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黄海桑沟湾水体及沉积物中微塑料污染特征研究

熊宽旭 赵新月 周倩 付传城 涂晨 李连祯 骆永明

引用本文:
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黄海桑沟湾水体及沉积物中微塑料污染特征研究

    作者简介: 熊宽旭(1993-), 男, 河南信阳人, 硕士研究生, 研究方向为海湾及海岸环境微塑料, E-mail:kxxiong@yic.ac.cn;
    通讯作者: 骆永明, ymluo@yic.ac.cn
  • 基金项目: 科技部国家重点研发计划课题 2016YFC1402202
    中国科学院前沿科学重点研究项目 QYZDJ-SSW-DQC015

  • 中图分类号: X131

The pollution characteristics of microplastics in the water and sediments of Sanggou bay in the Yellow Sea

    Corresponding author: Yong-ming LUO, ymluo@yic.ac.cn
  • CLC number: X131

  • 摘要: 近年来,有关海洋环境中微塑料污染的研究不断增多,但对高强度人类活动影响下的海湾水体和沉积物中微塑料的研究仍少见报道。为了研究人类养殖活动和水动力对海湾微塑料污染特征和空间分布的影响,本文于2017年12月调查了规模化养殖活动结束后桑沟湾水体及沉积物中的微塑料污染特征。结果表明,桑沟湾水体和沉积物中微塑料类型主要为纤维类、碎片类、薄膜类、发泡类和颗粒类;水体和沉积物中微塑料的丰度范围分别为1.8~31.2 N/L和31.2~1246.8 N/kg;微塑料的平均颗粒大小分别为0.51±0.2 mm和1.54±1.02 mm。从桑沟湾微塑料污染的空间分布特征来看,其丰度高值区主要出现在近岸海域,并且微塑料的丰度由湾内向外海递减的趋势。桑沟湾微塑料丰度和空间分布的异质性主要受海水养殖、生活和航运等人类活动排放和水动力的影响。未来需要进行更加精细化的取样分析,以充分认识海湾生态系统中微塑料污染的时空分布特征。
  • 图 1  桑沟湾调查站点

    Figure 1.  Distribution map of survey sites in Sanggou bay

    图 2  桑沟湾表层水体中不同类型(a)和粒径(b)微塑料的丰度比例

    Figure 2.  The abundance percentages of microplastics with different types (a) and sizes (b) in the surface water of Sanggou bay

    图 3  桑沟湾(a)及沽河(b)表层水体中不同类型微塑料的空间分布

    Figure 3.  Spatial distribution of different microplastics types in the surface waters of Sanggou bay (a) and surrounding Gu river (b)

    图 4  桑沟湾表层水体中微塑料丰度箱式图

    Figure 4.  Box diagram of microplastic abundance in the surface water of Sanggou bay

    图 5  桑沟湾(a)及沽河(b)表层水体中微塑料丰度的空间分布

    Figure 5.  Spatial distribution of microplastic abundances in the surface water of Sanggou bay (a) and Gu river (b)

    图 6  桑沟湾内外不同水层海水中微塑料丰度的垂向分布

    Figure 6.  Vertical distribution of microplastics abundance in different water layers of Sanggou bay

    图 7  桑沟湾沉积物中不同类型(a)和粒径(b)微塑料的丰度比例

    Figure 7.  The abundance percentages of microplastics with different types (a) and sizes (b) in the surface sediments of Sanggou bay

    图 8  桑沟湾湾底、潮滩及周边沽河沉积物中微塑料类型比例的空间分布

    Figure 8.  Spatial distribution of different microplastics types in surface sediments of Sanggou bay

    图 9  桑沟湾沉积物中微塑料丰度箱式图

    Figure 9.  Box diagram of microplastics abundance in the sediments Sanggou bay

    图 10  桑沟湾湾底(a)、潮滩(b)及沽河(c)沉积物中微塑料丰度的空间分布

    Figure 10.  Spatial distribution of microplastic abundances in the sediments of Sanggou bay (a), tidal flat (b) and Gu river (c)

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-21
  • 录用日期:  2019-01-07
  • 刊出日期:  2019-04-20

