北部灣海域表層水體中微塑料分布特征

吳磊石， 洪 鳴， 彭夢微， 王曉旭， 藍文陸， 曲 玲， 張微微*

1.廣西壯族自治區海洋環境監測中心站， 廣西 北海 536000

2.國家海洋環境監測中心， 遼寧 大連 116023

塑料制品由于具有輕便、成本低、可塑性強等特點，被大規模生產和使用. 但是由于塑料在自然環境中很難分解，大量的塑料廢棄物在環境中不斷累積[1]. Borrelle等[2]估計，2016年全球產生的 1 900×104～2 300×104t塑料垃圾中，有11%排放到水生生態系統，到2030年排放量可能會達到 5 300×104t/a；劉彬等[3]估計，2016年我國向海洋中排放塑料垃圾為124×104～331×104t. 塑料垃圾進入海洋后在海浪、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，微塑料還包括個人護理品中添加的塑料微珠，加工、生產或運輸過程中泄露或遺失的原料樹脂顆粒等[6]. 由于微塑料可在風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污染物或重金屬[7]，并可被不同營養級的海洋生物攝食，作為載體輸移污染物進入食物網[8-9]，被認為是海洋生物健康的主要風險之一.

已有研究顯示，微塑料在海洋環境中廣泛分布，包括近岸海域[10]、大洋環流區[11]、偏遠海島[12]和極地海域[13]. 受大尺度海洋環流的影響，開闊大洋海域漂浮微塑料可在亞熱帶環流區聚集，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差別很大，其空間分布受人類活動、水動力條件、盛行風和沿海人類活動的影響[14]. 北部灣是中國南海西北部的半封閉海灣，被中越兩國陸地與中國海南島所環抱，是中國南海最大漁場之一. 由于地理位置的特殊性和北部灣海洋生態環境保護的重要性，近年關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]、北部灣經濟魚類[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象，旨在評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 研究區域

北部灣位于中國南海的西北部，東臨中國廣東雷州半島和海南島，北臨廣西壯族自治區，西臨越南，與瓊州海峽和中國南海相連. 該研究區域東起雷州半島，西至防城港市白浪灘，共布設了12個站位，其中北部灣近岸海域布設9個站位(1#～9#站位)，于2020年11月開展表層海水微塑料的采集；同時，布設3個海水浴場監測站位，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網采集表層海水中微塑料. Manta網口長1 m，寬0.5 m；網衣為使用蠶絲材質制作錐形體，長3 m，網孔孔徑為330 μm，底部連接不銹鋼制作的網底管. 流量計固定于網口中央，用于計算過水流量. 采樣時，從調查船的船舷邊下放采樣網，船舶行駛速度為1～3海里/h(1海里=1.852 km)，每次拖網10～15 min. 拖網結束后，起網，泵取現場海水自上而下沖洗網衣外部，將樣品沖至網底管. 然后將網底管中的樣品轉移至玻璃瓶中，待實驗室做進一步分析.

1.3 樣品處理及分析方法

樣品依次通過5 mm和330 μm的不銹鋼網篩，將330 μm網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于60 ℃下烘干. 樣品烘干后，向燒杯內加入20 mL 0.05 mol/L的硫酸亞鐵溶液和20 mL 30%過氧化氫，室溫下消解. 若消解后樣品中仍能看見有機質，繼續加入30%過氧化氫，直至有機質完全溶解. 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，將溶液轉移到下端有止水夾密封的玻璃漏斗中進行密度分離. 靜置分離后，將下層雜質轉移至燒杯中，上清液用0.7 μm的玻璃纖維濾膜過濾. 過濾后的濾膜置于培養皿中，于60 ℃下烘干. 濾膜烘干后，用體式顯微鏡(S6D，德國徠卡公司)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，美國珀金埃爾默股份有限公司)在衰減全反射(ATR)模式下進行分析.

數據分析和制圖采用Excel軟件.

2 結果與討論

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/m3. 其中，4#站位的微塑料豐度最高，達3.72個/m3；6#站位的微塑料豐度最低，為0.01個/m3(見表2).

