水環(huán)境中微塑料的賦存特征及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

楊少博 謝健 魏連通 覃浩

摘要：微塑料是一種新興持久性污染物，廣泛存在于地表水和飲用水中，已成為全球性關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。為全面了解水環(huán)境中微塑料污染現(xiàn)狀，加強(qiáng)對(duì)微塑料污染的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，綜述了水環(huán)境中徽塑料的來(lái)源、分布特征、潛在生物毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，對(duì)未來(lái)研究和關(guān)注的方向進(jìn)行了展望，即從微塑料對(duì)人體健康的影響機(jī)制、水體微塑料污染的源解析、微塑料與其他污染物的生態(tài)復(fù)合效應(yīng)的研究，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)徽塑料去除的新技術(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況制定相關(guān)徽塑料防治和風(fēng)險(xiǎn)管控的法律法規(guī)，為水環(huán)境中微塑料的污染防治和管控治理提供參考。

關(guān)鍵詞：水環(huán)境；微塑料；來(lái)源；分布；生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：X820.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

塑料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、可塑性強(qiáng)、成本低廉等性能，已被廣泛應(yīng)用于生活和生產(chǎn)中。相關(guān)資料顯示，2050年全球塑料的生產(chǎn)量將達(dá)到120億噸，截止2015年，全球已產(chǎn)生大約63億噸廢棄塑料，其中，僅有約9%的塑料廢棄物被再生回收利用，12%的塑料廢棄物被焚燒處理，其余79%的塑料廢棄物未得到妥善處置而隨意丟棄并在環(huán)境中累積，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

塑料在風(fēng)化、紫外線照射及微生物的協(xié)同作用下逐漸降解為尺寸較小的塑料顆粒，通常將粒徑小于5 mm的塑料定義為微塑料（Microplastics，MPs）。微塑料是一種新興持久性污染物，具有體積小、易遷移、難降解等特性，在水體、大氣、土壤、食品、飲用水甚至人體中均有檢出。目前，水體中賦存的微塑料主要有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PIA）、聚酰胺（PA）等。2015年，微塑料污染被列入環(huán)境與生態(tài)科學(xué)研究領(lǐng)域亟待研究的第二大科學(xué)問(wèn)題。微塑料在水環(huán)境中的污染與控制技術(shù)成為了環(huán)境領(lǐng)域新的關(guān)注點(diǎn)。

1微塑料的來(lái)源及分類(lèi)

1.1來(lái)源

水環(huán)境中微塑料最主要的來(lái)源包括工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活廢棄物等多種途徑。有研究表明，微塑料污染的直接來(lái)源可能包括污水處理廠的尾水排放、水體中塑料垃圾的風(fēng)化降解以及水土流失或地表徑流形成的陸源輸入。

污水處理廠排放是微塑料進(jìn)入自然環(huán)境的重要途徑之一，僅僅是衣物清洗、逛街、游泳、洗臉等日?；顒?dòng)產(chǎn)生的大量塑料纖維進(jìn)人污水處理廠，雖然微塑料在處理過(guò)程中不斷降解改性，但可在水處理階段結(jié)合化學(xué)物質(zhì)，對(duì)水處理微生物造成毒害作用，降低其處理效果，導(dǎo)致微塑料殘留隨著污水的排放進(jìn)入河流、湖泊等水體。中國(guó)平均每年有209.7萬(wàn)億個(gè)微塑料顆粒排放水生環(huán)境中，其中80%以上來(lái)自污水處理廠。目前，雖然污水處理技術(shù)對(duì)微塑料的截留率可高達(dá)98%，但由于污水排放量巨大，這也導(dǎo)致通過(guò)污水處理廠排入水體中的微塑料總量巨大并持續(xù)增加。

1.2分類(lèi)