黄海桑沟湾水体及沉积物中微塑料污染特征研究

    作者简介:熊宽旭(1993-), 男, 河南信阳人, 硕士研究生, 研究方向为海湾及海岸环境微塑料, E-mail:kxxiong@yic.ac.cn
    通讯作者: 骆永明, ymluo@yic.ac.cn
  • 1. 浙江海洋大学 国家海洋设施养殖工程技术研究中心, 浙江 舟山 316022
  • 2. 中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室(烟台海岸带研究所), 山东 烟台 264003
  • 3. 中国科学院大学, 北京 100049
  • 4. 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所), 江苏 南京 210008
基金项目:  科技部国家重点研发计划课题 2016YFC1402202中国科学院前沿科学重点研究项目 QYZDJ-SSW-DQC015

摘要: 近年来,有关海洋环境中微塑料污染的研究不断增多,但对高强度人类活动影响下的海湾水体和沉积物中微塑料的研究仍少见报道。为了研究人类养殖活动和水动力对海湾微塑料污染特征和空间分布的影响,本文于2017年12月调查了规模化养殖活动结束后桑沟湾水体及沉积物中的微塑料污染特征。结果表明,桑沟湾水体和沉积物中微塑料类型主要为纤维类、碎片类、薄膜类、发泡类和颗粒类;水体和沉积物中微塑料的丰度范围分别为1.8~31.2 N/L和31.2~1246.8 N/kg;微塑料的平均颗粒大小分别为0.51±0.2 mm和1.54±1.02 mm。从桑沟湾微塑料污染的空间分布特征来看,其丰度高值区主要出现在近岸海域,并且微塑料的丰度由湾内向外海递减的趋势。桑沟湾微塑料丰度和空间分布的异质性主要受海水养殖、生活和航运等人类活动排放和水动力的影响。未来需要进行更加精细化的取样分析,以充分认识海湾生态系统中微塑料污染的时空分布特征。

English Abstract

  • 随着社会经济快速发展,环境中出现大量小的塑料垃圾碎片,其中粒径小于5 mm的被称为微塑料[1]。根据文献报道,早在上世纪60年代,(微)塑料垃圾就已经存在于海洋环境中。近年来,因微塑料可对海洋生态环境造成潜在的风险而日益受到了管理者和科学界的重视。微塑料广泛存在于近海和沿海地区,特别是在人类活动强度较高的沿海地区[2]。在太平洋[3]、大西洋[4]、印度洋[5],甚至北极[6]的水体中也已经发现了微塑料的存在。这些微塑料分布在海洋水体[7]、沉积物[8]和生物体内[9],也可经潮汐、海流、波浪的作用不断地进行迁移。相对于开阔的海洋,微塑料更容易进入近海的生态系统。海湾是近海的重要部分,深受人类活动的影响,已经成为海洋污染特别是微塑料污染的重灾区,但相关研究还非常有限。

    Zhou等[10]对山东半岛潮滩进行系统调查,发现养殖区周边潮滩沉积物中微塑料丰度最高,这与海水养殖活动有关。在海水养殖生产中,渔网、浮力材料和网箱等塑料养殖设备是必不可少的材料。这些塑料经过物理、化学和生物作用降解可变成微塑料,这些微塑料可能会被养殖的海产品摄食。在贝类和鱼类体内已经检出微塑料的存在[11],并有可能通过食物链传递进入人体。

    桑沟湾是黄海中的一个历史悠久的养殖海湾,也是国家级海洋牧场。评估桑沟湾的微塑料丰度及其空间分布规律对于揭示海湾生态系统的微塑料污染特征具有重要的意义。目前关于桑沟湾生态系统的研究主要集中在水动力条件[12]、养殖容量[13]和常见污染物[14]等方面,而在微塑料污染特征方面尚缺乏系统的认识。鉴此,本研究以黄海桑沟湾为研究对象,开展了微塑料在桑沟湾不同水层、沉积物、潮滩以及入湾河流水体和沉积物中的类型、丰度和空间分布研究,以期为我国养殖海湾的微塑料污染防控和治理提供基础数据和科学依据。

