海州灣潮間帶沙蠶對沉積物微塑料的指示作用

　　摘要：2018年7月于海州灣潮灘設(shè)置3個斷面共9個站位，通過對海州灣潮灘沉積物中以及沙蠶體內(nèi)微塑料的豐度和形態(tài)特征的研究，探討了沙蠶體內(nèi)微塑料的來源，以及沙蠶對潮灘沉積物微塑料的指示作用。結(jié)果表明，潮灘沉積物中微塑料的平均豐度為(0.49±0.17)n·g-1，處于國內(nèi)近岸環(huán)境研究的較高水平。所有檢測到的微塑料中，最為豐富的形態(tài)和顏色類型分別為纖維和黑灰色，材質(zhì)以聚乙烯(polyethylene，PE)、聚酯纖維(polyester，PET)和聚苯乙烯(polystyrene，PS)為主。沙蠶中微塑料檢出率為77.78%~86.67%，平均豐度為(6.68±2.21)n·ind-1，其豐度與個體質(zhì)量顯著正相關(guān)(r=0.42，P=0.002)，個體質(zhì)量1.5g以上的沙蠶中微塑料豐度顯著高于<0.5g和0.5~1g兩個組別(F3=141.029,P=0.000)，微塑料形態(tài)以黑色或藍(lán)色小纖維為主，主要材質(zhì)同樣為聚乙烯和聚酯纖維。通過對0~3mm范圍內(nèi)的微塑料各項特征分析發(fā)現(xiàn)，沉積物與沙蠶中的微塑料豐度強(qiáng)相關(guān)(r=0.79，P=0.01)，其主要形態(tài)組成(r=0.90，P=0.035)和材質(zhì)組成(r=0.73,P=0.024)同樣顯著相關(guān)，表明沙蠶會攝取沉積環(huán)境中的微塑料，存在與沉積物之間的微塑料交換，沙蠶作為沉積物中微塑料污染指示生物物種是可行的。

　　關(guān)鍵詞：微塑料;沙蠶;潮灘沉積物;海州灣;指示生物

　　塑料自從被發(fā)明以來，就在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，據(jù)報道，每年塑料增長量約9%，2018年年產(chǎn)量達(dá)到了3.59億t[1]。由于處理不當(dāng)，隨之而來的污染問題也不可忽視。Eriksen等[2]的研究表明，超過5.25萬億顆粒，重達(dá)268940t的塑料碎片進(jìn)入海洋環(huán)境。這些塑料垃圾在太陽能、風(fēng)能、海洋物理化學(xué)和生物降解作用下形成更小的塑料碎片，其中粒徑小于5mm的塑料碎片被稱為微塑料[2~6]。微塑料具有更小的粒徑，能夠隨著洋流、波浪和潮汐運(yùn)動在海洋中進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此廣泛分布于海水[7~10]、入海河流[11]、海岸帶[12,13]和沉積物[7,14]中，包括兩極[15]和深海[16]等極端環(huán)境，被科學(xué)家稱為海洋中的PM2.5。

　　環(huán)境介質(zhì)中微塑料會被許多海洋生物主動或被動攝食。有研究表明，魚類和蟹類的鰓和消化道中都發(fā)現(xiàn)微塑料的聚集[17~19]，在海膽的生殖腺和體腔液中同樣發(fā)現(xiàn)較高豐度的微塑料累積[20]。海洋生物對微塑料的攝食行為不僅會造成胃腸道的物理損傷和堵塞，減少營養(yǎng)物質(zhì)攝取[21,22]。室內(nèi)毒理實(shí)驗表明，微塑料還會產(chǎn)生包括抑制生長，能量下降，死亡率升高，幼體存活率下降，生殖能力下降等不利影響[23]。環(huán)節(jié)動物門多毛綱游走目的沙蠶科，在海洋無脊椎動物中占據(jù)重要地位，其種類達(dá)80余種，數(shù)目巨大，是潮灘沉積物中最為常見的生物類群之一[24]。由于生長速度快，生產(chǎn)成本低和營養(yǎng)豐富等特征，沙蠶是眾多甲殼類動物、魚類和鳥類等海洋生物的重要食物來源[25]。

