南海永興島和東島土壤中微塑料和鹵代阻燃劑的分布特征

謝晨敏，隆楚月，黎大寧，朱春友，彭先芝，孫毓鑫*，羅孝俊，張黎，麥碧嫻

1. 中國科學院南海海洋研究所/中國科學院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室，廣東 廣州 510220；2. 中國科學院廣州地球化學研究所/有機地球化學國家重點實驗室，廣東 廣州 510640，3. 中國科學院大學，北京 100049

微塑料是指直徑小于5 mm的塑料纖維、顆粒、薄膜和碎片（Thompson et al.，2004）。微塑料作為一種新型污染物，已在各種環(huán)境介質中被廣泛檢出（Machado et al.，2018）。土壤中的微塑料主要來自農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和污水灌溉中塑料農(nóng)膜的使用、工業(yè)生產(chǎn)過程中的廢氣沉降、垃圾填埋場滲濾液滲漏以及生活污水的排放。據(jù)估計，每年有超過43萬噸的微塑料進入土壤環(huán)境，對土壤生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生潛在的威脅作用。微塑料可通過風和地表水等在土壤表層橫向遷移進行擴散，也可以在土壤生物作用下縱向遷移（Nizzetto et al.，2016；楊杰等，2021）。微塑料具有體積小、比表面積大、疏水性強等特點，是持久性有機污染物和重金屬的理想載體（湯慶峰等，2019）。添加在塑料中的鹵代阻燃劑（Halogenated flame retardants，HFRs）也可能釋放到環(huán)境中，微塑料和鹵代阻燃劑都會對生物產(chǎn)生毒害作用。

HFRs因其價格低廉、穩(wěn)定性好、與合成樹脂材料的相容性好而被廣泛應用于交通運輸、建筑、電子電器、日用家具、室內裝修等領域。常見的HFRs包括多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）、十溴二苯乙烷（DBDPE）、四溴雙酚A（TBBPA）、六溴環(huán)十二烷（HBCD）、1, 2-二（2, 4, 6-三溴苯氧基）乙烷（BTBPE）、德克?。―P）和氯化石蠟（CPs）。近年來，由于PBDEs、HBCD和短鏈氯化石蠟等HFRs在全球范圍內逐漸被淘汰和禁用，市場對十溴二苯乙烷（DBDPE）、1, 2-二（2, 4, 6-三溴苯氧基）乙烷（BTBPE）和得克?。―P）等替代品的需求迅速增加（Ezechiá? et al.，2014）。這些替代型 HFRs也可能具有持久性、生物累積性和毒性（Covaci et al.，2011）。

永興島和東島地處中國南海的西沙群島，島上棲息著許多物種，有著豐富的自然資源，因此兩島嶼的生態(tài)環(huán)境備受關注。永興島是西沙群島陸地面積（3.16 km2）最大的島嶼，島上常住人口約1000人，配置有完善的生產(chǎn)和生活設施。東島位于永興島東南約50 km處，是西沙群島中面積（1.7 km2）第二大島。東島上棲息著 40多種鳥類，常被稱為“鳥島”，有著中國最南端的紅腳鰹鳥自然保護區(qū)。研究微塑料和HFRs在永興島和東島的分布特征，有助于更好地了解中國南海海島上物種棲息地的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀。目前已有關于南海水體、沉積物及海洋生物中微塑料（Zhu et al.，2019；Li et al.，2022）和 HFRs（Mai et al.，2005；Sun et al.，2013；Zhu et al.，2014）的分布特征的報道，而關于南海諸島土壤中微塑料和HFRs的研究鮮有報道。本文以西沙群島的永興島和東島為研究區(qū)域，研究微塑料以及 PBDEs、BTBPE、DBDPE和DP等HFRs在兩個海島土壤中的分布特征，并探討微塑料和HFRs在2個海島的分布差異，研究結果可為評估海島土壤中微塑料和 HFRs的生態(tài)風險提供重要的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

2018年8月和12月分別在南海永興島（n=8）和東島（n=10）采集了8個和10個表層土壤樣品（0—5 cm），采樣區(qū)域如圖1，樣品采集后用錫紙包裹，放入冷凍箱立即運回實驗室，在?20 ℃保存至前處理分析。

圖1 采樣區(qū)域Figure 1 Sample area

1.2 試劑

PBDEs混標8種（BDE 28、47、99、100、153、154、183 和 209），BDE 66、196、197、202、205、206、207和208等單標購置于美國Accustandard公司，內標（BDE 118、BDE 128、3-F-BDE 153）和回收率指示物（BDE 77、BDE 181和BDE 205）購置于美國Accustandard公司，回收率指示物13C12-BDE 209購于美國Cambridge Isotope Laboratories。