    • 桑沟湾位于山东省荣成市,地处山东半岛最东端,122°24′E~122°35′E、37°01′N~37°09′,桑沟湾是一湾口朝东的岬湾,口门北起青鱼嘴,南至楮岛,口门宽1.5 km,海湾面积163.2 km2,海岸线长74.4 km,湾内水深平均7~8 m,最大水深15 m,滩涂面积约20 km2。桑沟湾潮汐为不正规半日潮,入湾河流有桑沟河、崖头河、沽河和小落河等,年总径流量在1.68×108~2.64×108 m3之间。桑沟湾是荣成市最大的海水养殖区,海湾养殖水域已经延伸到湾口以外,面积约6333 hm2,养殖季节集中在每年4月~10月。

    • 采样时间为2017年12月19~22日,此时桑沟湾内的规模化海水养殖活动已基本结束,旅游和航运等人类活动减少。采样点的设置基于当地的人类活动和环境条件共设50个(图 1),设计为从入湾河流、潮滩、再到湾内以及湾外海域进行“点-线-面”的系统监测。其中,沽河是输入桑沟湾的重要河流,也是微塑料由陆源进入海湾的一条重要途径。因此共设置6个站点(GH1~GH6)。桑沟湾沿岸潮滩共设置16个站点(SGB1~SGB16),覆盖了近岸所有的重要沙滩和河口。桑沟湾湾内和湾外共设置23个站点(SG1~SG23),站点的布置综合考虑了海湾养殖类型和水动力条件(浪、流)。所有站点均同步采集了水体和沉积物样品(仅5个站点因水文条件限制未采集到沉积物样品)。在采集桑沟湾海水样品的同时,采用YSI Pro Plus便携式多参数水质分析器现场测定海水的温度、盐度、pH和电导率等基本参数。

      图  1  桑沟湾调查站点

      Figure 1.  Distribution map of survey sites in Sanggou bay

      由于桑沟湾养殖筏架密布,不宜使用拖网,桑沟湾水体微塑料的采样选择大样本采水器法。使用带有长度刻度的绳子拴住不锈钢采水器,分别采集表层、中层(深度5 m)和底层水体各5 L。海底沉积物同点采集,采用蚌式采泥器抓取海底深度约20 cm的沉积物,放入不锈钢盆中,使用割刀选取表层5 cm深度的沉积物装入采样袋中。潮滩和河流的水体样品使用不锈钢采水器采集表层水体5 L,沉积物采样采集使用不锈钢采样铲随机均匀采集5个表层约2 cm深的30×30 cm的样品装入采样袋中。所有采集水样和沉积物样品均置于无污染的避光处保存,调查完成后统一运回实验室再于4℃冷库保存。

    • 水体样品中微塑料的分选参考周倩等的方法[15],采用真空抽滤装置将水样抽滤到滤膜(nylon net filters 20 μm)上,将滤膜上物质收集到200 mL的矮型烧杯中,加入约50 mL 30% H2O2,盖上表面皿并于室温放置24 h后,移至75℃电热板加热,直至烧杯中无可见有机质。样品消解完全后,再次抽滤到20 μm滤膜上待分析。沉积物样品中的微塑料采用周倩等[15]发明的连续流动气浮分离装置进行浮选:加入饱和NaCl溶液进行浮选,获得初步分离物质,再用ZnCl2溶液(密度1.5 g/cm3)进行二次浮选。收集上清液,使用真空抽滤装置过滤并洗净盐分,将微塑料收集到滤膜上待分析。所有滤膜均放置在4℃的冰箱保存。

      采用体视显微镜(Nikon SMZ25)对滤膜上的微塑料样品进行挑选,并对所有微塑料样品进行分类计数,并对其形状(碎片、颗粒、薄膜、泡沫塑料和纤维)进行描述。使用衰减全反射傅里叶红外光谱仪(型号Nicolet iS10,扫描次数32次,分辨率4.00 /cm,波长范围650~4000 /cm)对微塑料样品进行选择性鉴定(随机挑选150个样品,其中84%的样品鉴定为微塑料)。水体中微塑料的丰度单位以每升微塑料个数表示(N/L),而沉积物中微塑料的丰度单位则表示为每千克干重微塑料个数(N/kg)。

