陵水新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料賦存特征

王 帥,史云峰,王 慧,趙牧秋,韓秋影

(海南熱帶海洋學(xué)院 a.海南省現(xiàn)代化海洋牧場工程研究中心；b.熱帶海洋生物資源利用與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.生態(tài)環(huán)境學(xué)院，海南 三亞572022)

0 引言

塑料制品極大地方便了人們的生產(chǎn)和生活[1]，然而，塑料材質(zhì)耐腐蝕難降解，在陸地和海洋環(huán)境中會(huì)持續(xù)積累。有研究人員估算，到2050年全球塑料垃圾將會(huì)增長到近120億噸[2]。大型塑料破碎形成的微型塑料所造成的生態(tài)環(huán)境隱患也逐漸引起了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。微塑料(Microplastics)是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒或碎片。海洋中的塑料垃圾也會(huì)在風(fēng)浪、太陽輻射及(微)生物的復(fù)雜作用下逐漸剝蝕、破碎和分解，粒徑由大變小，進(jìn)而形成微塑料[3]。海洋微塑料顆粒細(xì)小、形態(tài)多樣、顏色豐富，可能會(huì)被海洋動(dòng)物所誤食進(jìn)而影響其生長和發(fā)育；由于微塑料具有較大的比表面積和較強(qiáng)的疏水作用，因此可對多種有機(jī)和無機(jī)污染物產(chǎn)生強(qiáng)烈的富集作用[4]；同時(shí)，塑料生產(chǎn)過程中添加的多種化學(xué)物質(zhì)又可緩慢釋放，對海洋環(huán)境和生物產(chǎn)生毒害作用[5]。鑒于此，有關(guān)微塑料的研究也越來越廣泛和深入。

環(huán)境中的塑料垃圾和微塑料主要來源于人類活動(dòng)，因此，人口聚集和活動(dòng)頻繁的區(qū)域通常也是微塑料污染物豐度較高的區(qū)域。陵水縣新村灣作為傳統(tǒng)的漁業(yè)養(yǎng)殖基地，在海南省水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)中占有重要地位[6]。新村灣內(nèi)人口密集，漁業(yè)、旅游、海上交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)；加之該海灣是一個(gè)受控于潮汐的弱水動(dòng)力條件的潟湖灣，灣內(nèi)污染物難以向外海擴(kuò)散，導(dǎo)致其可能成為微塑料污染的聚集區(qū)。但截至目前，有關(guān)陵水新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)海水微塑料賦存特征的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)為研究對象，重點(diǎn)調(diào)查該區(qū)域表層海水微塑料的空間分布、形態(tài)、粒徑、顏色、材質(zhì)等特征，以期為全面、深入了解潟湖海灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)微塑料污染現(xiàn)狀提供依據(jù)，同時(shí)也為潟湖水體微塑料污染管控及發(fā)展生態(tài)健康的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)提供支撐。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域與站位

新村灣位于海南省陵水黎族自治縣東南部(18°24'～18°27'N，109°57'～110°02'E)，南北寬約4 km，東西長約6 km，面積為22.6 km2(圖1)。新村灣通過西側(cè)的狹長潮汐汊道與南海相通，是水體交換能力較差的天然潟湖海灣，潮汐類型為不規(guī)則全日潮[7]。灣內(nèi)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)在海南省漁業(yè)產(chǎn)業(yè)中占有重要地位，每年有近1 000 t的海產(chǎn)品產(chǎn)出。目前，灣內(nèi)有網(wǎng)箱漁排近570戶、船只約2 700艘，穩(wěn)定從事漁業(yè)生產(chǎn)的人口約5 500人[8]，3萬余畝潟湖區(qū)的漁排主要于狹長的潮汐汊道及附近區(qū)域密集分布。同時(shí)，位于灣內(nèi)的新村港是國家一級良港；潟湖南側(cè)的南灣猴島是海南省著名的旅游地；潟湖周圍分布著眾多岸基水產(chǎn)養(yǎng)殖場及濱海農(nóng)業(yè)基地。

本研究共設(shè)7個(gè)采樣站位，分別為S1～S7(圖1)。其中S1位于潮汐汊道與外海連接處；S2位于新村碼頭附近，同時(shí)它也是養(yǎng)殖、旅游、餐飲等活動(dòng)最為密集的區(qū)域；S3和S4為位于潮汐汊道靠近潟湖側(cè)的兩個(gè)站位；S5位于潟湖邊緣、汊道頂端；S6、S7為潟湖內(nèi)部的兩個(gè)采樣站位。采樣時(shí)間為2021年7月5日15:00～18:00。