　　盡管沙蠶在海洋生態(tài)系統(tǒng)中起到重要作用，但是目前國內(nèi)關(guān)于沙蠶的微塑料污染研究卻鮮見報道。本文以海州灣地區(qū)沙蠶和潮灘沉積物為研究對象，探究其微塑料的分布和污染特征，進(jìn)一步分析沙蠶中微塑料的來源，考察沙蠶作為微塑料污染指示生物的可能性。

　　1材料與方法

　　1.1站位設(shè)置與樣品采集

　　海州灣是黃海的一個半開闊性海灣，也是中國重要的養(yǎng)殖海灣之一。由于地理位置處于基巖-砂質(zhì)海岸和淤泥質(zhì)海岸的交匯地帶，海州灣擁有較長的海岸線和豐富的潮間帶生物資源[26]。本研究選擇柘汪鎮(zhèn)、海頭鎮(zhèn)和西墅村臨海區(qū)域這3個海水養(yǎng)殖區(qū)作為研究對象，共設(shè)置3個斷面(斷面1~3)和9個采樣站位(S1~S9)。

　　選擇退潮時段采集樣品，每一斷面的高、中和低這3個潮區(qū)分別布設(shè)取樣點(diǎn)。每一站位使用沉積生物定量采樣框(25cm×25cm×30cm)采集生物樣品，每個取樣點(diǎn)各采集3個樣方。同時用于分析潮灘沉積物中微塑料，全部樣品在同一天采集完畢。以孔徑1mm的篩子篩出生物樣品并挑選沙蠶。沙蠶樣品用PE材質(zhì)的密封儲物袋密封，放入冷凍箱中暫存，并迅速轉(zhuǎn)移至實(shí)驗室，在−20℃的冰箱中儲存。沉積物樣品采用PE材質(zhì)的密封儲物袋密封保存，在轉(zhuǎn)移至實(shí)驗室后于避光陰涼處存放。此外，現(xiàn)場調(diào)查同時收集研究區(qū)域內(nèi)的繩索、養(yǎng)殖網(wǎng)簾、泡沫球和塑料材質(zhì)的廢棄物等物品，用于微塑料的來源解析。

　　1.2微塑料分離與鑒定

　　為減少實(shí)驗誤差，蒸餾水與所有試劑均通過3μm玻璃纖維濾膜抽濾后使用;實(shí)驗臺和實(shí)驗儀器使用前用蒸餾水沖洗;實(shí)驗人員全程著純棉實(shí)驗服，佩戴丁腈手套;設(shè)置空白對照，以減少實(shí)驗過程中的微塑料污染。樣品解凍后，用已過濾的蒸餾水將沙蠶表面沖洗干凈，用吸水紙吸干表面水分，隨后使用精密電子天平測量質(zhì)量。生物樣品的消解參考Karami等[27]的研究：使用10%KOH溶液對樣品進(jìn)行消解，并在40℃的電熱恒溫振蕩水槽恒溫水浴24h，直至消解液清澈透明。稱取300~400g的沉積物(濕重)于玻璃燒杯中，用鋁箔紙封口以避免污染。樣品在70℃的烘箱中烘干，以獲得準(zhǔn)確干重(精確到1mg)。

　　每一樣品中加入800mL飽和氯化鈉(NaCl)溶液用以浮選，自然沉降24h后，取上清液進(jìn)行抽濾，抽濾過程與生物樣品相同。使用玻璃纖維濾膜(孔徑3μm，直徑47mm，海寧金正)對消解液進(jìn)行抽濾，濾膜保存在干凈的培養(yǎng)皿中。將濾膜置于Nikon體視鏡下觀察、測量并拍照，記錄微塑料的形態(tài)、顏色和粒徑特征以便后續(xù)統(tǒng)計分析。粒徑統(tǒng)計中按照每500μm一個梯度將其分為10組進(jìn)行統(tǒng)計[28,29]。隨機(jī)挑選微塑料，使用傅里葉變換紅外光譜儀(μ-FT-IR,NicoletiN10,ThermoFisherScientific,USA)對微塑料材質(zhì)進(jìn)行鑒別。本研究中站位使用Surfer16繪制，其它使用Origin2018繪制，實(shí)驗結(jié)果使用SPSS2020進(jìn)行統(tǒng)計分析。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1沉積物中的微塑料