實驗所使用的有機溶劑包括丙酮、二氯甲烷、正己烷均為色譜純，購置于瑞典Oceanpak公司；硅藻土買自于廣州化學試劑廠；銅粉購置于上海Macklin公司。

1.3 樣品前處理

微塑料提取：土壤樣品在40 ℃下干燥72 h，稱取 20 g，加入 80 mL 0.05 mol·L?1FeSO4溶液和 20 mL 3% H2O2，去除土壤中的有機碳。將樣品在70 ℃水浴加熱30 min，再加入500 mL飽和NaCl溶液（1.2 g·L?1）進行密度分離，攪拌并靜置過夜，浮選3次。采用直徑為47 mm，孔徑為1.2 μm的玻璃纖維膜（GF/C，Whatman，UK）對上清液進行真空抽濾，將過濾后含有微塑料的玻璃纖維膜轉移至培養(yǎng)皿中，并用鋁箔覆蓋，進一步分析微塑料形態(tài)和聚合物組成。

鹵代阻燃劑提?。和寥罉悠方?jīng)冷凍干燥、研磨過篩，稱取10 g土壤樣品與硅藻土充分混勻，加入銅粉除硫，同時加入回收率指示物 BDE 77、BDE 181、BDE 205和13C12-BDE 209。以丙酮/正己烷為溶劑，在加速溶劑萃取儀中萃取，萃取液旋轉濃縮至1 mL，用硅膠層析柱（從上到下依次為1 cm無水硫酸鈉，8 cm酸性硅膠，8 cm中性硅膠）純化，用30 mL正己烷/二氯甲烷混合溶劑（V/V=1/1）淋洗。洗脫液氮吹濃縮至近干，加入內標BDE 118，BDE 128和3-F-BDE 153，用正己烷定容到100 μL，待下一步分析。

1.4 儀器分析

微塑料采用立體顯微鏡（Olympus SZX10）鑒定，并使用數(shù)碼相機（Olympus DP80）對濾膜上的微塑料進行拍照，以統(tǒng)計微塑料的數(shù)量、尺寸、形狀和顏色。采用Image J（1.46r，National Institutes of Health）軟件測量微塑料的尺寸。微塑料的形狀可分為三類：纖維類、碎片類和薄膜狀；顏色分為五類：透明、黑色、藍色、黃色和紅色。微塑料聚合物類型由傅里葉變換紅外光譜儀（Thermo Scientific Nicolet iN10，U.S.A）進行鑒定。

鹵代阻燃劑使用氣相色譜-質譜聯(lián)用儀（Agilent 7890GC-5975MS）進行測定，離子源為負化學電離源，反應氣為高純甲烷，載氣為高純氦氣，柱流速為 1.5 mL·min?1，進樣量為 1 μL，進樣口溫度、接口溫度和離子源溫度分別為280、280、150 ℃。BDE 28、47、66、99、100、153、154、183、syn-DP 和anti-DP采用DB-5 MS色譜柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm，Agilent Technologies）進行分離，升溫程序為：110 ℃保持 1 min，以 8 ℃·min?1的速率升溫至180 ℃，保持 15 min，再以 2 ℃·min?1的速率升至310 ℃，保持 10 min。BDE 196、197、202、203、206、207、208和209，DBDPE和BTBPE使用DB-5HT 色譜柱（15 m×0.25 mm×0.10 μm，Agilent Technologies，USA）分離，升溫程序：110 ℃保持5 min，以 20 ℃·min?1的速率升溫至 200 ℃保持 4.5 min，再以 10 ℃·min?1的速率升至 310 ℃，并保持15 min。syn-DP和anti-DP的掃描離子分別為m/z653.8和655.8，BDE 209的掃描離子為m/z486.7和487.7，13C12-BDE 209的掃描離子為m/z492.7和494.7，其它BDE單體、BTBPE和DBDPE掃描離子為m/z79和81。

