烏梁素海水體微塑料空間分布規(guī)律及影響因素

郝若男,史小紅,2*,劉 禹,2,張 帆

烏梁素海水體微塑料空間分布規(guī)律及影響因素

郝若男1,史小紅1,2*,劉 禹1,2,張 帆1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水資源保護與利用重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

為了研究烏梁素海水體中微塑料的分布規(guī)律,通過試驗方法探究了湖泊不同點位處,不同密度、不同大小、不同形狀的微塑料豐度,分析微塑料自身屬性(密度、形狀、尺寸)對其空間分布的影響.結(jié)果表明,密度范圍為小于1.0g/cm3,1.0～1.2g/cm3和1.2～1.5g/cm3的微塑料在湖泊不同采樣點處的豐度范圍分別為(109.5±17.3)～(642±160)n/L,(160.5±57.3)～(588±104)n/L和(124.5±47.5)～(502.5±80.2)n/L;其中密度小于1.0g/cm3的微塑料在湖泊中豐度呈現(xiàn)出由北到南逐漸增多的趨勢,密度為1.0～1.2g/cm3的微塑料豐度在湖泊中部多、南北部少,1.2～1.5g/cm3的微塑料呈現(xiàn)由北到南由多變少的趨勢.尺寸為0.05～0.5mm,0.5～2mm和2～5mm的微塑料在湖泊中豐度范圍分別為(70.5±8.8)～(805.5±154.7)n/L,(178.5±21.4)～(742.5±112.3)n/L和(0±0) ～(217.5±22.8)n/L;尺寸在0.05～0.5mm的微塑料豐度呈現(xiàn)由北到南遞增的趨勢,尺寸為0.5～2mm和2～5mm 的微塑料豐度呈現(xiàn)由北到南遞減的趨勢.形狀為纖維狀,碎片狀、薄膜狀和塊狀的微塑料在湖泊中豐度范圍分別為(499.5±92.3)～(1126.5±228)n/L,(30±4.8)～(151.5±31.6)n/L,(4.5±0.8)～(229.5±61.6)n/L和(1.5±0.2)～(12±3.9)n/L;其中纖維狀微塑料在各個采樣點均占主導(dǎo)地位且分布均勻,碎片狀、薄膜狀和塊狀微塑料豐度較低,無明顯規(guī)律.在拉曼光譜鑒定的所有微塑料中,聚丙烯(43%)是最常見的類型,其次是聚氯乙烯(18%)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(18%)、聚乙烯(11.7%)和聚苯乙烯(9.3%).

微塑料；烏梁素海；空間分布規(guī)律；影響因素；拉曼光譜

近年來,微塑料污染成為全球范圍的研究熱點.微塑料是粒徑小于5mm的塑料碎片,分為原生微塑料和次生微塑料.原生微塑料包括樹脂顆粒、塑料微珠、納米微塑料等;次生微塑料是大直徑塑料碎片分解成的小直徑塑料微粒[1].由于微塑料來源廣、粒徑小、易轉(zhuǎn)移,在環(huán)境中存在時間長、光降解能力弱,因此在海水、湖泊、水庫和河流中廣泛存在[2].

微塑料進入水環(huán)境中會造成一系列危害.在長期腐蝕、浸泡下,微塑料中的化學(xué)添加劑[3-4]釋放到水環(huán)境中,對水生動植物造成影響[5];微塑料尺寸小、比表面積大、疏水性強,能吸附大量的污染物,是重金屬和各類有機物的理想載體[6];微塑料也容易被水體中的微生物和魚類誤食,影響其生長、消化等能力[7-8].因此,摸清微塑料在水環(huán)境中的存在特征,對于治理微塑料污染及動植物生長具有重要意義.

