水體中微塑料的分布與豐度

張潤，吳玲玲，王萌

(同濟大學 環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

據統(tǒng)計，在所有的海洋碎片中，75%都是塑料。嚴重破壞了從海岸到海洋的生態(tài)平衡[1]。塑料對生態(tài)環(huán)境影響的嚴重程度與顆粒大小密切相關，即粒徑越小影響越大。因此，國內外學者關注到了小于5 mm的塑料碎片，《Science》雜志于2004年將這類塑料定義為微塑料[2-3]。

微塑料可以吸附周圍環(huán)境中的有機和金屬污染，從而顯著影響污染的生物可及性[4-6]。而在塑料生產過程中會添加具有致畸性和致癌作用的抗氧化劑和鄰苯二乙酯等成分。這些成分可能會釋放到環(huán)境中[7-9]。此外，被生物攝入后，其生物利用度和生物積累性可能會對生物，特別是水生生物構成風險[10-12]。進入生物體的微塑料可以通過在組織和器官中的轉移和濃縮而刺激生物體產生免疫反應等[13]。然而，要清理微塑料，仍需進一步了解微塑料目前的分布情況。首先由于微塑料的成分，密度和尺寸不同，密度大的聚合物[聚氯乙烯(PVC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)]更容易下沉，而密度小的[聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)]則更易漂浮在水面發(fā)生遷移。但即使對于密度較高的顆粒，它們仍然會受到暗流的作用發(fā)生遷移。此外，在水生環(huán)境中，由于鹽水和淡水之間存在的密度差異，同一類型的塑料在不同環(huán)境中也可能呈現不同的分布狀況。在本文中，我們的目的是回顧關于微塑料的豐度、分布等最新文獻，以了解微塑料污染的現狀，為下一步的風險評估做鋪墊。

1 海洋

在風、降水和水流的作用下，大部分微塑料會進入海洋中。最近的研究表明，微塑料在全球所有海洋(太平洋、印度洋、大西洋和北冰洋)中均有分布，其中最常見的微塑料類型是PET和PP(表1)。

據估計，在全球海洋中總共漂浮著至少35 540 t的微塑料顆粒。微塑料的分布會受洋流影響。其中北大西洋副熱帶環(huán)流區(qū)域的塑料碎塊主要匯集在亞熱帶緯度[14]。在大西洋，沿北/南緯度梯度收集到的樣本中均含有微塑料，濃度為0～8.5顆/m3。由此也證明了微塑料在大西洋分布之廣泛[29]。而反氣旋漩渦的作用可能使部分區(qū)域形成一個微塑料的匯，使得這些區(qū)域中微塑料的豐度高出平均值9.4倍。季節(jié)性因素同樣會影響微塑料的分布。在冬季波羅的海近海微塑料主要分布于0～30 m深度的位置而夏季則會分布在60～30 m處[30]。從1999年至2012年，微塑料的豐度仍在增加，經拖網收集位于東北和東南太平洋海域的樣本中大約共有超過21 290 t的微塑料，含有微塑料的比例為95%～100%，超過了歷史數據中的62%。即便在人口密度很低的夏洛特皇后海峽的淡水中也顯示出較高的微塑料豐度，這是由于其會與太平洋海域海水混合[31]。但是，盡管微塑料分布廣泛并且在過去幾十年中微塑料的量不斷增加，對生物的影響還有待進一步的研究。研究統(tǒng)計表明，浮游生物體內微塑料的濃度并沒有出現明顯變化。由于印度洋海域關于微塑料的產生與分布的研究較少，僅顯示出空間分布的差異而沒有時間分布，但這些研究數據仍然可以證明微塑料的存在(圖1)[25]。而距離海岸10 km處的海域可能是一個潛在的匯聚區(qū)。值得注意的是在一個人口稀疏的島嶼——Vavvaru附近也發(fā)現了微塑料的存在，這從側面說明了微塑料的可遷移性[25]。

表1 海洋中微塑料的分布與豐度

圖1 微塑料在大西洋、太平洋和印度洋中的分布

由于采樣方法的不同(即采樣器的網格尺寸不同)，一些研究調查可能遺漏較小的顆粒，研究結果難以直接進行比較。此外，在采樣過程中，采樣范圍跨越的海域之寬給重復實驗的進行增加了難度，這導致實驗結果易受水流和風的變化影響[24]。同時在自然條件下，海水密度會隨深度的增加而增加，導致微塑料漂浮在水面或緩慢下沉的，形成分層分布。也就是說，不同密度的微塑料可能會停留在具有相同密度的海水層。但目前對微塑料分布的調查仍是以表層水體平面分布為主，缺乏不同深度對其影響的研究，進而影響對其遷移規(guī)律的探究。因此，迫切需要提出一種標準化，準確的抽樣方法，并且還需要探索海洋環(huán)境中微塑料更為全面的分布情況。

