天津近岸海域微塑料分布特征及污染風險評價?

韓 龍， 呂浩然， 韓 彤， 夏妍夢， 王秋蓮??

(1.天津市生態環境監測中心， 天津 300191； 2.中國海洋大學， 山東 青島 266100)

微塑料(Microplastics，MPs)為直徑小于5 mm的塑料，其概念是由英國學者Thompson等在《科學》雜志上首次提出[1]。近年來塑料垃圾已成為影響海洋生態環境的新興重大問題[2]，其中微塑料作為污染物的載體對海洋生態系統和人類的危害性可能比大塊塑料垃圾危害更大，因此更受到全球廣泛關注[3-6]。研究表明，微塑料在海洋環境中普遍存在[7]，大西洋[8]、太平洋[9]、印度洋[10]，乃至極地[11]均發現了微塑料，在近岸海域和沿岸河口的分布更為集中[7,12-14]，甚至在魚類、蝦類等生物體內也均發現了微塑料[15-16]。

中國海洋微塑料的研究起步較晚，直至最近十幾年才逐步開展，近年發展迅速，對海洋微塑料分布、來源、毒理以及儀器分析等方面都有了較多研究[17-20]，在南海[21]、東海[22]、黃海[17,23]、渤海[17]海水及沉積物中也都發現微塑料，表明我國各海域也普遍存在微塑料。但對單個海域各介質中微塑料的系統調查及其關聯性的研究還比較少，尤其是天津近岸海域位于渤海灣半封閉海域的最底部，生態系統脆弱，微塑料長期積累可能對海洋生態系統的穩定造成不利影響。因此本研究通過對天津近岸海域海水、海灘、魚類體內微塑料數量、粒徑、形態、顏色、成分的系統定性和定量分析，揭示天津近岸海域微塑料的分布規律和污染特征，評估其潛在的生態風險。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

天津近岸海域研究范圍為天津行政管轄海域，位于渤海灣最西部，陸地毗鄰天津市濱海新區，自然岸線153 km，面積約2 046 km2。在地理分布上對應濱海新區漢沽、塘沽、大港三個濱海工業產業基地，入海河流對應北塘口、大沽口、北排河口等主要河流入海口，人類活動頻繁，入海水量豐沛。

1.2 樣品采集

2019年9月在天津近岸海域的漢沽、塘沽、大港毗鄰海域各設置1條垂直于灣底的斷面(見圖1，S1～S3)，每個斷面設置3個采樣站位，采用孔徑為333 μm、網口面積為0.5 m2的標準Neuston采樣網，以2～3 kn船速水平拖網10～15 min，通過拖網距離與網口面積得出采樣體積，檢測海水中的微塑料。在漢沽大神堂自然岸線所在海灘(潮上帶)設置9個采樣點位(見圖1，T1～T9)，每個點位設置1 m2樣方，隨機選取3個1/16 m2樣方采集表層5～10 cm沉積物，檢測海灘沉積物中的微塑料。在漢沽大神堂附近碼頭(見圖1,FP)獲取體長相似的蝦虎魚20條，檢測魚類腸道內的微塑料。

圖1 天津近岸海域微塑料采樣站位示意圖

1.3 樣品處理

參照《海洋微塑料監測技術規程》的方法對樣品進行處理。加入飽和氯化鈉溶液對樣品進行消解、浮選，加入30%過氧化氫溶液去除生物殘體，將消解后的濾膜放在潔凈的玻璃培養皿中自然風干，準備鏡檢。

1.4 分析鑒定

使用奧林巴斯體式顯微鏡進行觀測，對整張濾膜上所有疑似微塑料的顆粒物進行掃描，鑒定形狀、粒徑、顏色，人工挑選后放置在清潔濾膜上并做好標記。利用布魯克LUMOSⅡ型傅里葉顯微紅外光譜儀再次掃描，并對標記的顆粒物進行成分鑒定。

1.5 數據處理

利用excel 2010和ARCGIS 13.1進行數據處理和制圖。

1.6 微塑料污染風險評估-污染負荷指數法

利用Tomlinson污染負荷指數法(Pollution Load Index)[24-25]對天津近岸海域海水微塑料的污染狀況進行評估。該方法根據天津近岸海域各采樣點位微塑料的污染狀況與渤海類似研究進行比較，綜合評估整個研究區域的污染水平。公示如下：

