北部灣海域表層水體中微塑料分布特征

吳磊石， 洪 鳴， 彭夢(mèng)微， 王曉旭， 藍(lán)文陸， 曲 玲， 張微微*

1.廣西壯族自治區(qū)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站， 廣西 北海 536000

2.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 遼寧 大連 116023

塑料制品由于具有輕便、成本低、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，被大規(guī)模生產(chǎn)和使用. 但是由于塑料在自然環(huán)境中很難分解，大量的塑料廢棄物在環(huán)境中不斷累積[1]. Borrelle等[2]估計(jì)，2016年全球產(chǎn)生的 1 900×104～2 300×104t塑料垃圾中，有11%排放到水生生態(tài)系統(tǒng)，到2030年排放量可能會(huì)達(dá)到 5 300×104t/a；劉彬等[3]估計(jì)，2016年我國(guó)向海洋中排放塑料垃圾為124×104～331×104t. 塑料垃圾進(jìn)入海洋后在海浪、紫外線等作用下可以不斷破碎和分解，在環(huán)境中粒徑小于5 mm的通常被定義為微塑料[4-5]. 此外，微塑料還包括個(gè)人護(hù)理品中添加的塑料微珠，加工、生產(chǎn)或運(yùn)輸過(guò)程中泄露或遺失的原料樹脂顆粒等[6]. 由于微塑料可在風(fēng)和表層洋流的作用下在全球海洋輸移，也可吸附周圍海水中的持久性有機(jī)污染物或重金屬[7]，并可被不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的海洋生物攝食，作為載體輸移污染物進(jìn)入食物網(wǎng)[8-9]，被認(rèn)為是海洋生物健康的主要風(fēng)險(xiǎn)之一.

已有研究顯示，微塑料在海洋環(huán)境中廣泛分布，包括近岸海域[10]、大洋環(huán)流區(qū)[11]、偏遠(yuǎn)海島[12]和極地海域[13]. 受大尺度海洋環(huán)流的影響，開闊大洋海域漂浮微塑料可在亞熱帶環(huán)流區(qū)聚集，而近岸海域和半封閉的海灣水體中微塑料的類型、組成和密度在不同地點(diǎn)差別很大，其空間分布受人類活動(dòng)、水動(dòng)力條件、盛行風(fēng)和沿海人類活動(dòng)的影響[14]. 北部灣是中國(guó)南海西北部的半封閉海灣，被中越兩國(guó)陸地與中國(guó)海南島所環(huán)抱，是中國(guó)南海最大漁場(chǎng)之一. 由于地理位置的特殊性和北部灣海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要性，近年關(guān)于北部灣海域微塑料的研究逐步開展，包括北部灣紅樹林沉積物[15]、北部灣經(jīng)濟(jì)魚類[16]、茅尾海水體和牡蠣[17]、欽江水體和沉積物[18]中微塑料的分布等研究. 但目前尚未開展北部灣表層水體中微塑料的空間分布研究. 該文以北部灣海域表層水體中微塑料分布為研究對(duì)象，旨在評(píng)估典型海灣微塑料污染水平和分布特征，了解影響典型海灣水體中微塑料空間分布的因素，分析北部灣海水中微塑料的主要來(lái)源，以期為近岸海域塑料垃圾和微塑料管控提供有益參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

北部灣位于中國(guó)南海的西北部，東臨中國(guó)廣東雷州半島和海南島，北臨廣西壯族自治區(qū)，西臨越南，與瓊州海峽和中國(guó)南海相連. 該研究區(qū)域東起雷州半島，西至防城港市白浪灘，共布設(shè)了12個(gè)站位，其中北部灣近岸海域布設(shè)9個(gè)站位(1#～9#站位)，于2020年11月開展表層海水微塑料的采集；同時(shí)，布設(shè)3個(gè)海水浴場(chǎng)監(jiān)測(cè)站位，分別位于北海市的僑港(10#站位)、欽州市的三娘灣(11#站位)和防城港市的白浪灘(12#站位)，于2020年9月開展表層海水微塑料的采集. 采樣站位信息如表1所示.

