上海黄浦江人工骨干河流鱼体内微塑料污染研究

傅淙淙 唐文乔, 郭弘艺,

(1. 上海海洋大学海洋动物系统分类与进化上海高校重点实验室, 上海 201306; 2. 水产种质资源发掘与利用省部共建教育部重点实验室, 上海 201306)

塑料可塑性和耐久性强, 性质稳定, 难降解, 人们在广泛使用的同时也产生了大量的塑料垃圾, 其中粒径小于5 mm塑料碎片和颗粒被统称为微塑料[1],根据其来源可分为初级和次级微塑料[2]。初级微塑料主要来自工业塑料原料和化妆品[3]; 次级微塑料由环境中的塑料经风化、机械摩擦和紫外线辐射等作用后逐渐碎裂而形成[4]。水生生物摄入微塑料后会危害自身的正常生理功能[5], 如造成浮游动物的捕食能力减弱[6]、贻贝的免疫能力下降[7]、鱼类的肠道黏膜损伤[8]和肝细胞坏死[9]等, 从而受到学者和社会各界的普遍关注。鱼类微塑料污染研究目前主要集中在海洋[10]、大型自然河流[11]和湖泊[12]等水域, 而城市河流作为人类影响程度更高的特殊生态系统, 其鱼类受到的微塑料污染关注还较少[13]。

上海地处长江三角洲冲积平原, 河网水系发达,其中市内河网大多属于黄浦江水系[14]。黄浦江是长江入海之前的最后一条支流, 将上海市区分成浦南、浦西和浦东。为完善河网结构, 上海于20世纪70年代后期沿黄浦江干流开挖了淀浦河、川杨河、大治河、金汇港和龙泉港5条人工河流, 成为黄浦江的主要支流和上海市的骨干河流[15]。上海1920年建立我国的第一家塑料厂, 是中国最早生产和使用塑料的城市之一, 对其河流鱼类的微塑料污染研究具有很好的代表性。目前已有对上海河道水体和沉积物微塑料的一些研究报道[16—18], 我们在对黄浦江自然水域(淀山湖、干流和苏州河)鱼类微塑料污染研究[19]的基础上, 对上述5条人工骨干河流的优势鱼类微塑料污染作了分析, 旨在通过人工河流与自然水域的对比分析, 全面了解黄浦江水系鱼类微塑料污染状况及人工河流鱼类微塑料污染的特点, 为城市河流鱼类微塑料研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 鱼类样本采集

淀浦河位于上海浦西, 全长46.4 km。川杨河和大治河位于浦东, 全长28.0和39.5 km。金汇港和龙泉港位于浦南, 全长21.8和26.8 km[15]。5条河流都有航运与贯通水系的作用, 金汇港、大治河和川杨河为五级航道, 河宽70—100 m; 龙泉港、淀浦河为六级航道, 河宽30—60 m[15]。

2021年10月中旬, 在5条人工河流分别设置采样点(图1), 用三层刺网采集鱼类, 部分样本现场用10%福尔马林固定[20], 带回实验室鉴定和测量。物种鉴定主要依据《中国鱼类系统检索》[21]《江苏鱼类志》[22]《上海鱼类志》[23]。部分样本直接带回实验室置于-20℃冰箱冷冻保存。以河为单位从中选择5种优势鱼类刀鲚(Coilia nasus)、䱗(Hemiculter leucisculus)、鲫(Carassius auratus)、似鳊(Pseudobrama simoni)和光泽黄颡鱼(Pelteobagrus nitidus)[24], 每种鱼选取长度相近、外表完整的40尾,用电子天平称量标本体重, 精确到0.01 g; 用量鱼板逐尾测量体长, 精确到0.1 cm (鱼体规格见表1), 做好标记后待用。

表1 五种优势鱼类样本基本生物学信息Tab. 1 Basic biological information of 5 dominant fish samples

图1 上海黄浦江人工骨干河流鱼类采样断面示意图Fig. 1 Schematic diagram of fish sampling section in Huangpu River artificial backbone rivers in Shanghai