1.5 質量控制與數(shù)據(jù)分析

在對土壤樣品中微塑料和HFRs進行預處理的過程中，同時做程序空白。為了避免在實驗過程中引入微塑料污染，飽和NaCl、H2O2和FeSO4溶液在使用之前均用 0.7 μm 玻璃纖維膜（GF/F，Whatman，UK）進行過濾。預實驗確定土壤樣品中微塑料的浮選次數(shù)為3次，經(jīng)過3次浮選后的飽和NaCl溶液中幾乎不含有微塑料。在程序空白中未檢出微塑料。BDE 28、66、206、207、208和209等在程序空白中檢出，其質量分數(shù)分別為0.47、4.76、10.6、11.5、9.64、21.0 ng·mL?1。樣品中鹵代阻燃劑經(jīng)程序空白校正。HFRs的空白加標和基質加標（加標物質為：BDE 28、47、99、100、153、154、183、209和DBDPE）回收率范圍分別為63.6%—113%和63.6%—126%，樣品中4種回收率指示物BDE 77、181、205和13C12-BDE 209的回收率分別為93.2%±6.9%、93.8%±7.3%、119%±9.4%和81.4%±7.5%。土壤樣品中微塑料豐度單位為items·kg?1，HFRs的質量分數(shù)以干質量表示，單位為ng·g?1。

數(shù)據(jù)分析和制圖由SPSS 22.0、Origin Pro 2021等軟件實現(xiàn)。統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)經(jīng)對數(shù)轉化后，采用獨立樣本t檢驗分析兩島嶼間微塑料豐度和HFRs質量分數(shù)的差異，顯著性水平設置為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 永興島和東島土壤中微塑料分布特征

微塑料在永興島土壤樣品中都檢測出，而在東島E1和E2兩個站點土壤樣品中未檢出。永興島和東島土壤樣品中微塑料平均豐度分別為(512±110)、(219±45) items·kg?1（圖2），高于西沙甘泉島和全富島海灘上微塑料豐度 (101±87)items·kg?1（方周等，2021）。陸源輸入是海洋環(huán)境中微塑料的主要來源，沿海旅游業(yè)和航運業(yè)導致大量的塑料產(chǎn)品和廢棄物進入海洋或海灘中，這是加劇海洋環(huán)境中微塑料污染負荷的重要原因（邵媛媛等，2020）。永興島土壤中微塑料豐度顯著高于東島（P=0.035）。永興島常住人口有1000余人，而東島無人居住。人為活動產(chǎn)生的塑料垃圾在自然條件下風化或被生物分解為微塑料是造成永興島土壤中含量相對較高的一個原因，而大氣沉降可能是東島土壤中微塑料的重要來源。

圖2 永興島和東島土壤中微塑料豐度Figure 2 Microplastics abundance in soils from Yongxing Island and East Island

永興島和東島土壤中微塑料的尺寸分布大致相似（圖3a），都以0.2—0.5 mm（31.7%和40.9%）為主，其次為 0.5—2 mm（25.6%和 18.2%）以及0.1—0.2 mm（22.0%和18.2%），永興島和東島土壤中尺寸小于0.5 mm的微塑料占比均較高，分別為68.3%和72.7%。有研究表明，尺寸小于1 mm的微塑料能被蚯蚓攝食進入腸道內，尺寸越小，對蚯蚓產(chǎn)生的毒害作用越大（Rodriguez-Seijo et al.，2017）。小于0.05 mm的微塑料可以進入跳蟲體內，更小尺寸的微塑料進入跳蟲體內后可以阻礙跳蟲運動（Kim et al.，2019），因此永興島和東島土壤中高占比的小尺寸微塑料可能會對土壤生物的生長生存產(chǎn)生一定的影響。永興島和東島土壤中檢出了纖維狀、碎片狀和薄膜狀微塑料（圖3b），所占比例分別為78.0%和77.3%，19.5%和18.2%，2.4%和4.5%。球狀微塑料在永興島和東島土壤中均未檢出，而球狀微塑料常作為原料被添加在個人護理產(chǎn)品的生產(chǎn)中，因此球狀微塑料常與工業(yè)生產(chǎn)排放有關（Wu et al.，2017；Zuo et al.，2020），表明永興島和東島土壤中微塑料并非來自工業(yè)源的直接排放。永興島土壤中微塑料顏色以透明（68.3%）為主（圖3c），其次依次為黃色（12.2%）、藍色（9.8%）、黑色（7.3%）、紅色（2.4%）。東島土壤中微塑料顏色也以透明（58.8%）為主，其次為黑色（25.0%），藍色（9.1%）和紅色（9.1%）。與永興島土壤相比，東島土壤中透明微塑料略有減少，且沒有黃色微塑料檢出。在人為污染源的附近，微塑料顏色更為豐富多樣，但永興島和東島上人為活動相對有限，且有顏色微塑料在紫外光照、風化和生物等作用下會逐漸褪去，變成透明或白色（Vidyasakar et al.，2018），這可能是永興島和東島土壤中微塑料以透明為主的原因。

