陆地水系中微塑料的研究进展

2019-03-03王志鹏陈蕾

应用化工 2019年3期

王志鹏，陈蕾

(南京林业大学土木工程学院，江苏南京 210037)

近年来，微塑料(MP)已被认为是新型污染物。微塑料通常指的是尺寸小于5 mm的塑料，据报道，全球所有类型的环境中都发现微塑料：淡水、海水、高山甚至人迹罕至的两极地区[1]。按照形状MP可被分为碎片、微小颗粒、纤维和泡沫[2]。

水生动物可以摄取微塑料导致窒息或由于假性饱腹感而遭受饥饿。有毒添加剂从微塑料中浸出对生物体造成直接伤害。微塑料可以作为运输其他有毒化学品的载体，如多环芳烃(PAHs)、多溴联苯醚(PBDEs)和重金属等，被浮游生物摄取之后的毒性更大[3-4]。此外，微塑料的生物累计以及其向高级生物体内的转移已被证实[5-6]。

海洋中的微塑料被认为主要来自于陆地，据估计截至2015年全球已生产约63亿t塑料废物，内陆河流中的微塑料最终汇集入海洋[7]，因此陆地水系中的微塑料值得更多的研究，2018年越来越多学者对陆地河流中的微塑料进行了报道，但是相较于海洋中微塑料的研究，内陆水系中起步较晚，研究仍然较少。本文综述了陆地水系中微塑料的研究方法、研究污染现状，以及未来展望。

1 分析检测方法

1.1 采集

使用Neuston网收集地表水中的微塑料，在水面下0～30 cm拖行，视收集的微塑料量决定拖行的距离，网眼尺寸通常为112 μm[8]，地下水中的微塑料通常采集地下30 m的井水[9]。在河岸或湖畔随机选取若干边长为50 cm的正方形，采集沉积物中的微塑料[10]。

1.2 样品分离

样品处理的常见的分离方法为密度分离和过滤法，密度分离法是向沉积物中加入饱和的盐水，通常采用1.2 mg/cm3的NaCl溶液，对于密度较高的微塑料样本中可采用1.6 g/cm3的NaI和1.5 g/cm3的ZnCl2，提高分离效果。沉积物的密度一般为2.65 g/cm3，密度分离之后，微塑料浮游表面，回收率高于95%[11]。表层淡水系统中最常见的分离方法为过滤法，为提高实验的准确性，实验中将所有实验仪器用铂纸包裹，防止塑料仪器产生的微塑料对实验的影响，实验人员穿着100%纯棉的实验服，防止衣物中的纤维对准确度的影响，将溶液通过滤膜截留微塑料，通常滤膜的孔径为2 μm[12]。

1.3 检测

目检法是指科研人员直接利用高倍显微镜，观测微塑料，操作简单，由于操作人员的误差，常利用染色剂来辅助检测，但是目检法对于微塑料与其他无机材料的分离是必不可少的，尤其是在将样品中的微塑料与实验室中的微塑料分离中，Lee等认为没有目检法的辅助不能识别<1 mm的微塑料[13]。通过热解-气相液相质谱仪鉴定聚合物种类，其优点为操作简单、精度高，但是其每次运行仅可检测一个颗粒，因此不适合处理大样本[14]。拉曼光谱法常用来测定微塑料的组分，其工作原理是用单色激光波长照射样品，波长通常在500～800 nm之间，并将结果与已知的聚合物光谱库进行比较，以确定粒子的组成，但其检测结果受检测环境影响较大，且只能识别纳米级别的微塑料[15]。通过傅里叶变换-红外光谱分析法(FTIR)与显微镜结合检测微塑料，成本低廉[16]。

