春季烏梁素海水體微塑料分布特征及影響因素

王志超，楊建林，楊帆，李衛(wèi)平，楊文煥

（內(nèi)蒙古科技大學能源與環(huán)境學院，包頭 014010）

塑料產(chǎn)品因質(zhì)量輕、成本低和經(jīng)久耐用等特點已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應用[1]，據(jù)統(tǒng)計，全球每年塑料產(chǎn)量超過3×108t，并呈現(xiàn)穩(wěn)步增長的趨勢[2]。然而，使用后的塑料在進入水土環(huán)境后會在風化、紫外線照射和生物降解等共同作用下破碎化為更小的顆?；蛩槠?，其中尺寸<5 mm 的塑料碎片被定義為“微塑料”[3?4]。通常微塑料可以根據(jù)來源分為初級微塑料和次級微塑料[5]，初級微塑料主要指通過河流和污水處理廠排放到水環(huán)境中的工業(yè)產(chǎn)品，如化妝品和牙膏中的塑料顆粒，次級微塑料主要由較大的廢棄塑料在紫外線輻射、風力、水流剪切力等作用下分解而成[6]。目前，微塑料污染已越來越受到國內(nèi)外學者的重視，并已演變成為全球性環(huán)境問題[7?10]；特別是由于密度輕和體積小等原因，微塑料在進入水體后很容易被生物誤食并引起生物腸道磨損和堵塞等問題。已有研究顯示，水體中的浮游動物、無脊椎動物、魚類和海鳥、哺乳動物體內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在[11?14]。此外，微塑料生產(chǎn)過程中加入的各種添加劑可能會進一步危害野生動物，導致更嚴重的傷害，甚至通過食物鏈傳遞，最終對人類健康構(gòu)成威脅[15]。

近年來，我國微塑料污染問題受到日益關(guān)注，目前已經(jīng)在鄱陽湖[16]、西藏湖泊[17]、洞庭湖[4]、洪湖[4]、珠江[7]、太湖[18]、渭河[8]等多地發(fā)現(xiàn)不同程度的微塑料污染。然而，我國對微塑料的研究大多集中在東南地區(qū)，而對西北地區(qū)的研究較少。烏梁素海位于中國西北部，是世界上同緯度最大的濕地，同時也是當?shù)刂匾囊吧鷦游飾⒌睾吐糜问杖氲膩碓碵19]。然而，周邊地區(qū)經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，帶來了農(nóng)用塑料薄膜廢棄物問題，烏梁素海水體中的微塑料污染也日趨嚴重[20]。WANG 等[20]于2018年10月對烏梁素海表層水中微塑料研究的結(jié)果表明，烏梁素海微塑料豐度范圍為（1.76±0.71）~（10.12±4.09）個·L?1，相較于國內(nèi)其他地區(qū)屬于中等水平，其微塑料以有色顆粒為主，纖維為湖中微塑料的主要類型，此外，80%以上的微塑料尺寸<2 mm。MAO 等[21]于 2019 年 5 月對烏梁素海表層水中微塑料污染問題進行了調(diào)查研究，其結(jié)果也表明，微塑料豐度范圍為3.12~11.25 個·L?1，<2 mm 的微塑料占微塑料總量的98.2%，纖維為微塑料的主要類型。水體中微塑料的分布與季節(jié)交替有著密切關(guān)系，如在Goyana 河口，中層水中的微塑料豐度在雨季高于表層水[22]。呂雅寧[23]的研究結(jié)果表明，枯水期贛江水體中的微塑料豐度明顯高于豐水期，說明降水對微塑料豐度有一定的稀釋作用。烏梁素海在河套灌區(qū)灌排系統(tǒng)中有著承上啟下的作用，灌區(qū)內(nèi)90%以上的農(nóng)田退水經(jīng)烏梁素海進入黃河[24]，受農(nóng)田退水影響，每年10 月烏梁素海水量急劇增加，而11 月烏梁素海進入冰封期，湖泊開始結(jié)冰，直到翌年3—4 月融化，水體中的污染物分布特征也因而產(chǎn)生變化。然而，WANG 等[20]和 MAO 等[21]僅對烏梁素海表層水和單一季節(jié)的微塑料分布特征進行了研究，而忽略了不同水層中微塑料的分布差異和季節(jié)變化，特別是冰封期對湖泊水體中微塑料分布特征產(chǎn)生的影響，因此本文針對前期研究的不足，對烏梁素海不同季節(jié)、不同方向微塑料分布差異進行對比分析，研究春季烏梁素海水體中微塑料空間分布特征及其影響因素，進而提供更加全面的數(shù)據(jù)和理論支撐，也可為今后烏梁素海微塑料污染的綜合治理奠定重要的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及取樣點分布

