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    淡水環(huán)境中微塑料的研究現(xiàn)狀

    2020-06-11 00:40:53葉華芳
    關(guān)鍵詞:降解危害

    葉華芳

    摘 ? 要:微塑料是尺寸小于5.0mm不同形態(tài)塑料的統(tǒng)稱,水環(huán)境中的微塑料具有分布廣、降解慢、毒理復(fù)雜等特點(diǎn)。近年來(lái),微塑料已成為淡水環(huán)境中一種備受關(guān)注的新型污染物。在本綜述中,從微塑料的取樣分析方法、來(lái)源途徑、污染狀況以及微塑料在水環(huán)境的影響和微塑料的降解5個(gè)方面敘述了國(guó)內(nèi)外淡水環(huán)境中微塑料的研究現(xiàn)狀,并總結(jié)了當(dāng)前需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。

    關(guān)鍵詞:微塑料 ?淡水環(huán)境 ?來(lái)源途徑 ?危害 ?降解

    中圖分類號(hào):X52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-098X(2020)02(c)-0106-04

    Abstract: Microplastics are a collective name for different forms of plastics with a size less than 5.0 mm. Microplastics in the water environment have the characteristics of wide distribution, slow degradation, and complex toxicology. In recent years, microplastics have become a new type of concern in the freshwater environment. In this review, the research status of microplastics in the freshwater environment at home and abroad is described from five aspects: sampling analysis methods, sources, pollution status, and the impact of microplastics on the water environment and degradation of microplastics. Issues that require further research.

    Key Words: Microplastics; Freshwater environment; Source route; Hazard; Degradation

    塑料顆粒在水生環(huán)境中無(wú)處不在。它們已在全球范圍內(nèi)的海洋和湖泊中被發(fā)現(xiàn),甚至在南極等偏遠(yuǎn)地區(qū)也出現(xiàn)了微塑料污染的報(bào)道[1]。2004 年,英國(guó)普利茅斯大學(xué)理查德·湯普森教授在《SCIENCE》上發(fā)表了一篇論文,首次提出了微塑料的概念[2]。學(xué)術(shù)界通常把微粒直徑小于5 mm的塑料纖維、顆?;蛘弑∧ざx為微塑料顆粒。微塑料組成成分大部分是聚丙烯(PP),聚乙烯(PE),聚氯乙烯(PVC),聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚苯乙烯(PS)這幾類[3]。微塑料的來(lái)源可以分為初級(jí)來(lái)源和次級(jí)來(lái)源[4],初級(jí)來(lái)源是指由工業(yè)活動(dòng)所產(chǎn)生的微米級(jí)塑料, 如牙膏和洗面奶中的塑料微珠;次級(jí)來(lái)源是指于塑料廢物在環(huán)境中經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)、生物作用而產(chǎn)生破碎形成的微塑料顆粒,如風(fēng)力、紫外線照射、水力沖刷等因素的作用下會(huì)使塑料廢物逐漸老化,分解成的更小的塑料碎片。微塑料具有體積小、比表面積大和吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn),會(huì)吸附一些疏水性污染物和重金屬,如果這些吸附過(guò)污染物的微塑料被生物攝取,可能會(huì)產(chǎn)生聯(lián)合毒性,并且會(huì)在食物鏈中傳遞[5]。環(huán)境中的微塑料已經(jīng)被認(rèn)為是一種新型的污染物。

