南海永兴岛和东岛土壤中微塑料和卤代阻燃剂的分布特征

2022-07-22谢晨敏隆楚月黎大宁朱春友彭先芝孙毓鑫罗孝俊张黎麦碧娴

生态环境学报 2022年5期

谢晨敏，隆楚月，黎大宁，朱春友，彭先芝，孙毓鑫*，罗孝俊，张黎，麦碧娴

1. 中国科学院南海海洋研究所/中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室，广东广州 510220；2. 中国科学院广州地球化学研究所/有机地球化学国家重点实验室，广东广州 510640，3. 中国科学院大学，北京 100049

微塑料是指直径小于5 mm的塑料纤维、颗粒、薄膜和碎片（Thompson et al.，2004）。微塑料作为一种新型污染物，已在各种环境介质中被广泛检出（Machado et al.，2018）。土壤中的微塑料主要来自农业生产和污水灌溉中塑料农膜的使用、工业生产过程中的废气沉降、垃圾填埋场渗滤液渗漏以及生活污水的排放。据估计，每年有超过43万吨的微塑料进入土壤环境，对土壤生态环境产生潜在的威胁作用。微塑料可通过风和地表水等在土壤表层横向迁移进行扩散，也可以在土壤生物作用下纵向迁移（Nizzetto et al.，2016；杨杰等，2021）。微塑料具有体积小、比表面积大、疏水性强等特点，是持久性有机污染物和重金属的理想载体（汤庆峰等，2019）。添加在塑料中的卤代阻燃剂（Halogenated flame retardants，HFRs）也可能释放到环境中，微塑料和卤代阻燃剂都会对生物产生毒害作用。

HFRs因其价格低廉、稳定性好、与合成树脂材料的相容性好而被广泛应用于交通运输、建筑、电子电器、日用家具、室内装修等领域。常见的HFRs包括多溴联苯醚（PBDEs）、十溴二苯乙烷（DBDPE）、四溴双酚A（TBBPA）、六溴环十二烷（HBCD）、1, 2-二（2, 4, 6-三溴苯氧基）乙烷（BTBPE）、德克隆（DP）和氯化石蜡（CPs）。近年来，由于PBDEs、HBCD和短链氯化石蜡等HFRs在全球范围内逐渐被淘汰和禁用，市场对十溴二苯乙烷（DBDPE）、1, 2-二（2, 4, 6-三溴苯氧基）乙烷（BTBPE）和得克隆（DP）等替代品的需求迅速增加（Ezechiáš et al.，2014）。这些替代型 HFRs也可能具有持久性、生物累积性和毒性（Covaci et al.，2011）。

永兴岛和东岛地处中国南海的西沙群岛，岛上栖息着许多物种，有着丰富的自然资源，因此两岛屿的生态环境备受关注。永兴岛是西沙群岛陆地面积（3.16 km2）最大的岛屿，岛上常住人口约1000人，配置有完善的生产和生活设施。东岛位于永兴岛东南约50 km处，是西沙群岛中面积（1.7 km2）第二大岛。东岛上栖息着 40多种鸟类，常被称为“鸟岛”，有着中国最南端的红脚鲣鸟自然保护区。研究微塑料和HFRs在永兴岛和东岛的分布特征，有助于更好地了解中国南海海岛上物种栖息地的生态环境现状。目前已有关于南海水体、沉积物及海洋生物中微塑料（Zhu et al.，2019；Li et al.，2022）和 HFRs（Mai et al.，2005；Sun et al.，2013；Zhu et al.，2014）的分布特征的报道，而关于南海诸岛土壤中微塑料和HFRs的研究鲜有报道。本文以西沙群岛的永兴岛和东岛为研究区域，研究微塑料以及 PBDEs、BTBPE、DBDPE和DP等HFRs在两个海岛土壤中的分布特征，并探讨微塑料和HFRs在2个海岛的分布差异，研究结果可为评估海岛土壤中微塑料和 HFRs的生态风险提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

2018年8月和12月分别在南海永兴岛（n=8）和东岛（n=10）采集了8个和10个表层土壤样品（0—5 cm），采样区域如图1，样品采集后用锡纸包裹，放入冷冻箱立即运回实验室，在−20 ℃保存至前处理分析。