    • 水体采样前,采样桶需在实验室内用蒸馏水润洗3次。采集水样前分别用海水和河水再次润洗。样品前处理处理和分析过程在清洁干净的实验室内进行,实验人员需穿着防静电实验服。为了减少空气中微塑料的污染,所有使用到的玻璃耗材均用蒸馏水冲洗两次。在样品分析上设置空白对照,采用20 μm滤膜对5 L蒸馏水进行抽滤,并对滤膜上的微塑料进行计数以作为背景值,后续所有样品的微塑料丰度计算均扣除该背景值(5 N/L)。

    • 各站点的微塑料丰度值采用丰度范围值和平均值表示。采用Microsoft Excel 2010、Origin 8.1和SPSS 20.0等软件进行统计制图。采用ESRI ArcGIS 10.2软件制作微塑料污染的空间分布图。

    • 图 2a可以看出,桑沟湾表层水体中的微塑料类型以纤维类(54%~79%)和碎片类(2%~39%)为主,其次为颗粒类(2%~7%)和薄膜类(2%~5%)。经傅里叶红外光谱仪鉴定,纤维类聚合物的类型主要为聚对苯二甲酸乙二酯和人造纤维,碎片类主要为聚酯树脂和聚丙烯。由图 2b可知,桑沟湾表层水体中的微塑料粒径以<1 mm的为主(>60%),且随着微塑料粒径的增加,其丰度占微塑料总量的比例逐渐降低。由图 3a可知,所有的潮滩站点(SGB6、SGB7、SGB8、SGB12、SGB13和SGB14)表层水体中的微塑料均以纤维类为主,比例达80%以上。而湾内和湾外表层水体中微塑料类型主要以纤维类和碎片类为主,其比例范围分别为30%~90%和9%~65%。由图 3b可知,流入桑沟湾的沽河表层水体中微塑料类型以纤维类为主(>83%)。Browne等[16]研究结果表明,一件服装每次洗涤可产生1900根以上的纤维,大量的纤维可通过城市污水管道进入河流和海湾中。周倩等[17]发现滨海城市大气环境中纤维微塑料占比高达95%,表明这些微塑料可能会通过大气沉降进入陆海环境,成为海岸环境中微塑料的重要来源。因此,我们推测在桑沟湾水体中大量存在的纤维类微塑料可能来源于桑沟湾沿岸的生活污水排放和大气沉降。而对于桑沟湾水体中的另外一种主要微塑料类型—碎片类微塑料,经扫描电子显微镜比对分析,发现其表面微观形貌特征与本次调查中观察到的渔船表面脱落的漆片高度相似。进一步采用傅里叶变换红外光谱仪鉴定其聚合物类型,两者都是聚酯树脂。这类树脂通常用于油漆涂料,推测桑沟湾表层水体中碎片类微塑料的部分可能来源于养殖木船表面脱落的油漆碎片。

      图  2  桑沟湾表层水体中不同类型(a)和粒径(b)微塑料的丰度比例

      Figure 2.  The abundance percentages of microplastics with different types (a) and sizes (b) in the surface water of Sanggou bay

      图  3  桑沟湾(a)及沽河(b)表层水体中不同类型微塑料的空间分布

      Figure 3.  Spatial distribution of different microplastics types in the surface waters of Sanggou bay (a) and surrounding Gu river (b)

    • 图 4可知,桑沟湾湾内、湾外、河流及潮滩表层水体中的微塑料丰度范围分别为6.6~33.6 N/L、2.6~13.6 N/L、8.6~18.6 N/L、和1.8~11 N/L。表层水体中微塑料丰度的高值区出现在湾内和河流,其次为湾外,潮滩中丰度最低。

      图  4  桑沟湾表层水体中微塑料丰度箱式图

      Figure 4.  Box diagram of microplastic abundance in the surface water of Sanggou bay

