污染物生物富集的作用尚存在分歧，水生生物对微塑料的摄入与积累对生物体和生态环境是有一定危害的。从表3可知，国际上最初对微塑料的研究集中在湖泊环境中，2013年开始，国外的研究内容开始不断丰富与扩展，涌现出“marine environment”“debris”“cleanser”“coastal water”等热门研究话题，2014年到2018年间热门研究话题是“persistent organic pollutant”。由此，国际上偏向于研究淡水环境及沿海水域微塑料的迁移与分布及其对海洋环境中微塑料含量的影响，或者是通过研究微塑料对淡水环境中水生生物和持久性有机污染物的影响与作用来揭示新兴趋势。如Naqash等[38]在研究淡水微塑料与生物群和重金属的相互作用时指出微塑料对重金属具有高亲和力，而重金属是有毒的且可以持续很长时间，所以吸附金属浓度的微塑料可能对水生生物构成更高风险，进一步进入食物链，间接危害人体健康。微塑料和铬的相互作用可能会降低鱼的捕食能力，微塑料与汞之间存在显著的相互作用，会抑制乙酰胆碱酯酶的活性。微塑料引起的毒性可能会根据颗粒的不同特性而有所不同，但对生物体的综合影响尚不成熟，有待进一步研究。因此，必须集中研究微塑料和其他污染物对淡水环境中不同生物的毒性相互作用。

3.3 作者与机构分析

3.3.1 作者分析

选取“Author”为分析对象，进行作者合作分析。图4(a)为国内作者合作共现图，由此可知国内作者团队内部合作紧密，但团队与团队之间的合作较少，这也间接表明国内关于淡水微塑料的研究不够成熟，目前处于新兴的发展阶段，故还没有达到团队与团队紧密合作的程度。

国际上，按发文量排在前三位的作者是Jun WANG(王俊)、Albert A Koelmans、Huahong SHI(施华宏)和Chenxi WU(吴辰熙)(并列)，其中排名最高的Jun WANG(王俊)和Albert A Koelmans的发文量均为18。值得注意的是，排名前三的4位作者中有3位是中国作者，说明国内有研究人员提前并专注于淡水微塑料的研究，且在国际上产生了一定影响力，例如Huahong SHI(施华宏)与国外作者有一定的合作与联系。图4(b)为国际上作者合作共现图，与国内作者合作不同的是，国外的团队与团队之间存在一定的合作，这也表明国外相关的研究比国内更成熟、更深入。

图4 淡水微塑料作者合作共现图Fig.4 Coperation network of authors in freshwatermicroplastics research

图5 淡水微塑料研究机构合作共现图Fig.5 Cooperation network of institutions in freshwatermicroplastics research

3.3.2 机构分析

选取“Institution”为分析对象，进行机构合作网络分析。图中节点的大小代表机构发表的论文数量，节点越大表示该机构发表的论文总数越多[39]。由图5(a)可知，国内机构之间合作并不是很紧密，只有华东师范大学河口海岸学国家重点实验室与多个机构有较为密切的合作，该机构的发文量在国内也最高，共有15篇，紧随其后的是河海大学相关研究机构，共发表论文14篇。

由图5(b)可知，各国之间的合作非常密切，其中中国与荷兰、加拿大和英国的交往较为频繁。网络地图可以提供有影响力的研究机构和潜在合作者的信息，可以帮助研究人员建立合作[36，40]。全球共有323家机构进行关于淡水微塑料的研究，所有机构中，中国的机构发文量最多，其中中国科学院以79篇位于第一，中国科学院大学以43篇位于第二，华东师范大学以38篇位于第三。除中国外，美国、德国发文数量最多。

4.1 结 论

本文针对淡水环境中的微塑料，应用文献计量学的可视化分析软件CiteSpace，对知网数据库和Web of Science核心合集的有关文献进行关键词共现、关键词聚类、作者合作共现和机构合作共现等分析，得出以下主要结论:

(1)近几年，关于淡水微塑料的研究所发表的论文数量国内与国际总体都呈上升趋势，特别最近两年上升幅度较大，说明淡水微塑料是一个新兴的、关注度较高的研究领域。从发文数量上看，国内外总体上呈上升趋势；
从机构合作上看，国内相较于国外缺少团队与团队之间的合作，间接说明国内淡水微塑料研究还不够成熟，研究时间、研究方向的成熟度不及国外，各个热点研究还不够深入，但目前正处于迅速发展阶段；
从研究机构的国家分布来看，淡水微塑料领域的研究主要集中在中国、美国和德国，说明这3个国家对于淡水环境中微塑料研究做出主要贡献。

(2)通过对文献的关键词进行共现分析、聚类分析，可知国内外关于淡水微塑料的研究方向大体上相似，不论是关于生态风险的讨论还是纳米塑料的研究都关注了微塑料对淡水系统环境及生物体的影响，其中微塑料在淡水环境中的分布与污染特征，以及微塑料对淡水环境的影响机制等都是国内外广泛关注的热门内容。研究表明微塑料易吸附重金属等有毒物质，并将这些污染物转移到环境及生物体中，对环境造成破坏，也对生物体的生存、成长与繁衍等方面产生影响。不仅如此，微塑料也会通过饮用水、呼吸等途径进入人体，对人体健康产生威胁。而我国淡水环境微塑料污染不仅具有普遍性和严重性的特点，同时缺少有力的监督管理。所以需提高对这些领域的知识水平并制定适当的政策法规来加强管控，从而降低微塑料对淡水生态系统的不利影响。除此之外，关于河流系统中微塑料的迁移与海洋环境中微塑料含量的关系与微塑料在淡水系统中的分布、迁移和生态毒性，国际上的研究者也具有较高的研究兴趣。

4.2 展 望

从综合关键词的共现分析与突显词分析可知，未来可以加强几个方面的研究：

(1)微塑料是淡水环境中重金属和有机污染物的载体，微塑料对这些共存的污染物的生物富集作用以及两者结合复合污染影响有待进一步研究。

(2)需要积极开展自然环境中微塑料的研究，并尽量缩小野外实验与实验室研究之间的差距。与此同时，微塑料会通过食物链、食物网进行转移和积累，而微塑料的生物积累对人类健康的影响尚未存在定论。

(3)纳米塑料相较于微塑料比表面积和生化活性更高，对淡水环境影响可能更大，现阶段对自然环境中纳米塑料的研究要少于对微塑料的研究，这可能是未来研究的热门与重点。

(4)微塑料尺寸大小会影响其在淡水环境中的生态毒性作用。但目前微塑料的下限没有明确定义，并且纳米塑料的尺寸范围也没有统一，建议在微、纳米塑料的尺寸界定方面进一步开展研究。

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