式中:CF為微塑料污染系數；C為微塑料在單個采樣點的實測豐度；C0為微塑料豐度的參考值；PLI為單一采樣點的微塑料污染負荷指數；n為采樣點個數；PLIZ為天津近岸海域為某介質總的微塑料污染負荷指數。本研究以渤海海域相似調查方法的微塑料研究結果作為參考值，以《中國近岸海域環境狀況公報》發布的2019年渤海中部海域調查結果[26]作為表層海水微塑料污染狀況參考值，以2016年Yu等[27]學者對渤海沉積物的研究結果作為海灘微塑料污染狀況參考值，以2017年Jabeen等[28]學者在中國近海魚類的研究結果作為魚類體內微塑料污染狀況參考值。污染負荷指數評價標準如表1所示。

表1 微塑料污染負荷劃分標準Table 1 Criteria for degrees of the pollution load of Microplastics

2 研究結果

2.1 表層水體中微塑料的分布

天津近岸海域表層水體中，共獲取樣品198個，其中139個為微塑料。各點位微塑料的豐度變化范圍為0.006～0.043 pieces/m3，平均豐度為0.016 pieces/m3。各毗鄰海域中，大港>漢沽>塘沽，各海域3個點位平均豐度分別為0.020、0.019和0.010 pieces/m3(見圖2)。微塑料樣品按形態特征分為4類，包括纖維狀、碎片狀、棒狀、薄膜狀，所占比例分別為68.3%、18.0%、10.8%、2.9%(見圖3)。微塑料樣品按顏色分為6類，包括藍色、紫色、紅色、透明、黑色、白色，所占比例分別為63.8%、4.3%、2.9%、7.9%、15.8%、0.7%(見圖4)。微塑料粒徑介于7～4 532 μm之間，按粒徑長度可分為三類，即小于500 μm，500～1 000 μm，大于1 000 μm，三種粒徑所占比例分別為52.5%、20.9%、26.6%(見圖5)。使用傅里葉顯微紅外光譜儀對樣品成分進行分析，結果顯示，天津近岸海域表層海水微塑料化學組成包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚醛樹脂(PF)、纖維素塑料(CE)、聚乙烯(PE)，分別占77.7%、12.2%、8.6%、1.4%(見圖6)。

圖2 表層海水中微塑料豐度

圖3 表層海水中不同形態微塑料數量比例

圖4 表層海水中不同顏色微塑料數量比例

圖5 表層海水中不同粒徑微塑料數量比例

圖6 表層海水中不同成分微塑料數量比例

2.2 海灘沉積物中微塑料的分布

天津近岸海域海灘沉積物中，采集的27個樣方共獲取微塑料樣品2 446個，各采樣點位微塑料豐度變化范圍為44.3～132.3 pieces/kg，平均豐度為90.6 pieces/kg。通過顯微鏡鑒定，微塑料樣品按形態特征分為2類，包括纖維狀和碎片狀，所占比例分別為14.0%和86.0%。微塑料樣品按顏色分為5類，包括紅色、藍色、白色、黑色、透明，所占比例分別為0.6%、35.7%、12.8%、11.9%、38.9%。微塑料粒徑介于19～1 739 μm之間，其中小于500 μm、500～1 000 μm、大于1 000 μm的微塑料所占比例分別為72.0%、18.2%、9.8%。使用傅里葉顯微紅外光譜儀對樣品成分進行分析，結果顯示，天津近岸海域大神堂海灘沉積物中微塑料化學組成包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酰胺(PAM)、纖維素塑料(CE)，所占比例分別為9.9%、29.8%、51.6%、8.5%、0.2%(見圖7)。

圖7 海灘沉積物中不同類型微塑料數量比例

2.3 魚類體內微塑料的分布

20條蝦虎魚腸道中共獲取樣品208個，其中177個為微塑料，檢出數量范圍為1～22 pieces/individual，微塑料平均含量為8.8 pieces/individual。通過顯微鏡鑒定，微塑料樣品按形態特征分為2類，包括纖維狀、薄膜狀，所占比例分別為82.5%、17.5%。微塑料樣品按顏色分為6類，包括紅色、藍色、黃色、白色、黑色、透明，所占比例分別為21.5%、59.3%、0.6%、7.9%、7.3%、3.4%。微塑料粒徑介于430～8 240 μm之間，其中小于500 μm、500～1 000 μm、大于1 000 μm的微塑料所占比例分別為2.3%、32.2%、65.5%。使用傅里葉顯微紅外光譜儀對樣品成分進行分析，結果顯示，天津近岸海域蝦虎魚體內微塑料化學組成包括聚對苯二甲酸乙二醇脂(PET)、聚乙烯(PE)、纖維素塑料(CE)，比例分別占53.7%、39.5%、6.8%(見圖8)。