1.2 微塑料的分离和提取

在福尔马林固定的样本中取5种各30尾鱼, 解剖每尾鱼的鳃和消化道, 放置在250 mL锥形瓶内并称重。另外在冰箱中保存的样本中取5种各10尾鱼,解剖每尾鱼的鳃和消化道; 用2 mL移液器吸取超纯水注入每个消化道, 小心冲洗内含物, 重复上述操作5次以上, 直至冲洗液澄清; 对鳃和冲洗干净的消化道壁及内含物分别置于250 mL锥形瓶内并称重。

参照Avio等[25]的方法, 按样品(鳃、消化道整体、消化道壁和内含物)重量与溶液体积1﹕40的比例加入按样品重量与溶液体积1﹕40的比例加入30%H2O2溶液至锥形瓶中, 密封放入恒温振荡箱(65℃)消解样品至澄清(24—48h)。样品冷却后加入体积比为1﹕5的饱和NaCl溶液(ρ=1.2 g/mL), 室温静置24h。取上清液用直径50 mm、孔径0.45 μm的尼龙滤膜抽滤, 抽滤后的滤膜放置于干燥的培养皿中, 标记, 密封保存, 待下一步观察。实验全程, 操作人员穿棉质实验服、戴一次性丁腈医用手套和医用口罩。

1.3 微塑料的鉴定

在体视显微镜(SMZ1270, Nikon)下观察滤膜,拍照并记录微塑料的数量、形状和颜色, 通过Image J 软件测量微塑料的粒径大小。随机选取形状清晰、颜色直观的代表性微塑料, 用傅里叶显微红外光谱仪(Nicolet iN10MX, Thermo Fisher)测定样品的化学成分[26]。扫描次数16次, 波长650—4000/cm,光谱分辨率为8/cm, 在此条件下通过标准谱图库数据比较, 完成微塑料化学成分的鉴定。

1.4 实验数据处理

用SPSS 23和Excel 2020对实验结果进行统计,ArcGIS 10.8绘制采样地理位置, OriginPro 2021绘制图表。平均值表示格式: 平均值±标准差(SD)。用Kruskal-Wallis H检验多组数据的差异性, 若存在显著差异, 使用Mann-Whitney U进一步检验两组数据的差异性。

2 结果

2.1 鱼体内微塑料检出率、丰度和空间分布

结果显示, 5种优势鱼类、200尾样本共检出537个微塑料, 平均检出率为83.00%(表2)。检出率最高的刀鲚是92.50%, 最低的䱗是72.50%。按生活习性分析, 表现为中下层(83.33%)>中上层(82.50%)、着生藻类食性(87.50%)>肉食性(86.25%)>杂食性(77.50%)的特点。

表2 上海黄浦江人工骨干河流5种鱼体内微塑料平均检出率及丰度Tab. 2 Average detection rate and abundance of microplastics in five fish species in Huangpu River artificial backbone rivers in Shanghai

5种鱼微塑料丰度为0—16个/尾, 平均丰度为(2.69±2.74)个/尾。丰度最高的似鳊为(2.95±3.22)个/尾, 最低的光泽黄颡鱼为(2.53±2.35)个/尾。按生活习性排序, 表现为中下层(2.73±2.79)个/尾>中上层(2.62±2.67)个/尾、着生藻类食性(2.95±3.22)个/尾>杂食性(2.66±2.98)个/尾>肉食性(2.57±2.21)个/尾的特点。

从5条河流的空间分布看, 5种鱼类微塑料的平均检出率和丰度最高的是大治河, 分别为91.89%和(3.43±3.24)个/尾, 最低的是龙泉港, 分别为72.50%和(1.63±1.58)个/尾(图2), 大治河的鱼类微塑料丰度显著高于龙泉港(P<0.05)。但不同鱼类在5条河流的微塑料丰度也存在差异(图3)。淀浦河以光泽黄颡鱼最高, 为(3.94±2.62)个/尾, 䱗最低, 为(1.67±2.18)个/尾; 川杨河以䱗最高, 为(5.80±5.22)个/尾,光泽黄颡鱼最低, 为(1.17±1.17)个/尾; 大治河以鲫最高, 为(5.0±4.56)个/尾, 泽黄颡鱼最低, 为(1.33±0.58)个/尾; 金汇港以似鳊最高, 为(3.29±3.73)个/尾,刀鲚最低, 为(1.43±0.79)个/尾; 龙泉港以似鳊最高,为(2.58±1.73)个/尾, 䱗丰度最低, 为(0.56±0.73)个/尾。