    1 ?微塑料的取樣檢測(cè)及分析方法

    1.1 微塑料的取樣

    水環(huán)境中微塑料的取樣可分為水體樣品取樣、沉積物樣品取樣和生物樣品取樣[6]。水體中微塑料的采樣裝置根據(jù)水體的深度不同可大致分為3類:表層水通常選用拖網(wǎng)式采樣裝置;中層水常選擇Bongo網(wǎng); 底部深層水采用底棲拖網(wǎng);當(dāng)采用大樣本法采集表、中層水時(shí),一般使用帶刻度的水桶等容器。沉積物樣品常見(jiàn)的采樣工具有不銹鋼勺、不銹鋼鏟、箱式采樣器等。根據(jù)研究目的的不同,選擇的工具及方法也有所差異。研究微塑料的帶狀分布可采用不銹鋼勺、鏟;分析微塑料的區(qū)域性分布情況需選擇樣方調(diào)查法; 調(diào)查微塑料的空間分布可選擇箱式采樣器。目前生物樣品的采集可分為浮游類采樣法和大型生物采樣法。浮游類采樣法一般采用垂直拖網(wǎng)或用容器采集方法獲得生物體進(jìn)行后續(xù)分析;大型生物采樣法則是通過(guò)解剖、組織切片等手段研究微塑料在生物體消化系統(tǒng)中的分布情況。

    1.2 樣品的預(yù)處理

    微塑料顆粒尺寸較小、難觀測(cè),在一定程度上限制了直接挑選法的應(yīng)用。目前常見(jiàn)的預(yù)處理方法主要有目檢法、密度分離法、過(guò)濾、篩分,酸、堿或過(guò)氧化氫消解等方法[7]。

    1.3 微塑料的定量分析與檢測(cè)

    微塑料不僅在形狀、顏色和組成等方面與環(huán)境介質(zhì)中其他組分都有所不同,而且由于其來(lái)源廣泛,不同微塑料也存在顯著差異。微塑料的分析方法大致可分為3個(gè)方面:物理形態(tài)表征、化學(xué)組分鑒定和定量分析。

    1.3.1 物理形態(tài)表征

    物理形態(tài)表征主要有微塑料顆粒的粒徑、腐蝕程度、形狀、顏色、類型和比表面積。微塑料的顏色、形狀、類型多數(shù)借助顯微鏡目測(cè)法完成,粒徑可以采用篩分、過(guò)濾等方法。而腐蝕程度、比表面積、則分別用掃描電子顯微鏡、比表面積測(cè)定儀等儀器檢測(cè)。隨著人們對(duì)分析表征結(jié)果要求的提高,立體顯微鏡等高分辨率儀器也開(kāi)始被用來(lái)確定微塑料的形態(tài)特征。

    1.3.2 化學(xué)組分鑒定

    化學(xué)組分鑒定方法最常用的是FTIR和Raman[8]。FTIR檢測(cè)的技術(shù)很成熟、快速且非常可靠,新出現(xiàn)的自動(dòng)FTIR成像可以通過(guò)一次測(cè)量快速采集一個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)千個(gè)光譜,并大大縮短分析時(shí)間。Raman來(lái)自生物、有機(jī)和無(wú)機(jī)雜質(zhì)的熒光的干擾比較大,會(huì)妨礙對(duì)微塑料的識(shí)別,樣品在分析前需要純化; 但是對(duì)于1~20μm之間的微塑料小顆粒,Raman是這種尺寸的微塑料的唯一可以識(shí)別的技術(shù)。

    1.3.3 微塑料的定量分析

    傳統(tǒng)的微塑料定量分析都通過(guò)目檢法實(shí)現(xiàn),即人工計(jì)數(shù)的方法數(shù)出微塑料顆粒數(shù)目。目檢法進(jìn)行定量分析不僅耗時(shí)、費(fèi)力,而且實(shí)際操作過(guò)程中容易出現(xiàn)失誤。近年來(lái)發(fā)展的高效定量分析方法如FTIR、Raman大大提高了微塑料定量分析的準(zhǔn)確性。當(dāng)微塑料的尺寸為幾十到幾百微米時(shí),建議將顯微分析與光譜分析相結(jié)合;如果微塑料的尺寸在幾微米的范圍內(nèi),則采用拉曼光譜。

