天津近岸海域微塑料分布特征及污染风险评价❋
2022-08-15吕浩然夏妍梦王秋莲
韩 龙， 吕浩然， 韩 彤， 夏妍梦， 王秋莲❋❋
(1.天津市生态环境监测中心， 天津 300191； 2.中国海洋大学， 山东 青岛 266100)
微塑料(Microplastics，MPs)为直径小于5 mm的塑料，其概念是由英国学者Thompson等在《科学》杂志上首次提出[1]。近年来塑料垃圾已成为影响海洋生态环境的新兴重大问题[2]，其中微塑料作为污染物的载体对海洋生态系统和人类的危害性可能比大块塑料垃圾危害更大，因此更受到全球广泛关注[3-6]。研究表明，微塑料在海洋环境中普遍存在[7]，大西洋[8]、太平洋[9]、印度洋[10]，乃至极地[11]均发现了微塑料，在近岸海域和沿岸河口的分布更为集中[7,12-14]，甚至在鱼类、虾类等生物体内也均发现了微塑料[15-16]。
中国海洋微塑料的研究起步较晚，直至最近十几年才逐步开展，近年发展迅速，对海洋微塑料分布、来源、毒理以及仪器分析等方面都有了较多研究[17-20]，在南海[21]、东海[22]、黄海[17,23]、渤海[17]海水及沉积物中也都发现微塑料，表明我国各海域也普遍存在微塑料。但对单个海域各介质中微塑料的系统调查及其关联性的研究还比较少，尤其是天津近岸海域位于渤海湾半封闭海域的最底部，生态系统脆弱，微塑料长期积累可能对海洋生态系统的稳定造成不利影响。因此本研究通过对天津近岸海域海水、海滩、鱼类体内微塑料数量、粒径、形态、颜色、成分的系统定性和定量分析，揭示天津近岸海域微塑料的分布规律和污染特征，评估其潜在的生态风险。
1 材料与方法
1.1 研究区域概况
天津近岸海域研究范围为天津行政管辖海域，位于渤海湾最西部，陆地毗邻天津市滨海新区，自然岸线153 km，面积约2 046 km2。在地理分布上对应滨海新区汉沽、塘沽、大港三个滨海工业产业基地，入海河流对应北塘口、大沽口、北排河口等主要河流入海口，人类活动频繁，入海水量丰沛。
1.2 样品采集
2019年9月在天津近岸海域的汉沽、塘沽、大港毗邻海域各设置1条垂直于湾底的断面(见图1，S1～S3)，每个断面设置3个采样站位，采用孔径为333 μm、网口面积为0.5 m2的标准Neuston采样网，以2～3 kn船速水平拖网10～15 min，通过拖网距离与网口面积得出采样体积，检测海水中的微塑料。在汉沽大神堂自然岸线所在海滩(潮上带)设置9个采样点位(见图1，T1～T9)，每个点位设置1 m2样方，随机选取3个1/16 m2样方采集表层5～10 cm沉积物，检测海滩沉积物中的微塑料。在汉沽大神堂附近码头(见图1,FP)获取体长相似的虾虎鱼20条，检测鱼类肠道内的微塑料。
图1 天津近岸海域微塑料采样站位示意图
1.3 样品处理
参照《海洋微塑料监测技术规程》的方法对样品进行处理。加入饱和氯化钠溶液对样品进行消解、浮选，加入30%过氧化氢溶液去除生物残体，将消解后的滤膜放在洁净的玻璃培养皿中自然风干，准备镜检。
1.4 分析鉴定
使用奥林巴斯体式显微镜进行观测，对整张滤膜上所有疑似微塑料的颗粒物进行扫描，鉴定形状、粒径、颜色，人工挑选后放置在清洁滤膜上并做好标记。利用布鲁克LUMOSⅡ型傅里叶显微红外光谱仪再次扫描，并对标记的颗粒物进行成分鉴定。
1.5 数据处理
利用excel 2010和ARCGIS 13.1进行数据处理和制图。
1.6 微塑料污染风险评估-污染负荷指数法
利用Tomlinson污染负荷指数法(Pollution Load Index)[24-25]对天津近岸海域海水微塑料的污染状况进行评估。该方法根据天津近岸海域各采样点位微塑料的污染状况与渤海类似研究进行比较，综合评估整个研究区域的污染水平。公示如下：
式中:CF为微塑料污染系数；C为微塑料在单个采样点的实测丰度；C0为微塑料丰度的参考值；PLI为单一采样点的微塑料污染负荷指数；n为采样点个数；PLIZ为天津近岸海域为某介质总的微塑料污染负荷指数。本研究以渤海海域相似调查方法的微塑料研究结果作为参考值，以《中国近岸海域环境状况公报》发布的2019年渤海中部海域调查结果[26]作为表层海水微塑料污染状况参考值，以2016年Yu等[27]学者对渤海沉积物的研究结果作为海滩微塑料污染状况参考值，以2017年Jabeen等[28]学者在中国近海鱼类的研究结果作为鱼类体内微塑料污染状况参考值。污染负荷指数评价标准如表1所示。