图2 五种鱼体内微塑料丰度和检出率在5条人工骨干河流的空间分布Fig. 2 Spatial distribution of abundance and detection rate of microplastics in five fish species in five artificial backbone rivers

图3 五种鱼体内微塑料丰度在5条人工骨干河流的空间比较Fig. 3 Spatial comparison of microplastic abundance in five fish species in five artificial backbone rivers

2.2 消化道和鳃内微塑料的检出率和丰度

200尾鱼类的消化道和鳃分别检出微塑料368个和169个。消化道的微塑料检出率和丰度为70.50%和(1.84±2.31)个/尾, 极显著高于鳃的49.00%和(0.85±1.20)个/尾(P<0.01)。图4显示了5种鱼类2个部位微塑料的丰度情况, 消化道中微塑料丰度最高的似鳊为(2.15±2.78)个/尾, 最低的光泽黄颡鱼为(1.45±1.54)个/尾。而鳃中微塑料丰度最高的则是光泽黄颡鱼, 为(1.08±1.67)个/尾, 最低的鲫为(0.60±0.74)个/尾。

图4 五种鱼类消化道和鳃的丰度比较Fig. 4 Comparison of microplastic abundance in digestive tracts and gills in five fish species

2.3 消化道壁和内含物微塑料的检出率和丰度

对5种鱼各10尾样本作进一步分析, 发现在50个样本的消化道壁和内含物中分别检出78个和40个微塑料。黏附在消化道壁的微塑料检出率和丰度分别为70.0%和(1.56±1.63)个/尾, 极显著高于黏附于内含物的42.0%和(0.80±1.14)个/尾(P<0.01)。黏附在消化道壁和内含物的微塑料丰度, 最高的是䱗和似鳊, 分别为(2.20±1.93)和(1.20±1.03)个/尾, 最低的则是光泽黄颡鱼, 丰度分别为(0.80±0.92)和(0.40±0.84)个/尾(图5)。黏附在5种鱼类消化道壁的微塑料平均占消化道总微塑料的66.07%, 其中最高的䱗占比达75.86%, 最低的似鳊为61.29%(图5)。

图5 黏附在消化道壁和内含物中的微塑料丰度及比例Fig. 5 Abundance and proportion of microplastics adhered to digestive tract walls and contents

2.4 鱼类体内微塑料的物理类型

共检出纤维状、碎片状、薄膜状和颗粒状4种形状的微塑料(图6)。总体上以纤维状最多, 占总数的53.07%; 其次是碎片状, 占33.15%; 薄膜状和颗粒状仅占12.10%和1.68%; 䱗、鲫、刀鲚和光泽黄颡鱼均以纤维状微塑料为主, 似鳊则以碎片状为主(图7a)。鳃和消化道均以纤维状微塑料为主, 但鳃为59.76%, 显著高于消化道的49.73%(P<0.05); 而消化道的碎片状为35.87%, 极显著高于鳃的27.22%(P<0.01)。消化道壁中占比最高的微塑料形状是碎片状(43.59%), 内含物则是纤维状(53.00%)。

图6 体视显微镜下鱼体内微塑料的形态Fig. 6 Microplastic mophology in fish under the stereomicroscope

图7 上海黄浦江人工骨干河流优势鱼体内微塑料物理类型的组成Fig. 7 Composition of microplastic physical types in dominant fish in Huangpu River artificial backbone rivers in Shanghai