    2 ?淡水環(huán)境中微塑料的來(lái)源途徑

    淡水環(huán)境中的微塑料的來(lái)源主要通過(guò)以下幾個(gè)途徑:污水處理廠的廢水排放、暴雨引發(fā)的下水道污水溢出、農(nóng)田內(nèi)地表徑流、水中塑料垃圾的分解、以及大氣中微塑料的沉降。當(dāng)前大多數(shù)污水處理廠沒(méi)有將微塑料定為去除目標(biāo),污水處理廠沒(méi)有有效的去除微塑料,LibiaoYang[9]等對(duì)中國(guó)最大的污水處理廠的整個(gè)處理過(guò)程中進(jìn)行了取樣,在整個(gè)處理過(guò)程中微塑料的濃度顯著降低,微塑料的最終去除率為(95.16±1.57)%。從進(jìn)水(12.03±1.29)個(gè)/L降低至最終出水的(0.59±0.22)個(gè)/L,這也意味著污水經(jīng)過(guò)污水處理廠處理之后,每天仍向水體排放近億個(gè)微塑料顆粒。在暴雨的極端天氣時(shí),污水管的污水會(huì)溢流至路面,污水中的微塑料隨地表徑流進(jìn)附近的水體,或者沿路面進(jìn)入雨水管道內(nèi)再遷移至水體中,在這種暴雨天氣條件下,陸地上的塑料垃圾也會(huì)隨地表徑流進(jìn)入水體中,在淡水環(huán)境中不斷分解成小的塑料顆粒。此外,目前農(nóng)業(yè)經(jīng)常用到農(nóng)膜,農(nóng)膜成分主要是聚乙烯,由農(nóng)膜分解形成的微塑料也會(huì)隨農(nóng)田徑流入附近水體;當(dāng)前已有學(xué)者證明了大氣中存在微米級(jí)和納米級(jí)微塑料顆粒,大氣向淡水中輸送微塑料的作用也不可忽視[10]。

    3 ?淡水環(huán)境微塑料的污染狀況

    自20世紀(jì)40年代塑料大量生產(chǎn)以來(lái),人們對(duì)塑料制品的需求不斷增長(zhǎng),致使全世界塑料的產(chǎn)量逐年增加,伴隨著塑料制品的大量使用,塑料垃圾也大量產(chǎn)生。塑料的難降解性加速了塑料在水環(huán)境中的積累[11]。目前,淡水微塑料污染狀況已日益引起關(guān)注,全世界關(guān)于淡水微塑料的報(bào)道逐漸增多。歐洲河流微塑料污染的報(bào)道最多,其次是北美洲和亞洲。在歐洲的多瑙河、萊茵河,易北河、內(nèi)卡河、塞納河和馬恩河都受到了微塑料污染;在北美洲,加拿大的圣勞倫斯河和美國(guó)芝加哥的北岸航道也發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在;在亞洲,長(zhǎng)江和漢江水體中也被報(bào)道含有微塑料。此外,關(guān)于淡水湖泊微塑料污染的報(bào)道也日益增加,因?yàn)楹纯赡苁堑鷳B(tài)系統(tǒng)中微塑料的主要匯集點(diǎn),因?yàn)樗芰纤槠赡軙?huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不斷在湖泊中積累,另一方面,由于湖泊中微塑料的儲(chǔ)量較高,可能成為下游流域的重要微塑料來(lái)源。在中國(guó)的一些重要湖泊中,例如太湖[12],洞庭湖和洪湖[13],都出現(xiàn)了微塑料污染的狀況。此外,劉淑麗[14]等對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地候鳥(niǎo)棲息地的微塑料污染情況進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查研究,水體和底泥中微塑料平均豐度分別為263.28個(gè)/m3和215.9個(gè)/kg,候鳥(niǎo)糞便中微塑料平均豐度為 4.93個(gè)/g,表明鄱陽(yáng)湖鳥(niǎo)類棲息地已經(jīng)受到了微塑料的污染,鳥(niǎo)類也無(wú)可避免的接觸到了微塑料。WenkeYuan[15]的研究結(jié)果也同樣表明了鄱陽(yáng)湖水體、沉積物、和魚(yú)類體內(nèi)普遍存在微塑料。