圖1 調(diào)查區(qū)域及采樣站位分布

1.2 樣品采集與處理

在距漁排邊緣1 m的位置，用不銹鋼采水器采集5 L表層(20 cm)海水，收集于容積5 L的玻璃瓶中，每個(gè)站位采集3個(gè)樣本。玻璃瓶用軟木塞蓋住，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后，立即用0.65 μm的混合纖維素膜抽濾。抽濾完成后，將濾膜放入100 mL燒杯中，加入20 mL濃度為30%的過氧化氫對微塑料表面的生源有機(jī)物進(jìn)行消解，并加入0.5 mL的FeCl2溶液(0.25 mol·L-1)和幾滴鹽酸以增強(qiáng)消解效果。輕輕搖晃混勻后靜置過夜，取出濾膜并用超純水仔細(xì)沖洗干凈，然后將燒杯中的溶液再次抽濾到0.65 μm的混合纖維素膜上。抽濾完成的濾膜置于玻璃培養(yǎng)皿中烘干待測。

1.3 微塑料的分析與鑒定

將待測微塑料的濾膜放置于Stemi508體式顯微鏡(ZEISS)下，結(jié)合AxioCama和配套圖像分析系統(tǒng)測量及記錄微塑料粒徑、形狀、顏色等特征參數(shù)。使用DXR2共聚焦顯微拉曼光譜儀(Thermo Fisher)，在波長532 nm、拉曼位移400～3 444 cm-1條件下，對濾膜上的微塑料進(jìn)行材質(zhì)鑒定。

在微塑料的處理和鑒別過程中穿棉質(zhì)實(shí)驗(yàn)服，戴一次性丁腈手套；實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保持整潔干凈，使用的工具和儀器均避開塑料材質(zhì)，以減少環(huán)境中的微塑料對分析和鑒定造成誤差影響。

1.4 數(shù)據(jù)分析

表層海水中微塑料的豐度以單位體積海水中含有的微塑料顆粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單位為n·L-1。采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同站位海水樣本微塑料豐度采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，選用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較(α=0.05)。使用Excel 2010和ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 微塑料的豐度與空間分布

如圖2所示，陵水新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)不同采樣站位(S1～S7)表層海水中均能檢測到微塑料存在，豐度為3.4～8.4 n·L-1，平均豐度(AVE)為5.2 n·L-1。豐度最低的是位于潟湖內(nèi)部的S6站位(3.4 n·L-1)，顯著(P<0.05)低于所有站位的平均豐度(AVE)。在所有采樣站位中，位于潮汐汊道與外海連接處的S1、位于潮汐汊道靠近潟湖側(cè)的S3和S4，以及位于潟湖內(nèi)部的S7微塑料豐度(4.1～4.9 n·L-1)接近平均豐度(AVE)。而新村碼頭附近的S2(7.5 n·L-1)和潟湖邊緣、汊道頂端的S5(8.4 n·L-1)微塑料豐度最高，顯著(P<0.05)高于其他5個(gè)站位。

圖2 各站位微塑料豐度

2.2 微塑料的形狀特征

經(jīng)體視顯微鏡對微塑料樣品的觀察表明，陵水新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水中微塑料的形狀比較多樣，但總體上可歸并為纖維、泡沫、碎片、顆粒和薄膜5類。如圖3所示，在5種形狀的微塑料中，纖維狀占比最高(41.5%)，其次為泡沫狀(27.7%)。在所有站位中都檢測到了纖維狀、碎片狀和薄膜狀微塑料，后兩者在各站位的平均占比分別為17.3%和6.2%。S1站位未檢測到泡沫狀微塑料；S6站位未檢測到顆粒狀微塑料。纖維狀微塑料在S1、S2和S3站位樣品中所占比例較高；泡沫狀微塑料在S4、S5和S6站位樣品中所占比例較高；而碎片狀微塑料在S7站位樣品中所占比例較高。同時(shí)分析還發(fā)現(xiàn)，纖維狀微塑料占比有從灣口向內(nèi)逐漸降低的趨勢。

圖3 各站位微塑料形狀比例

2.3 微塑料的粒徑特征

從圖4可以看出，陵水新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料粒徑以小于2 000 μm為主。其中：粒徑小于1 000 μm的微塑料在各站位占比36.8%～74.8%，平均為60.8%，S6站位最低，S7站位最高。1 000～2 000 μm的微塑料在各站位占比9.6%～42.2%，平均為18.8%，S3站位最低，S6站位最高。粒徑為2 000～3 000 μm的微塑料在S4站位占比(25.1%)明顯高于其他站位(0～11.4%)。另據(jù)分析可知，隨著粒徑的增大，微塑料的占比呈急劇降低趨勢。

