陸地水系中微塑料的研究進(jìn)展

王志鵬，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

近年來(lái)，微塑料(MP)已被認(rèn)為是新型污染物。微塑料通常指的是尺寸小于5 mm的塑料，據(jù)報(bào)道，全球所有類(lèi)型的環(huán)境中都發(fā)現(xiàn)微塑料：淡水、海水、高山甚至人跡罕至的兩極地區(qū)[1]。按照形狀MP可被分為碎片、微小顆粒、纖維和泡沫[2]。

水生動(dòng)物可以攝取微塑料導(dǎo)致窒息或由于假性飽腹感而遭受饑餓。有毒添加劑從微塑料中浸出對(duì)生物體造成直接傷害。微塑料可以作為運(yùn)輸其他有毒化學(xué)品的載體，如多環(huán)芳烴(PAHs)、多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)和重金屬等，被浮游生物攝取之后的毒性更大[3-4]。此外，微塑料的生物累計(jì)以及其向高級(jí)生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移已被證實(shí)[5-6]。

海洋中的微塑料被認(rèn)為主要來(lái)自于陸地，據(jù)估計(jì)截至2015年全球已生產(chǎn)約63億t塑料廢物，內(nèi)陸河流中的微塑料最終匯集入海洋[7]，因此陸地水系中的微塑料值得更多的研究，2018年越來(lái)越多學(xué)者對(duì)陸地河流中的微塑料進(jìn)行了報(bào)道，但是相較于海洋中微塑料的研究，內(nèi)陸水系中起步較晚，研究仍然較少。本文綜述了陸地水系中微塑料的研究方法、研究污染現(xiàn)狀，以及未來(lái)展望。

1 分析檢測(cè)方法

1.1 采集

使用Neuston網(wǎng)收集地表水中的微塑料，在水面下0～30 cm拖行，視收集的微塑料量決定拖行的距離，網(wǎng)眼尺寸通常為112 μm[8]，地下水中的微塑料通常采集地下30 m的井水[9]。在河岸或湖畔隨機(jī)選取若干邊長(zhǎng)為50 cm的正方形，采集沉積物中的微塑料[10]。

1.2 樣品分離

樣品處理的常見(jiàn)的分離方法為密度分離和過(guò)濾法，密度分離法是向沉積物中加入飽和的鹽水，通常采用1.2 mg/cm3的NaCl溶液，對(duì)于密度較高的微塑料樣本中可采用1.6 g/cm3的NaI和1.5 g/cm3的ZnCl2，提高分離效果。沉積物的密度一般為2.65 g/cm3，密度分離之后，微塑料浮游表面，回收率高于95%[11]。表層淡水系統(tǒng)中最常見(jiàn)的分離方法為過(guò)濾法，為提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中將所有實(shí)驗(yàn)儀器用鉑紙包裹，防止塑料儀器產(chǎn)生的微塑料對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)人員穿著100%純棉的實(shí)驗(yàn)服，防止衣物中的纖維對(duì)準(zhǔn)確度的影響，將溶液通過(guò)濾膜截留微塑料，通常濾膜的孔徑為2 μm[12]。

1.3 檢測(cè)

目檢法是指科研人員直接利用高倍顯微鏡，觀測(cè)微塑料，操作簡(jiǎn)單，由于操作人員的誤差，常利用染色劑來(lái)輔助檢測(cè)，但是目檢法對(duì)于微塑料與其他無(wú)機(jī)材料的分離是必不可少的，尤其是在將樣品中的微塑料與實(shí)驗(yàn)室中的微塑料分離中，Lee等認(rèn)為沒(méi)有目檢法的輔助不能識(shí)別<1 mm的微塑料[13]。通過(guò)熱解-氣相液相質(zhì)譜儀鑒定聚合物種類(lèi)，其優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)單、精度高，但是其每次運(yùn)行僅可檢測(cè)一個(gè)顆粒，因此不適合處理大樣本[14]。拉曼光譜法常用來(lái)測(cè)定微塑料的組分，其工作原理是用單色激光波長(zhǎng)照射樣品，波長(zhǎng)通常在500～800 nm之間，并將結(jié)果與已知的聚合物光譜庫(kù)進(jìn)行比較，以確定粒子的組成，但其檢測(cè)結(jié)果受檢測(cè)環(huán)境影響較大，且只能識(shí)別納米級(jí)別的微塑料[15]。通過(guò)傅里葉變換-紅外光譜分析法(FTIR)與顯微鏡結(jié)合檢測(cè)微塑料，成本低廉[16]。

