滇池表层沉积物中微塑料的空间分布及来源分析*

袁志伟，李 菊，邓春暖 ，李大凤，张 权，张 浩，李宏溪

(1.云南师范大学 地理学部，云南省高原地理过程与环境变化重点实验室，云南 昆明 650500；2.云南开放大学 城市建设学院，云南 昆明 650500)

塑料耐用性强，具有质轻、价廉等优点，被广泛应用于各个领域。据统计，2020 年全球塑料产量高达3.67 亿t[1]，造福人类的同时也产生环境问题。被遗弃在环境中的塑料经风化分解后形成粒径不一的塑料碎片，其中粒径＜5 mm 的碎片通常被称为微塑料[2]。水环境中的微塑料易被鱼、虾等生物误食，积累于胃、肠道会降低消化能力，甚至死亡[3-5]。此外，微塑料还可以吸附水中的有机污染物和重金属造成复合污染，危害水生生态系统健康[6]。与海洋和河流等水体相比，城市湖泊受到人类活动的强烈影响，且流动性及自净能力差，因此湖泊中微塑料污染问题受到越来越多的关注。

湖泊沉积物是微塑料重要的“汇”，对国外[7-10]和国内[11-14]一些湖泊的研究均表明湖泊沉积物中微塑料的污染状况不容乐观。在微塑料赋存特征上，多数湖泊沉积物中微塑料形态以纤维状为主[8,10-12]，也有一些研究发现微塑料形态以碎片状为主[15-16]。在微塑料化学性质上，聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(polyethylene，PE)和聚丙烯(polypropylene，PP)等是主要的聚合物成分[8,11,13-14,17]。此外，微塑料的来源与周边人类活动密切相关，工业活动[18]、渔业活动[19]、旅游活动[14]和城市污水处理厂的尾水排放[20]等都可能是微塑料污染的来源。微塑料在湖泊空间中的分布差异性极大，在不同环境中，可能受污染源[21]、湖泊水动力[14]和湖泊形态[22]等多种因素的影响，尚无明显规律。因此，湖泊沉积物中微塑料的空间分布、赋存特征及成因分析是微塑料污染研究的关键问题。

滇池作为云南省面积最大的淡水湖泊，是国家水污染防治项目“三湖三河”重点治理对象之一。目前已有针对滇池水体微塑料污染的研究[23-25]，但针对沉积物微塑料的研究相对匮乏。为了进一步了解沉积物中微塑料的赋存及空间分布情况，本研究通过野外调查采样分析滇池表层沉积物中微塑料的理化特征及分布，判断微塑料的主要来源及分布成因，为揭示滇池表层沉积物中微塑料的时空变化规律提供参考数据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况与样品采集

滇池位于云贵高原，是典型的浅水湖泊[26]。形状似胃，东南呈弓形，水面面积为309.5 km2，容积15.6 亿m3；南北向长40 km，东西向平均宽7 km，湖岸线长163.2 km，平均深度5.3 m，最大深度11.2 m[27]。滇池根据湖泊形状可分为南、北2 个区域，湖水由南部西南角的螳螂川流出[25]，流域风向全年以西南风为主[28]。本研究采用均匀布点原则，在滇池湖面均匀布设14 个采样点(图1 和表1)，其中南部6 个(S1～S6)、北部8 个(S7～S14)。每个采样点共采集3 份样品，2019 年4 月采集2 份，2021 年9 月采 集1 份。采样过程中利用手持GPS 进行导航，采用彼得森抓斗抓取表层沉积物至不锈钢盆，每份样品采集500 g 装入自封袋，带回实验室常温储存。

表1 滇池各采样点坐标、海拔及水深Tab.1 The coordinates,altitude and water depth of the Dianchi Lake sample sites