      微塑料的空间变异性主要受到人类活动的范围、路径和位置的影响[18]。由图 5a可知,桑沟湾湾内站点SG1~SG16表层水体中微塑料的丰度值较高,表明湾内易受到海水养殖活动的影响。而湾外站点SG17~SG23表层水体中微塑料的丰度则呈现由湾内向湾外逐渐降低的趋势,这可能与桑沟湾海域的水动力因素有关[19]。桑沟湾湾口北部是西向流,湾口南部为东向流,湾口处存在一个往复流,整个湾内呈现逆时针方向的表层环流。湾外微塑料可在桑沟湾表层环流的作用下输运到桑沟湾湾内集聚,并沿着环流方向呈现高值分布的趋势。桑沟湾潮滩站点包括重要入湾河口SGB6~SGB8、潟湖口海水养殖企业SGB12和SGB13,以及楮岛渔港码头SGB14。这些站点受到河流注入、城市污水以及养殖废水排放的影响,也都有一定丰度微塑料的检出,但总体丰度低于湾内站点。沽河沿岸是荣成市最密集的城市化地区,城市径流(沽河)可产生高负荷的污水排放。由图 5b可知,沽河水体中(GH1~GH5)亦有较高丰度的微塑料检出,但因沽河实行阶梯式水坝拦水,加上冬季采样时水面结冰导致沽河水动力较弱,微塑料容易滞留在河流水体中,难以输送到河口和潮滩区,因此河口区GH6站点和潮滩SGB7~SGB8水体中微塑料丰度相对较低。

      图  5  桑沟湾(a)及沽河(b)表层水体中微塑料丰度的空间分布

      Figure 5.  Spatial distribution of microplastic abundances in the surface water of Sanggou bay (a) and Gu river (b)

      桑沟湾垂向水体中微塑料的丰度范围为2.8~41.8 N/L,其中表层、中层和底层的微塑料丰度范围分别为3.8~25.4 N/L、2.8~41.8 N/L和3.4~39.8 N/L。由图 6可知,桑沟湾水体中微塑料的垂向分布呈现一定的空间异质性,单一水层中微塑料的丰度特征并不能代表整个水体。桑沟湾近岸浅水区SG1、SG4和SG12站点水体中,中层海水的微塑料丰度相对较高,这与Lusher等[20]的调查结果相一致,提示与桑沟湾的水动力及微塑料的类型和密度等性质相关。受桑沟湾内沿岸流的影响,聚酯纤维类和树脂碎片类微塑料在桑沟湾近岸水体中实现了再分布,导致大多微塑料悬浮在中层水体中。而湾内中心区的SG10,以及湾外的站点SG17和SG22均表现为的底层微塑料丰度高于表层和中层,这可能与湾口和湾内站点的水动力较弱有关。

      图  6  桑沟湾内外不同水层海水中微塑料丰度的垂向分布

      Figure 6.  Vertical distribution of microplastics abundance in different water layers of Sanggou bay

    • 图 7a可知,桑沟湾沉积物中的微塑料类型以纤维类为主(45%~79%),其次为发泡类(0~25%)、颗粒类(11%~19%)、薄膜类(1%~11%)和碎片类(6%~9%)。微塑料的聚合物类型主要有聚烯烃(聚乙烯、聚丙烯)和聚苯乙烯,占83.3%~87.4%,这与全球塑料生产和使用的规模相一致。聚烯烃和聚苯乙烯通常用于制作寿命较短的塑料产品,如海水养殖中的浮力材料、网箱以及渔绳渔线等,是海洋环境中报道最多的塑料聚合物类型。由图 7b可知,桑沟湾沉积物中的微塑料粒径以<1 mm和1~2 mm的为主(>75%),且随着微塑料粒径的增加,其丰度占微塑料总量的比例逐渐降低。由图 8a可知,桑沟湾内和湾外海底沉积物中微塑料的类型都以纤维类为主,而潮滩站点沉积物中的微塑料的主要组分则根据潮滩的具体位置呈现多样化的特征(图 8b),由图 8c可知,沽河沉积物中微塑料的主要类型为纤维类。

