黄浦江潮滩沉积物中微塑料的分布

张宇恺, 樊 丽, 李竹珺, 夏银萍, 谢 帆

(上海第二工业大学 环境与材料工程学院,上海201209)

0 引言

微塑料(<5 mm) 作一种新型污染物近年来受到国内外广泛关注[1]。微塑料粒径小、数量多、分布广,微塑料进入环境后,经过物理化学作用,表面积增大,疏水性增强,可能将作为多种污染物、微生物及重金属的有效载体固定在土壤环境中,同时微塑料易于为生物所吞食,在食物链中积累,影响各级营养级土壤生物[2]。微塑料会在外力作用下进行迁移,其对物质循环及能量流动的影响近些年受到普遍关注。

沉积物中微塑料的分离提取十分重要,但是其装置及研究方法尚未标准化。目前,水面漂浮微塑料通常选用拖网式采样法;沉积物或土壤等固体样品中微塑料的分离主要采用目检法、消解法或者利用浮选液来实现密度分离的溶液浮选法,也有利用向悬浊液中通气的气浮分离法等。然而,以上方法尚存在一些问题,如回收率不稳定、步骤复杂、提取效率较低等。微塑料在形状、种类和组成等方面与样品中其他组分都有所差异,由于其来源广泛,分离收集的微塑料样品需要进一步做鉴定与表征,以确定塑料的成分和特征。表面形貌特征能为微塑料的辨别、划分及其在环境中吸附污染物质的过程研究提供重要参考价值,是微塑料研究的一项主要内容。

我国每年生产消耗大量的塑料,由于监管及环保意识的不足,塑料垃圾问题愈发严重,2015 年我国东海沿海各省海域监测结果发现,塑料垃圾分别占海滩垃圾和海洋漂浮垃圾的70%以上,其污染现状十分严重[3]。

黄浦江是上海的重要水道,流经了上海市人口最密集的区域,水上活动多, 将上海分成浦西和浦东,是兼有饮用水源、航运、排洪排涝、渔业、旅游等价值的多功能河流。黄浦江于5～10 月为洪季,11～4 月为枯季, 是长江汇入东海前的最后一条支流,并携带大量的废弃物进入东海。微塑料在河口强烈的水动力条件和自身粒径的影响下,通过絮凝、沉降等方式进入沉积环境[4],黄浦江入海口很可能是受微塑料污染严重的典型区域。本研究选择黄浦江沿流不同区域潮滩沉积物为研究对象,采集不同时期沉积物样品,通过浮选分离法分离其中的微塑料,并利用显微镜和红外光谱结合来表征微塑料,进而研究黄浦江微塑料的分布和成分特征,进一步探讨其微塑料分布来源,以了解黄浦江微塑料的污染现状。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

仪器: 烘箱(HASUC)、电子天平、电动搅拌器(MYP2011-100)、曝气装置、真空抽滤装置、恒温振荡器、蔡司显微镜(Carl Zeiss Discovery V8 Stereo microscope, 德国Zeiss 公司)、傅里叶红外光谱仪(FTIR,Thermo fisher Nicolet iN10)。

试剂:NaCl(分析纯)、30%过氧化氢(分析纯)。

1.2 沉积物样品采集

本研究选取了3 个黄浦江沉积物采样点,包括浦东新区前滩公园(121°28′01′′E, 31°34′08′′N)、滨江森林公园(121°31′035′′E,31°34′08′′N)、东塘路渡口(121°33′43′′E,31°19′04′′N),如图1 所示。在2019年4 月、5 月、7 月分别进行采样,浦东新区前滩公园为采样点1#,东塘路渡口为采样点2#,滨江森林公园采样点3#。每个采样点选取多个1 m×1 m 样方进行采样。采集表层2 cm 沉积物,装入自封袋后带回实验室,放置于清洁避光处,于室温下风干。

图1 黄浦江潮滩沉积物采样点Fig.1 The sampling points of the sediments of the Huangpu River tidal flat

1.3 沉积物中微塑料的分离

沉积物中微塑料的分离提取参考朱晓桐等人[5]研究中的浮选法,并在此基础上进行了改进,具体操作流程如下:

称取60 g 左右的污泥置于烧杯中,放入烘箱中70 ℃烘干至恒重,记录污泥干重。将饱和NaCl 溶液通过0.45µm 孔径的纤维滤膜过滤,并加入沉积物,沉积物干样与NaCl 溶液体积比为1:10。为了使微塑料尽可能从淤泥中分离出来,用电动搅拌器搅拌30 min 后放入曝气装置曝气2 h, 密封后放入恒温4 ℃的冰箱沉降36 h,收集含有微塑料的上层清液,对样品进行真空抽滤。抽滤后采用30%双氧水将滤膜上截留物冲入比色皿,振荡加热48 h 进行消解。消解后,再次抽滤比色皿中溶液,并将盛有样品的滤膜放入恒温60 ℃的烘箱中干燥。处理后的滤膜置于干净的培养皿中进行后续的微塑料检测。