图1 滇池采样点示意图Fig.1 Schematic diagram of sample sites in Dianchi Lake

1.2 样品预处理

称取200 g (湿质量)沉积物样品放入1 000 mL烧杯中，加入饱和NaCl 溶液600 mL 并充分搅拌，用锡箔纸密封烧杯口进行浮选，室温下静置24 h 后将上层清液过筛(150 目)，用去离子水收集残留物至100 mL 烧杯中，每个样品浮选3 次；在烧杯中加入 30% H2O2溶液50 mL，置于60 ℃恒温水浴锅中消解72 h；消解完成后冷却至室温，利用真空抽滤泵将烧杯中的溶液抽滤至滤膜(0.45 μm)上，抽滤完成后将滤膜移至玻璃培养皿中阴干待用。为防止外界环境污染，实验过程中关闭门窗，实验人员均穿戴棉质实验服和橡胶手套，玻璃容器在使用前均用去离子水清洗3 次后烘干备用。

1.3 微塑料的观察及成分鉴定

使用体式显微镜对滤膜上微塑料的物理特征(颜色和形状)进行观察，并利用Motic Images Plus 3.0 (64×)软件对微塑料的粒径进行测量。为方便统计研究，将粒径按大小分为3 类，即＜1 mm、1～3 mm 和＞3～5 mm。使用光镊—拉曼光谱超高速大面积成像系统(LabRAM HR Evolution，日本HORIBA Scientific)对随机挑选的270 个疑似微塑料进行聚合物鉴定，具体参数设置为：选用785 激光器，光谱范围500～3 600 cm-1，曝光时间8 s，累积次数4 次，功率衰减100%。将获取的样品拉曼图谱与Know It All™拉曼图谱库的标准图谱进行匹配，确定疑似微塑料的具体成分。

1.4 数据统计与分析

在ArcMap 10.5 软件中利用滇池等深线创建数字高程模型，提取各采样点的高程，水深为水面高程与采样点高程的绝对差值。在烘箱中将适量沉积物(100 g)样品烘干并记录干质量，微塑料丰度采用“平均值±标准偏差”表示。试验数据采用Excel 2010 和SPSS 24.0 进行分析，图片采用ArcMap 10.5 和Origin 2018 绘制。

2 结果与分析

2.1 滇池表层沉积物中微塑料的丰度及空间分布特征

由图2 可知：滇池14 个采样点表层沉积物中微塑料的丰度为344.6～1 171.8 个/kg，平均丰度为(609.6±206.1)个/kg。全湖微塑料丰度与水深显著正相关(r=0.569，P=0.034＜0.05)，其中，滇池北部湖心区(S7、S8、S11 和S12)微塑料平均丰度为(667.7±143.8)个/kg，平均水深为4.25 m；湖岸区(S9、S10、S13 和S14)微塑料平均丰度为(446.5±101.3) 个/kg，平均水深为3.04 m，微塑料在北部多聚集于湖心深水区，而近岸浅水区富集较少。滇池南部区域微塑料平均丰度为(679.6±249.0)个/kg，高于北部区域[(557.1±165.1)个/kg]，其中S4 是南部区域微塑料丰度最高的采样点，为1 171.8 个/kg；其次是S5，为679.8 个/kg，均位于出水口前的深水区。

图2 各采样点微塑料丰度Fig.2 Microplastic abundance at each sample site

2.2 滇池表层沉积物中微塑料的物理特征

2.2.1 微塑料形状特征

滇池表层沉积物中检测出的微塑料有纤维状、薄膜状、碎片状、颗粒状和其他形状等5 类。纤维状微塑料在表层沉积物中的含量远高于其余4类，占比高达83.49%；碎片状、颗粒状和薄膜状微塑料分别占5.89%、5.41%和4.83%，无法辨别形状的其他类微塑料仅占0.39%。各采样点中均检测出纤维状和颗粒状微塑料，碎片状微塑料在S9 中未检测出，薄膜状微塑料在S8、S9、S12 和S14 中未检测出(图3)。

图3 不同形状微塑料在各采样点的占比Fig.3 Proportion of microplastics with different shapes in each sample site