微塑料按照形成方式可分為初級(jí)微塑料和次級(jí)微塑料。初級(jí)微塑料是指以微粒形式經(jīng)過(guò)河流、污水處理廠等而直接排人環(huán)境中的塑料，主要來(lái)自塑料顆粒工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品中被特意制備成微米級(jí)甚至更小的塑料顆粒，比如牙膏、面部清潔劑、化妝品、樹(shù)脂顆粒、藥物載體等所產(chǎn)生的微塑球或微塑珠，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生微小顆粒和粉末的泄露也是初級(jí)微塑料的主要來(lái)源。1L生活污水中纖維狀微塑料顆粒數(shù)量達(dá)100多個(gè)。次級(jí)微塑料是陸地和水環(huán)境中存在的大塊塑料經(jīng)風(fēng)化、光解、磨損被破碎、降解形成的微塑料，如廢棄的碎塑料、漁網(wǎng)、城市垃圾及水處理廠廢液中的大塊塑料經(jīng)物理、化學(xué)和生物過(guò)程的作用而形成。次級(jí)微塑料形成過(guò)程較慢，是水環(huán)境中微塑料的主要組成部分。

微塑料根據(jù)形狀可分為纖維狀、顆粒狀、碎片狀、薄片狀和泡沫狀等，其中大部分水體中纖維狀、碎片狀、薄片狀等微塑料含量均在80%以上，纖維狀微塑料的遷移性更強(qiáng)，而碎片狀和薄片狀微塑料大部分是大塊廢棄的塑料分解而成的次生微塑料，遷移性較弱。相關(guān)報(bào)道統(tǒng)計(jì)分析了水中46種不同聚合物類(lèi)型的微塑料，結(jié)果顯示檢出頻率較高的為聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、尼龍（NY）、聚酯纖維（PES），其中聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE），聚苯乙烯（PS）等3類(lèi)微塑料是水環(huán)境中微塑料的主要類(lèi)型，含量范圍為48.5%-97.0%。《Plastics Europe 2019》報(bào)道指出全球不同類(lèi)型塑料中主要也為PP、PE、PS，分別占生產(chǎn)總量的19.3%、29.7%、6.4%。

2微塑料在水環(huán)境中的分布及影響因素

2.1海洋和湖泊

湖泊可以作為微塑料的臨時(shí)或長(zhǎng)期匯集池，河流被認(rèn)為是各種微塑料進(jìn)入海洋的主要運(yùn)輸通道，每年由河流向海洋輸送的塑料垃圾高達(dá)115-241萬(wàn)噸，河流成了微塑料輸入海洋和湖泊的主要渠道。潘雄等研究了2019年豐水期丹江口水庫(kù)及其入庫(kù)支流表層水體中微塑料分布情況，發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)微塑料平均豐度7 248 n·m3，粒徑大小主要在75～4 703 um之間，微塑料豐度隨其粒徑的增加而下降，且尼龍材質(zhì)微塑料最為普遍，占比為36.4%，其次為聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。袁海英等研究發(fā)現(xiàn)，滇池近岸水體微塑料豐度在800-6 000 n·m-3之間，平均值為2 867 n·m-3，檢出的聚合物類(lèi)型主要是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚醚型聚氨酯（PEU）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚醋酸乙烯酯（PVAc），微塑料形狀主要以纖維狀微塑料為主，其次為碎片和薄膜狀。太湖的表層水體微塑料的豐度為3.4-25.8 ind·L-1，其中漂浮在水面的微塑料豐度達(dá)到了0.01×10-6.8×10 ind·km-2，遠(yuǎn)高于武漢、臺(tái)州、溫州、福州和國(guó)外其他地區(qū)的淡水水域；由于西北部竺山灣和梅梁灣毗鄰蘇錫常城市圈，人口密度大，人類(lèi)活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致微塑料污染更為嚴(yán)重。2010年-2019年中國(guó)各地表水系中河流和湖泊的MPs豐度分別為3.9-7 900 n·m-3和340-8 900 n·m-3，其主要來(lái)源為城市活動(dòng)、漁網(wǎng)漁具，最終通過(guò)地表徑流遷移至水體或污水處理系統(tǒng)。