了解微塑料在湖泊的豐度和空間分布規(guī)律是解決湖泊微塑料污染的關(guān)鍵.一般而言,人類活動、降水、風(fēng)速等因素[9]是影響微塑料豐度和分布的主要原因.有研究表明,湖泊中微塑料的豐度與離城市中心的距離呈現(xiàn)負相關(guān)性,即距城市中心越遠其豐度就越低[10].在北美五大湖,人口稠密的伊利湖水體微塑料豐度(466305n/km2)分別是人口稀疏的休倫湖(6541n/km2)和蘇必利爾湖(12645n/km2)的70倍和38倍[11].在我國的溫州甌江口、臺州椒江口、福州閩江口和太湖中均發(fā)現(xiàn)微塑料的蹤跡,且指出流經(jīng)城市的水體內(nèi)微塑料豐度更高[12],對于太湖研究的兩片海域中,靠近人們生活區(qū)域的東南海域微塑料的平均豐度約為中部海域的6倍[13],研究人員表示城市河口的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、發(fā)展程度、人口密集活動程度與微塑料污染水平和分布相關(guān)[12].另外,在對瑞士淡水體系的研究中發(fā)現(xiàn),降雨后城市河流中微塑料密度非常高.流入日內(nèi)瓦湖的瑞士Venoge河和Vauchère河水中雨季微塑料密度分別是其旱季微塑料密度的9倍和150倍[14].風(fēng)暴過后,加利福尼亞沿海的微塑料豐度顯著增高;Tamar河口下風(fēng)向樣點的微塑料含量遠高于上風(fēng)向樣點[15].顯然,靠近城市或人類聚集地且水力條件較為穩(wěn)定的湖泊微塑料污染相對嚴(yán)重;降水和大風(fēng)天氣前后水體中微塑料豐度變化和分布狀況差異明顯.近年來,很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)微塑料本身的性質(zhì)(密度、尺寸和形狀)也決定了其在水環(huán)境中的分布規(guī)律, Hoellein等[16]采用螺旋指標(biāo)發(fā)現(xiàn),碎片狀微塑料遷移距離較短,而纖維和球狀遷移距離較長.Isobe等[17]在日本瀨戶內(nèi)海利用實地調(diào)查和數(shù)值顆粒追蹤模型發(fā)現(xiàn),不同尺寸微塑料輸移距離受其粒徑大小的決定,且越靠近海岸微塑料粒徑越大、豐度也逐漸增加.諸如此類,越來越多的研究表明微塑料本身的性質(zhì)直接影響其在水環(huán)境中的分布[18-20].本文在關(guān)注形狀分類的同時進一步耦合了密度、尺寸的不同,分析微塑料不同的自身屬性對其空間分布的影響方式和差異性,對于微塑料在水環(huán)境中分布影響因素的探究具有一定意義.

烏梁素海是地球同緯度最大的濕地,也是全球荒漠化、半荒漠化地區(qū)極為少見的大型多功能淺水湖泊.該湖泊是河套灌區(qū)農(nóng)田退水、生活污水以及工業(yè)廢水的主要承泄場所[21],而流域內(nèi)地膜和各種塑料制品的大量使用勢必使微塑料成為湖泊水環(huán)境中的新興污染物.本文采用野外采集樣本和室內(nèi)浮選試驗相結(jié)合的方法,全面調(diào)查烏梁素海不同形狀、不同密度、不同尺寸微塑料的豐度和分布狀況,為探究湖泊微塑料遷移、歸趨和建模奠定基礎(chǔ),為修復(fù)湖泊微塑料污染修復(fù)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

烏梁素海(40°36￠～41°03￠N,108°43￠～108°57￠E)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi).屬于黃河流域的河跡湖,湖泊面積366.08km2,水深為1.6～2.7m,平均水深1.9m.湖區(qū)東西束窄3～5km、南北狹長35～40km[11],是極為少見的具有蓄水、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖、航運、旅游娛樂以及調(diào)節(jié)氣候等多功能為一體的湖泊[22],在排灌系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用.

1.2 樣品采集

根據(jù)我國水環(huán)境和湖泊濕地調(diào)查規(guī)范,考慮烏梁素海排污入湖口的分布和水動力學(xué)特征,設(shè)置樣品采集點(如圖1所示).收集9個采樣點樣本,每個采樣點3個平行水體樣本均采用密度浮選方法、目視評估法和拉曼光譜儀確定微塑料的豐度、密度、形狀、尺寸,進行記錄并得出數(shù)據(jù).