1.4 微塑料的鉴定与微观特征分析方法

显微镜分析法[6]: 将含有微塑料的滤膜放在蔡司显微镜下观察其外观及表面特征,对疑似微塑料的样品进行拍摄并标记,放大倍数为4～10 倍,并用干净镊子将样品中疑似微塑料的成分挑拣出来。随后使用软件Image J 9.0 测量微塑料的尺寸,粒径大小采用微塑料的最长边。沉积物中微塑料丰度以“ind·kg-1(沉积物干重)”表示。

红外光谱分析法[7]: 选取疑似微塑料的样品进行红外分析,对非片状的微塑料先进行压片,置于FTIR 中测定样品的红外光谱图,并与电脑中的谱库进行比对,分析该疑似微塑料的组分以对其进行鉴定。比对过程中选择相似度为80%以上的物质作为鉴定结果。红外分析后结合显微镜照片对微塑料丰度和形状特征进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 黄浦江沉积物中微塑料的类型

通过显微镜观察发现采样区域内微塑料大致分为4 类:碎片类、薄膜类、纤维类和发泡类(见图2)。

显微镜下绝大多数微塑料表面粗糙不平,呈现分裂与孔隙。微塑料由于具有疏水性,从而会吸附沉积物中的多种污染物[5-6,8]。

对黄浦江3 个取样点4 种不同类型的微塑料占比进行了统计分析(见图3)。结果显示, 所有微塑料中碎片类占比最高,达52.2%,其次是发泡类占21.8%。碎片状微塑料主要来自于较坚硬塑料的分解,某些类型的清洁剂、化妆品和喷气清洁剂也是碎片状微塑料的来源[9], 且颗粒状微塑料的粒径一般比其他形貌的粒径小、密度高,其长距离迁移能力更强。与国内其他大多研究结果[10]不同的是,样品中薄膜类和纤维类相对含量较少,分别占13.2%和12.8%,薄膜类微塑料源于各种包装袋及大型塑料薄膜的部分分解,而纤维类微塑料主要来源于衣物的洗涤[11]。薄膜类与纤维类微塑料多为低密度材料如聚乙烯,更容易悬浮在水体中,这可能也是沉积物中含量较少的原因之一。取样点后滩公园与滨江森林公园的薄膜类微塑料占比高于东塘路渡口,可能是因为公园游客丢弃的食品包装袋与其他塑料制品进入黄浦江,而东塘路渡口附近分布的是一些工业园区。如图4 所示,对所有取样点黄浦江沉积物中不同颜色的微塑料占比进行统计分析,所有微塑料中透明微塑料最多,占比34.4%,其次是红色与蓝色,而透明塑料制品平时也最为常见。

图2 黄浦江潮滩沉积物中微塑料的类型Fig.2 The types of the microplastics in the sediments of the Huangpu River tidal flat

图3 黄浦江潮滩沉积物中不同类型微塑料占比Fig.3 The proportion of different types of microplastics in the sediments of the Huangpu River tidal flat

图4 不同颜色的微塑料占比Fig.4 The proportion of microplastics of different colors

2.2 沉积物中微塑料丰度

微塑料污染程度主要是通过其丰度指标来衡量[12]。经过对黄浦江不同区段微塑料的分离检测, 统计得到研究区域内微塑料的平均丰度为49.49 ind·kg-1, 从1# 采样点到入海口微塑料的丰度呈上升趋势, 其中滨江森林公园为微塑料丰度最大的点位,丰度为(74.22±15.2) ind·kg-1;后滩公园为微塑料丰度最小的点位, 丰度为(35.46±8.7)ind·kg-1(见图5)。对比不同形态微塑料的丰度,可以发现从1#～3#采样点入海口,碎片类的微塑料总体丰度有所下降,但发泡类与薄膜类的微塑料的总体丰度略有增加(见图6)。

2.3 微塑料粒径大小

采用Image J 9.0 软件测量微塑料尺寸,结果如图7 所示, 研究区域内的微塑料粒径大部分都在2 mm 以下(除纤维类),各采样点粒径< 1 mm 的微塑料占比最大(见图8)。

图5 黄浦江潮滩沉积物中微塑料丰度Fig.5 The abundance of microplastics in the sediments of the Huangpu River tidal flat

图6 黄浦江潮滩沉积物中不同类型微塑料丰度Fig.6 The abundance of different types of microplastics in the sediments of the Huangpu River tidal flat