2 陸地水系中的微塑料

2.1 湖泊中的微塑料

太湖是中國(guó)五大湖泊之一，2015年sun等[17]調(diào)查了太湖流域的微塑料污染，結(jié)果顯示，檢測(cè)到的微塑料豐度為0.01×106～6.8×106個(gè)/km2，湖東南地區(qū)檢測(cè)到最高含量的微塑料，是湖中心含量的6倍，纖維含量占比超過(guò)一半，最常見(jiàn)的微塑料成分為玻璃紙，太湖蛤體內(nèi)檢測(cè)到的微塑料量處于世界高污染水平，人口調(diào)查顯示，湖東南地區(qū)的人口密度最大，太湖檢測(cè)到的微塑料是目前全世界淡水湖中豐度最高的，是加拿大勞倫湖的上百倍[18]。太湖位于中國(guó)最發(fā)達(dá)的蘇南地區(qū)，人口密度極高，加拿大人口密度遠(yuǎn)低于太湖流域，因此人類(lèi)活動(dòng)表現(xiàn)出很高的相關(guān)性。Maria等[19]調(diào)查了意大利阿爾卑斯山南部的亞高山湖泊：馬焦雷湖、加爾達(dá)湖和伊塞奧湖。雖然為高山湖泊，但是這三個(gè)湖泊均位于該國(guó)人口密集、生產(chǎn)力高的地區(qū)，是農(nóng)業(yè)、工業(yè)、漁業(yè)、飲用水的重要水源和著名的旅游景點(diǎn)，檢測(cè)出的豐度6 700～93 000個(gè)/km2，我國(guó)太湖流域是其70倍。主要種類(lèi)為聚乙烯(45%)、聚苯乙烯(18%)和聚丙烯(15%)，與Pietrelli等[20]報(bào)道的海洋中微塑料的成分占比相似。令人震驚的是我國(guó)高山湖泊青海湖的表面水中檢測(cè)到的微塑料含量高達(dá)3 090～757 500個(gè)/km2[21]，遠(yuǎn)高于意大利人口稠密地區(qū)的高原湖泊水平，在青海湖中檢測(cè)到微塑料高濃度地點(diǎn)均位于景點(diǎn)附近，同樣揭示了人類(lèi)活動(dòng)的影響，我國(guó)青海湖處于人跡罕至的高寒地區(qū)，人口密集極地，旅游業(yè)帶來(lái)的污染是主要原因，因此居民的生活習(xí)慣、景點(diǎn)的廢棄物管理有待改善。同樣的情況出現(xiàn)在了印度，2018年Sruthy等[22]首次報(bào)道了在印度Vembanad湖中發(fā)現(xiàn)了微塑料，其平均豐度為(252.80±25.76)個(gè)/m2，加拿大的Huron湖中的豐度僅為37.75個(gè)/m2[23]，PE、PS和PP是Vembanad湖最常見(jiàn)的微塑料，分析其來(lái)源，PE被廣泛用于塑料袋，PS用于制作一次性物品，pp用于制作漁網(wǎng)，塑料垃圾的不當(dāng)處理和人類(lèi)捕魚(yú)活動(dòng)被認(rèn)為是印度湖泊中的主要原因，發(fā)達(dá)地區(qū)的湖泊中檢測(cè)出的微塑料，顯著低于發(fā)展中國(guó)家(以中國(guó)和印度為例)，這主要是因?yàn)榘l(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于廢物的管理更為嚴(yán)格。湖泊是封閉水系，造成微塑料的不斷累積，調(diào)查研究顯示，湖泊中的含量均高于同一地區(qū)的河流含量，盡管有的湖泊有支流，但滯留時(shí)間長(zhǎng)，微塑料沉積湖底。

2.2 河流中的微塑料

河流最終匯入湖泊或者大海，研究表明通過(guò)河流匯入大海中的微塑料是海洋微塑料的重要來(lái)源[24]。在我國(guó)的長(zhǎng)江流域表層水中檢測(cè)到微塑料的豐度為500～10 200個(gè)/m3，遠(yuǎn)高于長(zhǎng)江入海口海域(東海)檢測(cè)出的微塑料含量(0.03～0.455個(gè)/m3)[25]，Peng等研究表明長(zhǎng)江沉積物微塑料豐度20～340個(gè)/kg沉積物[26]，在中國(guó)的華南地區(qū)的北江的研究中顯示沉積物中的微塑料豐度為(178±69)～(544±107)個(gè)/kg沉積物，高于長(zhǎng)江流域檢出量。EDS光譜顯示附著在微塑料表面的金屬不是微塑料固有的，吸附自水環(huán)境，ICP-MS分析顯示微塑料中的金屬有Ni、Cd、Pb、Cu、Zn和Ti[27]。在中國(guó)華北地區(qū)的黃河沉積物中檢測(cè)到了(2 580±1 140)個(gè)/kg 沉積物，在黃河中檢測(cè)出的微塑料主要是纖維狀，在黃河沿岸，有風(fēng)力發(fā)電站的水域微塑料含量低，這是因?yàn)槠湓黾恿怂布袅Γ瑪_亂沉積物，使微塑料向下游運(yùn)輸[28]。在英國(guó)的泰晤士河沉積物中檢測(cè)到微塑料含量為(332±161)個(gè)/kg沉積物，和長(zhǎng)江沉積物中數(shù)量相當(dāng)[29]，在亞洲的其他區(qū)域，泰國(guó)河流和日本東京灣運(yùn)河沉積物分別檢測(cè)出100個(gè)/kg 沉積物和1 900個(gè)/kg沉積物，東京灣運(yùn)河中微塑料的含量顯著高于泰國(guó)河流，這是因?yàn)槿毡緩?0世紀(jì)50年代開(kāi)始大量使用的PE和PP材料在河流的累積[30]。Kirsten調(diào)查了哥倫比亞河約1 735 km流域，檢測(cè)結(jié)果顯示水表面微塑料的豐度為2.54個(gè)/m3[31]，加拿大渥太華河表層水微塑料含量?jī)H為1.35個(gè)/m3，而在我國(guó)長(zhǎng)江入海口表層水檢測(cè)到的豐度4 137.3±2 461.5[25]，遠(yuǎn)高于北美洲兩條河的檢出量，在英格蘭西南部的塔馬河口，檢測(cè)出的微塑料僅為 0.028個(gè)/m3[32]。

