巢湖水體中微塑料組成及分布特征

陳 馨，張仲偉，劉運釗，李 靜，蔣忠冠,4*

1.安徽大學資源與環境工程學院，安徽合肥 230601

2.長江設計集團有限公司，水利部長江治理與保護重點實驗室，湖北武漢 430010

3.安徽省農業科學院水產研究所，安徽省淡水養殖與改良重點實驗室，安徽合肥 230001

4.濕地生態系統保護與修復安徽省重點實驗室（安徽大學），安徽合肥 230601

塑料由于其質量輕、耐用性高、成本低廉等特點被廣泛應用于人們的日常生活中，也是工業產業中生產最廣泛的材料之一[1].然而，隨著塑料制品的大量使用和塑料廢棄物的管理不善，大量塑料垃圾會隨地表徑流進入河流、湖泊等淡水生態系統，對水環境、水生生物、甚至是人類健康構成嚴重威脅[2].微塑料是粒徑小于5 mm的塑料顆粒[3]，因其尺寸小、比表面積大、疏水性強，而極易在水環境中遷移和擴散，成為有機污染物和重金屬的載體，產生污染物的復合毒性效應，對用水安全和水生生物的生態健康均產生不利影響[4-5].

與海洋生態系統相比，湖泊生態系統因其具有更穩定的水文結構，微塑料可以在湖泊中長時間持續積累，致使湖泊成為流域中微塑料的匯[6-8].長江中下游泛濫平原湖泊位于長三角經濟帶，是受人類活動干擾和污染影響較為嚴重的敏感區域.因此，及時監測和有效評估長江中下游泛濫平原湖泊中微塑料污染的現狀對水生生物多樣性保護、區域用水安全和人類健康都有重要意義.

巢湖是我國五大淡水湖泊之一，是長江中下游典型的泛濫平原湖泊.巢湖維持有較高的水生生物多樣性，包括47種魚類、16種底棲生物、140種浮游動物和118種浮游植物[9].同時，巢湖作為重要的水源地在居民供水、農業灌溉、洪水調蓄、發展航運等方面發揮著重要作用[10].因此，巢湖可能通過地表徑流、干濕沉降(如降雨、降雪)等途徑承納不同來源(工業廢水、城市和農用污水等)的微塑料污染[11].作為合肥市和巢湖市居民的重要水源，巢湖的微塑料污染將對水生生物和當地居民構成安全風險.因此，該研究通過對巢湖水體中微塑料賦存特征的系統調查和分析，提供巢湖流域微塑料污染的本底資料，為巢湖流域的污染防治提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

巢湖流域位于安徽省中部，屬長江中下游左岸水系，流域范圍為117°00′E~118°29′E、30°56′N~32°02′N.巢湖流域總面積13 486 km2，約占安徽省總面積的9.3%，平均水深為3.06 m.流域涉及合肥、蕪湖、馬鞍山、六安、安慶5市共16個縣(市、區)[12].巢湖周邊杭埠河、南淝河、白石天河、派河和柘皋河入湖流量占全年河流入湖總流量的90%以上[13].裕溪河是巢湖唯一的出湖河流，并與長江連通.隨著巢湖周邊合肥市和巢湖市等城市人口的快速增長以及農業、工業和城市化的發展，大量農業面源污染和工業點源污染隨地表徑流進入巢湖，會對巢湖生態系統健康造成威脅.

1.2 樣品采集

在巢湖共布設25個采樣點(見圖1).基于巢湖的形態特征，將其分為西湖(1~9號采樣點)、中湖(10~19號采樣點)和東湖(20~25號采樣點)三個湖區.水樣的采集選取水文穩定的平水期開展(2020年11月).具體采樣方法參考文獻[14]進行.采樣前使用超純水將所有采樣工具清洗3遍以上.使用2 L采樣桶放入水下20~30 cm處進行取樣，每一個采樣點采集20 L水樣，并使用孔徑為50μm的不銹鋼篩網過濾.用超純水將篩網上的截留物沖洗進250 mL玻璃瓶中，帶回實驗室放入4℃冰箱保存.

