青岛崂山近岸海域表层沉积物中微塑料的污染特征.pdf

第 45 卷 第 2 期 渔 业 科 学 进 展 Vol.45,No.2 2 0 2 4 年4 月 PROGRESS IN FISHERY SCIENCES Apr.,2024 *山东省自然科学基金青年项目(ZR2020QC209)、山东省重点研发计划(2022CXPT013)、崂山实验室科技创新项目(LSKJ202203903)、山东省泰山学者专项(tsqn202211267)和中国水产科学研究院基本科研业务费(2023TD13)共同资助。张 莹，E-mail: 通信作者：隋 琪，E-mail: 收稿日期:2023-10-19,收修改稿日期:2023-11-14 DOI:10.19663/j.issn2095-9869.20231019001 http:/ ZHANG Y,ZHAO X G,SUI Q,SUN X M,ZHU L,XIA B,QU K M.Distribution characteristics of microplastic pollution in the surface sediments of the Laoshan coastal area of Qingdao.Progress in Fishery Sciences,2024,45(2):6169 青岛崂山近岸海域表层沉积物中 微塑料的污染特征*张 莹1,2 赵信国2,3 隋 琪2,3 孙雪梅2,3 朱 琳2,3 夏 斌2,3 曲克明2(1.上海海洋大学水产与生命学院 上海 201306；2.海水养殖生物育种与可持续产出全国 重点实验室 中国水产科学研究院黄海水产研究所 山东 青岛 266071；3.海洋生态与环境科学功能实验室 山东 青岛 266237)摘要 微塑料污染已成为与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的重大全球环境问题，其污染特征及生态环境风险已成为全球研究热点。城市近岸海域往往是高强度人类活动区域，其海底沉积物中微塑料的污染状况可能更为复杂。但至今为止，城市近岸海域沉积物中微塑料的污染现状、分布特征仍不清楚，亟待研究。为此，本研究以典型滨海旅游和海洋城市青岛市为例，对其崂山近岸海域表层沉积物中微塑料的丰度、形状、颜色和聚合物类型等进行了调查研究。结果显示，青岛市崂山近岸海域表层沉积物中微塑料丰度处于 9.0634.48 ind./kg 之间，平均丰度为(21.978.32)ind./kg；微塑料主要形态为纤维状，占比 53%，其余为颗粒状和薄层状；主要颜色为透明色，占比 66%，其余为黑色、白色和其他颜色；粒径主要分布于 0.5 mm 以下，占比 76%；聚合物类型主要为聚丙烯，占比 45%，其余为聚苯乙烯、聚乙烯和纤维素。与国内外其他海域沉积物相比，青岛市崂山近岸海域表层沉积物中微塑料污染程度整体处于较低水平。但考虑到沿岸城市人类活动强度较大，其微塑料污染状况和分布特征需要长期关注。本研究结果将为城市近岸海域微塑料生态环境风险评估和管控提供科学参考。关键词 微塑料；污染特征；青岛崂山近岸海域；沉积物 中图分类号 S964.5 文献标识码 A 文章编号 2095-9869(2024)02-0061-09 随着塑料制品的大量生产使用，不可避免地产生大量塑料垃圾，其中尺寸小于 5 mm 的塑料颗粒被定义为微塑料(Thompson et al,2004)。根据来源不同，微塑料可分为初生微塑料和次生微塑料(Wang et al,2018)。初生微塑料指工业生产中制备的粒径小于 5 mm 的塑料颗粒，如磨砂膏、牙膏、洗面奶中的塑料微珠(Carr et al,2016;Farrell et al,2013)；次生微塑料指由大型塑料物品经机械磨损、紫外辐射和生物破碎等作62 渔 业 科 学 进 展 第 45 卷 用形成的塑料微粒(Barnes et al,2009;Salvador Cesa et al,2017)。调查表明，微塑料已经遍布全球不同海域，被形象地称为“海洋中的 PM2.5”(Amelia et al,2021;陈舒,2018;刘香等,2021;Peng et al,2018)。微塑料作为倍受全球关注的新污染物，已成为与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的重大全球环境问题，其污染特征及生态环境风险已成为全球研究热点。海洋微塑料主要来源于大气沉降、陆源输入、滨海旅游、海上航运、渔业生产活动等(夏斌等,2019)。其中，海底沉积物又被认为是海洋中微塑料的“汇”(Xue et al,2020)。