烏梁素海（40°36′~41°03′N，108°43′~108°57′E）是中國八大淡水湖之一，是中國西北河套灌區(qū)排灌系統(tǒng)不可或缺的組成部分，同時也是世界上沙漠和半沙漠地區(qū)為數(shù)不多的濕地湖泊之一[25]。烏梁素海主要接收來自總排干、第八和第九排水渠道的農(nóng)田灌溉退水以及生活污水和工業(yè)廢水[26]。綜合考慮取樣安全性及烏梁素海水動力特征、水生植物、入出湖口等分布特點，本研究于2019年4月（春季）對烏梁素海上游（Y1、Y2、Y3、Y4）、中游（Y5、Y6、Y7、Y8、Y9）和下游（Y10、Y11、Y12）的12 個采樣點進行水樣采集工作，采樣點的位置由GPS 確定（圖1）?？紤]到烏梁素海的平均水深為1.8 m，采集位置靠近底層可能導致樣品中含有沉積物從而影響研究結(jié)果，故在每個采樣點采集表層水樣品（0~0.2 m）和中層水樣品（0.8~1.0 m）。使用充電式自吸泵分別于每個采樣點抽取20 L表層和中層水樣，每次取樣完成后使用超純水清洗水泵。在每個取樣點以同樣的方式采集3 份水樣。試驗分析前，樣品保存在4 ℃的環(huán)境中。

1.2 樣品制備與分析

為便于微塑料的分離鑒定，在進一步分析之前需要對采集的樣品進行濃縮和消解處理。首先使用孔徑為0.45μm 的不銹鋼篩過濾樣品，過濾完成后使用超純水沖洗不銹鋼篩，收集篩上物質(zhì)于玻璃燒杯中，然后向燒杯中加入100 mL 30%的H2O2溶液，使用錫箔紙封口后，在室溫下消解24 h，以消解樣品中的有機物質(zhì)。樣品經(jīng)消解后使用玻璃砂芯過濾器（天津津騰T?50）抽濾，濾膜采用孔徑為0.45μm 的玻璃纖維素濾膜。抽濾完成后，將濾膜放置在45 ℃真空干燥箱中干燥。使用蔡司顯微鏡（Axio Scope A1，德國）觀察干燥濾膜并計數(shù)。濾膜上所有可疑的微塑料顆粒都被挑出，然后放置在干凈的濾膜上并做好標記。激光共聚焦顯微鏡（Olympus，OLS4000）用于測定微塑料更具體的形態(tài)特征，如顏色和大小等，并在記錄放大率和測量顆粒尺寸的過程中收集典型微塑料的圖像。傅里葉變換紅外光譜（FTIR）用于分析微塑料樣品的官能團，確認其成分組成。利用傅里葉變換紅外光譜的衰減全反射模式對所有可疑的微塑料顆粒進行成分識別，從而保證結(jié)果的準確性。

1.3 質(zhì)量保證和控制

為保證試驗結(jié)果的準確性，試驗及取樣過程中穿戴棉質(zhì)衣物和一次性丁腈手套，研究中的試驗用水均使用孔徑為0.45μm 的玻璃纖維濾膜過濾3次。試驗過程中避免使用塑料儀器，所有的玻璃容器須經(jīng)過450 ℃熱處理后才可以使用。保持室內(nèi)環(huán)境及試驗臺清潔，以減少空氣中的纖維對試驗結(jié)果所造成的影響。共設(shè)置3組空白對照，空白樣品為20 L 經(jīng)與試驗水樣相同處理后的超純水，檢測發(fā)現(xiàn)空白樣品中微塑料數(shù)量極少，表明試驗過程中質(zhì)量保證與控制效果較好，外界環(huán)境對試驗結(jié)果的影響極小。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理，Arcgis、Origin 2017軟件進行分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 春季烏梁素海水體微塑料的空間分布特征