表2 北部灣表層水體微塑料的數量和豐度

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，破碎后數量呈指數增長，粒徑在1～2 mm范圍內的微塑料較多，占全部微塑料數量的30.4%；該研究檢測到微塑料有泡沫、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，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

由于我國是人口和塑料制品大國，有研究[19]通過評估模型指出，我國也是海洋塑料污染的主要排放國家. 為通過實測數據評估北部灣海域微塑料的真實污染水平，該文與國內外采用相同孔徑網采集微塑料的研究結果進行了對比. 如表3所示，北部灣海域微塑料的平均豐度與日本瀨戶內海[20]、阿曼灣[21]、墨西哥托多斯桑托斯灣[22]、法國布列塔尼布雷斯特灣[23]處于同一數量級，低于東亞海[24]、韓國東南沿海[25]、美國南加州沿海[26]、以色列地中海沿岸[27]、佛羅里達州坦帕灣[28]、巴西瓜納巴拉灣[29]，這說明北部灣海域微塑料與國外已有研究相比處于中等水平. 與我國沿海調查結果相比，與渤海[30-31]、黃海南部[32]、東海長江口外[33]和杭州灣[34]的微塑料平均豐度處于同一數量級，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

分析導致不同研究區域微塑料差異的原因主要是： ①沿海地形條件和采樣時間的差異，如Kang等[25]在韓國東南沿海采集樣品的位置位于群島周邊，特殊的地形條件導致微塑料易于聚集；Mceachern等[28]研究顯示，佛羅里達州坦帕灣降雨后微塑料的豐度高達(4.5±2.3)個/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個數量級，認為季節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3.72個/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年全球范圍內聚乙烯和聚丙烯的產量占比分別為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59.8%. 為進一步分析導致這種差異的原因，筆者結合沿海人類活動進一步探討了北部灣微塑料的來源.

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，整體呈現出離岸越近豐度越高、離岸越遠豐度越低的空間分布趨勢. 分析導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景區，港口包括湛江港、北海港、欽州港和防城港等，人口稠密，經濟活動頻繁. 頻繁的人類活動導致了微塑料在沿岸聚集. 這與Bollmann等[37]認為的微塑料污染程度與周邊人口密度和經濟活動的活躍程度呈正相關的觀點相一致. 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的南流江、欽江、茅嶺江、大風江和北侖河等[38]. 入海河流的輸入，導致了北部灣北部的微塑料豐度偏高. ③盛行風和環流模式的影響. 陳宜展等[39]研究顯示，北部灣秋季盛行東風和東北風，呈現出逆時針的環流結構；陳波等[38]研究顯示，秋季灣內主要受逆時針環流控制，但東北部有一順時針環流. 該研究調查時間為9月和11月，受流動特征的影響，北部灣的微塑料主要在灣北部聚集. 該研究僅開展了單航次水體中微塑料分布監測，水動力和盛行風的季節變化對表層水體中微塑料時空分布的影響仍需進一步探討.

2.4 微塑料的來源分析

該研究嘗試根據微塑料形狀和成分(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59.8%，在所有的采樣站位均發現了聚苯乙烯泡沫微塑料. 發泡聚苯乙烯(EPS)主要是用于緩沖包裝、保溫泡沫箱，水產養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、不易運輸、難降解，一旦小塊的聚苯乙烯泡沫散落在環境中很難回收，因此在環境中容易累積. 北部灣是重要的海水養殖區和漁場，與4#、11#站位相毗鄰海域是欽州傳統的牡蠣養殖區，靠近茅尾海的出海口. 茅尾海是北部灣北部一個半封閉式的內海，是欽州四大海產品的主要產區，上游有欽江、茅嶺江和大欖江等入海河流輸入. Zhu等[17]對茅尾海水體和養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活動有關. 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/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果基本一致，進一步證實養殖活動與河流排放對該區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. 根據對北部灣漁業活動調查，用于海洋捕撈與海釣的網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源是漁業捕撈活動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 結論

a) 北部灣海域表層水體微塑料平均豐度為(0.56±1.02)個/m3，與國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粒徑范圍內的微塑料數量最多；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、河流輸入、盛行風和環流模式的影響，北部灣海域表層水體中微塑料的空間分布呈現近岸高、遠岸低的特征. 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，欽江、茅嶺江等入海河流的輸入和海水養殖等活動是影響北部灣表層水體中微塑料空間分布的重要因素.

d) 水產養殖、海洋漁業捕撈等活動產生的塑料垃圾是北部灣海域表層水體中微塑料的重要來源，北部灣漁業廢棄塑料垃圾不容忽視.