图1 采样区域Figure 1 Sample area

1.2 试剂

PBDEs混标8种（BDE 28、47、99、100、153、154、183 和 209），BDE 66、196、197、202、205、206、207和208等单标购置于美国Accustandard公司，内标（BDE 118、BDE 128、3-F-BDE 153）和回收率指示物（BDE 77、BDE 181和BDE 205）购置于美国Accustandard公司，回收率指示物13C12-BDE 209购于美国Cambridge Isotope Laboratories。

实验所使用的有机溶剂包括丙酮、二氯甲烷、正己烷均为色谱纯，购置于瑞典Oceanpak公司；硅藻土买自于广州化学试剂厂；铜粉购置于上海Macklin公司。

1.3 样品前处理

微塑料提取：土壤样品在40 ℃下干燥72 h，称取 20 g，加入 80 mL 0.05 mol·L−1FeSO4溶液和 20 mL 3% H2O2，去除土壤中的有机碳。将样品在70 ℃水浴加热30 min，再加入500 mL饱和NaCl溶液（1.2 g·L−1）进行密度分离，搅拌并静置过夜，浮选3次。采用直径为47 mm，孔径为1.2 μm的玻璃纤维膜（GF/C，Whatman，UK）对上清液进行真空抽滤，将过滤后含有微塑料的玻璃纤维膜转移至培养皿中，并用铝箔覆盖，进一步分析微塑料形态和聚合物组成。

卤代阻燃剂提取：土壤样品经冷冻干燥、研磨过筛，称取10 g土壤样品与硅藻土充分混匀，加入铜粉除硫，同时加入回收率指示物 BDE 77、BDE 181、BDE 205和13C12-BDE 209。以丙酮/正己烷为溶剂，在加速溶剂萃取仪中萃取，萃取液旋转浓缩至1 mL，用硅胶层析柱（从上到下依次为1 cm无水硫酸钠，8 cm酸性硅胶，8 cm中性硅胶）纯化，用30 mL正己烷/二氯甲烷混合溶剂（V/V=1/1）淋洗。洗脱液氮吹浓缩至近干，加入内标BDE 118，BDE 128和3-F-BDE 153，用正己烷定容到100 μL，待下一步分析。

1.4 仪器分析

微塑料采用立体显微镜（Olympus SZX10）鉴定，并使用数码相机（Olympus DP80）对滤膜上的微塑料进行拍照，以统计微塑料的数量、尺寸、形状和颜色。采用Image J（1.46r，National Institutes of Health）软件测量微塑料的尺寸。微塑料的形状可分为三类：纤维类、碎片类和薄膜状；颜色分为五类：透明、黑色、蓝色、黄色和红色。微塑料聚合物类型由傅里叶变换红外光谱仪（Thermo Scientific Nicolet iN10，U.S.A）进行鉴定。

卤代阻燃剂使用气相色谱-质谱联用仪（Agilent 7890GC-5975MS）进行测定，离子源为负化学电离源，反应气为高纯甲烷，载气为高纯氦气，柱流速为 1.5 mL·min−1，进样量为 1 μL，进样口温度、接口温度和离子源温度分别为280、280、150 ℃。BDE 28、47、66、99、100、153、154、183、syn-DP 和anti-DP采用DB-5 MS色谱柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilent Technologies）进行分离，升温程序为：110 ℃保持 1 min，以 8 ℃·min−1的速率升温至180 ℃，保持 15 min，再以 2 ℃·min−1的速率升至310 ℃，保持 10 min。BDE 196、197、202、203、206、207、208和209，DBDPE和BTBPE使用DB-5HT 色谱柱（15 m×0.25 mm×0.10 μm，Agilent Technologies，USA）分离，升温程序：110 ℃保持5 min，以 20 ℃·min−1的速率升温至 200 ℃保持 4.5 min，再以 10 ℃·min−1的速率升至 310 ℃，并保持15 min。syn-DP和anti-DP的扫描离子分别为m/z653.8和655.8，BDE 209的扫描离子为m/z486.7和487.7，13C12-BDE 209的扫描离子为m/z492.7和494.7，其它BDE单体、BTBPE和DBDPE扫描离子为m/z79和81。