通過立體顯微鏡初步檢測并使用傅里葉紅外光譜儀對不確定的顆粒進行確認，結(jié)果表明，在烏梁素海12 個取樣點的水樣中共檢測到微塑料顆粒4 715個，其中表層2 722個，中層1 993個，各取樣點的微塑料豐度分布如圖2 所示。在通過傅里葉紅外光譜儀對疑似微塑料顆粒的鑒定過程中，所檢測的258 個疑似顆粒最終有201 個被確定為微塑料，鑒定成功率為77.9%。總體上，烏梁素海水體中微塑料豐度范圍為（4.7±1.5）~（16.8±4.0）個·L?1，平均豐度為（9.8±1.2）個·L?1。水平分布表明，微塑料豐度呈現(xiàn)從上游到下游逐漸增加的趨勢，同一區(qū)域越靠近排干渠入口，微塑料豐度越高。如在烏梁素海上游的4 個采樣點中，位于主排干入口附近的 Y2（9.0±1.6 個·L?1）和 Y3（11.6±2.2 個·L?1）點，微塑料豐度均高于距離較遠的Y1（6.1±1.5 個·L?1）和 Y4（8.9±1.1 個·L?1）點；在烏梁素海中游，由于附近有小型水流匯入，Y6 點（13.7±0.6 個·L?1）的微塑料豐度遠高于其他采樣點。通過對比湖水結(jié)冰前和湖冰蓋融化后微塑料的分布特征發(fā)現(xiàn)，兩個時期微塑料的豐度分布呈現(xiàn)出兩種截然不同的分布趨勢，湖水結(jié)冰前微塑料豐度明顯低于湖冰蓋融化后。此外，通過對每個采樣點不同深度水層中微塑料的豐度值進行分析發(fā)現(xiàn)，表層水體中的微塑料豐度普遍高于中層。表層微塑料豐度范圍為4.8~19.0 個·L?1，平均豐度11.3±1.5 個·L?1，中層微塑料豐度范圍為4.6~16.3 個·L?1，平均豐度8.3±0.9 個·L?1。在烏梁素海上游、中游和下游，表層水體中的微塑料平均豐度分別比中層水體高30.0%、35.5%和14.1%，表層水中微塑料的豐度為中層水的1.0~2.6 倍，其中Y2點在所有采樣點中最為明顯。不同深度水層微塑料最大豐度出現(xiàn)在Y6 點的表層，平均豐度為19.0±1.5 個·L?1，微塑料最小豐度值出現(xiàn)在Y5點的中層，平均豐度為4.6±0.6 個·L?1。