2 陆地水系中的微塑料

2.1 湖泊中的微塑料

太湖是中国五大湖泊之一，2015年sun等[17]调查了太湖流域的微塑料污染，结果显示，检测到的微塑料丰度为0.01×106～6.8×106个/km2，湖东南地区检测到最高含量的微塑料，是湖中心含量的6倍，纤维含量占比超过一半，最常见的微塑料成分为玻璃纸，太湖蛤体内检测到的微塑料量处于世界高污染水平，人口调查显示，湖东南地区的人口密度最大，太湖检测到的微塑料是目前全世界淡水湖中丰度最高的，是加拿大劳伦湖的上百倍[18]。太湖位于中国最发达的苏南地区，人口密度极高，加拿大人口密度远低于太湖流域，因此人类活动表现出很高的相关性。Maria等[19]调查了意大利阿尔卑斯山南部的亚高山湖泊：马焦雷湖、加尔达湖和伊塞奥湖。虽然为高山湖泊，但是这三个湖泊均位于该国人口密集、生产力高的地区，是农业、工业、渔业、饮用水的重要水源和著名的旅游景点，检测出的丰度6 700～93 000个/km2，我国太湖流域是其70倍。主要种类为聚乙烯(45%)、聚苯乙烯(18%)和聚丙烯(15%)，与Pietrelli等[20]报道的海洋中微塑料的成分占比相似。令人震惊的是我国高山湖泊青海湖的表面水中检测到的微塑料含量高达3 090～757 500个/km2[21]，远高于意大利人口稠密地区的高原湖泊水平，在青海湖中检测到微塑料高浓度地点均位于景点附近，同样揭示了人类活动的影响，我国青海湖处于人迹罕至的高寒地区，人口密集极地，旅游业带来的污染是主要原因，因此居民的生活习惯、景点的废弃物管理有待改善。同样的情况出现在了印度，2018年Sruthy等[22]首次报道了在印度Vembanad湖中发现了微塑料，其平均丰度为(252.80±25.76)个/m2，加拿大的Huron湖中的丰度仅为37.75个/m2[23]，PE、PS和PP是Vembanad湖最常见的微塑料，分析其来源，PE被广泛用于塑料袋，PS用于制作一次性物品，pp用于制作渔网，塑料垃圾的不当处理和人类捕鱼活动被认为是印度湖泊中的主要原因，发达地区的湖泊中检测出的微塑料，显著低于发展中国家(以中国和印度为例)，这主要是因为发达国家对于废物的管理更为严格。湖泊是封闭水系，造成微塑料的不断累积，调查研究显示，湖泊中的含量均高于同一地区的河流含量，尽管有的湖泊有支流，但滞留时间长，微塑料沉积湖底。

2.2 河流中的微塑料

河流最终汇入湖泊或者大海，研究表明通过河流汇入大海中的微塑料是海洋微塑料的重要来源[24]。在我国的长江流域表层水中检测到微塑料的丰度为500～10 200个/m3，远高于长江入海口海域(东海)检测出的微塑料含量(0.03～0.455个/m3)[25]，Peng等研究表明长江沉积物微塑料丰度20～340个/kg沉积物[26]，在中国的华南地区的北江的研究中显示沉积物中的微塑料丰度为(178±69)～(544±107)个/kg沉积物，高于长江流域检出量。EDS光谱显示附着在微塑料表面的金属不是微塑料固有的，吸附自水环境，ICP-MS分析显示微塑料中的金属有Ni、Cd、Pb、Cu、Zn和Ti[27]。在中国华北地区的黄河沉积物中检测到了(2 580±1 140)个/kg 沉积物，在黄河中检测出的微塑料主要是纤维状，在黄河沿岸，有风力发电站的水域微塑料含量低，这是因为其增加了水床剪力，扰乱沉积物，使微塑料向下游运输[28]。在英国的泰晤士河沉积物中检测到微塑料含量为(332±161)个/kg沉积物，和长江沉积物中数量相当[29]，在亚洲的其他区域，泰国河流和日本东京湾运河沉积物分别检测出100个/kg 沉积物和1 900个/kg沉积物，东京湾运河中微塑料的含量显著高于泰国河流，这是因为日本从20世纪50年代开始大量使用的PE和PP材料在河流的累积[30]。Kirsten调查了哥伦比亚河约1 735 km流域，检测结果显示水表面微塑料的丰度为2.54个/m3[31]，加拿大渥太华河表层水微塑料含量仅为1.35个/m3，而在我国长江入海口表层水检测到的丰度4 137.3±2 461.5[25]，远高于北美洲两条河的检出量，在英格兰西南部的塔马河口，检测出的微塑料仅为 0.028个/m3[32]。

3 污水厂出水

污水处理厂被认为是河流中微塑料的主要来源，尤其是在发达地区，废物管理严格，污水经过污水厂处理之后排放，不同的处理方式对于微塑料的去除效果各不相同[33]。Mintening等[34]考察了德国下萨克森州12个污水处理厂排放的污水中的MP，发现>500 μm MP的量为0～5×10个/m3，<500 μm MP为1×10～9×103个/m3。聚乙烯是两种尺寸类别中最常见的聚合物类型，合成纤维的数量范围为9×10～1×103/m3，据估计每个污水厂每年向环境中排放9×107～4×109MP颗微塑料。在三级处理厂之后额外安装增加过滤工艺，出水的MP排放减少了97%，由此可见，过滤对于微塑料去除效果显著。Li等[35]对中国28个污水处理厂的79个污泥样品进行了调查，样品的平均MP浓度为(22.7±12.1)×103个/kg干污泥，主要成分是纤维(63%)。东部地区的微塑料检出量高于中国西部，工业废水比例以及二级处理不同的脱水率均会影响MP丰度，据估计中国每年大约有1.56×1014个MP通过活性污泥进入水环境。Mintenig等[36]的研究中，污水厂采用常规物化处理，活性污泥法和BAF的混合工艺，考察了不同阶段对微塑料的去除效果，结果表明初期物化预阶段，废水中 97%微塑料被去除，活性污泥处理进一步降低7%～20%浓度，BAF工艺效果甚微。