1.5 质量控制与数据分析

在对土壤样品中微塑料和HFRs进行预处理的过程中，同时做程序空白。为了避免在实验过程中引入微塑料污染，饱和NaCl、H2O2和FeSO4溶液在使用之前均用 0.7 μm 玻璃纤维膜（GF/F，Whatman，UK）进行过滤。预实验确定土壤样品中微塑料的浮选次数为3次，经过3次浮选后的饱和NaCl溶液中几乎不含有微塑料。在程序空白中未检出微塑料。BDE 28、66、206、207、208和209等在程序空白中检出，其质量分数分别为0.47、4.76、10.6、11.5、9.64、21.0 ng·mL−1。样品中卤代阻燃剂经程序空白校正。HFRs的空白加标和基质加标（加标物质为：BDE 28、47、99、100、153、154、183、209和DBDPE）回收率范围分别为63.6%—113%和63.6%—126%，样品中4种回收率指示物BDE 77、181、205和13C12-BDE 209的回收率分别为93.2%±6.9%、93.8%±7.3%、119%±9.4%和81.4%±7.5%。土壤样品中微塑料丰度单位为items·kg−1，HFRs的质量分数以干质量表示，单位为ng·g−1。

数据分析和制图由SPSS 22.0、Origin Pro 2021等软件实现。统计分析数据经对数转化后，采用独立样本t检验分析两岛屿间微塑料丰度和HFRs质量分数的差异，显著性水平设置为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 永兴岛和东岛土壤中微塑料分布特征

微塑料在永兴岛土壤样品中都检测出，而在东岛E1和E2两个站点土壤样品中未检出。永兴岛和东岛土壤样品中微塑料平均丰度分别为(512±110)、(219±45) items·kg−1（图2），高于西沙甘泉岛和全富岛海滩上微塑料丰度 (101±87)items·kg−1（方周等，2021）。陆源输入是海洋环境中微塑料的主要来源，沿海旅游业和航运业导致大量的塑料产品和废弃物进入海洋或海滩中，这是加剧海洋环境中微塑料污染负荷的重要原因（邵媛媛等，2020）。永兴岛土壤中微塑料丰度显著高于东岛（P=0.035）。永兴岛常住人口有1000余人，而东岛无人居住。人为活动产生的塑料垃圾在自然条件下风化或被生物分解为微塑料是造成永兴岛土壤中含量相对较高的一个原因，而大气沉降可能是东岛土壤中微塑料的重要来源。

图2 永兴岛和东岛土壤中微塑料丰度Figure 2 Microplastics abundance in soils from Yongxing Island and East Island

永兴岛和东岛土壤中微塑料的尺寸分布大致相似（图3a），都以0.2—0.5 mm（31.7%和40.9%）为主，其次为 0.5—2 mm（25.6%和 18.2%）以及0.1—0.2 mm（22.0%和18.2%），永兴岛和东岛土壤中尺寸小于0.5 mm的微塑料占比均较高，分别为68.3%和72.7%。有研究表明，尺寸小于1 mm的微塑料能被蚯蚓摄食进入肠道内，尺寸越小，对蚯蚓产生的毒害作用越大（Rodriguez-Seijo et al.，2017）。小于0.05 mm的微塑料可以进入跳虫体内，更小尺寸的微塑料进入跳虫体内后可以阻碍跳虫运动（Kim et al.，2019），因此永兴岛和东岛土壤中高占比的小尺寸微塑料可能会对土壤生物的生长生存产生一定的影响。永兴岛和东岛土壤中检出了纤维状、碎片状和薄膜状微塑料（图3b），所占比例分别为78.0%和77.3%，19.5%和18.2%，2.4%和4.5%。球状微塑料在永兴岛和东岛土壤中均未检出，而球状微塑料常作为原料被添加在个人护理产品的生产中，因此球状微塑料常与工业生产排放有关（Wu et al.，2017；Zuo et al.，2020），表明永兴岛和东岛土壤中微塑料并非来自工业源的直接排放。永兴岛土壤中微塑料颜色以透明（68.3%）为主（图3c），其次依次为黄色（12.2%）、蓝色（9.8%）、黑色（7.3%）、红色（2.4%）。东岛土壤中微塑料颜色也以透明（58.8%）为主，其次为黑色（25.0%），蓝色（9.1%）和红色（9.1%）。与永兴岛土壤相比，东岛土壤中透明微塑料略有减少，且没有黄色微塑料检出。在人为污染源的附近，微塑料颜色更为丰富多样，但永兴岛和东岛上人为活动相对有限，且有颜色微塑料在紫外光照、风化和生物等作用下会逐渐褪去，变成透明或白色（Vidyasakar et al.，2018），这可能是永兴岛和东岛土壤中微塑料以透明为主的原因。