2.2 春季烏梁素海微塑料的形態(tài)特征

烏梁素海中微塑料的形貌特征豐富多樣（圖3）。湖水中微塑料的類型主要包括纖維類、碎片類和薄膜類，3 種類型的微塑料數(shù)量比例為41%、42%和17%。其中碎片類微塑料占比最大，在表層和中層分別達到46.6%和53.4%，其次是纖維類微塑料，分別占比66.4%和33.7%，而薄膜類微塑料占比則較小（圖4a）。不同水層中微塑料的顏色分布沒有顯著差異，微塑料的顏色主要為透明、黑色、紅色、藍色和綠色，其中表層占比分別為51.4%、32.4%、8.7%、7.3%和0.2%，中層為58.4%、30.6%、5.6%、5.2%和0.2%（圖4b）。圖4c為湖泊中微塑料的尺寸分布特征，其尺寸分為6 類：0.045~0.5、0.5~1、1~2、2~3、3~4 mm 和4~5 mm。烏梁素海中微塑料的大部分顆粒尺寸小于3 mm（91.6%），其中尺寸為0.045~0.5 mm 的微塑料比例最高（35.3%），而粒徑為4~5 mm 的微塑料比例最低（2.4%），并且隨著微塑料顆粒尺寸的增加而顯示出顯著的下降趨勢（P<0.05）。微塑料在不同水層中的粒徑分布也有所不同，表層水體中微塑料各粒徑（尺寸由小到大）占比分別為32.5%、29.8%、20.7%、11.2%、3.4%和2.4%，中層分別占比為27.5%、20.2%、21.3%、15.8%、8.6%和6.6%，這主要與微塑料的沉降和遷移運動有關(guān)。使用傅里葉變換紅外光譜儀測定微塑料的成分組成，結(jié)果表明在烏梁素海中共發(fā)現(xiàn)3種類型的合成聚合物（圖5）：聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），其中PE（58%）占主導地位，其次是PS（27%）和PET（15%）（圖4d）。垂直分布結(jié)果表明，表層水中PE、PS和PET的占比分別為60.1%、31.3% 和8.6%，中層占比則分別為55.6%、30.7%和13.7%。

3 討論

3.1 春季烏梁素海水體微塑料水平分布影響因素

烏梁素海水體中微塑料平均豐度9.8±1.2 個·L?1。相較于其他淺水湖泊，烏梁素海水體中微塑料豐度處于中等水平，如太湖水體中微塑料平均豐度為3.4~25.8 個·L?1，微塑料類型為玻璃纖維紙（Cellophane）、PE、PET、聚丙烯（PP）等，其中Cellophane 為最常見的類型[18]；洞庭湖表層水體中微塑料平均豐度為0.9~2.8 個·L?1，微塑料類型為 PE、PP、PS、聚氯乙烯（PVC），其中 PE 和PP 為最常見的類型[4]。而相較于深水湖泊，烏梁素海水體中微塑料豐度處于較高水平，如北美五大湖流域[27]，微塑料平均豐度為4.3×104個·km?2；洪湖表層水中微塑料平均豐度為1.2~4.6個·L?1[4]。因此，相對于微塑料成分類型較多的其他淡水湖泊，烏梁素海中微塑料的來源可能較少。烏梁素海中微塑料主要以纖維和碎片為主，其中小于2 mm 的微塑料豐度最高，與 MAO 等[22]和 WANG 等[21]對烏梁素海微塑料賦存特征的研究結(jié)果相似。微塑料成分分析結(jié)果表明，微塑料的聚合物組成主要包括PE、PS 和 PET 3 種，與 WANG 等[20]對該區(qū)域微塑料主要成分的研究結(jié)果一致，但與MAO 等[21]的研究結(jié)果有較大差異，在MAO 等的研究中，微塑料的主要成分為 PS、PP、PE 和 PVC，其中 PS 和 PE 占比最高。其原因主要有兩個方面：一是取樣時間不同，本研究取樣時間為冰蓋完全融化初期，此時湖泊水力條件較差，水流較弱，PVC和PET等密度較大的微塑料在冰封期內(nèi)已逐漸沉降至湖底，導致其在表層水中含量極少。二是取樣密度不同，MAO 等將烏梁素海分為4 個區(qū)域，共采集了27 個樣點的樣品（包括小海子），而本研究中則以烏梁素海主海為研究對象，共采集了12 個樣點的樣品。雖然MAO 等[21]的采樣密度已經(jīng)足夠高，但在其結(jié)果中也會缺少PET 這一重要成分，說明烏梁素海不同時期湖中的微塑料差異較大，因此今后可通過頻率更高的長期監(jiān)測，得到更加全面的微塑料污染數(shù)據(jù)。