    4 ?微塑料在環(huán)境中的影響

    4.1 微塑料在水環(huán)境中的吸附行為

    4.1.1 原始微塑料

    微塑料具有較大的比表面積和疏水性表面的特點(diǎn),在水環(huán)境中會(huì)吸附一些疏水性污染物和重金屬離子,Roger Mamitiana Razanajatovo[16]等研究了聚乙烯微塑料在水中對(duì)磺胺甲惡唑(SMX),普萘洛爾(PRP)和舍曲林(SER)的吸附和解吸。結(jié)果表明,吸附動(dòng)力學(xué)與擬二階模型吻合良好,F(xiàn)reundlich模型能夠描述吸附等溫線,微塑料對(duì)這些污染物的吸附過(guò)程可以通過(guò)它們的疏水性作用和靜電作用來(lái)充分解釋。解吸結(jié)果表明,在48小時(shí)內(nèi),PRP和SER分別有8%和4%從微塑料中釋放出來(lái),意味著水環(huán)境中的生物攝取微塑料會(huì)對(duì)生物體內(nèi)的PRP和SER 累積具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。其他學(xué)者比如Lin-Zi Zuo[17]、Wenfeng Wang[18]都研究了微塑料對(duì)所選定的污染物在不同的pH、鹽度、溫度的情況下的吸附行為。微塑料可以對(duì)許多污染物具有強(qiáng)吸附能力,因此極大地影響環(huán)境中那些污染物的命運(yùn)、遷移過(guò)程和生物利用度。

    4.1.2 老化的微塑料

    水環(huán)境中次級(jí)來(lái)源的微塑料占絕大部分,也就是大部分微塑料是由塑料垃圾經(jīng)過(guò)風(fēng)化,紫外線暴露和其他非生物或生物因素破碎分解而來(lái)的。環(huán)境中的微塑料的老化是必然趨勢(shì),了解環(huán)境中的老化的微塑料具有重要意義。Thorsten Hüffer[19]將聚苯乙烯微塑料暴露在紫外光下,加速聚苯乙烯的老化,以模擬環(huán)境中老化的微塑料,發(fā)現(xiàn)微塑料的老化導(dǎo)致顯著的表面氧化和微小的局部微裂紋形成。Guangzhou Liu[20]等也采用紫外光照射加速聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)的老化,并對(duì)它們與親水性物質(zhì)環(huán)丙沙星(CIP)吸附作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明,老化的聚氯乙烯、聚苯乙烯微塑料對(duì)CIP的吸附容量顯著增加,老化PS和PVC對(duì)CIP的吸附能力分別比相應(yīng)的原始微塑料高出123.3%和20.4%。表明表面的含氧官能團(tuán)的產(chǎn)生讓微塑料的表面性質(zhì)發(fā)生一些變化,增大了對(duì)親水性物質(zhì)的吸附能力。將注意力部分從原始微塑料和HOC(疏水性有機(jī)化學(xué)品)轉(zhuǎn)向老化的微塑料和親水化學(xué)品是具有意義的,這對(duì)于理解水生環(huán)境中微塑料的真實(shí)影響非常重要。此外,Renske J.E.Vroom[21]等發(fā)現(xiàn)浮游動(dòng)物對(duì)老化的微塑料比原始微塑料有更高的攝取量,對(duì)老化的微塑料的偏好可歸因于生物膜的形成,因?yàn)槔匣奈⑺芰媳砻骈_(kāi)放程度更高,更易于微生物在其表面附著形成生物薄膜,這種薄膜上的微生物會(huì)分泌出一些化學(xué)分泌物,從而增加了塑料顆粒作為食物的吸引力。