　　2.1.1沉積物中微塑料的豐度特征

　　海州灣潮灘沉積物中共分離微塑料1392個，9個采樣站位豐度介于0.27~0.75n·g-1之間[平均豐度為(0.49±0.24)n·g-1]。所有站位中，S7站位[(0.75±0.33)n·g-1]沉積物中微塑料豐度最高，并顯著高于S3[(0.27±0.12)n·g-1]、S5[(0.35±0.14)n·g-1]和S6[(0.31±0.15)n·g-1]這3個站位[獨(dú)立樣本t檢驗，P<0.05。

　　但單因素方差分析表明，各站位之間微塑料豐度無顯著性差異(F8=1.860，P=0.131)。對不同斷面和潮帶進(jìn)行雙因素方差分析發(fā)現(xiàn)，不同潮帶沉積物樣品中的微塑料在存在豐度差異(F2,4=5.902，P=0.011)，高潮帶([0.68±0.24)n·g-1]顯著高于中潮帶[(0.46±0.22)n·g-1]和低潮帶[(0.33±0.13)n·g-1]，但中潮和低潮之間微塑料豐度并無顯著性差異。斷面1的潮灘沉積物中微塑料豐度最高，為(0.58±0.26)n·g-1，斷面2最低，為(0.42±0.22)n·g-1，3個斷面之間并無顯著性差異[F2,4=1.312，P=0.294。不同斷面和潮帶對沉積物中微塑料豐度不存在交互作用(F2,4=0.112，P=0.977)。

　　2.1.2沉積物中微塑料的形態(tài)特征

　　海州灣潮灘沉積物中的微塑料可以分為纖維、碎片、泡沫、薄膜和微珠等5個類別，其中，占比最多的是纖維類([43.69±10.92)%]，隨后依次為碎片類(28.45%±11.07%)、發(fā)泡類[(14.76±9.23)%]、薄膜類[(10.09±6.23)%]和微珠[(3.02±4.02)%]，不同形態(tài)類型出現(xiàn)頻率具有顯著性差異(F4=90.121，P=0.000)。

　　本研究中，潮灘沉積物中微塑料的顏色類型有10種以上，為便于統(tǒng)計，將其簡單歸類為5個色系，分別為黑灰色、白色透明、藍(lán)綠色、橙黃色和紅紫色。出現(xiàn)頻率最高的為黑灰色[(37.93±19.30)%]和白色透明[(31.83±14.08)%]兩類微塑料，并顯著高于其它3類(F4=44.738，P=0.000)。而對于不同的斷面、潮帶以及站位，微塑料的形態(tài)和顏色均未表現(xiàn)出顯著性差異。隨著粒徑增加，每組的微塑料檢出個數(shù)逐漸減少，0~500μm的微塑料個數(shù)占比22.76%，而4500~5000μm的微塑料僅有2.27%。

　　2.2沙蠶中微塑料污染特征

　　2.2.1沙蠶中微塑料豐度

　　本研究共捕獲52只沙蠶，每一站位采集到4~8只。3個潮帶中，高潮帶平均每個站位4.33只，顯著低于中潮帶(平均7只)和低潮帶(平均6只)(F2=12.250，P=0.008)，體重范圍為0.12~2.63g。按照質(zhì)量將沙蠶分為<0.50.5111.5>1.5g4個組別，每組9~17只。其中，43只沙蠶體內(nèi)發(fā)現(xiàn)微塑料，檢出率為77.78%~86.67%，最高檢出率出現(xiàn)在0.5~1g質(zhì)量組，最低則為>1.5g質(zhì)量組。本研究發(fā)現(xiàn)，沙蠶中微塑料的豐度差異較大，最低時未檢出，最高可達(dá)20n·ind-1。