表1 微塑料污染负荷划分标准Table 1 Criteria for degrees of the pollution load of Microplastics
2 研究结果
2.1 表层水体中微塑料的分布
天津近岸海域表层水体中，共获取样品198个，其中139个为微塑料。各点位微塑料的丰度变化范围为0.006～0.043 pieces/m3，平均丰度为0.016 pieces/m3。各毗邻海域中，大港>汉沽>塘沽，各海域3个点位平均丰度分别为0.020、0.019和0.010 pieces/m3(见图2)。微塑料样品按形态特征分为4类，包括纤维状、碎片状、棒状、薄膜状，所占比例分别为68.3%、18.0%、10.8%、2.9%(见图3)。微塑料样品按颜色分为6类，包括蓝色、紫色、红色、透明、黑色、白色，所占比例分别为63.8%、4.3%、2.9%、7.9%、15.8%、0.7%(见图4)。微塑料粒径介于7～4 532 μm之间，按粒径长度可分为三类，即小于500 μm，500～1 000 μm，大于1 000 μm，三种粒径所占比例分别为52.5%、20.9%、26.6%(见图5)。使用傅里叶显微红外光谱仪对样品成分进行分析，结果显示，天津近岸海域表层海水微塑料化学组成包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚醛树脂(PF)、纤维素塑料(CE)、聚乙烯(PE)，分别占77.7%、12.2%、8.6%、1.4%(见图6)。
图2 表层海水中微塑料丰度
图3 表层海水中不同形态微塑料数量比例
图4 表层海水中不同颜色微塑料数量比例
图5 表层海水中不同粒径微塑料数量比例
图6 表层海水中不同成分微塑料数量比例
2.2 海滩沉积物中微塑料的分布
天津近岸海域海滩沉积物中，采集的27个样方共获取微塑料样品2 446个，各采样点位微塑料丰度变化范围为44.3～132.3 pieces/kg，平均丰度为90.6 pieces/kg。通过显微镜鉴定，微塑料样品按形态特征分为2类，包括纤维状和碎片状，所占比例分别为14.0%和86.0%。微塑料样品按颜色分为5类，包括红色、蓝色、白色、黑色、透明，所占比例分别为0.6%、35.7%、12.8%、11.9%、38.9%。微塑料粒径介于19～1 739 μm之间，其中小于500 μm、500～1 000 μm、大于1 000 μm的微塑料所占比例分别为72.0%、18.2%、9.8%。使用傅里叶显微红外光谱仪对样品成分进行分析，结果显示，天津近岸海域大神堂海滩沉积物中微塑料化学组成包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酰胺(PAM)、纤维素塑料(CE)，所占比例分别为9.9%、29.8%、51.6%、8.5%、0.2%(见图7)。
图7 海滩沉积物中不同类型微塑料数量比例
2.3 鱼类体内微塑料的分布
20条虾虎鱼肠道中共获取样品208个，其中177个为微塑料，检出数量范围为1～22 pieces/individual，微塑料平均含量为8.8 pieces/individual。通过显微镜鉴定，微塑料样品按形态特征分为2类，包括纤维状、薄膜状，所占比例分别为82.5%、17.5%。微塑料样品按颜色分为6类，包括红色、蓝色、黄色、白色、黑色、透明，所占比例分别为21.5%、59.3%、0.6%、7.9%、7.3%、3.4%。微塑料粒径介于430～8 240 μm之间，其中小于500 μm、500～1 000 μm、大于1 000 μm的微塑料所占比例分别为2.3%、32.2%、65.5%。使用傅里叶显微红外光谱仪对样品成分进行分析，结果显示，天津近岸海域虾虎鱼体内微塑料化学组成包括聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)、聚乙烯(PE)、纤维素塑料(CE)，比例分别占53.7%、39.5%、6.8%(见图8)。