沉积物中不仅沉积大量有机质(聂梦晨等,2022)，还是水环境中多种污染物的载体(杨帆等,2022)，微塑料沉降到沉积物中受到水力条件等的影响会再次移动(Kumar et al,2021;周志文等,2023)。青岛沉积物类型较为复杂，有粘土质粉砂、砂质粉砂和粉砂等。研究发现，近岸沙滩、近海沉积物及深远海沉积物中均存在不同丰度的微塑料污染。城市近岸海域往往是高强度人类活动区域，其海底沉积物中微塑料的污染状况可能更为复杂。但至今为止，城市近岸海域沉积物中微塑料的污染现状和分布特征仍不清楚，亟待研究。本研究以典型滨海旅游和海洋城市青岛市为例，对其崂山近岸海域表层沉积物中微塑料的丰度、形状、聚合物类型和颜色等进行调查研究，以期阐明青岛市崂山近岸海域沉积物中微塑料的污染现状和分布特征，为城市近岸海域微塑料生态环境风险评估和管控提供科学参考。1 材料与方法 1.1 调查时间与调查站位 2023 年 3 月 6 日在山东省青岛市崂山近岸海域共设置 8 个调查站位(图 1)。其中，1、2 号站位位于麦岛湾，附近分布有小麦岛公园等旅游景点，但 2 号站位附近有污水处理厂(青岛水务排水公司第四排水分公司)排放口；3、4、5 号站位位于大江口湾，附近分布有青岛雕塑园、石老人海水浴场等旅游景点；6 号站位位于鹁鸽窝，附近主要是居民区；7、8 号站位位于沙子口湾，附近分布有青岛沙子口国家中心渔港，并有南九水河流入。站点附近有多种人类活动方式，其中，1 号取样点为旅游景区，2 号为污水处理厂，3、4、5 号取样点为海水浴场，6 号为居民区，7、8 号为河流入海口和渔港。1.2 样品采集 使用德国 HYDRO-BIOS 公司的 Van Veen 采泥器，采集表层约 5 cm 的海底沉积物，将采集的沉积物样品装入铝箔袋中，立即置于装有冰袋的保温箱中28 保存，随后带回实验室分析。1.3 样品处理 每个站位称取约 300 g 沉积物样品，放入烘箱中干燥至恒定重量。干燥完成后，称取 100 g 干燥沉积物样品置于玻璃烧杯中，加入 1 000 mL 饱和 NaCl溶液，用玻璃棒预搅拌后，放入磁力转子搅拌 24 h，确保充分悬浮微塑料。随后静置 12 h，收集上清液至干净的玻璃烧杯中备用。随后，重复上述悬浮过程 3 次，确保全部微塑料悬浮至上清液中。使用玻璃纤维膜过滤上清液，并用蒸馏水反复洗涤以去除NaCl。用 30%的 H2O2溶液将膜上的固体全部冲至玻璃烧杯中，并加入催化剂 FeCl2消解有机物。静置沉淀 24 h 后，用真空抽滤装置和 53 m 滤膜过滤上清液，取下滤膜，并将滤膜上“微塑料”样品转移至玻璃培养皿中进行下一步观察。图 1 调查站位示意图 Fig.1 Distribution of sampling sites 第 2 期 张 莹等:青岛崂山近岸海域表层沉积物中微塑料的污染特征 63 1.4 微塑料鉴定 将得到的“微塑料”样品放置在光学显微镜(Olympus BX-51，日本)下观察，挑选出疑似微塑料颗粒并记录其数量、尺寸、形状和颜色等信息。微塑料尺寸分为0.5 mm、0.51 mm、12 mm、23 mm、34 mm 和 45 mm；形状分为颗粒状、纤维状和薄层状；颜色分为透明色、黑色、白色和其他颜色。使用傅里叶变换红外显微镜(micro-FTIR,Thermo Fisher Nicolet iN10,美国)鉴定疑似微塑料的化学聚合物类型，并在傅里叶变换红外显微镜下拍照，具体操作方法参照 Zhu 等(2018)。将获得的光谱图与 OMNIC 标准光谱库进行比对，确定微塑料的聚合物类型。匹配度阈值设定为 70%，即仅当匹配度高于 70%时，才可认定疑似微塑料为微塑料(Yang et al,2015)。1.5 数据处理与图表绘制 微塑料丰度表示为每千克干重沉积物中微塑料的个数(ind./kg)。使用 Arcgis 10.8 软件绘制调查站位图，使用 Origin 2022 软件进行数据统计分析与图表绘制。1.6 质量控制 在进行沉积物中微塑料的提取和分析过程中，采取相关预防措施防止样本受到外部塑料污染。所有玻璃容器均经过稀硝酸浸泡过夜，随后用去离子水冲洗至少 3 次。化学溶液在使用前均通过 0.45 m 的玻璃纤维膜过滤。在进行显微镜检查之前，关闭实验室的所有门窗，防止人员走动，最大程度地减少空气污染。在现场取样和分析过程中，穿戴棉布衣服，佩戴丁腈手套和纯棉口罩，确保分析过程中无塑料污染。2 结果与讨论 2.1 微塑料丰度 如图 2 所示，青岛市崂山近岸海域 8 个调查站位海底沉积物中均检测到微塑料，微塑料丰度范围为 9.06 34.48 ind./kg，平均丰度为(21.978.32)ind./kg。