圖4 各站位微塑料粒徑比例

2.4 微塑料的顏色特征

新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水中微塑料顏色非常多樣，共檢出藍(lán)、紅、綠、黃、黑、白、灰、透明等8種顏色，顏色辨別困難的歸并為其他顏色。如圖5所示，白色、透明和藍(lán)色是新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料的主要顏色，分別占微塑料總數(shù)的34.5%，30.5%和14.2%，其他顏色微塑料占比均低于10%。淺色系微塑料(白色和透明)最多，在各采樣站位合計(jì)占比30.0%～78.9%，平均為64.9%。S1、S2和S3站位透明微塑料占比明顯高于其他站位，而S4、S5和S6站位則以白色微塑料為主，只有S7站位以藍(lán)色微塑料占比最高。

圖5 各站位微塑料顏色比例

對不同形狀微塑料的顏色進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)(圖6)，纖維和碎片狀微塑料的顏色最為豐富，顆粒狀微塑料主要是藍(lán)色和綠色，泡沫狀微塑料主要是白色，薄膜微塑料均為透明。同時(shí)分析可知，透明微塑料廣泛存在于薄膜、纖維和碎片狀微塑料中。

圖6 不同形狀微塑料顏色比例

2.5 微塑料的材質(zhì)特征

經(jīng)鑒定，共有聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚苯乙烯(Polystyrene，PS)、聚丙烯(Polypropylene，PP)、聚酯纖維 (Polyester，PET)、聚酰胺(Polyamide，PA)和不飽和聚酯樹脂(Unsaturated Polyester Resin，UPR)等6種材質(zhì)。其中，PE、PS和PP三種材質(zhì)(圖7 A1～A3)微塑料占比較高，分別達(dá)到55.7%、22.9%和13.6%，其他材質(zhì)微塑料占比均低于5.0%(圖7 B)。

圖7 典型微塑料樣品拉曼光譜(A1～A3)及不同材質(zhì)微塑料比例(B)

3 討論

3.1 新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料的豐度與空間分布

海洋表層水中微塑料的賦存狀況直接受人類活動(dòng)的影響，同時(shí)也會(huì)受到諸如氣候和水文[9]、風(fēng)浪和潮流[10]等自然因素的影響。本研究結(jié)果表明，新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料的豐度為3.4～8.4 n·L-1，最低點(diǎn)S6位于潟湖內(nèi)部，最高點(diǎn)S5位于潟湖邊緣、狹長潮汐汊道的頂端(圖2)。有研究表明，與外海相通在一定程度上會(huì)稀釋潟湖中污染物的濃度，從近岸到外海微塑料豐度有逐漸降低的趨勢[11]198。本研究潟湖口(S1)的微塑料豐度(4.9 n·L-1)略低于各站位的平均值(5.2 n·L-1)，其原因可能與該站位與外海相接有關(guān)。S6和S7站位微塑料豐度也較低，這可能與這兩個(gè)站位靠近廣闊的潟湖內(nèi)部水域，水流擴(kuò)散性較好有關(guān)。Wang等[12]和Iwasaki 等[13]85的研究結(jié)果表明，人類活動(dòng)頻繁的地方會(huì)產(chǎn)生更多的次生微塑料，而水動(dòng)力差的地方更易于微塑料的積累。本研究檢測到表層海水微塑料豐度較高的站位分別是S2和S5，前者位于新村碼頭附近，同時(shí)也是養(yǎng)殖、旅游、餐飲等人類活動(dòng)最為密集的區(qū)域，后者位于潟湖邊緣、汊道頂端的弱水動(dòng)力區(qū)域，再次證明了上述觀點(diǎn)的正確性。

陵水新村灣已經(jīng)有近40年的水產(chǎn)養(yǎng)殖歷史[14]，灣內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)靠近城鎮(zhèn)、港口和旅游區(qū)，其表層水微塑料豐度較高是可以預(yù)測的。如表1所示，通過對比不難發(fā)現(xiàn)，新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料豐度略低于桑溝灣[11]198和佛羅里達(dá)州蚊子潟湖[15]，與萬寧小海[16]159、四十里灣[17]1、茅尾海[18]62等海區(qū)相當(dāng)，略高于祥云灣[19]和膠州灣[20]，遠(yuǎn)高于錦州灣[21]、象山灣[22]、海州灣[23]16和西普諾Sarikum潟湖[24]1431。