2020年8月,采用12V直流聚四氟乙烯泵于水面下20cm處收集2L水樣,然后將水樣用50 μm的不銹鋼篩過濾,將篩網(wǎng)上的樣品用蒸餾水沖入250mL玻璃瓶中,將5%的福爾馬林溶液倒入其中,并在4℃下保存待測[23-24].采樣前無暴雨、大風(fēng)等強烈天氣.

本文探究了不同密度、尺寸和形狀的微塑料在烏梁素海的分布規(guī)律.形狀和尺寸通過體式顯微鏡直接鑒別,密度需要進行提前分離.烏梁素海不同密度微塑料主要類型為聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)[25-26],密度分別為0.83～0.85g/cm3,0.91～0.94g/cm3,1.05和1.37g/cm3.因此,本研究共設(shè)置3個密度范圍,分別為小于1.0g/cm3、1.0～1.2g/cm3、1.2～1.5g/cm3,實驗利用改進的分步提取法獲取不同密度范圍的微塑料[27].首先將收集到的水體濾過300目(50μm)不銹鋼鋼篩,將鋼篩上的物質(zhì)用去離子水沖入250mL玻璃制溢流燒瓶中,平均12h進行一次溢流,溢流3次,將溢流出小于1.0g/cm3的物質(zhì)用去離子水收集到250mL玻璃制儲存瓶中.將此溢流步驟重復(fù)三遍,充分篩選出密度小于1.0g/cm3的物質(zhì),以減少實驗誤差.接下來將玻璃制溢流燒瓶中的物質(zhì)過濾到300目不銹鋼鋼篩上,然后用密度1.2g/cm3的NaCl溶液沖洗鋼篩上的物質(zhì)到溢流燒瓶中進行溢流,并將溢流出的1.2～1.5g/cm3的物質(zhì)用去離子水收集到250mL玻璃制儲存瓶中.最后,使用1.5g/cm3的HCOOK溶液收集1.2～1.5g/cm3的微塑料,操作步驟同前.

圖1 烏梁素海樣品點分布示意

考慮到烏梁素海富營養(yǎng)化嚴(yán)重,因此將收集到不同密度的微塑料用過氧化氫(30%)在45℃、80r/min的水浴振蕩培養(yǎng)箱中進行24h消解,去除腐殖質(zhì)和有機物,減少后續(xù)觀測微塑料的背景影響值.用抽濾裝置將消解后的物質(zhì)收集到0.45μm (GF/F, 47mm ?,Whatman)濾膜上,將濾膜放入玻璃培養(yǎng)皿中,在室溫下風(fēng)干待測.

1.3 微塑料的鑒定與分析

濾紙上的微塑料在體式顯微鏡(M165C, Leica, Germany)的徠卡DMC2900鏡頭下放大160倍進行目測,觀測時基于目前通用的微塑料鑒別標(biāo)準(zhǔn)來確定疑似微塑料[28],采用Leica Application Suite X軟件計數(shù),記錄每個樣品中每個微塑料的尺寸和形狀.本文微塑料3個密度范圍分別是:<1.0g/cm3、1.0～ 1.2g/cm3和1.2～1.5g/cm3;3個尺寸范圍分別是:0.05～ 0.5mm、0.5～2mm、2～5mm;四種形狀分別為:纖維、碎片、薄膜、塊狀;微塑料豐度的計算單位是每升水體中微塑料的數(shù)量.

⑩參見豐子義、楊學(xué)功、仰海峰《全球化的理論與實踐——一種馬克思主義的視角》，江蘇人民出版社2017年版，第3頁。

為進一步驗證視覺觀測區(qū)分微塑料和其他顆粒物的準(zhǔn)確性[29],并確定微塑料占樣本顆粒的比例、確定微塑料顆粒的成分,本文從樣本中隨機挑選130個顆粒物,利用顯微激光共聚焦拉曼光譜儀(HR Evolution,HORIBA,France,激光波長:532nm,光譜掃描范圍:50～4000cm-1)對樣品進行定性和定量檢測.將樣品譜圖與拉曼數(shù)據(jù)庫Biorad (Knowitall) (涵蓋18大類物質(zhì),超28000張光譜)進行對比,確定顆粒的化學(xué)組分.當(dāng)兩個譜圖的匹配率大于70%時,確定為化合物類型.最后去除非微塑料顆粒,重新計算每個樣品中微塑料數(shù)量,統(tǒng)計微塑料的成分和對應(yīng)微塑料的顆粒數(shù)量.