微塑料丰度按照由大到小排序依次为 2 号站位(34.48 ind./kg)6 号站位(28.41 ind./kg)1 号站位(27.70 ind./kg)5 号站位(25.72 ind./kg)4 号站位(22.01 ind./kg)8 号站位(17.54 ind./kg)3 号站位(10.87 ind./kg)7 号站位(9.06 ind./kg)。1、2 号站位都位于麦岛湾小麦岛公园附近，但 2 号站位微塑料丰度明显高于 1 号站位，原因可能是 2 号站位附近有市政废水处理厂(青岛水务排水公司第四排水分公司)排放口，排放的废水中可能含有未被滤除的微塑料颗粒，其逐渐沉降埋藏于周围海域海底沉积物中。6 号站位微塑料丰度也较高，仅次于 2 号站位，原因可能是 6 号站位附近分布有大量居民区，衣物洗涤等居民日常活动产生的大量塑料纤维随生活废水进入周围海域。7、8 号站位位于沙子口湾，附近分布有青岛沙子口国家中心渔港，人类活动频繁，特别是 7 号站位附近还有南九水河流入，但是，2 个站位海底沉积物中微塑料丰度相对其他站位整体较低，这可能与中心渔港港池和航道疏浚清淤有关。受冲淤等因素影响，港池和航道海底的淤泥逐年增多，水深越来越浅，达不到船舶设计吃水深度，无法保证船舶安全通行和停泊需求，必须定期进行疏浚清淤，将一定深度的海底表层沉积物移走，在此过程中，沉积物中微塑料颗粒也一同被移走。图 2 沉积物中微塑料的丰度 Fig.2 Abundance of microplastics in sediments 青岛市崂山近岸海域沉积物中微塑料丰度与国内外部分海域沉积物对比见表 1。与青岛 6 个海水浴场沉积物中的微塑料平均丰度(17.885.18)ind./kg(Gao et al,2021)和青岛胶州湾沉积物中的微塑料平均丰度(25.003.10)ind./kg(Zheng et al,2020)相比，青岛市崂山近岸海域沉积物中的微塑料平均丰度基本处于同一水平，说明青岛城市近岸海域沉积物中微塑料的丰度整体一致。与国内北黄海(Zhu et al,2018)、南黄海(Zhao et al,2018)及广东东部近海(Chen et al,2023)等相比，青岛市崂山近岸海域沉积物中的微塑料丰度处于相对较低水平。与国外爱尔兰近海(Mendes et al,2021)和波罗的海(Zobkov et al,2017)沉积物相比，青岛市崂山近岸海域沉积物中的微塑料丰度处于相对较低水平，与法国北部海域(Doyen et al,2019)和新西兰近海(Clunies-Ross et al,2016)基本处于同一水平。海洋沉积环境受到人类活动方式、地形及水体动力学等多方面因素的影响。取样方法和鉴定方法的不同也会影响微塑料丰度及其特征的研究结果。崂山近岸海域人类活动多以旅游、排放生活污水和近海捕鱼活动为主，沙滩、海水浴场及渔港的定时 64 渔 业 科 学 进 展 第 45 卷 表 1 国内外部分海域沉积物中微塑料丰度 Tab.1 Abundance of microplastics in sediments from some regions in China and abroad 国家 Country 研究区域 Study area 滤膜孔径 Membrane/m 微塑料丰度 Microplastic abundance/(ind./kg)参考文献 Reference 胶州湾 Jiaozhou Bay 50 25.003.10 Zheng 等(2020)北黄海 Northen Yellow Sea 30 37.1042.70 Zhu 等(2018)南黄海 Southern Yellow Sea 1 72.00 Zhao 等(2018)青岛海水浴场 Qingdao bathing beach 50 17.885.18 Gao 等(2021)中国 China 广东东部近海 Offshore eastern Guangdong1.20 93.1012.50 陈诚等(2023)爱尔兰 Ireland 爱尔兰近海 Ireland coastal waters 32 42.0060.00 Mendes 等(2021)波罗的海 Baltic 175 34.0010.00 Zobkov 等(2017)法国 French 法国北部 Northern France 1 000 69.3030.60 Doyen 等(2019)新西兰 New Zealand 新西兰近海 New Zealand offshore 32 21.2016.50 Clunies-Ross 等(2016)中国 China 青岛崂山近岸 Coastal areas of Laoshan,Qingdao 53 21.978.32 本研究 This study 清理避免了大型塑料在光照和海水等作用下降解成微塑料的风险。因此，与上述区域相比，青岛市崂山近岸海域沉积物中微塑料污染水平整体处于中下等水平。