圖1 巢湖區域采樣點分布Fig.1 The distribution of sampling sites in the Chaohu Lake

1.3 樣品處理

樣品預處理參考文獻[15]進行，在水樣中加入10%氫氧化鉀溶液消解處理并放入70℃水浴鍋內消解約12 h，直至溶液變澄清，再使用飽和氯化鈉溶液對水樣進行密度浮選.冷卻靜置12 h后用0.45μm玻璃超細纖維濾紙(Whatman)對上清液進行真空過濾[16]，將濾紙保存于培養皿中，并立即用鋁箔覆蓋，以備后續觀察.采用體式顯微鏡(SZ61型,OLYMPUS，日本)觀察濾紙上的可疑微塑料并拍攝照片.在視覺識別過程中采用了嚴格的形態識別標準，包括顏色清晰均勻、無細胞或有機結構等等[15].采用拉曼光譜儀(inVia Reflex,Renishaw,英國)對微塑料進行化學組成鑒定，由于樣本量大，選擇了有代表性的顆粒，包括所有形狀和顏色的組合，以確保所有微塑料的化學組成都被識別到[15].數據采集時間分辨率為4 cm?1，掃描時間為一次10 s，光譜范圍為200~3 500 cm?1.為提高可信度，對每個可疑的微塑料顆粒進行了3次掃描.將所得到的光譜圖校正后與標準譜圖庫檢索對照進行定性分析.

1.4 質量控制

在試驗過程中，試驗工具和玻璃器皿均用超純水洗滌3次.所有用于處理樣品的化學溶液都用濾膜進行了預過濾，通過體式顯微鏡檢查并未觀察到可疑的微塑料顆粒，因此背景污染可以忽略不計.為了確定空氣中微塑料污染水平，試驗中運行了3個空白對照.在空白對照組樣品中僅檢測到(0.12±0.11)個纖維，通過減去空白污染值來修正最終的豐度.

1.5 數據處理方法

拍攝出的微塑料照片使用Image J軟件測量粒徑.巢湖采樣點分布圖用ArcGIS 10.6軟件繪制，其他相關的圖表使用Excel 2016、Sigma Plot 14.0和Origin 2021軟件完成.微塑料的豐度數值采用平均值±標準偏差表示，豐度采用每L的顆粒數表示，單位為個/L.

2 結果與討論

2.1 微塑料豐度與分布

巢湖所有水樣中均檢測到了微塑料，微塑料的豐度范圍為0.25~3.20個/L，平均值為(1.30±0.68)個/L.與其他研究相比，巢湖與洞庭湖(平均值為0.9~2.8個/L)和洪湖(平均值為1.25~4.65個/L)有相似的微塑料豐度范圍[17]；然而，與經濟發達地區的太湖(平均值為3.4~25.8個/L)[18]和水域面積較大的三峽水庫〔平均值為(4.7±2.8)個/L〕[19]等內陸水域相比，巢湖的微塑料豐度較低.研究[20]表明，城市高人口密度引發的塑料產品(如服裝和包裝)消費激增可產生更多的微塑料污染.其次，隨著城市中建筑材料和輪胎的使用越來越頻繁，導致更多微塑料因天氣因素(如降雨、降雪和風)和陸地徑流流入城市水生生態系統[20-21].在空間尺度上，巢湖的東湖微塑料平均豐度為(1.16±0.44)個/L，而西湖和中湖的微塑料豐度平均值分別為(1.36±0.27)(1.34±0.98)個/L(見表1).西湖和中湖微塑料豐度相對較高的原因可能是其承納了南淝河、兆河和派河等流經合肥市的河流，而這些河流也可能帶來更多潛在的微塑料污染.

表1 巢湖水體中微塑料豐度Table 1 Abundanceof microplasticsin water of the Chaohu Lake

2.2 微塑料的形狀分布特征

將巢湖水體中微塑料形狀分為5種，即纖維狀、碎片狀、顆粒狀、微珠狀和薄膜狀.微塑料的形狀占比及顯微鏡下拍攝的典型微塑料照片如圖2所示，巢湖水體中微塑料形狀以纖維狀(65.80%)為主，其次為碎片狀(19.79%).這與其他湖區的研究結果相似，如太湖(48%~84%)[18]和洞庭湖(41.9%~91.9%)[17]中占比最大的形狀均為纖維狀.已有研究[22]表明，在巢湖的主要入湖河流(南淝河和十五里河)中纖維狀也是微塑料最主要的形狀類型.而巢湖流域中高含量的纖維可能是紡織品的洗滌及巢湖區域內漁業活動所致[23].研究[24]表明：洗衣機出水中的纖維狀微塑料豐度可達100個/L；其次，老化的漁網漁具也會形成纖維狀的微塑料.碎片和薄膜主要是塑料制品在自然條件下裂解而成，如塑料包裝袋和塑料容器[3].微珠主要來源于工業磨料.而顆粒經常用于個人護理和化妝品，面部擦洗產品平均含量為20.86個/mg[25].