图8 虾虎鱼肠道中不同类型微塑料数量比例
2.4 微塑料污染风险评价
通过污染负荷指数法进行微塑料污染风险评估，结果显示，表层海水各采样点位污染负荷指数PLI介于0.09～0.23之间，PLIZ=0.13，PLIZ<1，污染风险处于轻度污染水平，最高PLI值点位位于汉沽毗邻海域的S3点位，从各海域平均值来看，PLI塘沽
表2 天津近岸海域微塑料分布情况Table 2 Distribution of microplastics in Tianjin coastal waters
3 讨论
3.1 微塑料的分布特征
从微塑料在天津近岸海域的分布特征来看，表层海水微塑料平均丰度为0.016 pieces/m3低于渤海中部海区(0.082 pieces/m3)[26]，且汉沽和大港毗邻海域沿岸点位丰度也低于离岸较远点位，与刘涛等[29]对东海微塑料的部分调查结果相似，其发现离宁波较远的东海中部海域微塑料丰度高于其近岸海域点位。这说明尽管陆源输入(入海河口、入海排污口、海岸带人类活动)是海洋微塑料的主要来源[13,30-32]，往往河口丰度较高，但沿岸的丰度并不一定高于远海，微塑料会随着海水的运动而迁移，河流的推动和稀释作用也会影响微塑料的分布[33]。同时，天津近岸海域位于渤海湾“盆底”，形态是扇形(半圆形)，这也导致了沿岸点位可能仅受邻近的河流影响，而离岸较远点位和区域可能受多条河流共同影响，而且沿岸浅海存在较多的沉积物悬浮颗粒也会携带一部分微塑料下沉进入海底。同时，局部海域微塑料还可能会受河流与洋流、季风、潮汐等的相互作用，进行迁移，造成局部海域丰度高、局部海域丰度低[34]。
从数量上看，与国内外研究相比，天津近岸海域表层水体中的微塑料丰度与欧洲的葡萄牙近岸海域(0.02～0.36 pieces/m3)[35]相当，远低于美国旧金山湾(15～2 000 pieces/m2)[36]、加拿大西海岸((1 710±1 110) pieces/m3)[37]、新加坡近岸((0～200) pieces/m3)[38]和日本沿海((3.74±10.40) pieces/m3)[39]等发达国家近岸海域水平，略低于中国南海(0.15 pieces/m3)[39]、东海(0.25 pieces/m3)[26]、黄海(0.44 pieces/m3)[39]、渤海(0.82 pieces/m3)[40]四大海域中部海区的丰度水平，所以，天津近岸海域微塑料丰度与国内外其他海域相比，处于较低水平，污染负荷指数和污染风险也较低。
即便在相同区域，不同研究间也存在较大差异，主要来源于样品的采集和处理方法的差异，白璐等[41]对天津海域表层海水微塑料丰度的调查结果就远高于本研究，其采样方法为使用固定容积的不锈钢容器采集水样后过筛网，筛网最小孔径为125 μm，而本研究使用333 μm标准Neuston采样网拖网采集，一方面固定体积容器采样量往往少于拖网采集，而且通常会采集到更多的水-气界面微表层海水，另一方面筛网孔径不同对样品量的影响也较大。刘涛等[29]、Zhao等[42]在长江口的网采微塑料和水泵抽水采集微塑料研究结果也有相似的丰度差异，与本研究的结论一致。
海滩微塑料样品采自汉沽大神堂海滩，从数量上看，海滩沉积物中的微塑料丰度较小，总体上略低于Yu等[27]渤海兴城、笔架山等海岸的沉积物中微塑料丰度调查结果(127.9 pieces/kg)，也低于黄海近岸潮滩的微塑料丰度((163.2±151.3) pieces/kg)[43]，这可能与大神堂海滩为自然岸线下的淤泥质海滩，淤泥较深，人类活动较少有关。鱼类样品种类为虾虎鱼，其肠道中的微塑料丰度略高于Jabeen等[28]等对中国近岸绿鳍马面鲀的研究结果(7.2 pieces/individual)，远高于Digka等[44]对地中海鱼类的研究结果(1.5～1.9 pieces/individual)。这可能主要与不同鱼类的生活习性、摄食习惯及栖息地环境等有关，虾虎鱼生存于浅海环境，主要栖息于近岸潮间带、底质为泥沙或岩礁的浅海区，天津近岸潮滩为淤泥质，海水和沉积物中均检出一定数量的微塑料，对虾虎鱼体内微塑料均有一定贡献。同时，鱼类摄食经消化吸收后，会有一部分随粪便排出，所以，肠道中的微塑料含量与样品获取时鱼类处在摄食时段也有关。由于国内外有关渤海湾沉积物及鱼类体内微塑料分布的研究较少，而且各研究间的计量单位差异较大，因此多数研究可比性较差。