表1 北部灣表層水體微塑料采樣信息

1.2 樣品采集

該研究使用Manta網(wǎng)采集表層海水中微塑料. Manta網(wǎng)口長(zhǎng)1 m，寬0.5 m；網(wǎng)衣為使用蠶絲材質(zhì)制作錐形體，長(zhǎng)3 m，網(wǎng)孔孔徑為330 μm，底部連接不銹鋼制作的網(wǎng)底管. 流量計(jì)固定于網(wǎng)口中央，用于計(jì)算過(guò)水流量. 采樣時(shí)，從調(diào)查船的船舷邊下放采樣網(wǎng)，船舶行駛速度為1～3海里/h(1海里=1.852 km)，每次拖網(wǎng)10～15 min. 拖網(wǎng)結(jié)束后，起網(wǎng)，泵取現(xiàn)場(chǎng)海水自上而下沖洗網(wǎng)衣外部，將樣品沖至網(wǎng)底管. 然后將網(wǎng)底管中的樣品轉(zhuǎn)移至玻璃瓶中，待實(shí)驗(yàn)室做進(jìn)一步分析.

1.3 樣品處理及分析方法

樣品依次通過(guò)5 mm和330 μm的不銹鋼網(wǎng)篩，將330 μm網(wǎng)篩上的截留物用純水沖至干凈放入500 mL燒杯中. 將燒杯和樣品置于烘箱內(nèi)于60 ℃下烘干. 樣品烘干后，向燒杯內(nèi)加入20 mL 0.05 mol/L的硫酸亞鐵溶液和20 mL 30%過(guò)氧化氫，室溫下消解. 若消解后樣品中仍能看見有機(jī)質(zhì)，繼續(xù)加入30%過(guò)氧化氫，直至有機(jī)質(zhì)完全溶解. 消解完成后，向消解液中按每20 mL添加6 g的比例加入氯化鈉固體. 待氯化鈉溶解后，將溶液轉(zhuǎn)移到下端有止水夾密封的玻璃漏斗中進(jìn)行密度分離. 靜置分離后，將下層雜質(zhì)轉(zhuǎn)移至燒杯中，上清液用0.7 μm的玻璃纖維濾膜過(guò)濾. 過(guò)濾后的濾膜置于培養(yǎng)皿中，于60 ℃下烘干. 濾膜烘干后，用體式顯微鏡(S6D，德國(guó)徠卡公司)觀察樣品的尺寸、形狀和顏色等物理特性，將微塑料形狀按照泡沫、薄膜、顆粒、片、纖維、線和原料樹脂記錄. 微塑料成分采用傅里葉變換顯微紅外光譜儀(Frontier，美國(guó)珀金埃爾默股份有限公司)在衰減全反射(ATR)模式下進(jìn)行分析.

數(shù)據(jù)分析和制圖采用Excel軟件.

2 結(jié)果與討論

2.1 微塑料樣品的豐度分布及特征分析

該研究共分析鑒定了 3 913 個(gè)微塑料樣品. 北部灣海域表層水體微塑料平均豐度為(0.56±1.02)個(gè)/m3. 其中，4#站位的微塑料豐度最高，達(dá)3.72個(gè)/m3；6#站位的微塑料豐度最低，為0.01個(gè)/m3(見表2).

表2 北部灣表層水體微塑料的數(shù)量和豐度

北部灣海域微塑料粒徑分布、形狀、成分和顏色如圖1 所示. 由于海洋微塑料主要源于海洋塑料垃圾的分解，破碎后數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，粒徑在1～2 mm范圍內(nèi)的微塑料較多，占全部微塑料數(shù)量的30.4%；該研究檢測(cè)到微塑料有泡沫、薄膜、顆粒、片、線和纖維共6種形狀，其中泡沫和薄膜分別占62.7%和15.4%；北部灣表層水體中微塑料主要成分為聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯，分別占59.8%、20.9%和17.6%. 由于海洋生物攝食微塑料可能與微塑料顆粒的可用性相關(guān)，該研究記錄了顏色信息. 由圖1可見，北部灣表層水體中微塑料以白色和半透明微塑料為主，分別占68.8%和16.4%.

圖1 北部灣表層水體中微塑料粒徑、形狀、成分和顏色特征

2.2 北部灣海域微塑料污染水平

由于我國(guó)是人口和塑料制品大國(guó)，有研究[19]通過(guò)評(píng)估模型指出，我國(guó)也是海洋塑料污染的主要排放國(guó)家. 為通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估北部灣海域微塑料的真實(shí)污染水平，該文與國(guó)內(nèi)外采用相同孔徑網(wǎng)采集微塑料的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比. 如表3所示，北部灣海域微塑料的平均豐度與日本瀨戶內(nèi)海[20]、阿曼灣[21]、墨西哥托多斯桑托斯灣[22]、法國(guó)布列塔尼布雷斯特灣[23]處于同一數(shù)量級(jí)，低于東亞海[24]、韓國(guó)東南沿海[25]、美國(guó)南加州沿海[26]、以色列地中海沿岸[27]、佛羅里達(dá)州坦帕灣[28]、巴西瓜納巴拉灣[29]，這說(shuō)明北部灣海域微塑料與國(guó)外已有研究相比處于中等水平. 與我國(guó)沿海調(diào)查結(jié)果相比，與渤海[30-31]、黃海南部[32]、東海長(zhǎng)江口外[33]和杭州灣[34]的微塑料平均豐度處于同一數(shù)量級(jí)，低于象山灣[35].