圖3 永興島和東島土壤中微塑料特征Figure 3 Characteristics of microplastics in soils from Yongxing Island and East Island

永興島土壤中微塑料的聚合物組成為（圖3d）：聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET，32.9%）、聚丙烯（PP，31.7%）、聚乙烯-聚丙烯聚合物（PP & PE，22.0%）和聚乙烯（PE，13.4%）；東島土壤中微塑料的聚合物類型為PET（65.9%）、PE（22.7%）、PP（6.8%）、PP& PE（2.3%）和PC（2.3%）。微塑料的顏色與聚合物組成之間沒有顯著相關性。永興島和東島土壤中微塑料聚合物組成都以PET為主，其次為PP和PE。PET的熔點在 255 ℃左右，具有優(yōu)秀的阻抗性和耐腐蝕性，使其可以在土壤中更穩(wěn)定存在。PP與PE被大量生產(chǎn)，廣泛用于包裝、紡織品和漁具（Geyer et al.，2017；Cai et al.，2018），且PP和PE屬于低密度微塑料，可通過粉塵擴散到大氣中（Liu et al.，2019；劉鑫蓓等，2021），因此遷移和擴散范圍相對更廣。

2.2 永興島和東島土壤中PBDEs分布特征

BDE 28、47、66、99、100、196、197、202、203、207、208和209等12種PBDEs單體在永興島和東島所有土壤樣品中均被檢出，BDE 154在永興島和東島土壤樣品中都未檢出，BDE 153、183和206僅在永興島土壤中檢出，其檢出率分別為 50%、12.5%和100%。在永興島和東島土壤樣品中PBDEs的質量分數(shù)變化范圍為 5.36—417 ng·g?1和 1.64—3.02 ng·g?1，平均值為 (75.4±50.1) ng·g?1和(2.12±0.15) ng·g?1（表1）。永興島不同站點土壤中PBDEs分布呈現(xiàn)一定的空間差異性?？拷顓^(qū)（Y1、Y2和Y6）的PBDEs質量分數(shù)明顯高于天然林（Y7和Y8），生活區(qū)人為活動頻繁，且附近有新建房屋，建筑材料、油漆及機械燃料等可能會增加土壤中PBDEs污染。永興島土壤中PBDEs質量分數(shù)顯著高于東島（P<0.001），永興島作為三沙市市政府所在地，有相對完善的生產(chǎn)和生活配套設施，且島上的常住人口多于東島。永興島PBDEs污染可能源于島上的生產(chǎn)生活釋放到環(huán)境中，比如船舶的防污防腐涂料、港口以及居民的生活污水等。與永興島相比，東島可以被認為是受人為活動干擾較少的島嶼。土壤中PBDEs質量分數(shù)與人口密度呈顯著正相關關系（Li et al.，2016），進一步證實了我們的研究結果。

表1 永興島和東島土壤中鹵代阻燃劑質量分數(shù)Table 1 Concentrations of HFRs in soils from Yongxing Island and East Island ng·g?1

永興島和東島土壤中 PBDEs同系物組成都以BDE 209為主（圖4），所占比例分別為 78.3%和62.4%，BDE 209是商用十溴聯(lián)苯醚的主要單體，也是目前全球使用量最大的 PBDEs。永興島土壤中PBDEs組成區(qū)分明顯，主要以高溴代PBDEs為主，五溴和八溴PBDEs占比極少。有研究表明，BDE209在紫外線光照條件下會脫溴降解為低溴代PBDEs，如BDE 28、47、99、100和153等（Soderstrom et al.，2004），永興島土壤中檢出的少量低溴 PBDEs極有可能來自高溴代 PBDEs的降解。與永興島相比，東島土壤樣品中低溴代占比普遍高于永興島。這可能與東島上不可忽略的水鳥活動有關，以捕食魚類為生的水鳥肌肉中檢出的 PBDEs主要以五溴和八溴為主（Luo et al.，2009），在北美環(huán)嘴海鷗的血漿和糞便中大量檢出 BDE 47、99和 209（Desjardins et al.，2019）。東島上棲息的大量鳥類排出的糞便在土壤表層堆積，從而影響東島土壤中PBDEs的組成。

圖4 永興島和東島土壤中PBDEs同系物組成Figure 4 PBDEs congener profiles in soils from Yongxing Island and East Island

