滇池表層沉積物中微塑料的空間分布及來(lái)源分析*

袁志偉，李 菊，鄧春暖 ，李大鳳，張 權(quán)，張 浩，李宏溪

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部，云南省高原地理過(guò)程與環(huán)境變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；2.云南開(kāi)放大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，云南 昆明 650500)

塑料耐用性強(qiáng)，具有質(zhì)輕、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年全球塑料產(chǎn)量高達(dá)3.67 億t[1]，造福人類的同時(shí)也產(chǎn)生環(huán)境問(wèn)題。被遺棄在環(huán)境中的塑料經(jīng)風(fēng)化分解后形成粒徑不一的塑料碎片，其中粒徑＜5 mm 的碎片通常被稱為微塑料[2]。水環(huán)境中的微塑料易被魚(yú)、蝦等生物誤食，積累于胃、腸道會(huì)降低消化能力，甚至死亡[3-5]。此外，微塑料還可以吸附水中的有機(jī)污染物和重金屬造成復(fù)合污染，危害水生生態(tài)系統(tǒng)健康[6]。與海洋和河流等水體相比，城市湖泊受到人類活動(dòng)的強(qiáng)烈影響，且流動(dòng)性及自凈能力差，因此湖泊中微塑料污染問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注。

湖泊沉積物是微塑料重要的“匯”，對(duì)國(guó)外[7-10]和國(guó)內(nèi)[11-14]一些湖泊的研究均表明湖泊沉積物中微塑料的污染狀況不容樂(lè)觀。在微塑料賦存特征上，多數(shù)湖泊沉積物中微塑料形態(tài)以纖維狀為主[8,10-12]，也有一些研究發(fā)現(xiàn)微塑料形態(tài)以碎片狀為主[15-16]。在微塑料化學(xué)性質(zhì)上，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(polyethylene，PE)和聚丙烯(polypropylene，PP)等是主要的聚合物成分[8,11,13-14,17]。此外，微塑料的來(lái)源與周邊人類活動(dòng)密切相關(guān)，工業(yè)活動(dòng)[18]、漁業(yè)活動(dòng)[19]、旅游活動(dòng)[14]和城市污水處理廠的尾水排放[20]等都可能是微塑料污染的來(lái)源。微塑料在湖泊空間中的分布差異性極大，在不同環(huán)境中，可能受污染源[21]、湖泊水動(dòng)力[14]和湖泊形態(tài)[22]等多種因素的影響，尚無(wú)明顯規(guī)律。因此，湖泊沉積物中微塑料的空間分布、賦存特征及成因分析是微塑料污染研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

滇池作為云南省面積最大的淡水湖泊，是國(guó)家水污染防治項(xiàng)目“三湖三河”重點(diǎn)治理對(duì)象之一。目前已有針對(duì)滇池水體微塑料污染的研究[23-25]，但針對(duì)沉積物微塑料的研究相對(duì)匱乏。為了進(jìn)一步了解沉積物中微塑料的賦存及空間分布情況，本研究通過(guò)野外調(diào)查采樣分析滇池表層沉積物中微塑料的理化特征及分布，判斷微塑料的主要來(lái)源及分布成因，為揭示滇池表層沉積物中微塑料的時(shí)空變化規(guī)律提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣品采集

滇池位于云貴高原，是典型的淺水湖泊[26]。形狀似胃，東南呈弓形，水面面積為309.5 km2，容積15.6 億m3；南北向長(zhǎng)40 km，東西向平均寬7 km，湖岸線長(zhǎng)163.2 km，平均深度5.3 m，最大深度11.2 m[27]。滇池根據(jù)湖泊形狀可分為南、北2 個(gè)區(qū)域，湖水由南部西南角的螳螂川流出[25]，流域風(fēng)向全年以西南風(fēng)為主[28]。本研究采用均勻布點(diǎn)原則，在滇池湖面均勻布設(shè)14 個(gè)采樣點(diǎn)(圖1 和表1)，其中南部6 個(gè)(S1～S6)、北部8 個(gè)(S7～S14)。每個(gè)采樣點(diǎn)共采集3 份樣品，2019 年4 月采集2 份，2021 年9 月采 集1 份。采樣過(guò)程中利用手持GPS 進(jìn)行導(dǎo)航，采用彼得森抓斗抓取表層沉積物至不銹鋼盆，每份樣品采集500 g 裝入自封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室常溫儲(chǔ)存。

表1 滇池各采樣點(diǎn)坐標(biāo)、海拔及水深Tab.1 The coordinates,altitude and water depth of the Dianchi Lake sample sites

圖1 滇池采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample sites in Dianchi Lake