      图  7  桑沟湾沉积物中不同类型(a)和粒径(b)微塑料的丰度比例

      Figure 7.  The abundance percentages of microplastics with different types (a) and sizes (b) in the surface sediments of Sanggou bay

      图  8  桑沟湾湾底、潮滩及周边沽河沉积物中微塑料类型比例的空间分布

      Figure 8.  Spatial distribution of different microplastics types in surface sediments of Sanggou bay

    • 图 9可知,桑沟湾沉积物中微塑料的丰度范围为31.2~1246.8 N/kg(干重),平均值为134.9 N/kg。其中,河流、潮滩、湾内及湾口外沉积物中的微塑料丰度分别为34.9~73.6 N/kg、31.2~1246.8 N/kg、23.7~172 N/kg、37.7~120.3 N/kg。潮滩沉积物中微塑料的平均丰度值及其变异性均高于海湾及河流沉积物的水平。

      图  9  桑沟湾沉积物中微塑料丰度箱式图

      Figure 9.  Box diagram of microplastics abundance in the sediments Sanggou bay

      桑沟湾湾底沉积物中微塑料丰度的空间分布如图 10a所示,总的来看,沉积物中微塑料丰度的空间分布规律与水体中的一致,高值区主要出现在近岸浅水区。一方面,这些站点更靠近岸边,受到人类活动的影响更为强烈;另一方面可能与沿岸环流引起的湾内水体中微塑料的富集和沉降有关。

      图  10  桑沟湾湾底(a)、潮滩(b)及沽河(c)沉积物中微塑料丰度的空间分布

      Figure 10.  Spatial distribution of microplastic abundances in the sediments of Sanggou bay (a), tidal flat (b) and Gu river (c)

      图 10b可知,潮滩沉积物中微塑料丰度的空间分布与站点所在地形、植被以及风浪等因素有关。其中,微塑料丰度较高的站点SGB2和SGB13在地形特征上都是具有垂直夹角的海滩,这种夹角的特殊地形更有利于潮滩对水体中微塑料的拦截与沉积。站点SGB11则由于沙滩上的植被茂盛,微塑料上岸以后易被植被拦截在岸上的草丛中。而泻湖口站点SGB8和SGB9的站点由于受到海上浪流扰动的影响,微塑料会再次悬浮进入海湾中,因此丰度相对较低。

      图 10c可知,沽河沉积物中的微塑料丰度与水体中的微塑料丰度规律相反,上游沉积物(GH1和GH2)中微塑料的丰度显著低于下游(GH4)和河口区(GH6),这主要是因为冬季水流速度较慢,导致水体中的微塑料逐渐向下游方向的沉积物中沉降累积。

    • (1) 桑沟湾的水体和沉积物中微塑料类型主要为纤维类、碎片类、薄膜类、发泡类和颗粒类;丰度范围分别为1.8~31.2 N/L和31.2~1246.8 N/kg;平均颗粒大小分别为0.51±0.2 mm和1.54±1.02 mm。

      (2) 桑沟湾表层水体中的微塑料类型以纤维类和碎片类为主,微塑料粒径以小于1 mm的为主;表层水体中微塑料丰度高值区主要出现在近岸海域,并且微塑料的丰度由湾内向外海递减的趋势;微塑料的垂向分布呈现一定的空间异质性。桑沟湾水体中的微塑料丰度和空间分布的异质性主要受海水养殖、生活和航运等人类活动排放以及水动力的影响。

      (3) 桑沟湾沉积物中的微塑料类型丰富,微塑料粒径以小于1 mm和1~2 mm的为主;潮滩沉积物中的微塑料空间分布存在明显的差异性分布,这与其地形、植被和海湾风浪的影响有关。桑沟湾沉积物中的微塑料主要来源是桑沟湾养殖活动使用的塑料制品(泡沫塑料、渔绳、渔网和碎片等)。

      (4) 未来,需要进一步研究桑沟湾水体微塑料的季节变化及潮滩微塑料的垂直分布特征,建立桑沟湾微塑料的迁移和通量模型,为评估和预测海湾微塑料迁移、积累和生态风险提供更详细的基础信息。

参考文献 (20)

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