1.4 質(zhì)量控制與確認

為保證微塑料從采集、處理和分析過程中不受外界污染,每次實驗前用超純水清洗3遍采樣和實驗儀器,并使用酒精擦拭實驗臺和體式顯微鏡,實驗過程中每一步后都利用鋁箔紙覆蓋表面.操作全過程中全程穿著棉質(zhì)實驗服、禁止使用塑料制品容器.

實驗時進行全程空白分析,用于檢查樣品從運輸?shù)椒治鋈^程是否受到污染.采樣時,將三個裝有1L超純水的玻璃瓶敞口擺放在船上,樣品采集后,蓋上瓶蓋送回實驗室檢測,按與樣品相同的操作步驟進行試驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)空白中微塑料含量為0～(0.69± 0.29)n/L,表明野外和室內(nèi)實驗過程中受到的污染可以忽略不計.

2 結(jié)果與分析

2.1 微塑料的形態(tài)特征

2.1.1 不同密度微塑料的豐度與分布 如圖2所示,密度范圍<1.0g/cm3、1.0～1.2g/cm3和1.2～1.5g/cm3的微塑料在各個采樣點的豐度變化范圍分別為(109.5±17.3)～(642±160)n/L,(160.5±57.3)～(588±104)n/L,和(124.5±47.5)～(502.5±80.2) n/L,在各點的比例范圍是14.15%～52.45%,15.19%～58.59%,17.28%～ 48.78%.總體來看,密度范圍為1.0～1.2g/cm3的微塑料豐度在各個采樣點豐度較高,<1.0g/cm3次之,1.2～ 1.5g/cm3的微塑料豐度最少.

不同密度微塑料在湖泊中的空間分布規(guī)律有明顯差異.密度范圍<1.0g/cm3的微塑料在采樣點S6豐度最大,其豐度為(642±160)n/L;1.0～1.2g/cm3的微塑料在采樣點N13最大,其豐度值為(588±104)n/L;密度介于1.2～1.5g/cm3的微塑料在采樣點L11豐度值最大,其值為(502.5±80.2) n/L.

總體來看,密度范圍小于1.0g/cm3的微塑料在烏梁素海各采樣點的豐度呈現(xiàn)由北到南逐漸增多的趨勢;密度范圍為1.0～1.2g/cm3的微塑料在湖泊中的豐度呈現(xiàn)南部、北部相對較低而在中部相對較高;密度范圍為1.2～1.5g/cm3的微塑料在湖泊中的豐度呈現(xiàn)由北向南降低的趨勢.

圖2 不同密度微塑料的分布和占比情況

2.1.2 不同尺寸微塑料的豐度與分布 如圖3表示,尺寸范圍為0.05～0.5mm、0.5～2mm和2～5mm的微塑料在各個采樣點的豐度變化范圍分別為(70.5±8.8)～(805.5±154.7)n/L,(178.5±21.4)～(742.5±112.3)n/L,和(0±0)～(217.5±22.8)n/L,在各點的占比范圍是9.11%～71.26%,28.74%～76.94%,0.00%～20.39%.總體來看,尺寸范圍為0.5～2mm的微塑料在各個點位的占比較大,0.05～0.5mm次之,介于2～5mm的微塑料豐度最小.

從空間分布來看,最小尺寸范圍(0.05～0.5mm)的微塑料在采樣點S6,O10,N13豐度最高,其豐度分別為(805.5±154.7)、(627±155.5)、(514.5±86.6) n/L;尺寸范圍為0.5～2mm的微塑料在采樣點L11、J13和I5豐度最高,其豐度分別為(742.5±112.3)、(715.5±92)和(595.5±64.5) n/L;尺寸范圍在2～5mm的微塑料顆粒同樣在湖區(qū)北部采樣點L11、J13和I5豐度最高,其豐度分別為(217.5±22.8)、(141±11.6)和(108±10.6) n/L.

圖3 不同尺寸微塑料的分布和情況占比

總體來看,最小尺寸的微塑料豐度在湖泊中呈現(xiàn)由北到南增加趨勢,尺寸為0.5～2mm和2～5mm微塑料的豐度在烏梁素海湖區(qū)總體上都呈現(xiàn)出由北到南逐漸減少的趨勢.