2.3 永興島和東島土壤中BTBPE和DBDPE的分布特征

BTBPE作為商用八溴聯(lián)苯醚的替代品，主要用于熱塑性塑料、熱固性樹脂、聚碳酸酯和涂料中（Covaci et al.，2011）。BTBPE僅在永興島Y2和Y8兩個站點土壤中檢出，其質量分數(shù)分別為 0.089 ng·g?1和 0.085 ng·g?1（表1）。東島 10 個站點土壤中都沒檢出BTBPE。DBDPE作為十溴聯(lián)苯醚的替代品，是目前使用量最大的新型溴系阻燃劑，被廣泛添加于高抗沖聚苯乙烯、聚丙烯和紡織品中起阻燃性能（Kierkegaard et al.，2004）。DBDPE在永興島和東島土壤中均有檢出，其質量分數(shù)分別為0.71—15.6、0.18—0.36 ng·g?1。永興島土壤中DBDPE顯著高于東島（P<0.001），這與土壤中PBDEs的結果相似。土壤中 DBDPE質量分數(shù)與BDE 209質量分數(shù)呈顯著正相關性（r2=0.93，P<0.001），表明島嶼土壤中DBDPE與BDE 209存在相似的污染來源或環(huán)境行為，在珠江三角洲和長江三角洲土壤中也發(fā)現(xiàn) DBDPE質量分數(shù)與 BDE 209質量分數(shù)有顯著的正相關關系（Chen et al.，2013；Zhu et al.，2013）。

2.4 永興島和東島土壤中DP的分布特征

順式（syn-）和反式（anti-）DP在永興島和東島土壤中都被檢測出。syn-DP、anti-DP、ΣDP在永興島土壤中的質量分數(shù)范圍分別為 0.02—0.04、0.03—0.07、0.05—0.10 ng·g?1（表1）。syn-DP、anti-DP和 ΣDP在東島土壤中的質量分數(shù)范圍分別為0.024—0.055、0.035—0.084 和 0.059—0.136 ng·g?1。永興島土壤中 DP質量分數(shù)顯著高于東島（P=0.037），這與土壤中PBDEs和DBDPE的結果相似。土壤中 DP質量分數(shù)與 PBDEs（r2=0.62，P=0.006）和DBDPE（r2=0.58，P=0.012）質量分數(shù)呈顯著正相關關系，這表明島嶼土壤中這三類鹵代阻燃劑有相似的污染來源或環(huán)境行為。

anti-DP與ΣDP的比值（fanti）常被用來反映DP的組成特征，其計算方法為anti-DP除以syn-DP和anti-DP的質量分數(shù)之和。永興島和東島土壤中fanti的變化范圍為0.59—0.71和0.56—0.67，平均值分別為0.62±0.01和0.61±0.01（圖5）。中國和北美工業(yè)品中fanti的變化范圍為 0.65—0.79和0.65—0.80（Hoh et al.，2006；Tomy et al.，2007；Wang et al.，2010）。在本研究中，2個島嶼土壤樣品中fanti的平均值都低于工業(yè)品，表明土壤樣品中DP發(fā)生了選擇性的環(huán)境行為。大氣傳輸過程中anti-DP更易發(fā)生光解，syn-DP比anti-DP穩(wěn)定，且syn-DP的辛醇-大氣分配系數(shù)相對較低，更易與大氣顆粒相結合（Fang et al.，2014）。在DP經(jīng)大氣傳輸?shù)胶u的過程中，其組成發(fā)生了變化，從而導致2個島嶼土壤中選擇性地賦存了syn-DP。

圖5 永興島和東島土壤中fanti值Figure 5 fanti values in soils from Yongxing Island and East Island

3 結論及展望

（1）微塑料在永興島和東島土壤中檢出，都以小于0.5 mm，纖維狀、透明微塑料為主，其材質以PET為主。

（2）PBDEs、DBDPE和DP等鹵系阻燃劑都在永興島和東島土壤中檢測出，且 2個島嶼土壤中PBDEs質量分數(shù)都顯著高于其它3種HFRs。BDE 209是土壤中最主要的PBDEs單體，而2個島嶼土壤中選擇性地富集syn-DP。

（3）永興島土壤中微塑料豐度、PBDEs、DBDPE和DP質量分數(shù)都顯著高于東島，這可能與永興島上的人類活動有關。后續(xù)將對永興島和東島土壤中微塑料和HFRs進行長期監(jiān)測，從而了解兩個島嶼中土壤微塑料和 HFRs的動態(tài)變化規(guī)律及潛在聯(lián)系，并評估其對島嶼土壤生物的潛在影響。