內(nèi)陸淡水湖泊是微塑料的重要賦存介質(zhì)[27]，烏梁素海水體主要由當?shù)毓喔然亓?、農(nóng)業(yè)徑流、漁業(yè)、生活污水和工業(yè)廢水組成[28]。在湖泊不同采樣點和水層采集的微塑料樣品呈現(xiàn)出類型復雜、來源多樣的特點。排水渠入口附近的微塑料平均豐度明顯高于其他區(qū)域，且離入口越遠，微塑料的平均豐度越低。具體而言，在主排干入湖口附近Y2 點（9.0±1.6 個·L?1）和Y3 點（11.6±2.2 個·L?1）的微塑料豐度高于距離主排干入湖口較遠的 Y1 點（6.1±1.5 個·L?1）和 Y4 點（8.9±1.1 個·L?1）。研究表明，河流輸入在自然環(huán)境的微塑料污染中起著重要作用[29?31]。河套灌區(qū)每年10月開始秋澆灌水，大量黃河水被引入灌區(qū)進行農(nóng)田澆灌，然后經(jīng)烏梁素海退入黃河[32]，而11 月開始進入冰封期，直到翌年3—4 月結(jié)束。已有研究表明，河套灌區(qū)排干內(nèi)的生活污水、工業(yè)廢水及農(nóng)田退水是烏梁素海微塑料的主要來源，烏梁素海微塑料的分布從上游到下游呈下降趨勢[20，32]。然而，湖水的凍融過程可能會導致湖泊中微塑料分布模式發(fā)生短期內(nèi)的變化。由于水體結(jié)冰過程對微塑料的結(jié)合與釋放作用，導致烏梁素海上游入湖的微塑料急劇減少，并且冰蓋阻隔了外界環(huán)境對湖中水環(huán)境的影響[33]。在此基礎(chǔ)上，烏梁素海冰封時間較長，湖泊上游的微塑料隨著水流逐漸向下游遷移，最終導致湖泊下游聚集大量微塑料，使得湖泊中微塑料的豐度分布表現(xiàn)為從上游到下游逐漸上升的分布特征。但這種情況并不會持續(xù)很長時間，隨著冰封期結(jié)束，冰蓋融化，冰蓋中結(jié)合的微塑料重新釋放進入水體并經(jīng)湖泊上游各排干渠匯入烏梁素海[32]。湖泊上游微塑料豐度逐漸增加，其分布逐漸變?yōu)閺纳嫌蔚较掠沃饾u下降的特征。此外，WANG等[20]的研究結(jié)果表明，秋季烏梁素海表層水中微塑料豐度范圍為（1.8±0.7）~（10.1±4.1）個·L?1，與其相比，本研究發(fā)現(xiàn)的微塑料平均豐度高約49.2%，其原因主要為冰蓋對微塑料的結(jié)合與釋放作用。研究表明，北極海冰中微塑料的豐度約是水體中的1 000 倍[34?35]；而在南極東部海冰中微塑料的豐度與南極水體的微塑料豐度相差近百萬倍[36?37]。有關(guān)烏梁素海冰蓋中微塑料賦存特征的研究表明，烏梁素海冰蓋中微塑料的平均豐度約為表層水體中微塑料豐度的10~100倍，冰蓋是烏梁素海冰封期微塑料的重要臨時儲存場所[33]。因此，水體中的微塑料會在水體的結(jié)冰過程中被結(jié)合進冰體從而儲存起來，并且其豐度遠高于水體[32]。當冰蓋融化，冰蓋中的微塑料釋放進入水體，從而導致春季烏梁素海水體中微塑料豐度遠高于秋季?？偱鸥墒菫趿核睾Ｎ⑺芰系闹饕獊碓矗犹坠鄥^(qū)使用的大量殘膜也起著重要作用，且頻繁的漁業(yè)活動和污水排放也增加了烏梁素海的微塑料污染。因此，通過加強河流管理和減少農(nóng)用塑料薄膜的使用，可以從源頭上減少微塑料污染。