2.2.2 微塑料颜色特征

滇池表层沉积物中微塑料的颜色以蓝色和透明色为主，占比分别为46.43%和34.92%；其次是红色(8.19%)和黑色(5.70%)。蓝色微塑料在S10 中占比最高，为70.15%；透明色微塑料在S11 中占比最高，为43.24%；各采样点中均发现红色微塑料，其中在S2、S4、S7 和S14 采样点中占比较低；黑色微塑料在S1、S2 和S3 中占比较高(图4)。

图4 不同颜色微塑料在各采样点的占比Fig.4 Proportion of microplastics with different colors in each sample site

2.2.3 微塑料粒径特征

滇池表层沉积物中粒径＜1 mm 的微塑料占比最高，为69.74%；粒径1～3 mm 和＞3～5 mm的微塑料占比分别为27.62%和2.64%。在各采样点中，粒径＜1 mm 的微塑料在S7 中占比最高，为78.26%；粒径1～3 mm 的微塑料在S13 中占比最高，为39.66%；粒径＞3～5 mm 的微塑料在S14 中占比最高，为7.14% (图5)。

图5 不同粒径微塑料在各采样点的占比Fig.5 Proportion of microplastics with different particle sizes in each sample site

2.3 微塑料聚合物分析

270 个疑似微塑料中共检测出223 个微塑料，检出率为82.59%。由图6 可知：滇池表层沉积物中的微塑料共检测出8 种成分，其中主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、染色微塑料和聚丙烯(PP)，占比分别为38.12%、36.77%和12.56%，其余各成分占比在0.90%～5.83%。

图6 微塑料不同成分占比Fig.6 Proportion of different components of microplastics

3 讨论

3.1 滇池表层沉积物微塑料的主要来源分析

目前，许多研究根据微塑料的理化性质，结合日常塑料制品成分和周边人类活动等判断其主要来源[20,29]。滇池表层沉积物中微塑料形状以纤维状为主，占比高达83.49%。纤维状微塑料在南洞庭湖[30]和乌梁素海[31]等有渔业活动的湖泊中多被认为来源于捕鱼工具。结合实际情况分析，滇池禁渔前存在长期渔业活动，捕鱼时大量使用的渔网和鱼线等渔具老化、破碎后经各种途径进入滇池水体并沉积，成为纤维状微塑料的主要来源之一。另外，滇池表层沉积物中纤维状微塑料以蓝色和透明色为主，这与渔民使用的鱼线和渔网颜色十分相似[24]，检测出的PET 和PP 等聚合物成分也常被用于制作渔网[32]，因此，微塑料的颜色以及聚合物的种类可辅助识别其主要来源于渔具。已有研究表明：在昆明主城区雨污分流工程下，依旧有部分纤维状微塑料随污水处理厂尾水排入滇池[23]，加之城中村及老旧生活区存在污水直排支流的现象[33]，结合日常洗衣废水[34]和淋浴废水[35]中的纤维含量，判断生活污水及污水处理厂尾水中的纺织品也是纤维状微塑料的主要来源。在拉曼光谱检测过程中因染色剂的色素信号掩盖塑料成分信号，所以不能鉴定出微塑料的具体成分，故本研究将染色微塑料归为塑料聚合物[36]，但其具体成分尚不明确。

碎片状、薄膜状和颗粒状等形状的微塑料数量较少，占比均约为5%。已有研究表明：滇池滩涂塑料瓶和食品袋等塑料垃圾堆积现象普遍[37]，加之禁渔前使用的渔网和地笼等利用饮用水瓶和发泡类塑料充当浮子[38]，这些塑料制品破碎后成为碎片状微塑料的来源之一。薄膜状微塑料主要存在于滇池南部，北部S8、S9、S12 和S14等点位均未检测出。与南部湖面接壤的多为花卉和蔬菜种植农田[24]，地膜和塑料大棚等的材质主要为PE、PP 和聚酰胺(polymide，PA)[39]，与鉴定出的微塑料成分吻合，故薄膜状微塑料与农用地膜和棚膜的使用有关。颗粒状微塑料一般作为研磨剂添加于洗面奶和牙膏等清洁用品中[40]，主要来自生活污水及污水处理厂尾水[41]。由此推断，滇池表层沉积物中的微塑料主要来源于渔网和纺织品，其余来源对其贡献较小。