1.2 樣品預(yù)處理

稱取200 g (濕質(zhì)量)沉積物樣品放入1 000 mL燒杯中，加入飽和NaCl 溶液600 mL 并充分?jǐn)嚢瑁缅a箔紙密封燒杯口進(jìn)行浮選，室溫下靜置24 h 后將上層清液過(guò)篩(150 目)，用去離子水收集殘留物至100 mL 燒杯中，每個(gè)樣品浮選3 次；在燒杯中加入 30% H2O2溶液50 mL，置于60 ℃恒溫水浴鍋中消解72 h；消解完成后冷卻至室溫，利用真空抽濾泵將燒杯中的溶液抽濾至濾膜(0.45 μm)上，抽濾完成后將濾膜移至玻璃培養(yǎng)皿中陰干待用。為防止外界環(huán)境污染，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中關(guān)閉門窗，實(shí)驗(yàn)人員均穿戴棉質(zhì)實(shí)驗(yàn)服和橡膠手套，玻璃容器在使用前均用去離子水清洗3 次后烘干備用。

1.3 微塑料的觀察及成分鑒定

使用體式顯微鏡對(duì)濾膜上微塑料的物理特征(顏色和形狀)進(jìn)行觀察，并利用Motic Images Plus 3.0 (64×)軟件對(duì)微塑料的粒徑進(jìn)行測(cè)量。為方便統(tǒng)計(jì)研究，將粒徑按大小分為3 類，即＜1 mm、1～3 mm 和＞3～5 mm。使用光鑷—拉曼光譜超高速大面積成像系統(tǒng)(LabRAM HR Evolution，日本HORIBA Scientific)對(duì)隨機(jī)挑選的270 個(gè)疑似微塑料進(jìn)行聚合物鑒定，具體參數(shù)設(shè)置為：選用785 激光器，光譜范圍500～3 600 cm-1，曝光時(shí)間8 s，累積次數(shù)4 次，功率衰減100%。將獲取的樣品拉曼圖譜與Know It All?拉曼圖譜庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行匹配，確定疑似微塑料的具體成分。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

在ArcMap 10.5 軟件中利用滇池等深線創(chuàng)建數(shù)字高程模型，提取各采樣點(diǎn)的高程，水深為水面高程與采樣點(diǎn)高程的絕對(duì)差值。在烘箱中將適量沉積物(100 g)樣品烘干并記錄干質(zhì)量，微塑料豐度采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差”表示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 24.0 進(jìn)行分析，圖片采用ArcMap 10.5 和Origin 2018 繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇池表層沉積物中微塑料的豐度及空間分布特征

由圖2 可知：滇池14 個(gè)采樣點(diǎn)表層沉積物中微塑料的豐度為344.6～1 171.8 個(gè)/kg，平均豐度為(609.6±206.1)個(gè)/kg。全湖微塑料豐度與水深顯著正相關(guān)(r=0.569，P=0.034＜0.05)，其中，滇池北部湖心區(qū)(S7、S8、S11 和S12)微塑料平均豐度為(667.7±143.8)個(gè)/kg，平均水深為4.25 m；湖岸區(qū)(S9、S10、S13 和S14)微塑料平均豐度為(446.5±101.3) 個(gè)/kg，平均水深為3.04 m，微塑料在北部多聚集于湖心深水區(qū)，而近岸淺水區(qū)富集較少。滇池南部區(qū)域微塑料平均豐度為(679.6±249.0)個(gè)/kg，高于北部區(qū)域[(557.1±165.1)個(gè)/kg]，其中S4 是南部區(qū)域微塑料豐度最高的采樣點(diǎn)，為1 171.8 個(gè)/kg；其次是S5，為679.8 個(gè)/kg，均位于出水口前的深水區(qū)。

圖2 各采樣點(diǎn)微塑料豐度Fig.2 Microplastic abundance at each sample site

2.2 滇池表層沉積物中微塑料的物理特征

2.2.1 微塑料形狀特征

滇池表層沉積物中檢測(cè)出的微塑料有纖維狀、薄膜狀、碎片狀、顆粒狀和其他形狀等5 類。纖維狀微塑料在表層沉積物中的含量遠(yuǎn)高于其余4類，占比高達(dá)83.49%；碎片狀、顆粒狀和薄膜狀微塑料分別占5.89%、5.41%和4.83%，無(wú)法辨別形狀的其他類微塑料僅占0.39%。各采樣點(diǎn)中均檢測(cè)出纖維狀和顆粒狀微塑料，碎片狀微塑料在S9 中未檢測(cè)出，薄膜狀微塑料在S8、S9、S12 和S14 中未檢測(cè)出(圖3)。

圖3 不同形狀微塑料在各采樣點(diǎn)的占比Fig.3 Proportion of microplastics with different shapes in each sample site

