駱馬湖表層沉積物微塑料的分布、來源及儲存量

　　摘要：為探求駱馬湖表層沉積物微塑料的分布特征，于2019年夏季和2021年冬季收集了20個采樣點的樣品，使用光學(xué)顯微鏡觀察微塑料特征并分類，使用傅里葉變換紅外顯微鏡光譜儀鑒定其聚合物成分，使用掃描電子顯微鏡分析其表面形態(tài)。結(jié)果表明，駱馬湖夏季和冬季沉積物微塑料的豐度平均值為(513±201)n·kg1和(528±263)n·kg1�？傮w而言，60~500μm、纖維、透明和聚乙烯微塑料占比最高，表層沉積物微塑料的儲存量分別為111.20t(9月)和74.16t(1月)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，夏季人工泄洪后，閘后小尺寸微塑料的比例均高于閘前30%以上，證明水流剪切力是加速微塑料破碎的驅(qū)動力。開始調(diào)水后，上游的微塑料豐度平均值從705n·kg1下降到653n·kg1，而下游則從530n·kg1增加到740n·kg1。上游沉積物中消失的是較小和較輕的塑料顆粒，如聚乙烯和聚丙烯。它們隨著水流在上游表層沉積物中再懸浮，遷移至下游，并再次沉降。通過探討人工泄洪和調(diào)水對蓄水湖表層沉積物微塑料分布的影響，為人工調(diào)控下微塑料的環(huán)境行為提供新的證據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：駱馬湖;表層沉積物;微塑料;環(huán)境行為;人工泄洪;調(diào)水工程

　　塑料具有低成本且多功能的特點，在過去幾十年中被廣泛應(yīng)用，據(jù)PlasticsEurope發(fā)布的報告顯示[1]，2019年全球塑料產(chǎn)量已達(dá)3.7108t，超過大多數(shù)人造材料[2]。到2025年，估計有192個國家或地區(qū)因管理不善而產(chǎn)生最高達(dá)2.5108t的海洋塑料垃圾[3]，而大塊塑料在自然環(huán)境下會破碎成微米甚至納米級別的塑料碎片。

　　微塑料通常被定義為尺寸小于5mm的塑料顆粒，由于降解緩慢和在環(huán)境中的持久性[4]，微塑料容易長時間暴露在水體中并和水生生物相互作用[5]，造成潛在的生態(tài)威脅[6~8]。內(nèi)陸淡水是微塑料進(jìn)入海洋的重要途徑[4]，該領(lǐng)域一直是微塑料的研究重點。由于其持續(xù)積累，湖泊成為淡水系統(tǒng)中微塑料的主要“匯”[9]。對于一些特定的水體，如水交換頻繁的淺水湖泊，沉積物比地表水更能反映微塑料長期的污染水平[10]。

　　此外，水庫或大壩等特殊水工結(jié)構(gòu)可能是微塑料積累的熱點，水流沖擊[11,12]、非點源污染[13]和人工洪水[14]能改變微塑料的運輸和遷移行為，因此探究人為影響下微塑料的分布特征和環(huán)境行為有著重要意義。駱馬湖是換水頻繁的人工調(diào)控湖泊，截至2021年4月，南水北調(diào)東線工程已向中國北方地區(qū)調(diào)水超過4.9109t[15]，而駱馬湖是東線工程的重要節(jié)點，年調(diào)水量巨大。除了長達(dá)半年的調(diào)水期外，駱馬湖的主要支流還具有泄洪、灌溉等功能，進(jìn)出水頻繁。

　　駱馬湖的上游是擁有稠密人口和發(fā)達(dá)工業(yè)的長江流域[16]，存在大量未妥善處置的塑料垃圾，長江和支流地區(qū)微塑料污染嚴(yán)重[17]，但大規(guī)模的調(diào)水工程對沿線城市湖泊帶來的環(huán)境風(fēng)險和對微塑料環(huán)境行為的影響仍缺乏調(diào)研數(shù)據(jù)。本研究闡明了駱馬湖表層沉積物微塑料的豐度、特征和時空分布，計算其儲存量，通過探討人工泄洪和調(diào)水對表層沉積物微塑料分布特征的影響，以期為人工調(diào)控下微塑料的破碎和遷移行為提供新的證據(jù)。

　　1材料與方法

　　1.1研究區(qū)域

　　駱馬湖是位于中國江蘇省的城市淺水湖泊，南北長約27km，東西寬約20km，水域面積260km2。作為淮河流域第三大湖泊，駱馬湖是宿遷市和徐州市數(shù)百萬居民的重要飲用水源[16]，具有防汛抗旱的功能，同時帶動了當(dāng)?shù)貪O業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游業(yè)的興旺[18]。