表3 全球不同海域表層水體中微塑料的豐度比對(duì)

分析導(dǎo)致不同研究區(qū)域微塑料差異的原因主要是： ①沿海地形條件和采樣時(shí)間的差異，如Kang等[25]在韓國(guó)東南沿海采集樣品的位置位于群島周邊，特殊的地形條件導(dǎo)致微塑料易于聚集；Mceachern等[28]研究顯示，佛羅里達(dá)州坦帕灣降雨后微塑料的豐度高達(dá)(4.5±2.3)個(gè)/m3，75%以上的微塑料是纖維；Van-Derhal等[27]在以色列地中海沿岸檢出的微塑料豐度比全球海域平均水平高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，認(rèn)為季節(jié)輸入和海岸地形是影響微塑料分布的主要原因；該研究受地形和河流輸入影響，北部灣欽江鄰近海域的4#站位微塑料豐度高達(dá)3.72個(gè)/m3. ②早期研究微塑料成分鑒定手段不足，可能存在一定的高估，如Lattin等[26]在美國(guó)南加州近海的研究，在沒有開展光譜分析的情況下存在誤判小粒徑碎片的可能.

Stubbins等[36]研究顯示，2002—2014年全球范圍內(nèi)聚乙烯和聚丙烯的產(chǎn)量占比分別為36%和21%，聚苯乙烯約為8%. 由于聚乙烯和聚丙烯大量使用于塑料包裝等日用品，目前多數(shù)研究表層水體中聚乙烯和聚丙烯是主要檢出成分. 該研究除檢出這兩種聚合物外，還檢出大量的聚苯乙烯泡沫，占比高達(dá)59.8%. 為進(jìn)一步分析導(dǎo)致這種差異的原因，筆者結(jié)合沿海人類活動(dòng)進(jìn)一步探討了北部灣微塑料的來(lái)源.

2.3 影響微塑料空間分布因素

如表2所示，北部灣海域表層水體中，1#、2#、4#、7#、10#、11#、12#站位的微塑料豐度較高，5#、6#、8#、9# 站位微塑料豐度較低，整體呈現(xiàn)出離岸越近豐度越高、離岸越遠(yuǎn)豐度越低的空間分布趨勢(shì). 分析導(dǎo)致北部灣表層水體中微塑料空間分布存在差異的原因主要是： ①北部灣東臨雷州半島，從東到西分布有北海銀灘、北海僑港、欽州三娘灣、防城港白浪灘和金灘等著名風(fēng)景區(qū)，港口包括湛江港、北海港、欽州港和防城港等，人口稠密，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁. 頻繁的人類活動(dòng)導(dǎo)致了微塑料在沿岸聚集. 這與Bollmann等[37]認(rèn)為的微塑料污染程度與周邊人口密度和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的活躍程度呈正相關(guān)的觀點(diǎn)相一致. ②海洋微塑料的空間分布受水文及河流輸入的影響. 北部灣北部沿岸分布眾多入海河流，主要包括位于廣西壯族自治區(qū)的南流江、欽江、茅嶺江、大風(fēng)江和北侖河等[38]. 入海河流的輸入，導(dǎo)致了北部灣北部的微塑料豐度偏高. ③盛行風(fēng)和環(huán)流模式的影響. 陳宜展等[39]研究顯示，北部灣秋季盛行東風(fēng)和東北風(fēng)，呈現(xiàn)出逆時(shí)針的環(huán)流結(jié)構(gòu)；陳波等[38]研究顯示，秋季灣內(nèi)主要受逆時(shí)針環(huán)流控制，但東北部有一順時(shí)針環(huán)流. 該研究調(diào)查時(shí)間為9月和11月，受流動(dòng)特征的影響，北部灣的微塑料主要在灣北部聚集. 該研究?jī)H開展了單航次水體中微塑料分布監(jiān)測(cè)，水動(dòng)力和盛行風(fēng)的季節(jié)變化對(duì)表層水體中微塑料時(shí)空分布的影響仍需進(jìn)一步探討.