表1 部分海灣、潟湖表層海水微塑料豐度

3.2 新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料的形態(tài)特征

本研究結(jié)果表明，新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水中共發(fā)現(xiàn)5種形狀的微塑料，分別為纖維(41.5%)、泡沫(27.7%)、碎片(17.3%)、顆粒(7.3%)和薄膜(6.2%)，其中纖維、泡沫和碎片的比例最高(圖3)，這與張欽洲等[16]163和Zhou等[25]的研究結(jié)果基本一致。纖維狀微塑料是近海環(huán)境中含量最為豐富的微塑料類型之一[26]。細(xì)小的纖維(如腈綸紡織衣服)極容易脫落、破碎[27]，大量纖維狀微塑料通常會(huì)隨水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水和附近城鎮(zhèn)居民排放的生活污水進(jìn)入到附近海灣[28]165。同時(shí)，碎片、顆粒和纖維狀微塑料也可能會(huì)由水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中使用的大體積塑料(如浮漂、網(wǎng)具、編織袋、棚膜等)破碎而形成。泡沫狀微塑料材質(zhì)主要是PS，與網(wǎng)箱養(yǎng)殖所使用的泡沫浮子恰好對應(yīng)，應(yīng)該是這些浮力材料在長期光照、摩擦等作用下降解分裂形成。

本研究中，絕大多數(shù)的微塑料粒徑都小于2 000 μm(圖4)，這與針對其他生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果基本類似[13]95,[18]67,[23]20。有研究表明，這種小粒徑的微塑料很容易被海洋生物攝取[29]；也有研究認(rèn)為，水體中較大粒徑的微塑料更容易沉降到沉積物中，而小粒徑的微塑料則更容易存留于水體中并傳播到更遠(yuǎn)的地方[30]。

塑料的材質(zhì)和價(jià)格影響著其受眾。本研究的各采樣站位幾乎都含有PE、PP和PS材質(zhì)的微塑料(圖7)，這與其他研究的結(jié)果基本一致[13]95,]17]6,[19],[24]1440。究其原因，一方面是因?yàn)檫@幾種材質(zhì)的塑料制品性能可靠、價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中。比如PP是全球產(chǎn)量最高的塑料產(chǎn)品之一[31]，新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)有大量PP材質(zhì)的飼料袋和包裝袋用于餌料的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。另一方面，較低的密度使其能夠長期存在于海水表層。PE和PP的密度(范圍為0.89～0.91 g·cm-3)略低于海水密度(范圍為1.02～1.07 g·cm-3)；發(fā)泡PS密度則更低，主要用于制造浮力材料。值得一提的是，在海水中這些低密度材料的表面可能逐漸會(huì)被藻類、細(xì)菌等生物所附著，形成表面生物膜，使其顆粒平均密度逐漸增大，進(jìn)而下沉并進(jìn)入海洋沉積環(huán)境[32]。除上述三種材質(zhì)外，本研究還發(fā)現(xiàn)了少許其他材質(zhì)的微塑料，比如UPR是常用油漆的原料，新村灣中2 700多艘船的防水防曬正需要大量油漆。

通過對新村灣水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)表層海水微塑料顏色分布的研究發(fā)現(xiàn)，淺色系(白色和透明)微塑料占比最高，其中泡沫狀微塑料幾乎全為白色，薄膜狀微塑料幾乎全為透明，白色和透明在纖維中所占比例也較大(圖5、圖6)。漁排浮力材料光解產(chǎn)生的PS顆?？赡苁前咨⑺芰系闹饕獊碓矗鴿O民常用的透明塑料袋、棚膜和半透明編織袋可能是透明微塑料的主要來源。另外，漂浮在海面上的塑料垃圾也會(huì)因太陽光的直接照射發(fā)生光氧化而逐漸褪色，導(dǎo)致一些有色塑料顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o色或透明。引人關(guān)注的是，一些研究表明某些水生動(dòng)物的取食傾向與微塑料的顏色相關(guān)[33]，它們特別偏愛把顏色鮮艷或者與食物顏色相近的塑料當(dāng)作食物[34]，進(jìn)而造成對自身乃至整個(gè)食物網(wǎng)和生態(tài)系統(tǒng)的不利影響[28]176。

(責(zé)任編輯：李由明)