　　按照質(zhì)量分組進(jìn)行統(tǒng)計，沙蠶中微塑料豐度為3.82~10.78n·ind-1，質(zhì)量組之間存在顯著性差異(F3=141.029，P=0.000)。最高質(zhì)量組(>1.5g)沙蠶中微塑料豐度顯著高于最低的兩個質(zhì)量組(<0.5g和0.5~1g，P<0.05)，且隨著質(zhì)量增加，每組沙蠶中微塑料的平均豐度同樣出現(xiàn)增長。數(shù)據(jù)分析表明，沙蠶攝入微塑料個數(shù)與其個體質(zhì)量顯著正相關(guān)[Pearson相關(guān)分析，r=0.42，P=0.002。

　　2.2.2沙蠶中微塑料污染特征

　　本研究發(fā)現(xiàn)，沙蠶中微塑料的形態(tài)以纖維為主，4組沙蠶中纖維狀微塑料占比達(dá)88.10%~91.75%，隨后依次為薄膜和碎片。在較低的兩個質(zhì)量分組(<0.5g0.51g7.146.062.383.0311.5g>1.5g)中恰恰相反。此外，兩個較高的質(zhì)量組中還發(fā)現(xiàn)了一定比例的微珠(1~1.5g：微珠占比2.38%;>1.5g：微珠占比1.03%)，但兩個低質(zhì)量沙蠶組中并無發(fā)現(xiàn)。而顏色的對比中，不同質(zhì)量的沙蠶之間并未發(fā)現(xiàn)較明顯的差異，整體以黑色、藍(lán)色和紅色塑料為主。在1~1.5g和>1.5g兩組沙蠶中發(fā)現(xiàn)了白色微塑料，另外兩組則沒有發(fā)現(xiàn)。這表明低質(zhì)量和高質(zhì)量沙蠶之間存在差異性。

　　3討論

　　3.1海州灣海灘沉積物中微塑料污染水平

　　本研究中，海州灣沉積物中微塑料形態(tài)主要為纖維類(53.90%)，其中又以黑色和藍(lán)色為主，成分主要為PE和PET，這一發(fā)現(xiàn)與李征等[30]對海州灣近海水域和沉積物中的研究結(jié)果相似，同樣以藍(lán)色和黑色纖維(58.3%)為主。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海州灣海灘上遺落有較多的養(yǎng)殖垃圾，多為藍(lán)色漁具，如塑料容器碎片，藍(lán)色網(wǎng)簾和魚線等，經(jīng)紅外分析多為PE、PET或PP制品。

　　此外，還有許多碎裂的白色泡沫垃圾被丟棄在海灘上，為PS材質(zhì)，與本研究中分離出的許多白色發(fā)泡類形態(tài)類似。由此可以推測，潮灘沉積物中微塑料與近岸海域環(huán)境存在關(guān)聯(lián)。海州灣潮灘沉積物中微塑料豐度為(0.49±0.17)n·g-1，與近岸沉積物中微塑料的豐度[(0.33±0.26)n·g-1]相似。通過查閱國內(nèi)外對沿海灘涂沉積物中微塑料的相關(guān)研究，以同樣的粒徑<5mm計數(shù)、以n·g-1為單位計量，與海州灣潮灘沉積物中微塑料豐度進(jìn)行比較。

　　發(fā)現(xiàn)海州灣潮灘沉積物中微塑料污染雖然低于南海的6個海灘[31](13.88n·g-1)，但對比渤海遼東灣[32](0.128n·g-1)和恰巴哈爾海灣[35](0.26±0.017)n·g-1等海灣而言，仍舊處于較高水平，并遠(yuǎn)高于廈門灣[33](0.028~0.31n·g-1)。與同樣以養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)作為經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的沿岸區(qū)域相比，海州灣略低于印度本地治里海岸[36]，但稍高于舟山海域[34]。在Dowarah等[36]的研究中提出，旅游活動與微塑料豐度之間存在弱相關(guān)(r=0.04,P=0.932)，而養(yǎng)殖活動則與其存在較強(qiáng)的相關(guān)性(r=0.92,P=0.0103)。