2.1.3 不同形狀微塑料的豐度與分布 如圖4所示,纖維狀、碎片狀、薄膜狀、塊狀的微塑料在各個采樣點的豐度變化范圍分別為(499.5±92.3)～ (1126.5±228)n/L,(30±4.8)～(151.5±31.6)n/L,(4.5±0.8)～(229.5±61.6)n/L和(1.5±0.2)～(12±3.9)n/L,在各點的占比范圍分別是66.23%～95.16%,3.88%～17.63%, 0.49%～20.11%,0.39%～1.15%.總體來看,纖維狀微塑料豐度在各個點的占比較大,碎片狀和薄膜狀次之,塊狀微塑料的豐度最少.

從空間分布來看,纖維狀微塑料在S6和L11采樣點的豐度最高,分別達到(1126.5±228)和(1008±228.8) n/L;碎片狀微塑料在采樣點O10、Q8的豐度最高,分別為(151.5±31.6)和(114±26.1) n/L;薄膜狀微塑料在采樣點O10豐度較高,其值為(229.5±61.6) n/L;相比以上所述微塑料形狀豐度,塊狀微塑料豐度極少,其在入湖口附近J13采樣點豐度較高,其值為(12±3.9) n/L.

總體來看,纖維狀是湖泊微塑料的主要污染類型,且在湖區(qū)北部的入湖口和景區(qū)區(qū)域附近水域的纖維狀微塑料豐度較高;碎片、薄膜、塊狀的微塑料在全湖含量相對較少.

2.2 拉曼光譜檢測

拉曼光譜檢測在鑒定微塑料化學(xué)結(jié)構(gòu)方面具有極高的準(zhǔn)確率,因此被廣泛應(yīng)用于水體和沉積物樣本中微塑料定性、定量分析[30-32].本文采用拉曼光譜對疑似微塑料的顆粒物進行鑒定分析.結(jié)果顯示,130個樣本顆粒中,128個被鑒定為微塑料,包括聚丙烯(PP,43%,圖5(a))、聚乙烯(PE,11.7%,圖5(b))、聚苯乙烯(PS,9.3%,圖5(c))、聚氯乙烯(PVC,18%,圖5(d))和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET,18%,圖5(e)),5種不同材質(zhì)微塑料的典型拉曼光譜圖如圖5所示.測定結(jié)果表明,收集的顆粒物中98.5%為微塑料,說明本實驗所采用的收集、分離和人工鑒定方法比較可靠.

3 討論

目前有關(guān)微塑料的研究大多是從人類活動和氣候角度分析其存在、分布影響,最近有不少學(xué)者通過實驗和模型發(fā)現(xiàn)微塑料自身性質(zhì)也是影響其在湖泊中豐度和分布的關(guān)鍵因素[16-20].本文考慮不同密度、尺寸、形狀的微塑料自身性質(zhì)在水環(huán)境中影響微塑料豐度和分布分析是研究微塑料的重要內(nèi)容.

3.1 不同密度微塑料分布規(guī)律

研究結(jié)果表明,在湖泊各個采樣點,不同密度微塑料所占比例相差較小.從拉曼光譜檢測結(jié)果來看,密度范圍<1.0g/cm3的微塑料的主要成分是聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP).烏梁素海每年接納河套灌區(qū)90%以上的農(nóng)田退水,同時灌區(qū)內(nèi)成分為PE的地膜使用比較普遍,由于地膜密度小、厚度薄,易破碎分裂,因此相當(dāng)一部分會隨農(nóng)田退水進入湖泊[33].湖泊中密度范圍為1.0～1.2g/cm3的微塑料的成分為聚苯乙烯(PS),其主要來源為湖泊漁業(yè)中產(chǎn)生的塑料單絲線和尼龍制網(wǎng)[34],通過排干進入湖泊的生活污水中的塑料纖維[35],以及景區(qū)游客隨意丟棄的一次性塑料餐具.湖泊中密度范圍為1.2～1.5g/cm3的微塑料成分為聚氯乙烯(PVC)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET),主要來源可能是居民及游客的日用品、包裝膜、可樂瓶、礦泉水瓶等[36-37].