圖2 巢湖水體中微塑料的形狀占比及其顯微照片Fig.2 Theshape proportion and photomicrograph of microplasticsin water of the Chaohu Lake

2.3 微塑料的粒徑分布特征

微塑料根據其粒徑分為9類，即50~200μm、200~400μm、400~600μm、600~800μm、800~1 000 μm、1~2 mm、2~3 mm、3~4 mm、4~5 mm.由圖3(a)可見，50~200 μm的微塑料粒徑占比最高，達到39.88%，其次是200~400μm(20.09%)和1~2 mm(11.04%).值得注意的是，巢湖水體中有88.65%的微塑料粒徑集中于50μm~2 mm區間，與已有研究結果相似，如在上海市河口中有99.5%的微塑料粒徑小于2 mm[26]，武漢市地表水中小于2 mm的微塑料占比在80%以上[27].這些小尺寸微塑料可能是較大的塑料碎片在機械磨損、光氧化和生物作用下發生碎裂和降解形成的[28].由于小尺寸的微塑料比表面積大，能富集重金屬離子等大量環境污染物，而微塑料作為這些污染物的載體，易被生物所攝食并產生生物毒性效應[29].因此，更小尺寸的微塑料在生態環境中可能具有更大的潛在生態風險.

2.4 微塑料的顏色分布特征

通過顯微鏡觀察到的微塑料顏色包括透明、黑色、白色和彩色(藍色、紅色、黃色和綠色)，如圖3(b)所示.巢湖水體中微塑料的顏色以黑色為主，占比為44.33%，其次為彩色(26.58%)和透明(24.08%)，而在彩色微塑料中，藍色(20.86%)最為普遍.巢湖水體中微塑料顏色占比情況與已有研究結果略有差異，在鄱陽湖水體中彩色微塑料占比(48.9%)最大[30]，而透明微塑料在洞庭湖(71.3%)和洪湖(77.9%)水體中占優勢[17].巢湖水體中黑色微塑料可能是汽車輪胎或農用黑色薄膜的大量使用所產生的.研究[31]發現，為提高塑料制品的市場吸引力，著色被廣泛應用于塑料消費品生產中，這可能是彩色微塑料占比較高的重要原因，而彩色微塑料顆粒因與營養水平較低的生物體相似，極易被生物誤攝入從而影響生物的攝食、消化和生長[32].此外，巢湖水體中微塑料顏色呈現出多樣化的特征，表明這些微塑料的來源較為廣泛.

2.5 微塑料聚合物類型

采用拉曼光譜鑒定微塑料的聚合物類型，共選擇了170個可疑的微塑料顆粒物，鑒定結果顯示，163個顆粒被鑒定為微塑料，包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE).由圖3(c)可見，PP(57.52%)在所有類型中占絕對優勢，其次是PET(21.17%)、PE(13.50%)和PS(3.07%).這些聚合物都是包裝和工業生產制造中的常見材料.其中，PP主要應用于農用薄膜、包裝材料、漁具的制造等；PET主要來源于紡織服裝品，通過洗滌過程隨生活污水排入城市河道；PE是繩索、網和釣魚線的常見組成部分；而PVC通常用于制作包裝袋.結果表明，巢湖水體中微塑料污染的主要來源可能是紡織品和老化漁具等[33]，且在今后的研究中可進一步追溯其污染源頭.

圖3 巢湖水體中微塑料的粒徑、顏色與化學組成占比Fig.3 The proportion of microplastic particlesize,color and chemical composition in water of the Chaohu Lake

3 結論

a) 巢湖水體中微塑料的豐度平均值為(1.30±0.68)個/L，其中東部湖區略低于其他區域.

b)巢湖水體中微塑料的形狀包括纖維狀、碎片狀、顆粒狀、薄膜狀和微珠狀，其中纖維狀是最常見的微塑料形狀，占比為65.8%.

c)巢湖水體中微塑料的顏色包括透明、黑色、白色和彩色，其中黑色和彩色占主要優勢，分別占總數的44.33%和26.58%.

d)巢湖水體中微塑料以小尺寸(粒徑為50μm~2 mm)微塑料為主，占總數的88.65%.

e)巢湖水體中微塑料聚合物類型以PP和PET為主，分別占總數的57.52%和21.17%.