　　考慮到海州灣是一個傳統(tǒng)養(yǎng)殖海灣，該區(qū)域較高的微塑料豐度可能受到大規(guī)模海水養(yǎng)殖的影響。王洪燕[34]在舟山附近的養(yǎng)殖海灘研究中發(fā)現(xiàn)，微塑料的豐度為(0.46±0.18)n·g-1，與本研究中的豐度結(jié)果類似，并且，該研究中微塑料的主要材質(zhì)同樣為PE、PET和PS等漁業(yè)常用器具的材質(zhì)。海水養(yǎng)殖生產(chǎn)過程中，漁網(wǎng)、浮球、繩索和魚線等塑料制品大量進(jìn)入海洋環(huán)境并轉(zhuǎn)化為微塑料[37,38]。在山東半島潮灘沉積物的調(diào)查中已經(jīng)證明，海水養(yǎng)殖活動會提高其周邊潮灘沉積物中微塑料的豐度[39]。這表明密集的養(yǎng)殖活動是海州灣潮灘沉積物中微塑料水平較高的重要原因。此外，由于海州灣同時也是連云港港口所在區(qū)域，臨洪河和善后河等河流從此處入海，來往船舶[40]、生活垃圾[41]和河流輸入[42]同樣可能是影響海州灣區(qū)域微塑料豐度的原因。

　　3.2海州灣沙蠶中微塑料污染水平

　　沙蠶中發(fā)現(xiàn)的塑料形態(tài)多為黑色或藍(lán)色小纖維，與沉積物中相似，豐度為(6.68±2.21)n·ind-1或(9.57±9.32)n·g-1。Missawi等[43]在南地中海海岸的沉積物研究中發(fā)現(xiàn)，沙蠶會攝入一定量的微塑料,豐度僅為0.2~1.9n·g-1。而Bour等[44]在挪威奧斯陸峽灣的研究中發(fā)現(xiàn)，沙蠶中微塑料的豐度為2n·ind-1，孔雀纓鰓蠶中微塑料的豐度僅為1n·ind-1。本研究中沙蠶體內(nèi)微塑料的含量處于較高水平。

　　在潮灘環(huán)境中，行動能力較弱、分布廣泛的貝類通常被作為微塑料指示生物。由于沙蠶乃至于環(huán)節(jié)動物門的相關(guān)研究較少，本文選擇了同一生境中經(jīng)常被建議作為微塑料指示生物的其它物種進(jìn)行比較。沙蠶中微塑料含量與中國沿海貽貝中的微塑料豐度(5~7.6n·ind-1)相近[45]，低于加拿大野生貽貝中微塑料的含量[48]，而遠(yuǎn)高于中國太湖和象山灣的雙殼類研究[46,47]。

　　微生物論文范例：微生物檢驗中存在的問題及改進(jìn)方法

　　4結(jié)論

　　(1)海州灣潮灘沉積物中微塑料豐度為(0.49±0.17)n·g-1，與國內(nèi)外其它區(qū)域相比，這一微塑料豐度水平相對較高。經(jīng)過比較，海州灣沙蠶中微塑料的豐度也高于其它區(qū)域的潮間帶生物�？紤]到采樣區(qū)域均為養(yǎng)殖海灘，密集的海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)或為微塑料富集的原因之一，沙蠶特殊的攝食行為也有一定的貢獻(xiàn)量。

　　(2)52個沙蠶個體中，43個檢出微塑料，平均豐度為(6.68±2.21)n·ind-1。沙蠶中微塑料的豐度與其生物質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。沙蠶中檢出的微塑料以黑色和藍(lán)色纖維為主，主要材質(zhì)為PE、PET和Rayon。高質(zhì)量組沙蠶和低質(zhì)量組沙蠶之間存在形態(tài)和顏色上的區(qū)別。

　　(3)沙蠶與潮灘沉積物中0~3mm微塑料的豐度、形態(tài)和材質(zhì)均呈現(xiàn)顯著相關(guān)，本研究認(rèn)為沙蠶會攝取沉積物中0~3mm的微塑料�？紤]到沙蠶的生理特性和廣泛分布等特征，建議將沙蠶作為微塑料污染的指示生物的考慮物種，并進(jìn)一步開展微塑料污染指示生物的選擇研究。

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　　作者：王嘉旋1，宋可心1，孫一鑫1，方濤1,2,3，李瑾禎1，張濤1,2,3，馮志華1,2,3*

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