從不同密度微塑料在湖泊中的分布來看,密度<1.0g/(cm3)的微塑料在湖泊南部豐度較高,密度范圍為1.0～1.2g/cm3的微塑料在湖泊中部豐度較高,1.2～1.5g/cm3的微塑料在湖泊北部豐度較高.烏梁素海的主要輸入排干為總排干和八排干,其入湖水量占湖泊總?cè)牒康?0%～95%,位于湖泊入湖口附近,湖泊中水流方向總體從北向南流動.調(diào)查結(jié)果說明密度<1.2g/cm3的微塑料更容易隨水流進行輸移,而密度為1.2～1.5g/cm3的微塑料進入湖泊后則更容易滯留,且密度越大,輸移距離越短.在太湖、鄱陽湖的水體中主要的微塑料成分是PE、PP,由于它們密度小于水,多數(shù)懸浮在水體上部,易被水輸送,使兩種聚合物廣泛分布[13,38].鄱陽湖微塑料來自洗衣廢水和漁業(yè)活動的密度較大的尼龍、PVC聚合物,在其活動就近的沉積物區(qū)域內(nèi)集中[38];在太湖沉積物中PS、PET是主要的塑料類型,同時指出湖泊沉積物中微塑料污染水平與離污染源的距離關(guān)系更密切[13].上述研究結(jié)果與本文研究結(jié)果一致,說明在湖泊中密度較大的微塑料遷移距離較短,而密度較小的微塑料遷移距離較長,微塑料的密度與其遷移距離成反比.

3.2 不同尺寸微塑料分布規(guī)律

研究結(jié)果顯示,不同尺寸微塑料所占比例相差較大.介于0.05～2mm的微塑料豐度最大,2～5mm 微塑料的豐度最小.塑料顆粒進入湖泊水體初期,體積較大、表面光滑,沒有風(fēng)化、侵蝕的痕跡,隨著時間的推移及降解作用[1,39]使塑料材質(zhì)變脆[27],趨于碎片化[39],與原始塑料顆粒相比,經(jīng)過降解的塑料顆粒尺寸逐漸變小.使進入湖泊的塑料顆粒隨著水流運動的過程中,0.05～0.5mm小尺寸塑料顆粒的豐度變多,0.5～2mm和2～5mm大尺寸塑料顆粒的豐度變少.

從不同尺寸微塑料在湖泊中的空間分布來看, 0.05～0.5mm的小尺寸微塑料豐度北部少、南部多;相反,0.5～2mm和2～5mm尺寸較大的微塑料豐度在烏梁素海北部多、南部少.密度大于水的微塑料會在重力和水動力作用下在水體中發(fā)生垂向混合.根據(jù)斯托克斯沉降定律,物質(zhì)的沉降速度與粒徑成正比[40].因此對于湖泊中密度大于水的微塑料而言,當(dāng)其尺寸較大時,沉降速度較快,更容易滯留在入水口附近,不易隨水流輸移.而尺寸較小時,沉降速度相對較慢,不易滯留,更容易隨水流向湖泊南部輸移.此外,湖泊中多半微塑料密度雖然小于水,但在水環(huán)境的長期作用下,其表面因出現(xiàn)許多裂紋、孔隙[10,41-42]而變得粗糙、凹凸不平,會吸附藻類、泥沙等物質(zhì)[1,14].尺寸較大的微塑料容易吸附更多的雜質(zhì),當(dāng)其整體密度大于水后,也容易滯留在湖泊入水口附近,不易向遠處輸移.因此總體來看,湖泊北部大尺寸微塑料相對較多,而湖泊南部小尺寸微塑料較多.有學(xué)者也探究了不同尺寸微塑料在河流和水槽中的遷移分布規(guī)律,如Besseling等[43]研究模擬了25種粒徑的微塑料在Dommel河中的遷移實驗,結(jié)果表明,微塑料粒徑越大越容易較早的在河流上游發(fā)生沉降,不易在水體表面遷移;而小尺寸微塑料容易受外界條件的影響隨水流進行輸移.Kowalski等[44]則采用不同礦化度的流體對不同的聚合物顆粒進行了下沉實驗,實驗顯示,微塑料的沉降速度隨粒徑的增大而增大.這說明無論是在湖泊還是河流中,微塑料尺寸越大其遷移能力就越弱,尺寸越小遷移能力就越強,微塑料的尺寸與遷移距離呈反比.