2.2生活飲用水

生活飲用水可能是人類(lèi)生活中微塑料的潛在來(lái)源。生活飲用水中微塑料來(lái)源較為廣泛，主要成分為聚氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚苯乙烯、聚對(duì)苯二甲酸類(lèi)等。目前，由于凈水處理工藝對(duì)微塑料去除效果的限制及輸配過(guò)程中外源物質(zhì)的釋放，江蘇省不同飲用水處理工藝對(duì)微塑料的去除率為32.8%-50.2%，微塑料經(jīng)沉淀、砂濾和膜分離等凈水處理工藝后并不能完全去除，其進(jìn)入供水管網(wǎng)，生活飲用水中可檢測(cè)到微塑料的存在。有研究表明，采集了全球14個(gè)國(guó)家的159個(gè)飲用水樣，其中81%的樣本檢出了微塑料，預(yù)測(cè)人體年均微塑料攝人量可超過(guò)5 800個(gè)，88%的微塑料來(lái)自于生活飲用水，微塑料污染已廣泛存在于生活飲用水中。柴然等研究了青島市生活飲用水中微塑料的分布特征，采集了青島市內(nèi)不同水源類(lèi)型的32個(gè)末梢水進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)微塑料的檢出率為78.1%，最大豐度達(dá)360 n·L-1，來(lái)自城區(qū)地表水的樣品檢出率最高為81.8%，主要檢出類(lèi)型為聚酰胺、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氨基甲酸乙酯、聚甲醛酯、聚氯乙烯、聚砜8種，其中PET占比最高為85.8%，其次是聚酰胺占比8.5%。鐘丹等研究表明聚乙烯（PE）和不銹鋼管內(nèi)生物量隨管網(wǎng)中余氯含量增加而逐漸降低，說(shuō)明管網(wǎng)水中殘留的消毒劑等能分解微塑料表面的生物膜，導(dǎo)致生物膜一微塑料聚積物密度減少而重新懸浮到水中，最終進(jìn)入龍頭水中。微塑料在供水管網(wǎng)中經(jīng)消解、機(jī)械磨損等系列反應(yīng)作用后，一部分會(huì)與管網(wǎng)中的有機(jī)物、微生物等物質(zhì)作用從而影響管網(wǎng)水質(zhì)的安全，一部分則沿管網(wǎng)直接進(jìn)入龍頭水被居民使用。（見(jiàn)表1）

3微塑料的風(fēng)險(xiǎn)

3.1微塑料的生物毒性

微塑料具有較大的比表面積，在其遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程中，老化破碎的微塑料比表面積會(huì)進(jìn)一步增加，容易吸附環(huán)境中重金屬（如鎘和鉛等）和有機(jī)污染物（如抗生素、農(nóng)藥類(lèi)、多氯聯(lián)苯、多環(huán)芳烴和二氯二苯三氯乙烷等），與微塑料中的各種添加劑導(dǎo)致復(fù)合污染，使其毒性增強(qiáng)，抑制貽貝等水生動(dòng)物的胚胎發(fā)育、引起皮膚異常、氧化應(yīng)激等。同時(shí)，微塑料由于粒徑較小，易通過(guò)空氣、飲用水和食物等途徑被生物攝人人體內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致腸道等器官阻塞及呼吸系統(tǒng)疾病。研究預(yù)計(jì)，每人每年通過(guò)食鹽、飲用水和呼吸進(jìn)入人體的微塑料分別為（0-7.3）×10個(gè)、（0-4.7）×10個(gè)和（0-3.0）×10個(gè)。同時(shí)，可抑制水生植物的光合作用效率，導(dǎo)致水生植物的生長(zhǎng)受到抑制。粒徑極小的微塑料會(huì)黏附在植物體表面，堵塞植物的氣孔，或被植物根系吸收，進(jìn)入植物的各個(gè)組織中，降低光合色素含量等。張晨等發(fā)現(xiàn)沉水植物暴露在含微塑料的水中時(shí)，植物葉片出現(xiàn)發(fā)黃、殘葉現(xiàn)象，其生長(zhǎng)和光合作用都受到了嚴(yán)重抑制。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，1 kg植物可富集約1 470片塑料，富集量已超過(guò)了某些處理工藝的去除量。