3.2 微塑料的来源和影响因素
陆源污水处理厂、河流及入海排污口是近岸海域微塑料来源之一[45]。从天津近岸海域各介质中检出的微塑料成分来看，表层海水微塑料主要成分包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚醛树脂(PF)、纤维素塑料(CE)和聚乙烯(PE)，在海滩沉积物中和虾虎鱼肠道内也检出了类似成分，说明三者间存在一定的交互关系，本研究与其他渤海近岸海域研究的主要成分相似[26,40-41]。PET俗称涤纶树脂，大量用作纤维，是化纤类的最大品种，常见的包括衣物、生活纺织品、渔网及捆扎材料等，非纤维类制品广泛应用于瓶类及薄膜类，常见的如饮料瓶、食品包装袋等。PF又称电木，主要用于制造各种塑料、涂料、胶粘剂及合成纤维等，常见的包括油漆、粘合剂、建筑用的隔热保温泡沫材料等。PE广泛应用于薄膜、管材、注射制品等，常见的包括塑料袋、电线包裹层、塑料容器及生活用品等。CE是由纤维素衍生物加入助剂后加工而成，常见制品包括汽车风档、文具、包装薄膜等。上述微塑料可由人类生活直接产生，例如衣物等生活纺织品洗涤后产生的次生微塑料随污水进入污水处理厂，污水处理厂出水可经由河流或入海排污口进入海洋，白濛雨等[46]在城市污水处理厂出水中检出了PET、PE、人造纤维等各种微塑料，陈宏伟等[47]在天津市入海排污口中检出了PET、PE、PC、PMMA等成分。同时，由于滨海新区工业发达、人口密集，各种海洋活动频繁，海边存在一些被丢弃塑料瓶、包装袋等经日晒、风化、海浪拍打腐蚀，破碎后形成微塑料，也是天津近岸海域微塑料来源[48]。
除上述成分外，在海滩沉积物中还检出了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酰胺(PAM)成分，与海水和虾虎鱼肠道中检出的略有不同。PMMA又称作亚克力或有机玻璃，常用作街头标志、道路及汽车照明灯罩、建筑墙壁护板材料等。PC工程塑料常见应用内包括建筑玻璃、标志牌、电子绝缘件、可重复使用储水瓶等。PAM在石油开采、污水处理、造纸、建筑业等广泛应用。可以看出，以上成分与建筑材料或道路交通有着直接或间接关系，而沉积物样品所在大神堂海滩附近的大神堂村在此前刚刚完成拆迁，一些磨损的建筑材料或道路灰尘可能随风力或径流进入海滩，可能是本研究海滩微塑料的来源之一。
除陆源和大气输入外，船舶活动和海洋作业也是近岸海域微塑料的来源[47]。例如在海水、海滩沉积物、虾虎鱼肠道中均检出的PET成分也是渔网等的常用材料，在渔业生产中广泛应用，PF常在船体漆中应用，PAM在石油开采业广泛应用，因此海源也是天津近岸海域微塑料的可能来源之一。
4 结语
在天津近岸海域表层海水、海滩沉积物、鱼类体内均发现微塑料。表层海水中微塑料丰度范围0.006～0.043 pieces/m3，平均为0.016 pieces/m3，各毗邻海域中，大港>汉沽>塘沽，主要成分PET、PF、CE、PE分别占77.7%、12.2%、8.6%、1.4%。海滩沉积物中微塑料丰度范围44.3～132.3 pieces/kg，平均为90.6 pieces/kg，主要成分PET、PMMA、PC、PAM、CE所占比例分别为9.9%、29.8%、51.6%、8.5%、0.2%。虾虎鱼肠道内微塑料含量1～22 pieces/individual，平均为8.8 pieces/individual，主要成分PET、PE、CE所占比例分别为53.7%、39.5%、6.8%。污染负荷指数显示，表层海水和海滩沉积物中微塑料污染程度较轻，鱼类体内微塑料处于中度污染。通过化学组成分析，陆源-即污水处理厂、河流及入海排污口，气源-即风力作用产生的大气沉降,以及海源-即海洋渔业及船舶活动等均是天津近岸海域微塑料的来源。