圖8 蝦虎魚腸道中不同類型微塑料數量比例

2.4 微塑料污染風險評價

通過污染負荷指數法進行微塑料污染風險評估，結果顯示，表層海水各采樣點位污染負荷指數PLI介于0.09～0.23之間，PLIZ=0.13，PLIZ<1，污染風險處于輕度污染水平，最高PLI值點位位于漢沽毗鄰海域的S3點位，從各海域平均值來看，PLI塘沽1，為中度污染外，海灘沉積物微塑料污染風險總體處于輕度污染水平。魚類腸道樣品污染負荷指數PLI介于0.14～3.06之間，PLIZ=1.02，PLIZ>1，總體處于中度污染水平，其中10個樣品PLI>1，處于中度污染，2個樣品PLI>2，為重度污染(見表2)。

表2 天津近岸海域微塑料分布情況Table 2 Distribution of microplastics in Tianjin coastal waters

3 討論

3.1 微塑料的分布特征

從微塑料在天津近岸海域的分布特征來看，表層海水微塑料平均豐度為0.016 pieces/m3低于渤海中部海區(0.082 pieces/m3)[26]，且漢沽和大港毗鄰海域沿岸點位豐度也低于離岸較遠點位，與劉濤等[29]對東海微塑料的部分調查結果相似，其發現離寧波較遠的東海中部海域微塑料豐度高于其近岸海域點位。這說明盡管陸源輸入(入海河口、入海排污口、海岸帶人類活動)是海洋微塑料的主要來源[13,30-32]，往往河口豐度較高，但沿岸的豐度并不一定高于遠海，微塑料會隨著海水的運動而遷移，河流的推動和稀釋作用也會影響微塑料的分布[33]。同時，天津近岸海域位于渤海灣“盆底”，形態是扇形(半圓形)，這也導致了沿岸點位可能僅受鄰近的河流影響，而離岸較遠點位和區域可能受多條河流共同影響，而且沿岸淺海存在較多的沉積物懸浮顆粒也會攜帶一部分微塑料下沉進入海底。同時，局部海域微塑料還可能會受河流與洋流、季風、潮汐等的相互作用，進行遷移，造成局部海域豐度高、局部海域豐度低[34]。

從數量上看，與國內外研究相比，天津近岸海域表層水體中的微塑料豐度與歐洲的葡萄牙近岸海域(0.02～0.36 pieces/m3)[35]相當，遠低于美國舊金山灣(15～2 000 pieces/m2)[36]、加拿大西海岸((1 710±1 110) pieces/m3)[37]、新加坡近岸((0～200) pieces/m3)[38]和日本沿海((3.74±10.40) pieces/m3)[39]等發達國家近岸海域水平，略低于中國南海(0.15 pieces/m3)[39]、東海(0.25 pieces/m3)[26]、黃海(0.44 pieces/m3)[39]、渤海(0.82 pieces/m3)[40]四大海域中部海區的豐度水平，所以，天津近岸海域微塑料豐度與國內外其他海域相比，處于較低水平，污染負荷指數和污染風險也較低。

即便在相同區域，不同研究間也存在較大差異，主要來源于樣品的采集和處理方法的差異，白璐等[41]對天津海域表層海水微塑料豐度的調查結果就遠高于本研究，其采樣方法為使用固定容積的不銹鋼容器采集水樣后過篩網，篩網最小孔徑為125 μm，而本研究使用333 μm標準Neuston采樣網拖網采集，一方面固定體積容器采樣量往往少于拖網采集，而且通常會采集到更多的水-氣界面微表層海水，另一方面篩網孔徑不同對樣品量的影響也較大。劉濤等[29]、Zhao等[42]在長江口的網采微塑料和水泵抽水采集微塑料研究結果也有相似的豐度差異，與本研究的結論一致。

海灘微塑料樣品采自漢沽大神堂海灘，從數量上看，海灘沉積物中的微塑料豐度較小，總體上略低于Yu等[27]渤海興城、筆架山等海岸的沉積物中微塑料豐度調查結果(127.9 pieces/kg)，也低于黃海近岸潮灘的微塑料豐度((163.2±151.3) pieces/kg)[43]，這可能與大神堂海灘為自然岸線下的淤泥質海灘，淤泥較深，人類活動較少有關。魚類樣品種類為蝦虎魚，其腸道中的微塑料豐度略高于Jabeen等[28]等對中國近岸綠鰭馬面鲀的研究結果(7.2 pieces/individual)，遠高于Digka等[44]對地中海魚類的研究結果(1.5～1.9 pieces/individual)。這可能主要與不同魚類的生活習性、攝食習慣及棲息地環境等有關，蝦虎魚生存于淺海環境，主要棲息于近岸潮間帶、底質為泥沙或巖礁的淺海區，天津近岸潮灘為淤泥質，海水和沉積物中均檢出一定數量的微塑料，對蝦虎魚體內微塑料均有一定貢獻。同時，魚類攝食經消化吸收后，會有一部分隨糞便排出，所以，腸道中的微塑料含量與樣品獲取時魚類處在攝食時段也有關。由于國內外有關渤海灣沉積物及魚類體內微塑料分布的研究較少，而且各研究間的計量單位差異較大，因此多數研究可比性較差。