2.2.2 微塑料顏色特征

滇池表層沉積物中微塑料的顏色以藍(lán)色和透明色為主，占比分別為46.43%和34.92%；其次是紅色(8.19%)和黑色(5.70%)。藍(lán)色微塑料在S10 中占比最高，為70.15%；透明色微塑料在S11 中占比最高，為43.24%；各采樣點(diǎn)中均發(fā)現(xiàn)紅色微塑料，其中在S2、S4、S7 和S14 采樣點(diǎn)中占比較低；黑色微塑料在S1、S2 和S3 中占比較高(圖4)。

圖4 不同顏色微塑料在各采樣點(diǎn)的占比Fig.4 Proportion of microplastics with different colors in each sample site

2.2.3 微塑料粒徑特征

滇池表層沉積物中粒徑＜1 mm 的微塑料占比最高，為69.74%；粒徑1～3 mm 和＞3～5 mm的微塑料占比分別為27.62%和2.64%。在各采樣點(diǎn)中，粒徑＜1 mm 的微塑料在S7 中占比最高，為78.26%；粒徑1～3 mm 的微塑料在S13 中占比最高，為39.66%；粒徑＞3～5 mm 的微塑料在S14 中占比最高，為7.14% (圖5)。

圖5 不同粒徑微塑料在各采樣點(diǎn)的占比Fig.5 Proportion of microplastics with different particle sizes in each sample site

2.3 微塑料聚合物分析

270 個(gè)疑似微塑料中共檢測(cè)出223 個(gè)微塑料，檢出率為82.59%。由圖6 可知：滇池表層沉積物中的微塑料共檢測(cè)出8 種成分，其中主要成分是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、染色微塑料和聚丙烯(PP)，占比分別為38.12%、36.77%和12.56%，其余各成分占比在0.90%～5.83%。

圖6 微塑料不同成分占比Fig.6 Proportion of different components of microplastics

3 討論

3.1 滇池表層沉積物微塑料的主要來(lái)源分析

目前，許多研究根據(jù)微塑料的理化性質(zhì)，結(jié)合日常塑料制品成分和周邊人類活動(dòng)等判斷其主要來(lái)源[20,29]。滇池表層沉積物中微塑料形狀以纖維狀為主，占比高達(dá)83.49%。纖維狀微塑料在南洞庭湖[30]和烏梁素海[31]等有漁業(yè)活動(dòng)的湖泊中多被認(rèn)為來(lái)源于捕魚(yú)工具。結(jié)合實(shí)際情況分析，滇池禁漁前存在長(zhǎng)期漁業(yè)活動(dòng)，捕魚(yú)時(shí)大量使用的漁網(wǎng)和魚(yú)線等漁具老化、破碎后經(jīng)各種途徑進(jìn)入滇池水體并沉積，成為纖維狀微塑料的主要來(lái)源之一。另外，滇池表層沉積物中纖維狀微塑料以藍(lán)色和透明色為主，這與漁民使用的魚(yú)線和漁網(wǎng)顏色十分相似[24]，檢測(cè)出的PET 和PP 等聚合物成分也常被用于制作漁網(wǎng)[32]，因此，微塑料的顏色以及聚合物的種類可輔助識(shí)別其主要來(lái)源于漁具。已有研究表明：在昆明主城區(qū)雨污分流工程下，依舊有部分纖維狀微塑料隨污水處理廠尾水排入滇池[23]，加之城中村及老舊生活區(qū)存在污水直排支流的現(xiàn)象[33]，結(jié)合日常洗衣廢水[34]和淋浴廢水[35]中的纖維含量，判斷生活污水及污水處理廠尾水中的紡織品也是纖維狀微塑料的主要來(lái)源。在拉曼光譜檢測(cè)過(guò)程中因染色劑的色素信號(hào)掩蓋塑料成分信號(hào)，所以不能鑒定出微塑料的具體成分，故本研究將染色微塑料歸為塑料聚合物[36]，但其具體成分尚不明確。

碎片狀、薄膜狀和顆粒狀等形狀的微塑料數(shù)量較少，占比均約為5%。已有研究表明：滇池灘涂塑料瓶和食品袋等塑料垃圾堆積現(xiàn)象普遍[37]，加之禁漁前使用的漁網(wǎng)和地籠等利用飲用水瓶和發(fā)泡類塑料充當(dāng)浮子[38]，這些塑料制品破碎后成為碎片狀微塑料的來(lái)源之一。薄膜狀微塑料主要存在于滇池南部，北部S8、S9、S12 和S14等點(diǎn)位均未檢測(cè)出。與南部湖面接壤的多為花卉和蔬菜種植農(nóng)田[24]，地膜和塑料大棚等的材質(zhì)主要為PE、PP 和聚酰胺(polymide，PA)[39]，與鑒定出的微塑料成分吻合，故薄膜狀微塑料與農(nóng)用地膜和棚膜的使用有關(guān)。顆粒狀微塑料一般作為研磨劑添加于洗面奶和牙膏等清潔用品中[40]，主要來(lái)自生活污水及污水處理廠尾水[41]。由此推斷，滇池表層沉積物中的微塑料主要來(lái)源于漁網(wǎng)和紡織品，其余來(lái)源對(duì)其貢獻(xiàn)較小。