图7 微塑料的粒径大小Fig.7 The particle size of microplastics

图8 不同尺寸的微塑料占比Fig.8 The proportion of microplastics of different sizes

2.4 微塑料的红外分析

对黄浦江潮滩沉积物检出的碎片类、发泡类、薄膜类和纤维类4 类微塑料进行红外光谱分析(见图9), 以确定各类型的微塑料组成。对比谱库中的标准图谱及峰值数据,鉴定出碎片类和纤维类的主要成分是聚乙烯,发泡类和薄膜类的主要成分是聚苯乙烯。聚乙烯与聚苯乙烯是工业常用的原材料,具有优良的耐低温、易塑性,被广泛应用于包装行业[9]。

图9 沉积物中4 种微塑料的红外光谱图Fig.9 The infrared spectra of four types of microplastics in sediments

2.5 不同采样点微塑料的来源分析

据报道[13],黄浦江面漂浮垃圾主要以塑料类、木制品类与金属类为主。后滩公园属于城市居民休闲娱乐区域,工业排放及生活垃圾较少,有工作人员定期检查清理维护河道, 因此该区域微塑料丰度较小。东塘路渡口段流域是一个连接浦东新区和杨浦区的轮渡码头,每日客流量较大,并且附近有上海新鸿工业园区与多个化工厂,该采样点的微塑料大多为碎片类。可能是海上作业和船舶运输带来的塑料污染, 如运输船只本身船体及其装置破损、装有工业原料的船只在海上运输过程中泄漏等导致的塑料污染。滨江森林公园段处于黄浦江的入海口,微塑料丰度最大,主要原因是本段流域处于内湾,水体交换程度低、污染物扩散能力差, 易于滞留污染物质。因此,环境中微塑料的组成及含量与周边环境和生活有很大影响,不仅受人口密度、工农业活动和污水处理厂等常见因素影响,还与复杂的水文环境有很大的关系。基于不同采样点微塑料的分析结果,流域开阔程度、雨水冲刷、陆源排污口和潮汐的共同作用是造成微塑料地域分布差异的主要原因。与国内对沿海滩沉积物、沙滩土壤中微塑料的相关研究数据进行对比,本研究中黄浦江潮滩微塑料污染处于中等偏下的程度,如表1 所示。

表1 全国沿海区域表层沉积物中微塑料分布情况Tab.1 Distribution of microplastics in surface sediments in coastal areas across the country

2.6 微塑料污染的风险

微塑料污染的危害不仅仅在于环境中长期的浓度累积效应,更在于其丰富的形态特征增加了生物摄食的生态风险。从图4 中可以看出,研究区域内有颜色的微塑料超过60%,而透明的微塑料也可能是有颜色的微塑料经过风化摩擦作用褪色形成的,有颜色的微塑料比透明的微塑料更容易被生物发现而误食,微塑料被生物摄入体内后,由于食入的微塑料替代了食物,也会引起生物的能量供应不足,影响其成长、存活和造成肠道损伤,微塑料分解时释放的有毒物质及其吸附的污染物会对生物个体及物种繁殖产生不同程度的影响。

不同微塑料成分具有不同程度的危害。塑料是以单体为原料,通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物, 在加工过程中常添加填料、增塑剂、色料等添加剂以增强塑料的化学性能,这些添加剂在紫外线、强光等条件下释放有毒物质,从而影响生态系统健康。春夏季是鱼类及各种生物的重要生长时期,长期不加治理的微塑料污染最终会影响水生生物的繁衍,阻碍沿海经济的发展,造成更大的损失。

3 结 论

本文研究了黄浦江下游表层沉积物中的微塑料分布情况, 其主要有4 种类型, 分别为碎片类(52.2%)、发泡类(21.8%)、薄膜类(13.2%)和纤维类(12.8%),其中碎片类占比最高;微塑料颜色丰富,蓝色、红色、透明微塑料居多;粒径范围多小于1 mm;研究区域微塑料的平均丰度为49.49 ind·kg-1,从采样点1# 到入海口微塑料的丰度呈上升趋势,污染处于中等偏下的程度。大部分微塑料表面粗糙、凹凸不平, 存在明显裂痕。微塑料主要源于陆源,微塑料的积聚受到降水、河流冲淤等环境因素影响较大,工业污染、交通运输、生活垃圾等也均对其有影响,上游污染物也可能在入海口等易堆积泥沙的区域累积。

为减少黄浦江沉积物的微塑料污染,必须要加强公众的环保意识,宣传推广垃圾分类等环保措施。微塑料污染的防治需通过减少塑料的使用和其向环境的排放。制定相关塑料生产使用的法律法规,依靠“限塑令”等法律手段来规定生产和引导人们的生活习惯,是控制环境中微塑料污染的有效举措。