共检出6种颜色的微塑料, 总体上以黑色最多,占41.90%, 红色和蓝色占25.33%和15.27%, 绿色(8.57%)、透明(5.96%)和黄色(2.98%)的占比较低(图7b)。䱗、鲫和似鳊微塑料以黑色为主, 红色次之; 光泽黄颡鱼也以黑色为主, 而绿色次之; 刀鲚则以红色微塑料为主, 黑色次之。消化道微塑料以黑色(43.48%)和红色(27.99%)为主, 鳃以黑色(38.46%)和蓝色(25.44%)为主。消化道壁中黑色(43.59%)占比最高, 内含物则以红色占比最高(45.00%)。

检出的微塑料粒径在0.014—4.646 mm。其中,粒径≤1 mm的占83.80%, (1, 2]、(2, 3]、(3, 4]和(4,5] mm的各占11.55%、3.35%、0.93%和0.37%(图7c)。不同鱼体内微塑料的粒径组成也有差异, 似鳊体内≤1 mm的占比达92.37%, 鲫则为79.82%。而(1,2] mm的微塑料占比, 鲫为15.60%, 似鳊仅为5.08%。鱼体中不同位置的微塑料主要为≤1 mm的粒径(图7d), 消化道为84.78%, 鳃为81.66%, 消化道壁为82.05%, 内含物为95.00%。在内含物中未检出>2 mm的微塑料。

2.5 鱼类体内微塑料的化学成分

采用傅里叶显微红外光谱仪对随机抽取的83个微塑料样品进行鉴定, 共鉴定出12种化学成分(表3)。其中赛璐酚(CP)占比最高, 为40.96%; 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)其次, 为 20.48%; 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)也有较高比例, 为12.05%;其他9种成分相对较少, 共占26.51%。

表3 显微红外光谱鉴定的微塑料化学成分Tab. 3 Chemical composition of microplastics identified by microinfrared spectroscopy

3 讨论

3.1 上海黄浦江人工骨干河流优势鱼体微塑料的污染特点

本研究显示, 上海黄浦江人工骨干河流鱼体微塑料平均检出率为83.00%。与其他研究水域微塑料比较(表4), 本研究的消化道微塑料平均检出率为70.50%, 低于茅尾海[27](100%)、青海湖[12](100%)、广东河口[28](96.9%)鱼类, 高于三峡水库[29](25.70%)和上海自然流域[19](59.87%)鱼类。鳃中微塑料平均检出率为49.00%, 低于茅尾海[27](60.0%)鱼类, 高于舟山渔场[30](22.28%)鱼类。消化道微塑料平均丰度为(1.84±2.31)个/尾, 低于鄱阳湖[31](7.64个/尾)、珠江流域[32](7.0±23.8)个/尾、茅尾海[27](5.40±0.30)个/尾、厦门湾[33](2.56±1.12)个/尾和东山湾[34](1.98±1.98)个/尾鱼类, 高于上海自然流域[19](1.32±1.92)个/尾鱼类。鳃中微塑料平均丰度为(0.85±1.20)个/尾,低于巢湖[35](3.06±2.52)个/尾、茅尾海[27](2.0±0.20)个/尾和厦门湾[33](1.60±1.46)个/尾鱼类, 高于舟山渔场[30](0.49±0.54)个/尾鱼类。这表明上海黄浦江人工骨干河流优势鱼体微塑料的检出率和丰度在总体上处于较低的水平。

表4 不同研究水域鱼体微塑料检出率和丰度比较Tab. 4 Comparison of microplastic abundance and detection rate in fish in different research waters

与同属黄浦江水系的上海自然水域(淀山湖、黄浦江干流及苏州河)相同种类的鱼类相比(表5),除了似鳊, 人工河流中䱗、鲫和光泽黄颡鱼消化道的微塑料检出率和丰度均较高。人工河流消化道优势微塑料类型纤维状(49.73%)和碎片状(35.87%),也与自然水域优势类型(纤维状80.47%、薄膜状13.73%)具有明显的差异。这表明自然水域纤维状更多, 而人工河流碎片状也占很高比例。人工河流黑色微塑料占43.48%、红色占27.99%, 与自然水域微塑料主要颜色占比(黑色29.59%、透明28.99%)也有明显差异。人工河流的微塑料粒径≤1 mm的占84.78%, (1, 2] mm的占10.33%, 而自然水域同样粒径的微塑料占比则为60.12%和26.04%, 表明人工河流的微塑料粒径更小。这可能与自然水域开放而流动性较好(黄浦江年均流量100.6亿m3、苏州河3.2亿m3), 而5条人工河流为封闭而流动性较差(两端有闸, 仅在过船、排涝、引清排污、调控水位等情况下开启)有关。总体来看, 上海内陆水域鱼类微塑料整体以纤维状和碎片状、黑色和红色及透明, 以及粒径≤1 mm为主。