3.2 滇池表層沉積物微塑料的污染水平及空間分布成因分析

滇池表層沉積物微塑料豐度在344.6～1 171.8個(gè)/kg 之間，平均豐度為(609.6±206.1)個(gè)/kg。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：國(guó)內(nèi)西藏湖泊群[(544.62±297.99)個(gè)/kg][42]、駱馬湖[(513±201)個(gè)/kg][43]和南洞庭湖[(501.43±331.18)個(gè)/kg][30]等微塑料污染程度較高，雨山湖和南湖[(277.1±395.6)個(gè)/kg][21]、松山湖[(244±121)個(gè)/kg][44]等微塑料污染程度中等；意大利Bolsena 湖(112 個(gè)/kg)[9]和Bracciano 湖(42 個(gè)/kg)[15]、巴基斯坦Rawal 湖(104 個(gè)/kg)[32]以及印度Red Hills 湖(27 個(gè)/kg)[10]等微塑料污染程度較輕。與以上研究相比，滇池表層沉積物中微塑料污染程度較高。

滇池不同區(qū)域微塑料的分布情況存在差異，北部湖心(S7、S8、S11 和S12)以及南部出水口(S4 和S5)等局部區(qū)域微塑料富集較多，而全湖(S1～S12)分布則呈現(xiàn)“南多北少”的趨勢(shì)，這種獨(dú)特空間分布格局的形成與滇池水深分布、水動(dòng)力特征密切相關(guān)。滇池表層沉積物中的微塑料豐度與水深顯著正相關(guān)(r=0.569，P=0.034＜0.05)，即采樣點(diǎn)水越深，其微塑料豐度越高。由此可見(jiàn)，與休倫湖[7]和Bracciano 湖[15]類似，水深是影響滇池沉積物中微塑料空間分布的重要因素。近年來(lái)，滇池流域補(bǔ)水量及自身?xiàng)壦疁p少，湖水滯留期變長(zhǎng)，滇池已演變成半封閉人工調(diào)節(jié)湖泊[28]，因此水動(dòng)力特征與封閉湖泊[14]相似。尤其北部區(qū)域水體流動(dòng)形成大型逆時(shí)針環(huán)流[25,28]，導(dǎo)致大量微塑料顆粒隨湖流向湖心區(qū)域遷移和匯聚[24]，加之湖心平坦的地形及深水區(qū)的降能作用[7]，為水體微塑料在北部湖心的大量沉積創(chuàng)造了有利條件。

研究表明湖泊出水口區(qū)域沉積物中微塑料的豐度較低[12,18]，但本研究發(fā)現(xiàn)滇池出水口區(qū)域(S4 和S5)微塑料的豐度較高。與滇池類似，鄱陽(yáng)湖[11]出水口區(qū)域微塑料豐度也較高，其作者認(rèn)為這種高富集現(xiàn)象主要由周邊污染源(工業(yè)活動(dòng)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)和污水處理廠尾水排放等)大量輸入導(dǎo)致。結(jié)合實(shí)際情況，滇池出水口臨近的?？阪?zhèn)人類活動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)不及鄱陽(yáng)湖強(qiáng)烈，排除了周邊微塑料大量輸入的可能性，但滇池水體的集中出流行為[45]可能將南、北水體中積蓄的微塑料大量攜帶至此沉積。

值得注意的是，不同的湖泊水域面積對(duì)微塑料具有稀釋或濃縮效應(yīng)[11,46]。滇池南部水體在接納來(lái)自北部及周邊污染源輸入的微塑料后，較小的水域面積進(jìn)一步濃縮了水體中的微塑料[46]，因此更多微塑料可能在南部水體中沉積，從而出現(xiàn)“南多北少”的分布格局。由此判斷，水深分布及水動(dòng)力特征對(duì)滇池表層沉積物中微塑料的分布具有重要作用。

4 結(jié)論

滇池表層沉積物微塑料平均豐度為(609.6±206.1)個(gè)/kg，污染水平較高。由于受水深和水動(dòng)力條件的影響，微塑料集中分布在滇池的北部湖心和南部出水口區(qū)域，并在整體上呈“南多北少”的分布格局。微塑料的物理特征以纖維狀、藍(lán)色和透明色、粒徑＜1 mm 為主，化學(xué)成分主要是聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、染色微塑料和聚丙烯。結(jié)合周邊人類活動(dòng)分析，漁網(wǎng)和紡織品可能是微塑料的主要來(lái)源。