渤海微塑料分布及其影响因素研究

Abstract

海洋环境中的微塑料污染日益严峻。微塑料在潮汐、波浪、河流输送等作用下可以远距离迁移，并在各层海水、海底沉积物中分布。目前对海洋环境中微塑料的调查大多关注表层水体；国内对海洋水柱中微塑料分布研究尚未有报道，国际上的研究也相当有限。因此，本研究主要关注微塑料在海洋环境中的垂直分布状况及影响因素，主要包括以下内容：（1）开展了渤海各层海水和海底沉积物中微塑料分布的航次调查；（2）选择不同类型的微塑料进行了近海试验，观察、分析微塑料的密度和表面形貌随时间的变化；（3）开展了光照、生物、海水等因素影响下的实验室模拟研究，探讨了人类活动和自然条件交互作用对微塑料的含量和垂直分布的影响。 通过对渤海各层海水和海底沉积物中微塑料分布调查，渤海水体中微塑料的丰度在0.2-23 N/L，平均丰度为4.4±5.0 N/L；在渤海表层沉积物中，微塑料丰度为31.1-256.3 N/kg（沉积物干重），平均值为102.0 (±73.4) N/kg。渤海表层水体微塑料污染主要受到海上行船排污和沿岸居民生产生活的直接影响；有一半的渤海航次站点的中层和底层海水微塑料因受到不同深度海流流速、流向的差异而在5-10 m水体聚集，其他站点微塑料在海洋各水层的分布与其垂直迁移速度和排放入海的速度相关；沉积物中的微塑料的丰度与上层水体浊度以及叶绿素a含量密切相关，较高水体浊度和浮游植物生物量有利于微塑料在沉积物中积累。 渤海环境中的微塑料类型总体以纤维类为主。在表层海水、近海水柱和海底沉积物中发现的最大密度纤维类微塑料均为聚酯类，而最大密度碎片类微塑料依次是聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯，最大密度随深度递增；微塑料的密度大小影响着碎片类微塑料在不同水层中的分布情况。微塑料的颗粒大小也随着深度的增加呈规律性分布。近海水层中，粒径小于300 μm和纤维类的微塑料比例有递增的趋势，这表明较小的微塑料和纤维类微塑料更容易迁移至下层水体。同时也说明对于目前在海洋微塑料调查中普遍使用的330 μm浮游生物网采样可能会低估中下层水体中微塑料的丰度。 通过实验室模拟研究表明，光照老化会使微塑料表面变粗糙，出现裂痕和裂纹，并且使聚乙烯微塑料的密度出现小幅升高，但尼龙颗粒和聚苯乙烯颗粒的密度未出现变化；而海水中培养的微塑料表面可以观察到细菌。通过对硅藻共培养的微塑料表面检测发现，微塑料表面出现了胞外聚合物的红外特征峰，电镜照片也显示胞外聚合物在微塑料表面粘结成小片或形成块；纤维类微塑料与硅藻共培养后密度的增加幅度要明显高于颗粒类微塑料，这与渤海调查中纤维类微塑料比例随深度增加而递增的结果相一致。 通过对放置于实际海水环境中的微塑料进行分析，发现微塑料的密度变化总体要大于其在实验室模拟环境中的变化，密度均有不同程度的增加，其中微塑料类型和海洋环境条件是影响微塑料密度改变的主要因素。微塑料的密度变化在不同海水深度上变化有明显差异。放置于表层和中层海水中的微塑料主要受到海流的影响，密度变化较为相近；而放置于底层海水中的微塑料除受到海流影响外，还受到底层沉积物的再悬浮影响，微塑料变化特征与表层、中层海水不同。总体上，稳定的海况有利于微塑料与悬浮颗粒物、藻类等形成相对稳定的复合物，从而改变微塑料的密度。通过扫描电镜和傅里叶变换红外光谱分析表明，微塑料表面粘附的物质包括藻类残体和悬浮颗粒物，这与渤海水体与沉积物调查中发现的微塑料样品表面存在藻类与颗粒物附着的情况一致，进一步证明水体中颗粒物和生物质可能对微塑料在水体中的垂直分布具有一定的贡献