2.2 微塑料形态特征 2.2.1 微塑料粒径特征 如图 3 所示，本次调查崂山近岸海域海底沉积物中主要是粒径小于 0.5 mm 的微塑料，其占比最高(76%)；其次是粒径在 0.51 mm之间的微塑料，其占比为 14%。本次调查未检出 3 4 mm 和 45 mm 粒径的微塑料，检出的微塑料最大粒径为 23 mm，但其含量占比较少。特别是 3、7 号站位的海底沉积物中检出的微塑料粒径均小于 0.5 mm。这些结果表明，海底沉积物中较小粒径的微塑料丰度明显高于较大粒径的微塑料，该现象与 Tang 等(2018)的研究结果一致。研究表明，海洋中的微塑料以小粒径为主。例如，天津近岸海域、渤海及黄海近海中检出的微塑料粒径主要分布于 0.5 mm 以下(韩龙等,2022;Zhao et al,2018)。但受采样方法和过滤装置孔径的限制，目前只能检测到一定粒径之上的微塑料。例如，本研究使用的是 53 m 孔径的滤膜，只能收集并检出粒径大于 53 m 的微塑料。因此，海洋中实际存在的大量小粒径微塑料甚至纳米塑料的污染状况可能被远远低估，人们对其的认识仍有待加强(Cai et al,2018)。研究表明，相比于大粒径微塑料，粒径越小的微塑料越容易穿透生物屏障，随血液循环迁移至生物体的不同组织，从而对海洋生物造成更严重的毒性效应(Li et al,2021;张国旗等,2024)。因此，基于海洋微塑料污染调查数据对微塑料的海洋生态风险进行评估时，需要充分考虑被遗漏的小粒径微塑料对海洋生态环境的潜在风险，下一步要加强小粒径微塑料特别是纳塑料的采集、分离和检测技术研发。图 3 各站位沉积物微塑料的粒径分布 Fig.3 Particle size distribution of microplastics in sediments at different sites 2.2.2 微塑料形状特征 如图 4 所示，本次调查崂山近岸海域海底沉积物中检测出的微塑料形状以颗粒状、纤维状和薄层状为主，其中，纤维状含量最高，占比 53%，且 8 个调查站位均有检出；其次为颗粒状，占比 33%，除 4 号站位外，其余 7 个站位均有检出；剩余为薄层状，占比 14%，有 5 个站位检出。初生微塑料一般为球形等较规则的形状，而本次调查检出的微塑料为颗粒状、纤维状和薄层状等 3 种不规则形状，且主要为纤维状，可见调查区域海底沉积物中的微塑料主要为次生微塑料。Browne 等(2011)研究发第 2 期 张 莹等:青岛崂山近岸海域表层沉积物中微塑料的污染特征 65 现，一件衣服单次洗涤就会释放至少 1 900 根纤维状微塑料。因此，家庭衣物洗涤可能是调查区域海底沉积物中微塑料的主要来源之一。另外，塑料网具和绳索等破碎和分解可能也是调查区域海底沉积物中微塑料的来源之一。纤维状微塑料容易弯曲缠绕或粘附于食物表面，增加被海洋生物摄入体内的概率，且生物体内纤维状微塑料的排出速度慢、停留时间长。而调查区域海底沉积物中微塑料以纤维状为主，因此，本区域的底栖海洋生物体内可能蓄积的主要是纤维状微塑料。图 4 各站位沉积物微塑料的形状分布(A)和不同形状微塑料的显微表征(B)Fig.4 Shape distribution of microplastics in sediments at different sites(A)and characterization of different shapes of microplastics(B)2.2.3 微塑料颜色特征 如图 5 所示，本次调查微塑料的颜色以透明色为主，占比 66%；其次是黑色，占比 22%，白色和其他颜色微塑料占比较少，分别为7%和 5%。各调查站位中均检出透明色微塑料，在7 号站位中透明色微塑料占比最高(100%)。除 7 号站位外，其余站位均检出了黑色微塑料。根据微塑料的形状特征可以发现，调查区域沉积物种的微塑料主要为次生微塑料。因此，调查区域沉积物中微塑料颜色以透明色为主，可能是塑料在破碎和分解转化为微塑料颗粒的过程中受光辐射等影响导致逐渐褪色所致。另外，还可能与海洋生物摄入水体中的有颜色微塑料，致使有颜色微塑料向沉积物沉降和埋藏减少有关。例如，有些鱼类属于视觉捕食者，主要依赖颜色和光线等特征辨别食物(Wright et al,2013)，因此，微塑料的颜色会误导鱼类的摄食行为。鱼类甚至会对特定颜色的微塑料表现出摄食偏好性(Okamoto et al,2022)，尽管不同海洋鱼类对颜色的摄食偏好强度存在差异，但都偏好摄入有颜色的微塑料(Chenet et al,2021;Morgan et al,2021;Renzi et al,2019)。因此，水体中有颜色的微塑料可能已被鱼类等海洋生物摄食，导致其向沉积物沉降和埋藏量减少。