3.2 微塑料的來源和影響因素

陸源污水處理廠、河流及入海排污口是近岸海域微塑料來源之一[45]。從天津近岸海域各介質中檢出的微塑料成分來看，表層海水微塑料主要成分包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、酚醛樹脂(PF)、纖維素塑料(CE)和聚乙烯(PE)，在海灘沉積物中和蝦虎魚腸道內也檢出了類似成分，說明三者間存在一定的交互關系，本研究與其他渤海近岸海域研究的主要成分相似[26,40-41]。PET俗稱滌綸樹脂，大量用作纖維，是化纖類的最大品種，常見的包括衣物、生活紡織品、漁網及捆扎材料等，非纖維類制品廣泛應用于瓶類及薄膜類，常見的如飲料瓶、食品包裝袋等。PF又稱電木，主要用于制造各種塑料、涂料、膠粘劑及合成纖維等，常見的包括油漆、粘合劑、建筑用的隔熱保溫泡沫材料等。PE廣泛應用于薄膜、管材、注射制品等，常見的包括塑料袋、電線包裹層、塑料容器及生活用品等。CE是由纖維素衍生物加入助劑后加工而成，常見制品包括汽車風檔、文具、包裝薄膜等。上述微塑料可由人類生活直接產生，例如衣物等生活紡織品洗滌后產生的次生微塑料隨污水進入污水處理廠，污水處理廠出水可經由河流或入海排污口進入海洋，白濛雨等[46]在城市污水處理廠出水中檢出了PET、PE、人造纖維等各種微塑料，陳宏偉等[47]在天津市入海排污口中檢出了PET、PE、PC、PMMA等成分。同時，由于濱海新區工業發達、人口密集，各種海洋活動頻繁，海邊存在一些被丟棄塑料瓶、包裝袋等經日曬、風化、海浪拍打腐蝕，破碎后形成微塑料，也是天津近岸海域微塑料來源[48]。

除上述成分外，在海灘沉積物中還檢出了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酰胺(PAM)成分，與海水和蝦虎魚腸道中檢出的略有不同。PMMA又稱作亞克力或有機玻璃，常用作街頭標志、道路及汽車照明燈罩、建筑墻壁護板材料等。PC工程塑料常見應用內包括建筑玻璃、標志牌、電子絕緣件、可重復使用儲水瓶等。PAM在石油開采、污水處理、造紙、建筑業等廣泛應用。可以看出，以上成分與建筑材料或道路交通有著直接或間接關系，而沉積物樣品所在大神堂海灘附近的大神堂村在此前剛剛完成拆遷，一些磨損的建筑材料或道路灰塵可能隨風力或徑流進入海灘，可能是本研究海灘微塑料的來源之一。

除陸源和大氣輸入外，船舶活動和海洋作業也是近岸海域微塑料的來源[47]。例如在海水、海灘沉積物、蝦虎魚腸道中均檢出的PET成分也是漁網等的常用材料，在漁業生產中廣泛應用，PF常在船體漆中應用，PAM在石油開采業廣泛應用，因此海源也是天津近岸海域微塑料的可能來源之一。

4 結語

在天津近岸海域表層海水、海灘沉積物、魚類體內均發現微塑料。表層海水中微塑料豐度范圍0.006～0.043 pieces/m3，平均為0.016 pieces/m3，各毗鄰海域中，大港>漢沽>塘沽，主要成分PET、PF、CE、PE分別占77.7%、12.2%、8.6%、1.4%。海灘沉積物中微塑料豐度范圍44.3～132.3 pieces/kg，平均為90.6 pieces/kg，主要成分PET、PMMA、PC、PAM、CE所占比例分別為9.9%、29.8%、51.6%、8.5%、0.2%。蝦虎魚腸道內微塑料含量1～22 pieces/individual，平均為8.8 pieces/individual，主要成分PET、PE、CE所占比例分別為53.7%、39.5%、6.8%。污染負荷指數顯示，表層海水和海灘沉積物中微塑料污染程度較輕，魚類體內微塑料處于中度污染。通過化學組成分析，陸源-即污水處理廠、河流及入海排污口，氣源-即風力作用產生的大氣沉降,以及海源-即海洋漁業及船舶活動等均是天津近岸海域微塑料的來源。