表5 上海黄浦江人工河流与自然水域同种鱼类消化道微塑料的比较Tab. 5 Comparison of microplastics in fish digestive tracts between artificial rivers and natural waters in Huangpu River in Shanghai

3.2 上海人工骨干河流鱼体内微塑料的分布

消化道和鳃是鱼体直接接触微塑料的内部器官, 可以反映鱼体受微塑料污染的程度[38]。本研究显示消化道微塑料的检出率和丰度均显著高于鳃(P<0.05), 消化道内积累的微塑料占68.5%。分析发现, 消化道内有其中66.07%的微塑料黏附在消化道壁上, 这些微塑料可损伤消化道黏膜, 影响营养吸收。另外, 占比31.5%的鳃部微塑料大部分被吸附在鳃丝上, 也可损伤和覆盖鳃上皮, 降低呼吸效率。

分析显示, 鳃部纤维状微塑料占59.76%, 显著高于消化道的49.73%(P<0.05); 而消化道碎片状占35.87%, 极显著高于鳃的27.22%(P<0.01)。推测是纤维状微塑料具有变形性[29], 易于缠附在鳃上。鱼体不同部位的微塑料均以≤1 mm的小粒径为主,消化道为84.78%(其中消化道壁占82.05%、内含物占95.00%), 鳃为81.66%, 表明小颗粒微塑料更容易被鱼体摄取。

3.3 微塑料的成分及其来源

已有研究显示不同地区的鱼类, 其体内微塑料的主要化学成分存在着差异, 如三峡水库为聚乙烯和聚酰胺[29], 珠江流域[32]为聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯, 华东沿海[36]为聚酯纤维, 鄱阳湖则是聚苯乙烯[39]。本研究显示, 上海人工骨干河流鱼体内微塑料的主要化学成分为赛璐酚(40.96%)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(20.48%)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(12.05%), 与上海自然水域相应的微塑料成分(赛璐酚39.42%、聚对苯二甲酸乙二醇酯20.19%、聚酰胺11.54%和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物9.62%)[19]略有差异。赛璐酚常被用作食品及各类装饰包装纸[40];涤纶主要用于服装、窗帘、沙发布等纺织品及食品包装袋、塑料瓶和薄膜等[41]; EVA被广泛应用在发泡鞋底、隔音板、玩具坐垫、农业薄膜和密封材料领域[42]。上海自然水域鱼体内的微塑料主要来源于当地居民各类日常生活用品的包装材料或丢弃物[19]。但本研究分析的5条人工河流, 除了淀浦河和川杨河位于人口稠密[43]的浦西和浦东城区,其他3条河流均位于人口密度相对较低的郊区。上海郊区的农用地大多用于果蔬等经济作物生产[44],大量农用薄膜的使用可能是人工河流鱼体内乙烯-醋酸乙烯酯共聚物微塑料增高的原因, 自然流域鱼体内聚酰胺占比较高, 可能与捕捞业使用的各种网具[45]有关。

本研究认为, 尽管上海内河优势鱼类的微塑料丰度总体上处于较低水平, 但微塑料可能会影响鱼类的呼吸和营养吸收效率。微塑料还能作为载体与其他环境污染物如重金属、有机污染物等一起进入鱼体, 产生复合毒性效应[46]。上海已全面实施生活垃圾的分类管理, 对各类塑料垃圾进行更深入的无害化处理。我们还应减少一次性塑料制品的使用, 从源头上减少微塑料的污染。

致谢:

感谢赵振官实验师、研究生陈振峰、张彦彦、唐振、邵严、刘思琪、潘正东、王洁苗协助采样和处理样本。