2.4 微塑料的來(lái)源分析

該研究嘗試根據(jù)微塑料形狀和成分(見圖2)分析北部灣海域表層水體中微塑料的可能來(lái)源. 北部灣海域表層水體微塑料樣品中，聚苯乙烯泡沫占全部微塑料的比例最大，高達(dá)59.8%，在所有的采樣站位均發(fā)現(xiàn)了聚苯乙烯泡沫微塑料. 發(fā)泡聚苯乙烯(EPS)主要是用于緩沖包裝、保溫泡沫箱，水產(chǎn)養(yǎng)殖也大量消耗泡沫塑料，使用壽命僅為2～3年. EPS制品密度小、不易運(yùn)輸、難降解，一旦小塊的聚苯乙烯泡沫散落在環(huán)境中很難回收，因此在環(huán)境中容易累積. 北部灣是重要的海水養(yǎng)殖區(qū)和漁場(chǎng)，與4#、11#站位相毗鄰海域是欽州傳統(tǒng)的牡蠣養(yǎng)殖區(qū)，靠近茅尾海的出海口. 茅尾海是北部灣北部一個(gè)半封閉式的內(nèi)海，是欽州四大海產(chǎn)品的主要產(chǎn)區(qū)，上游有欽江、茅嶺江和大欖江等入海河流輸入. Zhu等[17]對(duì)茅尾海水體和養(yǎng)殖牡蠣中微塑料污染的研究顯示，茅尾海水體中常見的微塑料顆粒為聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯纖維、聚苯乙烯泡沫，判斷其主要與洗滌廢水和漁業(yè)活動(dòng)有關(guān). Zhang等[18]研究顯示，欽州灣沙灘和紅樹林濕地中微塑料豐度為(15～12 852)個(gè)/kg，主要類型為聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯. 該研究中北部灣表層水體微塑料主要成分是聚苯乙烯泡沫，與上述在北部灣的研究結(jié)果基本一致，進(jìn)一步證實(shí)養(yǎng)殖活動(dòng)與河流排放對(duì)該區(qū)域微塑料分布的影響.

圖2 北部灣表層水體中微塑料的形狀和主要成分

除聚苯乙烯泡沫外，在研究區(qū)域還采集到了較高比例的聚丙烯和聚乙烯，占比分別為20.9%和17.6%，形狀包括薄膜類、顆粒狀、碎片和線狀. 圖3為北部灣表層水體中典型微塑料形狀和紅外光譜圖. 薄膜類聚丙烯和聚乙烯微塑料主要來(lái)源為日常生活中的塑料制品，如塑料瓶、膜類食品包裝袋及魚飼料編織袋上的防水薄膜層等；顆粒狀和碎片狀的聚丙烯和聚乙烯可能是硬質(zhì)塑料制品分解破碎形成的小顆粒. 該研究中采集的線狀微塑料占4.5%，其主要成分為聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺，顏色主要為白色和綠色. 根據(jù)對(duì)北部灣漁業(yè)活動(dòng)調(diào)查，用于海洋捕撈與海釣的網(wǎng)具和魚線主要由以上成分的材料制作而成，顏色也以白色和綠色居多. 因此推斷線狀微塑料主要來(lái)源是漁業(yè)捕撈活動(dòng)中丟棄和磨損的漁具.

圖3 北部灣表層水體中典型微塑料形狀和紅外光譜

3 結(jié)論

a) 北部灣海域表層水體微塑料平均豐度為(0.56±1.02)個(gè)/m3，與國(guó)外其他海灣海域相比，其豐度處于中等水平.

b) 北部灣海域表層水體中1～2 mm粒徑范圍內(nèi)的微塑料數(shù)量最多；成分以聚苯乙烯、聚丙烯和聚乙烯為主；形狀主要為泡沫和薄膜；顏色以白色為主，且白色泡沫狀聚苯乙烯所占比例最高.

c) 受沿海人類活動(dòng)、河流輸入、盛行風(fēng)和環(huán)流模式的影響，北部灣海域表層水體中微塑料的空間分布呈現(xiàn)近岸高、遠(yuǎn)岸低的特征. 北海銀灘、北海僑港、欽州三娘灣、防城港白浪灘和金灘的濱海旅游活動(dòng)，欽江、茅嶺江等入海河流的輸入和海水養(yǎng)殖等活動(dòng)是影響北部灣表層水體中微塑料空間分布的重要因素.

d) 水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋漁業(yè)捕撈等活動(dòng)產(chǎn)生的塑料垃圾是北部灣海域表層水體中微塑料的重要來(lái)源，北部灣漁業(yè)廢棄塑料垃圾不容忽視.