3.3 不同形狀微塑料分布規(guī)律

調(diào)查研究顯示,不同形狀微塑料所占比例相差較大.其中纖維狀微塑料在各采樣點占比都比較高,豐度范圍在(499.5±92.3)～(1126.5±228)n/L,是最常見的類型.碎片狀、薄膜狀、塊狀微塑料豐度較少.從不同形狀微塑料在湖泊中的分布來看,纖維狀微塑料在烏梁素海較為均勻,其大多來源于洗滌衣物的污水、捕魚漁具和景區(qū)游客對塑料制品的消耗.Browne等[45]統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),一件衣服每次洗滌至少可以脫落1900個纖維,且水體中纖維狀微塑料主要來源于洗滌衣物的污水.隨著烏梁素海漁業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展,漁民使用的漁具幾乎都是塑料制品,捕魚過程中不可避免地造成漁具發(fā)生丟失,破損的漁網(wǎng)、釣魚線等進入水體,甚至被隨意丟棄在湖里的情況[46],丟失或丟棄的漁具通常呈纖維狀的塑料單絲線和尼龍網(wǎng)[23-24].同時,位于景區(qū)附近的區(qū)域因為受到外來游客帶來的塑料制品壓力,導(dǎo)致此處湖泊塑料纖維尤其多,增加了烏梁素海微塑料污染.

烏梁素海由于漁民捕魚活動頻繁且涉獵范圍遍布湖區(qū),是造成大量纖維狀微塑料進入湖泊后分布廣泛的原因之一.太湖、鄱陽湖、洞庭湖水體中分布范圍較大的形態(tài)同樣是由生活污水和繁忙的漁業(yè)活動導(dǎo)致的纖維素狀微塑料[13,28,38].Hoellein等[47]對河流中的三種微塑料(纖維、碎片、顆粒)進行了水體滯留量的實驗,試驗表明,纖維狀微塑料長而細的形態(tài)特點使其更傾向于在水體表面遷移、擴散.另有Khatmullina等[48]研究模擬了600個不同形狀微塑料的沉降實驗,結(jié)果顯示,纖維狀微塑料在水體內(nèi)旋轉(zhuǎn)、翻滾、彎曲、纏繞,造成的曲率對纖維下沉造成很大的阻力影響,這種沉降不穩(wěn)定性也意味著更大的阻力和更低的沉降速度[49-50].因此纖維狀微塑料在進入湖泊后容易發(fā)生遷移,分布比較均勻.

微塑料在湖泊中的分布規(guī)律是多種因素共同作用的結(jié)果.本文探究了人類、環(huán)境因素以及微塑料自身屬性(密度、尺寸以及形狀)對其在烏梁素海水體中分布的影響.但環(huán)境因素發(fā)生改變時,如在冰封期,水生植物枯萎、繁盛期,微塑料在湖泊中的分布必然受到影響.不同類型微塑料在冰-水間遷移規(guī)律,各種水生動植物對微塑料的影響研究有待開展,從而深入了解湖泊中微塑料的分布規(guī)律和影響因素.

4 結(jié)論

4.1 在烏梁素海表層水體中,各個采樣點都存在大量微塑料,其中在湖泊入湖口、排干附近和景區(qū)周圍采樣點,微塑料豐度值較高.說明湖泊中微塑料主要有3個來源:一是上游居民生活污水、農(nóng)田退水、工業(yè)廢水等通過入湖口和排干進入湖泊,二是湖泊中下游景區(qū)游客扔棄的塑料制品,三是大面積捕魚過程中丟失或丟棄的漁具.

4.2 對于不同密度的微塑料,密度<1.0g/cm3的微塑料豐度呈現(xiàn)由北到南逐漸增多的趨勢,密度為1.0～1.2g/cm3的微塑料豐度在湖泊中部多、南北兩端少,而1.2～1.5g/cm3的微塑料呈現(xiàn)由北到南減少趨勢.說明密度<1.2g/cm3的微塑料更容易隨水流進行遷移,其遷移距離遠、且不容易發(fā)生沉降;而密度相對較高的1.2～1.5g/cm3的微塑料更容易在水體中發(fā)生滯留或沉降,密度越大的微塑料遷移距離越短,即微塑料的密度與其遷移距離成反比.