2 河流和湖泊

盡管大多數研究都對海洋環(huán)境中的微塑料污染給予了極大的關注，僅有少數論文集中對微塑料在湖泊和河流上的分布進行研究，為微塑料的存在提供了證據[32-33]。在地表水中，微塑料以PE、PP和PS為主。其中在城市流域的水體通常會經過污水處理廠的處理，由于污水處理廠對微塑料的清除率很低，處理過后的水體中仍含有大量微塑料。采樣數據表明，下游淡水水體中微塑料的含量遠高于上游和許多海水取樣點，顯然污水處理廠并不能處理微塑料污染，甚至可能造成了微塑料的進一步積累，并且成為將微塑料排入海洋、河口、河流和湖泊的途徑之一[34]。在閩江、椒江和甌江河口這三個河口收集到的塑料中90%以上是微塑料(100～4 100顆/m3)[35]。印度尼西亞境內的Ciwalengke河中，可以檢測到(5 850±3 280)顆/m3的微塑料并以纖維為主。其中，居民的洗衣行為和紡織工業(yè)中的織物洗滌工藝是這些纖維的主要來源[36]。Eriksen等在勞倫蒂安五大湖中對地表水進行取樣，并檢測到微塑料的豐度大約為43 000顆/km2，其中微塑料濃度最高的采樣點位于兩個主要城市的下游，至少為466 000顆/km2[37]。這表明人類活動可能是微塑料污染的潛在促成因素并且在上游產生的微塑料會向下游遷移，成為海洋污染的來源之一。三峽水庫的一個分支中同樣檢測到微塑料的存在，結果顯示其豐度范圍在0.55×105～342×105顆/km2之間[38]。與海洋中影響微塑料分布的因素不同，強風和大雨對淡水中微塑料分布豐度的影響可以忽略不計，且微塑料的分布與水位高度和透明度呈負相關[38]。

3 沉積物

經過洋流和風力的長距離運輸后，微塑料最終會沉積在底泥或沿海棲息地中，如沼澤、海草床和珊瑚礁。一些研究證明，沉積物是大部分海洋微塑料的匯。尤其是高密度的微塑料更易在重力作用下逐漸下沉進入底泥沉積物中。在剛果峽谷的深海沉積物、波丘派恩河的海底平原以及尼羅河深海沖擊扇和南大西洋的部分地區(qū)，微塑料的平均豐度為200顆/m2。在沙特阿拉伯紅海淺海岸地區(qū)沉積物中的微塑料也達到160顆/m2[39]。在潮間帶和海灘沉積物中，也觀察到了微塑料的存在，其分布主要受人類活動的影響[40]。中國渤海海灘采集的樣品中，發(fā)現以聚乙烯醋酸乙烯酯(PEVA)，輕密度聚乙烯(LDPE)和PS為主的微塑料數量在(102.9±39.9)～(163.3±37.7)顆/kg之間，這類微塑料的出現與該地區(qū)發(fā)展的旅游活動密切相關[41]。通過分析從伊朗波斯灣海灘采集的沉積物樣本發(fā)現，大多數微塑料是在塑料工業(yè)中很常見的聚乙烯以及聚酰胺衍生物和有機硅塑料，同樣表明其來源與周圍地區(qū)的城市化有關[42]。除了人類活動，其空間分布還隨水體大小，風驅表面水流，水的停留時間，污染程度而變化。此外，對于密度小于海水的漂浮微塑料，它們不僅可以在海水中遷移，而且還可以通過附著在海洋生物體表面沉入底泥中。河流與湖泊的沉積物也不例外，德國萊茵河與美因河的沉積物中同樣發(fā)現了微塑料的存在，分別為228～3 763顆/kg和786～1 368顆/kg[43]。在鄱陽湖饒河濕地沉積物中檢測到的微塑料含量為938顆/kg[44]。

微塑料在沉積物中的分布十分廣泛，即使是在一些偏遠地區(qū)的底泥樣本中同樣發(fā)現了微塑料的存在。在青藏高原內陸湖沉積物中檢測到的微塑料含量高達563顆/m2[45]。盡管極地地區(qū)通常被認為是無污染的，但有研究表明微塑料已經出現在極地。由于洋流和風力作用，大西洋最南端和最北端的開闊水域和深海沉積物中均發(fā)現了微塑料的存在[46-47]。 2017年，Munari等人首次在南極沉積物中發(fā)現微塑料(長度為0.3～22 mm)樣品的比例為100%[48]。而在此前2008年的調查研究中，在南極洲附近的海域和南極洲南部的南喬治亞島的潮間帶沉積物中也發(fā)現了塑料碎片，但當時靠近南極洲的海床還未檢測到微塑料的存在[49]。在南極附近采集到微塑料的豐度高于離岸較遠地區(qū)，這也表明微塑料的出現是受人類活動的影響。微塑料的污染已經遍布全球海洋，并且極大地侵入了極地地區(qū)。隨著人類活動范圍的擴大，海冰萎縮，這一情況可能會進一步惡化。因此，需要對當前情況以及解決方案進行深入研究。

4 結論

目前大多數關于水體中微塑料分布的研究都集中在微塑料的取樣，定性和量化研究方法的比較以及微塑料在不同環(huán)境介質中的空間和時間分布和豐度、來源和歸趨，以及環(huán)境介質中微塑料的特征(顏色、密度、類型和大小)，特別是在海洋生態(tài)系統(tǒng)中研究居多。然而，對微塑料在其他環(huán)境如淡水中的研究數據還存在不足，阻礙了對微塑料進行完整的風險評估。并且考慮到微塑料種類體積形態(tài)的多樣性，還需要設計一種新的風險評估結構。

雖然目前研究僅提供了部分地區(qū)微塑料的監(jiān)測數據，但足以證明微塑料污染在全球水體中分布的普遍性?？梢灶A見的是，由于微塑料極小的尺寸很難從自然環(huán)境中移除，微塑料的數量將繼續(xù)增加。因此必須要采取一些措施以緩解這種情況。目前，國際上一些國家已經采取了一系列的措施限制微塑料的生產和使用。2015年12月，美國出臺實施了《無微珠水域法》(Microbead-Free Waters Act)，禁止在美國境內生產和銷售刻意添加了塑料微珠的清潔類化妝品[50]。在澳大利亞，工業(yè)界和政府已開始采取行動，減少塑料微珠對海洋環(huán)境的影響[51]。其次，根據微塑料的特點發(fā)展新的污水處理技術。例如利用其具有更大的表面/體積比的特點，更適合微生物生長，可以采用生物技術降解微塑料并且修復環(huán)境。