　　1.2樣品采集

　　本研究從駱馬湖收集了20個采樣點的表層沉積物，深度為0~3cm，根據(jù)當(dāng)?shù)赝恋乜傮w規(guī)劃將采樣點劃分為自然保護(hù)區(qū)、工業(yè)區(qū)、旅游區(qū)、漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)和農(nóng)田區(qū)。非調(diào)水期采樣日期為2019年9月，調(diào)水期采樣日期為2021年1月，其間有持續(xù)半年的大規(guī)模調(diào)水。樣品儲存在裝滿干冰的容器中，采樣當(dāng)日運送至實驗室作進(jìn)一步分析。

　　1.3樣品處理

　　沉積物樣品在−50℃下冷凍干燥后通過5mm不銹鋼網(wǎng)粗篩。取50g樣品置于250mL燒杯中，加入150mL飽和氯化鈉溶液，磁力攪拌10min后靜置沉降12h以上。收集上清液并在真空下通過濾紙(WhatmanGF/Bglassmicrofiber，Britain)，將濾后顆粒沖洗至燒杯中。以上分離過程重復(fù)3次后，將樣品置于60mL30%過氧化氫中，在65℃下消解8h以上，充分降解有機物以避免植物纖維對顯微鏡觀察的干擾[19]。再次真空過濾后，將濾紙轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中并在室溫下干燥。

　　1.4樣品分析

　　在光學(xué)顯微鏡(LeicaDM2500&DM2500LED，LeicaCorporation，Germany)下目視檢查濾紙上的所有顆粒，將觀察到的顆粒根據(jù)形狀、顏色和尺寸分類計數(shù)。通過傅里葉變換紅外顯微鏡光譜儀(Spotlight200i，PerkinElmer,US)以16次掃描的速率識別疑似塑料顆粒，光譜范圍為4000~650cm1，分辨率為8cm1，鑒定結(jié)果對比譜庫驗證，匹配分?jǐn)?shù)超過80%則確定為塑料成分。使用掃描電子顯微鏡(SU8220，Hitachi，Japan)分析微塑料的表面形態(tài)。

　　1.5儲存量計算

　　本研究參考了Cai等[20]關(guān)于南海海水微塑料儲存量的研究成果，其通過單位體積海水微塑料含量推算至水域儲存量，本研究將該計算原理應(yīng)用到由單位質(zhì)量沉積物的微塑料豐度推算至湖泊沉積物的儲存量。同時，基于形狀差異(纖維、薄膜和微球)估算單個微粒體積和質(zhì)量。

　　1.6質(zhì)量控制

　　考慮到微塑料提取過程中的污染，本實驗采取嚴(yán)格的預(yù)防措施，所有玻璃容器均經(jīng)超聲清洗，并用鋁箔覆蓋。實驗后檢查純水洗滌過濾后的3個空白濾紙以量化污染，在空白濾紙中發(fā)現(xiàn)1~3根纖維并鑒定為羊毛，表明實驗室的污染可以忽略不計。

　　1.7數(shù)據(jù)處理所有數(shù)據(jù)使用Origin2019進(jìn)行分析，微塑料的時空分布通過ArcGIS10.2進(jìn)行可視化，使用CANOCO5的典型關(guān)聯(lián)分析評估環(huán)境變量和微塑料成分之間的關(guān)系[24]。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1微塑料的豐度分布

　　本研究在駱馬湖的20個采樣點發(fā)現(xiàn)了477個和338個微塑料，豐度平均值在120~1000n·kg1之間。9月微塑料豐度平均值為(513±201)n·kg1，低于1月的(528±263)n·kg1。和其他土地類型相比，工業(yè)區(qū)、旅游區(qū)和農(nóng)田區(qū)發(fā)現(xiàn)了較高的微塑料豐度。位于工業(yè)區(qū)的S11微塑料豐度平均值在9月為850n·kg1，在1月為720n·kg1，邳州市工業(yè)區(qū)和附近的農(nóng)業(yè)排水可能是其污染源[25]。旅游區(qū)的微塑料豐度平均值為515n·kg1和580n·kg1，農(nóng)田用地則為572n·kg1和730n·kg1，均高于自然保護(hù)區(qū)的392n·kg1和306n·kg1。