图3 永兴岛和东岛土壤中微塑料特征Figure 3 Characteristics of microplastics in soils from Yongxing Island and East Island

永兴岛土壤中微塑料的聚合物组成为（图3d）：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，32.9%）、聚丙烯（PP，31.7%）、聚乙烯-聚丙烯聚合物（PP & PE，22.0%）和聚乙烯（PE，13.4%）；东岛土壤中微塑料的聚合物类型为PET（65.9%）、PE（22.7%）、PP（6.8%）、PP& PE（2.3%）和PC（2.3%）。微塑料的颜色与聚合物组成之间没有显著相关性。永兴岛和东岛土壤中微塑料聚合物组成都以PET为主，其次为PP和PE。PET的熔点在 255 ℃左右，具有优秀的阻抗性和耐腐蚀性，使其可以在土壤中更稳定存在。PP与PE被大量生产，广泛用于包装、纺织品和渔具（Geyer et al.，2017；Cai et al.，2018），且PP和PE属于低密度微塑料，可通过粉尘扩散到大气中（Liu et al.，2019；刘鑫蓓等，2021），因此迁移和扩散范围相对更广。

2.2 永兴岛和东岛土壤中PBDEs分布特征

BDE 28、47、66、99、100、196、197、202、203、207、208和209等12种PBDEs单体在永兴岛和东岛所有土壤样品中均被检出，BDE 154在永兴岛和东岛土壤样品中都未检出，BDE 153、183和206仅在永兴岛土壤中检出，其检出率分别为 50%、12.5%和100%。在永兴岛和东岛土壤样品中PBDEs的质量分数变化范围为 5.36—417 ng·g−1和 1.64—3.02 ng·g−1，平均值为 (75.4±50.1) ng·g−1和(2.12±0.15) ng·g−1（表1）。永兴岛不同站点土壤中PBDEs分布呈现一定的空间差异性。靠近生活区（Y1、Y2和Y6）的PBDEs质量分数明显高于天然林（Y7和Y8），生活区人为活动频繁，且附近有新建房屋，建筑材料、油漆及机械燃料等可能会增加土壤中PBDEs污染。永兴岛土壤中PBDEs质量分数显著高于东岛（P<0.001），永兴岛作为三沙市市政府所在地，有相对完善的生产和生活配套设施，且岛上的常住人口多于东岛。永兴岛PBDEs污染可能源于岛上的生产生活释放到环境中，比如船舶的防污防腐涂料、港口以及居民的生活污水等。与永兴岛相比，东岛可以被认为是受人为活动干扰较少的岛屿。土壤中PBDEs质量分数与人口密度呈显著正相关关系（Li et al.，2016），进一步证实了我们的研究结果。

表1 永兴岛和东岛土壤中卤代阻燃剂质量分数Table 1 Concentrations of HFRs in soils from Yongxing Island and East Island ng·g−1