3.2微塑料的生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)

微塑料在對(duì)自然界生物的生命安全構(gòu)成威脅的同時(shí)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)也產(chǎn)生了微觀影響。微塑料可作為特定微生物在河流湖泊中傳播擴(kuò)散的媒介，并在其表面定殖并形成生物膜，例如微塑料表面的塑料分解菌和潛在的病原體、致病菌等，進(jìn)入到新的環(huán)境中，影響生態(tài)系統(tǒng)的正常功能，甚至威脅生態(tài)環(huán)境安全。微塑料作為特定微生物繁殖載體的潛在機(jī)制有：（1）微塑料堅(jiān)硬的表面能為微生物的繁殖提供場(chǎng)所；（2）微塑料所含碳物質(zhì)及其吸附的各種有機(jī)污染物可能為微生物繁殖提供生存的碳源；（3）微生物能依附于微塑料上的多糖生物膜或微生物。

微塑料的存在還會(huì)對(duì)微生物的生態(tài)功能產(chǎn)生微觀干擾，有研究報(bào)道，微塑料能影響微生物群落的組成和氮循環(huán)過(guò)程，聚氨酯泡沫（PUF）和聚乳酸（PLA）微塑料促進(jìn)了硝化與反硝化過(guò)程，而聚氯乙烯（PVC）則起抑制作用。廢水中微塑料則會(huì)抑制處理過(guò)程中微生物的生長(zhǎng)和生存。如聚氯乙烯微塑料（PVC）浸出的雙酚A，可有效抑制廢水活性污泥的厭氧消化過(guò)程。同時(shí)，PVC明顯抑制了厭氧顆粒污泥的COD去除率（13.2%-35.5%），并導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量下降（11.0%-32.3%）、短鏈脂肪酸積累增加（40.3%-272.7%）。

微塑料為疏水物質(zhì)，能吸附多氯聯(lián)苯（PCBs）、多環(huán)芳香烴（PAHs）、有機(jī)氯殺蟲(chóng)劑等疏水性有機(jī)污染物。除此之外，微塑料還能自身釋放出有毒的化學(xué)物質(zhì)。塑料通常會(huì)添加各種具有耐熱性、抗氧化性和抗生物降解性的添加劑來(lái)達(dá)到耐蝕、耐用的特性，如多溴聯(lián)苯醚、壬基酚、二氯苯氧氯酚等。微塑料在生物、非生物作用下降解時(shí)，釋放其添加物質(zhì)，造成較大的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。水生生物體在累積微塑料后，會(huì)產(chǎn)生不同的物理性損傷及毒性效應(yīng)，最終可能會(huì)對(duì)水生系統(tǒng)造成無(wú)法預(yù)知的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

4結(jié)論

微塑料作為一種新興污染物，除自身含有的鄰苯二甲酸酯等有毒物質(zhì)外，還可吸附有機(jī)污染物、重金屬、抗生素等，在自然界的作用下，這些有害物質(zhì)會(huì)遷移至土壤和水體?，F(xiàn)有研究表明，微塑料已廣泛存在于海洋、湖泊甚至生活飲用水中，其含量和分布特征受到自然環(huán)境與人為因素的共同影響，呈現(xiàn)出一定差異性。微塑料通過(guò)食物鏈在動(dòng)物及人體內(nèi)富集，對(duì)生物及生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重威脅。目前，微塑料對(duì)于人體的健康風(fēng)險(xiǎn)仍不確定，缺少必要的健康評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)，缺乏相應(yīng)微塑料防治相關(guān)法律法規(guī)。今后研究可從基因、細(xì)胞、組織等方向研究微塑料對(duì)人體健康的影響機(jī)制，開(kāi)展水體微塑料污染的源解析，探究微塑料與其他污染物的生態(tài)交互效應(yīng)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)微塑料去除的新技術(shù)，并制定微塑料防治和風(fēng)險(xiǎn)管控相關(guān)的法律法規(guī)。