3 污水廠出水

污水處理廠被認(rèn)為是河流中微塑料的主要來(lái)源，尤其是在發(fā)達(dá)地區(qū)，廢物管理嚴(yán)格，污水經(jīng)過(guò)污水廠處理之后排放，不同的處理方式對(duì)于微塑料的去除效果各不相同[33]。Mintening等[34]考察了德國(guó)下薩克森州12個(gè)污水處理廠排放的污水中的MP，發(fā)現(xiàn)>500 μm MP的量為0～5×10個(gè)/m3，<500 μm MP為1×10～9×103個(gè)/m3。聚乙烯是兩種尺寸類(lèi)別中最常見(jiàn)的聚合物類(lèi)型，合成纖維的數(shù)量范圍為9×10～1×103/m3，據(jù)估計(jì)每個(gè)污水廠每年向環(huán)境中排放9×107～4×109MP顆微塑料。在三級(jí)處理廠之后額外安裝增加過(guò)濾工藝，出水的MP排放減少了97%，由此可見(jiàn)，過(guò)濾對(duì)于微塑料去除效果顯著。Li等[35]對(duì)中國(guó)28個(gè)污水處理廠的79個(gè)污泥樣品進(jìn)行了調(diào)查，樣品的平均MP濃度為(22.7±12.1)×103個(gè)/kg干污泥，主要成分是纖維(63%)。東部地區(qū)的微塑料檢出量高于中國(guó)西部，工業(yè)廢水比例以及二級(jí)處理不同的脫水率均會(huì)影響MP豐度，據(jù)估計(jì)中國(guó)每年大約有1.56×1014個(gè)MP通過(guò)活性污泥進(jìn)入水環(huán)境。Mintenig等[36]的研究中，污水廠采用常規(guī)物化處理，活性污泥法和BAF的混合工藝，考察了不同階段對(duì)微塑料的去除效果，結(jié)果表明初期物化預(yù)階段，廢水中 97%微塑料被去除，活性污泥處理進(jìn)一步降低7%～20%濃度，BAF工藝效果甚微。

4 未來(lái)展望

目前關(guān)于微塑料的檢測(cè)方法已趨于成熟，不同檢測(cè)方法的組合已經(jīng)可以檢測(cè)出不同粒徑的微塑料，并且可以檢測(cè)出其成分，但是在未來(lái)仍需加強(qiáng)以下研究。

(1)淡水中的微塑料研究主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家，在發(fā)展中國(guó)家只有中國(guó)在各陸地水系中開(kāi)展了研究，且研究表明，發(fā)展中國(guó)家的微塑料污染水平遠(yuǎn)高于發(fā)達(dá)國(guó)家，因此需要加強(qiáng)在發(fā)展中國(guó)家淡水流域中微塑料的研究。

(2)對(duì)于微塑料豐度的表達(dá)方法不同，有的研究使用個(gè)/m2，有的研究使用個(gè)/m3，不同的表達(dá)方法給對(duì)比研究造成了困難。

(3)目前全世界范圍內(nèi)對(duì)于水庫(kù)的研究偏少，水庫(kù)作為陸地淡水的重要組成，應(yīng)該得到更多研究。

(4)污染嚴(yán)重地水域往往是重要的漁業(yè)基地，目前對(duì)于微塑料對(duì)魚(yú)類(lèi)的影響主要是暴露實(shí)驗(yàn)，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于自然水體中魚(yú)類(lèi)毒理性的研究。

(5)研究顯示，人類(lèi)活動(dòng)與微塑料豐度呈正相關(guān)，發(fā)展中國(guó)家或者經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)廢物管理不夠完善，應(yīng)加強(qiáng)管理。