3.2 春季烏梁素海水體微塑料垂直分布影響因素

通過分析微塑料在不同水層中的豐度分布，表明微塑料顆粒存在于整個水柱中，且在表層水中豐度較高，為中層水中微塑料豐度的1.4倍。表層水中纖維、PE、PS 和粒徑<1 mm 的微塑料普遍高于中層水，這與EO 等[9]對韓國洛東江的研究結(jié)果類似，在EO 等的研究中，洛東江下游表層水中的微塑料平均豐度約為中層水的3 倍，且纖維是洛東江中微塑料的主要類型。在不受外界因素影響的情況下，密度較小的微塑料顆粒會漂浮在水體表面，而密度大的微塑料顆粒會沉到水體底部[38]。目前研究人員普遍支持的一種觀點為微塑料與水體之間的密度差異是造成其不同分布的主導因素，即高密度的微塑料，如PET（密度為1.38 g·cm?3），在其到達水流更加緩慢、湖面環(huán)境更加平靜的水域時，通常會穿過水柱而沉降到底層沉積物中。但影響其垂直分布的因素卻并不僅限于此，塑料制造過程中添加的功能性添加劑和水生環(huán)境中微塑料上生物膜的形成都會改變顆粒的有效密度，這些密度的改變均會導致具有高或低密度聚合物的微塑料出現(xiàn)在其他水層中[39?40]。在一些關(guān)于沉積物中微塑料污染的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)在沉積物中存在高比例的低密度聚合物[10]。在WANG 等[20]的研究中，烏梁素海沉積物中PE 類塑料的含量比例為39.2%。自然狀態(tài)下湖泊中微塑料的沉降過程復雜，通常湖泊底部沉積物中微塑料的豐度高于表層水，而中層水中微塑料的豐度最低[41]。此外，微塑料的形狀[42?43]、顆粒大小[42，44]、生物作用[45]、水流和天氣[43，46]等因素也會影響微塑料的沉降，如微塑料顆粒在自身沉降過程中，會因表面積較大而受到較大的流體壓力和摩擦阻力，也會因體積小、穩(wěn)定性差而發(fā)生旋轉(zhuǎn)、振蕩或翻滾，最終導致微塑料沉降速率降低[38]。研究表明，聚集體和生物污垢的相互作用可能導致微塑料的密度增加和浮力降低，從而促進其沉降[47?49]；由于薄膜狀微塑料擁有更大的比表面積，生物附著量比纖維狀微塑料更多，使得薄膜狀微塑料下沉得更快[40]；粒徑為5 μm 的微塑料沉降概率最低[50]；強風會加劇水的垂直交換，并使沉積在水底的微塑料重新懸浮[22]。

已有多項研究表明，微塑料能夠在大氣、水體和陸地環(huán)境之間進行遷移，大氣環(huán)境中的微塑料可能會通過雨水或者沉降等方式進入水體，且纖維是大氣中微塑料的主要類型[51]。纖維有多種來源，包括紡織品（例如衣服、袋子、地毯、毛巾、背包、網(wǎng)等）的洗滌過程、香煙過濾嘴分解或者是汽車輪胎摩擦產(chǎn)生。這些纖維可以通過大氣直接沉降到湖泊表層，但其對湖泊中纖維的貢獻值還有待確認。盡管目前已經(jīng)對微塑料在水生環(huán)境中的行為和危害有了一定的了解，但在微塑料的風險評估方面還有許多空白。而關(guān)于微塑料的賦存狀態(tài)和運動規(guī)律，還需要對其來源、大氣沉降、流入和流出受納水體的質(zhì)量、運移特性以及流體動力學模型有更加透徹的研究。此外，微塑料取樣、檢測方法的標準化及其污染標準的確立對日后微塑料的研究同樣至關(guān)重要。

4 結(jié)論

（1）在水平方向上，春季烏梁素海微塑料的平均豐度為9.8±1.2 個·L?1，呈現(xiàn)從上游向下游增加的趨勢。在垂直方向上，表層水中微塑料（11.3±1.5 個·L?1）的豐度高于中層水（8.3±0.9 個·L?1），表層為中層的1.4倍。

（2）冰封期湖水凍融過程是影響湖水結(jié)冰前與冰蓋融化后微塑料豐度與分布的主要因素。

（3）微塑料的密度是影響其沉降的主要原因，但是生物污垢、生物膜的形成及添加劑等也會通過改變微塑料的有效密度，進而影響微塑料的沉降。