4.3 對于不同尺寸的微塑料,介于0.05～0.5mm的微塑料豐度在湖泊中呈現(xiàn)由北到南遞增的趨勢, 0.5～2和2～5mm的微塑料豐度呈現(xiàn)由北到南遞減的趨勢.說明小尺寸微塑料更容易隨水流遷移、遷移距離遠且不易沉降;而大尺寸微塑料更容易發(fā)生沉降,遷移距離短,或在輸移過程中破碎為小尺寸微塑料后繼續(xù)向南遷移和積累,即微塑料的尺寸與遷移距離成反比.

4.4 對于不同形狀的微塑料,在各個采樣點都發(fā)現(xiàn)大量纖維狀微塑料,而且它們在湖泊入湖口和景區(qū)的豐度更大,碎片狀、薄膜狀和塊狀的微塑料豐度則很小.說明纖維狀微塑料除了由于湖泊入湖口和景區(qū)特殊位置的影響外,它們更容易隨水流遷移、遷移距離較長,分布廣泛.

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Spatial distribution and influencing factors of microplastics in water of Ulansuhai.

HAO Ruo-nan1, SHI Xiao-hong1,2*, LIU Yu1,2, ZHANG Fan1

(1.Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2.Water Resources Protection and Utilization Key Laboratory, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)., 2022,42(7)：3316～3324

In order to investigate the distribution of microplastics in the water body of Ulansuhai, different densities, sizes and shapes of microplastics at different locations of the lake were observed for abundance by test methods, and the effects of properties (density, shape and size) of the microplastics on the spatial distribution were analyzed at the same time. The results showed that the abundance ranges of microplastics at different sampling sites in the lake with density ranges less than 1.0g/cm3, 1.0 ～1.2g/cm3and 1.2 ～1.5g/cm3were (109.5±17.3) ～(642±160) n/L, (160.5±57.3) ～(588±104) n/L and (124.5±47.5) ～(502.5±80.2) n/L respectively. For the microplastics with density less than 1.0g /cm3, the abundance in the lake increased gradually from north to south, for the microplastics with density 1.0～1.2g/cm3, the abundance in the middle of the lake was higher than in the north and south of the lake, and for the microplastics with density 1.2～1.5g/cm3, the abundance showed a decreasing trend from north to south. the abundance ranges of microplastics of sizes 0.05～0.5mm, 0.5～2mm and 2～5mm in the lake were (70.5±8.8)～(805.5±154.7) n/L, (178.5±21.4) ～(742.5±112.3) n/L and 0～(217.5±22.8) n/L respectively. The abundance of microplastics of size 0.05～0.5mm showed an increasing trend from north to south, and of sizes 0.5～2mm and 2～5mm showed a decreasing trend from north to south. The abundance ranges of fibrous, fragmentary, membranous and massive shapes of microplastics were (499.5±92.3)～(1126.5±228) n/L, (30±4.8) ～(151.5±31.6) n/L, (4.5±0.8)～(229.5±61.6) n/L and (1.5±0.2)～(12±3.9) n/L respectively. The fibrous microplastics were dominant and evenly distributed at all sampling points, while the fragmentary, membranous and massive microplastics were of low abundance without obvious regularity. of all microplastics identified by Raman spectroscopy, polypropylene (43%) was the most common type, followed by polyvinyl chloride (18%), polyethylene terephthalate (18%), polyethylene (11.7%) and polystyrene (9.3%).

microplastics；Ulansuhai；spatial distribution；influence factors；Raman spectroscopy

X524

A

1000-6923(2022)07-3316-09

郝若男(1995-),女,內(nèi)蒙古包頭人,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要研究水環(huán)境中微塑料的遷移規(guī)律.發(fā)表論文1篇.

2021-12-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51909123);國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFE0114800,2019YFC0409204);內(nèi)蒙古高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目(NJZY19057)

* 責(zé)任作者, 教授, shixiaohong@imau.edu.cn