3.2 滇池表层沉积物微塑料的污染水平及空间分布成因分析

滇池表层沉积物微塑料丰度在344.6～1 171.8个/kg 之间，平均丰度为(609.6±206.1)个/kg。查阅相关文献发现：国内西藏湖泊群[(544.62±297.99)个/kg][42]、骆马湖[(513±201)个/kg][43]和南洞庭湖[(501.43±331.18)个/kg][30]等微塑料污染程度较高，雨山湖和南湖[(277.1±395.6)个/kg][21]、松山湖[(244±121)个/kg][44]等微塑料污染程度中等；意大利Bolsena 湖(112 个/kg)[9]和Bracciano 湖(42 个/kg)[15]、巴基斯坦Rawal 湖(104 个/kg)[32]以及印度Red Hills 湖(27 个/kg)[10]等微塑料污染程度较轻。与以上研究相比，滇池表层沉积物中微塑料污染程度较高。

滇池不同区域微塑料的分布情况存在差异，北部湖心(S7、S8、S11 和S12)以及南部出水口(S4 和S5)等局部区域微塑料富集较多，而全湖(S1～S12)分布则呈现“南多北少”的趋势，这种独特空间分布格局的形成与滇池水深分布、水动力特征密切相关。滇池表层沉积物中的微塑料丰度与水深显著正相关(r=0.569，P=0.034＜0.05)，即采样点水越深，其微塑料丰度越高。由此可见，与休伦湖[7]和Bracciano 湖[15]类似，水深是影响滇池沉积物中微塑料空间分布的重要因素。近年来，滇池流域补水量及自身弃水减少，湖水滞留期变长，滇池已演变成半封闭人工调节湖泊[28]，因此水动力特征与封闭湖泊[14]相似。尤其北部区域水体流动形成大型逆时针环流[25,28]，导致大量微塑料颗粒随湖流向湖心区域迁移和汇聚[24]，加之湖心平坦的地形及深水区的降能作用[7]，为水体微塑料在北部湖心的大量沉积创造了有利条件。

研究表明湖泊出水口区域沉积物中微塑料的丰度较低[12,18]，但本研究发现滇池出水口区域(S4 和S5)微塑料的丰度较高。与滇池类似，鄱阳湖[11]出水口区域微塑料丰度也较高，其作者认为这种高富集现象主要由周边污染源(工业活动、农业活动和污水处理厂尾水排放等)大量输入导致。结合实际情况，滇池出水口临近的海口镇人类活动强度远不及鄱阳湖强烈，排除了周边微塑料大量输入的可能性，但滇池水体的集中出流行为[45]可能将南、北水体中积蓄的微塑料大量携带至此沉积。

值得注意的是，不同的湖泊水域面积对微塑料具有稀释或浓缩效应[11,46]。滇池南部水体在接纳来自北部及周边污染源输入的微塑料后，较小的水域面积进一步浓缩了水体中的微塑料[46]，因此更多微塑料可能在南部水体中沉积，从而出现“南多北少”的分布格局。由此判断，水深分布及水动力特征对滇池表层沉积物中微塑料的分布具有重要作用。

4 结论

滇池表层沉积物微塑料平均丰度为(609.6±206.1)个/kg，污染水平较高。由于受水深和水动力条件的影响，微塑料集中分布在滇池的北部湖心和南部出水口区域，并在整体上呈“南多北少”的分布格局。微塑料的物理特征以纤维状、蓝色和透明色、粒径＜1 mm 为主，化学成分主要是聚对苯二甲酸乙二醇酯、染色微塑料和聚丙烯。结合周边人类活动分析，渔网和纺织品可能是微塑料的主要来源。