永兴岛和东岛土壤中 PBDEs同系物组成都以BDE 209为主（图4），所占比例分别为 78.3%和62.4%，BDE 209是商用十溴联苯醚的主要单体，也是目前全球使用量最大的 PBDEs。永兴岛土壤中PBDEs组成区分明显，主要以高溴代PBDEs为主，五溴和八溴PBDEs占比极少。有研究表明，BDE209在紫外线光照条件下会脱溴降解为低溴代PBDEs，如BDE 28、47、99、100和153等（Soderstrom et al.，2004），永兴岛土壤中检出的少量低溴 PBDEs极有可能来自高溴代 PBDEs的降解。与永兴岛相比，东岛土壤样品中低溴代占比普遍高于永兴岛。这可能与东岛上不可忽略的水鸟活动有关，以捕食鱼类为生的水鸟肌肉中检出的 PBDEs主要以五溴和八溴为主（Luo et al.，2009），在北美环嘴海鸥的血浆和粪便中大量检出 BDE 47、99和 209（Desjardins et al.，2019）。东岛上栖息的大量鸟类排出的粪便在土壤表层堆积，从而影响东岛土壤中PBDEs的组成。

图4 永兴岛和东岛土壤中PBDEs同系物组成Figure 4 PBDEs congener profiles in soils from Yongxing Island and East Island

2.3 永兴岛和东岛土壤中BTBPE和DBDPE的分布特征

BTBPE作为商用八溴联苯醚的替代品，主要用于热塑性塑料、热固性树脂、聚碳酸酯和涂料中（Covaci et al.，2011）。BTBPE仅在永兴岛Y2和Y8两个站点土壤中检出，其质量分数分别为 0.089 ng·g−1和 0.085 ng·g−1（表1）。东岛 10 个站点土壤中都没检出BTBPE。DBDPE作为十溴联苯醚的替代品，是目前使用量最大的新型溴系阻燃剂，被广泛添加于高抗冲聚苯乙烯、聚丙烯和纺织品中起阻燃性能（Kierkegaard et al.，2004）。DBDPE在永兴岛和东岛土壤中均有检出，其质量分数分别为0.71—15.6、0.18—0.36 ng·g−1。永兴岛土壤中DBDPE显著高于东岛（P<0.001），这与土壤中PBDEs的结果相似。土壤中 DBDPE质量分数与BDE 209质量分数呈显著正相关性（r2=0.93，P<0.001），表明岛屿土壤中DBDPE与BDE 209存在相似的污染来源或环境行为，在珠江三角洲和长江三角洲土壤中也发现 DBDPE质量分数与 BDE 209质量分数有显著的正相关关系（Chen et al.，2013；Zhu et al.，2013）。

2.4 永兴岛和东岛土壤中DP的分布特征

顺式（syn-）和反式（anti-）DP在永兴岛和东岛土壤中都被检测出。syn-DP、anti-DP、ΣDP在永兴岛土壤中的质量分数范围分别为 0.02—0.04、0.03—0.07、0.05—0.10 ng·g−1（表1）。syn-DP、anti-DP和 ΣDP在东岛土壤中的质量分数范围分别为0.024—0.055、0.035—0.084 和 0.059—0.136 ng·g−1。永兴岛土壤中 DP质量分数显著高于东岛（P=0.037），这与土壤中PBDEs和DBDPE的结果相似。土壤中 DP质量分数与 PBDEs（r2=0.62，P=0.006）和DBDPE（r2=0.58，P=0.012）质量分数呈显著正相关关系，这表明岛屿土壤中这三类卤代阻燃剂有相似的污染来源或环境行为。

anti-DP与ΣDP的比值（fanti）常被用来反映DP的组成特征，其计算方法为anti-DP除以syn-DP和anti-DP的质量分数之和。永兴岛和东岛土壤中fanti的变化范围为0.59—0.71和0.56—0.67，平均值分别为0.62±0.01和0.61±0.01（图5）。中国和北美工业品中fanti的变化范围为 0.65—0.79和0.65—0.80（Hoh et al.，2006；Tomy et al.，2007；Wang et al.，2010）。在本研究中，2个岛屿土壤样品中fanti的平均值都低于工业品，表明土壤样品中DP发生了选择性的环境行为。大气传输过程中anti-DP更易发生光解，syn-DP比anti-DP稳定，且syn-DP的辛醇-大气分配系数相对较低，更易与大气颗粒相结合（Fang et al.，2014）。在DP经大气传输到海岛的过程中，其组成发生了变化，从而导致2个岛屿土壤中选择性地赋存了syn-DP。