　　2.2微塑料的形態(tài)特征

　　2.2.1微塑料的尺寸分布

　　駱馬湖表層沉積物微塑料尺寸以60~500μm為主，其占比在9月為58.7%，在1月為51.1%。9月是人工泄洪的重要時期，大塊塑料更容易發(fā)生破裂，因此出現(xiàn)小粒徑微塑料的可能性更高。9月嶂山閘前S3的小粒徑微塑料(<1mm34.38s479.41>3mm)則從37.5%減少到2.94%。洋河灘閘小粒徑微塑料占比則從閘前S7的63.16%增加到閘后S6的93.75%，大粒徑微塑料從5.26%減少到0。據(jù)駱馬湖水利管理局和駱運水利工程管理處提供的水閘運行資料顯示，泄洪期間兩座水閘的流量平均值分別為254m3·s1和39.5m3·s1。

　　結(jié)果表明，水閘流量越大，閘后小粒徑微塑料增加的比例則越大。相比之下，冬季缺水的嶂山閘前后微塑料的粒徑分布幾乎相同，水流剪切力帶來的微塑料破碎效應(yīng)得到了削弱。有研究指出，人工洪水后下游微塑料的尺寸更小且數(shù)量更多[14]，急流打碎了大塊塑料并增加了小顆粒塑料的比例，這和駱馬湖閘后微塑料粒徑更小的發(fā)現(xiàn)相一致。駱馬湖沉積物微塑料的掃描電鏡圖表明位于泄洪河道的站點(S3和S4)比湖心站點(S14)具有更復(fù)雜更粗糙的表面形態(tài)特征，劃痕更多，碎片的脫落更加明顯，這進(jìn)一步證明泄洪會加速微塑料的機械磨損和破碎。

　　3討論

　　3.1駱馬湖微塑料豐度和污染特征

　　駱馬湖9月的沉積物微塑料豐度略低于1月，有研究認(rèn)為雨季充沛的降水會增加河流流量，導(dǎo)致微塑料豐度降低[28]，駱馬湖的嶂山閘在夏季成為泄洪通道，而水動力不足的冬季則使得微塑料更有可能沉降至沉積物表面。S11有較高的微塑料豐度平均值，除了可能存在的工業(yè)污染源外，封閉的水域也會導(dǎo)致微塑料聚集，這和先前研究發(fā)現(xiàn)半島環(huán)流削弱了水交換，加快微塑料富集的現(xiàn)象相似[10,29]。旅游區(qū)的高豐度微塑料反映了地區(qū)微塑料和人類娛樂活動之間的相關(guān)性，青島沙灘的研究也得到了類似結(jié)論[30,31]。而農(nóng)耕使用的塑料制品如地膜和大棚則是農(nóng)業(yè)用地微塑料污染水平高的成因，青藏高原、丹江口水庫支流河和汾河的調(diào)研證實了農(nóng)田對微塑料的污染貢獻(xiàn)[32~34]。

　　其豐度平均值高于中國的太湖、鄱陽湖和雨山湖。駱馬湖周圍有9個城鎮(zhèn)和數(shù)百萬人口，邳州工業(yè)區(qū)和宿遷化工園區(qū)也位于湖岸[16]，人類活動遠(yuǎn)比其他地方頻繁，潛在污染源更多。盡管有研究稱污水處理廠對微塑料的去除率高達(dá)90%[35]，但污水的大量排放仍使得駱馬湖微塑料污染處于較高水平。因此，人口密集的城市和頻繁的人類活動是駱馬湖微塑料豐度高的重要原因。

　　為解釋土地利用類型、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、人口和地理位置等環(huán)境變量對湖岸微塑料特征的影響，本研究進(jìn)行了典型的關(guān)聯(lián)分析。如果微塑料不同形狀占比(藍(lán)線)和環(huán)境變量(紅線)的夾角是銳角，則證明它們之間存在正相關(guān)，且銳角越小，相關(guān)性越高。

　　在排除部分解釋度較小的因素后，結(jié)果表明1月自然用地面積和碎片微塑料間呈正相關(guān)，農(nóng)業(yè)用地和旅游用地面積和薄膜微塑料占比呈正相關(guān)，同樣的結(jié)論也適用于9月旅游用地和薄膜微塑料之間的關(guān)系。有研究表明農(nóng)耕作業(yè)者通常不會從農(nóng)田中清理塑料覆蓋物，且消耗的地膜數(shù)量和土壤中的塑料殘留量之間存在顯著線性關(guān)系[41]。大部分留在田間的覆蓋物分解為微塑料，這解釋了農(nóng)田用地薄膜微塑料的高豐度。同時，在靠近景區(qū)的湖岸搜集到塑料包裝廢棄物經(jīng)鑒定為聚乙烯，和大部分薄膜微塑料的成分一致，證明了人類丟棄的包裝袋是薄膜微塑料的來源。