    4.2 微塑料的危害

    微塑料尺寸較小,很容易被誤認(rèn)為食物被水生動(dòng)物攝取并積聚在體內(nèi),從而對(duì)周圍生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生進(jìn)一步的傳播效應(yīng)。涂燁楠[22]等發(fā)現(xiàn)淡水湖泊中的輪蟲(chóng)、枝角類和橈足類浮游動(dòng)物能夠攝取粒徑為0.1μm、1.0μm的聚苯乙烯微球,在長(zhǎng)期存在微塑料的環(huán)境中浮游生物的增長(zhǎng)率顯著降低。這是因?yàn)殡y以消化的微塑料不僅可以填滿動(dòng)物的胃,還會(huì)導(dǎo)致虛假的飽食感,導(dǎo)致浮游動(dòng)物最終死亡。已有研究表明微塑料對(duì)近江牡蠣及一些水生魚(yú)類的早期生長(zhǎng)和應(yīng)激反應(yīng)也存在著不利影響。在微塑料生產(chǎn)過(guò)程中,為改善塑料性能和提升其耐熱性,常添加多種類型的添加劑,在水環(huán)境中的微塑料進(jìn)一步裂解時(shí)可能會(huì)釋放出這些有害的增塑劑,比如雙酚A,雙酚A已被證實(shí)與肥胖、心血管疾病、生殖障礙和乳腺癌有關(guān)。Zhi-lin Zhu[23]等發(fā)現(xiàn)微塑料吸附三氯生之后相比單獨(dú)的微塑料顆粒對(duì)微藻的生長(zhǎng)影響更大,這是因?yàn)槲⑺芰吓c吸附的污染物一起被生物攝取時(shí)毒性更大,可能會(huì)引起炎癥和免疫損傷而導(dǎo)致生物死亡。

    5 ?微塑料的降解

    微塑料在環(huán)境中的不斷積累造成了生態(tài)威脅,并且在全世界范圍內(nèi)成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。SH Fauziah[24]從馬來(lái)西亞半島的紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)中篩選出芽孢菌株,將它放置在含有不同聚合物作為唯一碳源的合成培養(yǎng)基上生長(zhǎng),40d后蠟狀芽孢桿菌對(duì)PE、PET、和PS質(zhì)量損失百分比分別為1.6%,6.6%和7.4%。此外,細(xì)菌Ideonella sakaiensis 201-F6也可以將PET作為生長(zhǎng)的唯一能量和碳源;alerion maritimum 真菌可以在測(cè)試條件下也可以減少PE顆粒的質(zhì)量和大小,這些都表明了天然存在的真菌可以降解微塑料的可能性。光催化降解微塑料也是一種有前景的方法,Maria CamilaAriza-Tarazona[25]使用基于蛋白質(zhì)的多孔N-TiO2半導(dǎo)體的綠色光催化降解微塑料,N-TiO2材料具有促進(jìn)固體和水性環(huán)境中微塑料的質(zhì)量損失的優(yōu)異能力,在18h內(nèi)對(duì)高密度聚乙烯微塑料的質(zhì)量損失達(dá)6.4%。光催化降解微塑料的研究需要深入研究并適用于生活污水處理廠,從而可以消減微塑料進(jìn)入水體。

    6 ?結(jié)語(yǔ)

    迄今為止大多數(shù)關(guān)于微塑料的問(wèn)題都集中在海洋環(huán)境上,不過(guò)已經(jīng)有大部分學(xué)者將注意力轉(zhuǎn)移到了淡水環(huán)境中。微塑料作為一種新的污染物,當(dāng)前已經(jīng)研究了在淡水環(huán)境中它們的來(lái)源,污染狀況,吸附和解吸機(jī)制,生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)以及降解方法,對(duì)微塑料已經(jīng)有了一個(gè)比較全面的認(rèn)識(shí)。值得注意的是,淡水環(huán)境中的微塑料去除困難,這使得微塑料的源頭控制和微塑料進(jìn)入水體的途徑控制極為重要,為減輕淡水環(huán)境微塑料的污染,我們必須減少來(lái)自內(nèi)陸的投入。此外,淡水環(huán)境中的微塑料會(huì)不斷老化分解成更小的塑料顆粒;而且環(huán)境中污染物是以混合物的形式存在,微塑料可能會(huì)同時(shí)吸附這些污染物,之后被水生生物攝取后會(huì)造成復(fù)雜的毒性,這需要對(duì)微塑料的毒理學(xué)效應(yīng)進(jìn)一步研究,同時(shí),迫切需要一種有前景的、能夠?qū)⑽⑺芰嫌行Ы到獾姆椒ā?/p>

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