图 5 各站位沉积物中微塑料的颜色分布 Fig.5 Color distribution of microplastics in sediments at different sites 2.3 微塑料成分 如图 6 和图 7 所示，本次调查共检出 4 种聚合物类型的微塑料，包括聚丙烯(polypropylene,PP)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、纤维素(cellulose)和聚乙烯(polyethylene,PE)。其中，主要是聚丙烯，占比 45%；其次为聚苯乙烯，占比 22%，且除 3 号站位外其余站位均检出聚苯乙烯微塑料。据统计，目前有数百种塑料材料，其中聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚苯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)塑料被广泛应用，约占总需求的 90%(Andrady,2011)。聚丙烯微 塑料在本次调查中检出率最高，因成本低、加工方便，聚丙烯被广泛用于打包袋(李思琼等,2023)、塑料编织和薄膜包装(陈诚等,2023)等。在麦岛湾及大江口湾附近站位海底沉积物中均检出了聚丙烯微塑料且含量较高，人类生活污水及旅游业可能是产生聚丙烯微塑料的主要来源。尹诗琪等(2021)在麦岛附近海域中检测到的微塑料成分同样主要为聚丙烯。聚苯乙烯和聚乙烯通常用于制作食品包装、寿命较短的网箱、保温泡沫箱和鱼线等塑料产品(Fahrenfeld et al,2019)，而鹁鸽窝及沙子口湾附近站位大量检出聚苯66 渔 业 科 学 进 展 第 45 卷 乙烯和聚乙烯微塑料，说明渔港附近海域中的微塑料可能主要来源于海鲜冷藏保鲜中使用的保温塑料泡沫箱及渔船使用的塑料渔具等制品的破碎和分解。海洋中的微塑料会吸附其他污染物，从而对海洋生物产生更强的毒性效应。但不同成分的微塑料对其他污染物的吸附能力存在较大差异。例如，与其他塑料相比，聚乙烯对大多数污染物具有更强的吸附力(Alimi et al,2018)。因此，不同成分微塑料的海洋生态风险严重程度可能存在较大差异。图 6 各站位沉积物中微塑料的聚合物成分比例 Fig.6 Polymer composition ratio of microplastics in sediment at different sites 图 7 沉积物微塑料显微傅里叶红外光谱图 Fig.7 Micro-Fourier infrared spectroscopy of microplastics in the sediments 3 结论 本研究表明，青岛市崂山近岸海域沉积物中微塑料丰度处于9.0634.48 ind./kg之间，平均丰度为(21.97 8.32)ind./kg；微塑料主要形态为纤维状，占比 53%；主要颜色为透明色，占比 66%；粒径主要分布于 0.5 mm以下，占比 76%；聚合物类型主要为聚丙烯，占比45%。根据微塑料特征判断，调查区域沉积物中微塑料主要为次生微塑料，其污染状况和分布特征受沿岸城市人类活动影响较大。与国内外其他海域沉积物相比，青岛市崂山近岸海域沉积物中微塑料污染程度整体处于较低水平。但考虑到沿岸城市人类活动强度较大，其微塑料污染状况、分布特征需要长期关注。参 考 文 献 ALIMI O S,FARNER BUDARZ J,HERNANDEZ L M,et al.Microplastics and nanoplastics in aquatic environments:Aggregation,deposition,and enhanced contaminant transport.Environmental Science and Technology,2018,52:1704 1724 AMELIA T S M,KHALIK W M A W M,ONG M C,et al.Marine microplastics as vectors of major ocean pollutants and its hazards to the marine ecosystem and humans.Progress in Earth and Planetary Science,2021,8(1):126 ANDRADY A L.Microplastics in the marine environment.Marine Pollution Bulletin,2011,62:15961605 BARNES D K 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