　　因此，土地利用類型如農(nóng)業(yè)和旅游用地會影響湖岸微塑料的形狀分布。聚乙烯是駱馬湖沉積物微塑料的主要成分，其占比在9月為22.89%，在1月為21.35%。在長江下游城市中，除聚丙烯外，聚乙烯是地表水中最常見的微塑料類型[17]，并且有可能通過調(diào)水工程遷移至駱馬湖中。聚對苯二甲酸乙二醇酯常用于制造飲料容器和包裝材料，其纖維用于服裝編織。和低質(zhì)量且小體積的尼龍相似，聚對苯二甲酸乙二醇酯較高的密度使其更容易沉降。聚四氟乙烯的制品通常用作電線的絕緣層和耐腐蝕的絕緣部件，在駱馬湖發(fā)現(xiàn)的聚四氟乙烯微塑料超過半數(shù)集中在宿遷化工園區(qū)的S3和S4，其中涉及化工新材料生產(chǎn)的高污染企業(yè)可能是造成微塑料污染的潛在來源。

　　3.2駱馬湖表層沉積物微塑料的儲存量

　　盡管Cai等[20]關(guān)于微塑料儲存量的計算原理對淡水湖泊的底泥適用，但在計算單位海水微塑料的含量時，缺少對微塑料體積和質(zhì)量差異的考量，得到的數(shù)據(jù)在一定程度上和實際情況存在偏差�；�于此，本研究根據(jù)形狀估算單個微粒體積，對微塑料儲存量的計算方法進(jìn)行改進(jìn)，估算出駱馬湖單位沉積物的微塑料質(zhì)量為0~30.27mg·kg1，這和He研究中的0.18~129.20mg·kg和Reineccius研究中的0~39μg·(10g)僅相差一個數(shù)量級。

　　經(jīng)計算，駱馬湖表層沉積物中微塑料的儲存量分別為111.20t(9月)和74.16t(1月)，分別相當(dāng)于5.671012個和5.421012個。駱馬湖沉積物微塑料的儲存量低于桑溝灣的183.73t[23]，造成這種差異的原因有兩個。首先，雖然駱馬湖有著遠(yuǎn)大于桑溝灣的260km2水域面積，但其禁漁區(qū)或自然保護(hù)區(qū)面積超過一半，且春季有長達(dá)5個月的禁漁期。而桑溝灣一直是中國最重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)之一，因此駱馬湖的漁業(yè)活動遠(yuǎn)不如桑溝灣活躍。其次，作為南水北調(diào)東線工程上重要的蓄水湖，駱馬湖進(jìn)出水頻繁，水流運動增加了微塑料遷移的可能性。

　　另外，本研究建議以微塑料的單位儲存量而不是總量作為衡量微塑料儲存水平的指標(biāo)，以便不同地區(qū)之間的比較。桑溝灣沿海水域的微塑料單位儲存量最高，而這一區(qū)域更接近人類集中生活的城市[23]，且數(shù)據(jù)表明港口運輸業(yè)和漁業(yè)繁榮的臺灣省高雄港也顯示出較高的微塑料單位儲存量[44]。在本研究中，禁漁區(qū)的微塑料單位儲存量低于養(yǎng)殖區(qū)，這是因為大量的水產(chǎn)養(yǎng)殖用具、漁具和人為丟棄的塑料垃圾進(jìn)入湖中[45~47]，人類的漁業(yè)活動加劇了養(yǎng)殖區(qū)的微塑料污染，極大地影響了微塑料的分布特征。

　　4結(jié)論

　　(1)駱馬湖表層沉積物9月微塑料豐度平均值為(513±201)n·kg1，低于1月的(528±263)n·kg1，其中工業(yè)區(qū)、旅游區(qū)和農(nóng)田區(qū)均體現(xiàn)了較高的微塑料污染水平。

　　(2)駱馬湖微塑料主要是纖維，聚合物成分主要是聚乙烯，60~500μm和透明的微塑料占比最高。

　　(3)人工泄洪后，閘后小尺寸微塑料的比例均高于閘前30%以上，人為調(diào)控進(jìn)出水導(dǎo)致的水流剪切力是加速微塑料破碎的驅(qū)動因素。

　　(4)在調(diào)水的影響下，小尺寸(<2mm)和低密度的微塑料(聚乙烯和聚丙烯)實現(xiàn)了再懸浮、遷移和再沉降的環(huán)境行為。

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　　作者：姚明軒，白雪1,2*，徐振佳1，李鳳杰1，陸瀅1，李暢1，華祖林1,2

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