长江沉积物及水体中微塑料分布及特征初探

【简 介】本文以长江芜湖段为研究地，采集了水样和沉积物样品，通过过滤、筛分、视觉分析、密度分选，对其中微塑料的分布，特征以及可能的来源进行了初步探讨。

【关键词】长江；水体；沉积物；微塑料

1. 概述

塑料工业的发展在给人类社会生产、生活带来方便的同时，大量的废旧塑料垃圾也不断产生。据科学家推测 ，每个塑料制品可能会在环境中留存长达 400～1 000年。因此，自从上世纪 50 年代以来人类生产的每件塑料制品依然会残留在地球环境中，其中许多塑料垃圾从不同的途径进入土壤、海洋及江河湖泊等多种环境介质。塑料污染已引起人们的高度重视[1]。

所谓微塑料（Micro plastics），有别于传统的我们关于塑料污染的认识，不是指白色污染，而是指在环境介质中由于各种生物化学作用，以及物理力的作用而破碎形成的塑料颗粒。目前关于微塑料没有统一的、严格的科学定义。在相关研究中提到微塑料，或者类似的描述（例如microplastic debris）一般指的是通过各种途径进入各种环境介质的塑料工业使用的米粒大小的塑料颗粒原料；大块塑料垃圾在环境介质中经物理、化学作用形成的塑料碎屑；以及各种生活用品的添加物（例如卫生用品、美容用品等）和工业生产使用的抛光料等[2]。微塑料这个术语在2004年第一次被使用，用来描述水体和沉淀物中极小（≈50μm）的塑料碎片[2， 3]。2009年，Arthur et al.提议微塑料应当包括所有粒径小于5毫米的碎片[1]。然而到目前为止微塑料的粒径范围仍然没有公认性的定义。因此，微塑料一般指的是毫米级别甚至微米级别的塑料碎片。这些微塑料在环境中广泛存在于海洋及江河湖泊中，或悬浮在水中，或沉积到水底成为沉积物的组分[4]。

由于塑料的坚固性、 持久性，塑料污染在环境介质中不会生物降解 ，只能通过物理作用成为形体越来越小的有毒碎片而留存在江河中[1， 5]。随着化学工业的发展以及塑料使用量的日益增加，微塑料正成为一种新型的，可能较大潜在环境风险的污染物。和传统的塑料相比，微塑料通过破碎作用而有了新的环境学性质。其中值得关注的有两点：1）较高的暴露风险，传统的塑料污染已经被很多研究证明会被生物误食，包括水生鱼类，鸟类，两栖类，以及哺乳动物等，且会造成其死亡，而较大的塑料被误食的风险显然会明显小于破碎成为小颗粒的微塑料；2）破碎后的微塑料相比破碎之前，比表面积明显加大，在环境中再通过生物化学的腐蚀，其比表面积会进一步增大，且会有微生物附着生长，这些作用都会使得其富集环境介质中其他污染物的能力增强，包括对于毒性较高的持久性有机污染物以及重金属物质等[6， 7]。通过以上两点可以看到，微塑料作为一个载体可能会导致更多的环境污染物进入生态系统，而这些污染物通过生物链的层层富集以及放大作用最终会对高等级的掠食动物、人类、以及生态系统造成巨大的危害。

本文借鉴国外研究方法，采用视觉分析以及密度分选的方法对长江水体中以及江岸沉积物中的微塑料存在情况，以及分类进行了探索性研究，本研究有利于了解微塑料在长江的污染来源以及其迁移转化规律，对以后深入研究微塑料对长江生态系统造成的生态风险以及提出科学、合理的长江塑料污染防治方案具有一定的借鉴意义。

2. 研究方法

2.1.样品采集

样品采集于采样地点为长江安徽芜湖段江岸，用GPS标定采样位置为（N31°19’49.43”；E118°21’15.54”），采样时间为2013年3月29日。在采样过程中为了避免可能造成的污染，尽量不采用塑料制品参与采样，且采样人员穿棉质衣物避免化纤材料进入样品。沉积物直接用泥铲采集从江岸边挖取表层1cm左右，放入铝箔袋子中保存。水样由于体积较大，采用现场富集过滤的方式采集，这种方法广泛运用于水体中微塑料样品的采集工作，采样用滤网的孔径为500微米，采集江水的总体积为50L。

2.2. 微塑料的视觉分选

所采集的样品带回实验室后首先进行视觉分选。对于滤网上富集的水样中的微塑料，首先通过蒸馏水反冲洗，将冲洗液过滤，在滤纸上通过目视判断初步筛选出目标，放入密封瓶中，剩余在滤纸上的颗粒继续进行下面的密度分选。针对采集的沉积物样品，首先烘干，温度定为60℃，时间为6～7小时。烘干后的沉积物冷却称重，通过500微米筛分后，留下500微米以上部分进行视觉分选，挑出微塑料碎片，放入棕色玻璃瓶中保存。

2.3.沉积物的密度分选

将经视觉分选后的沉积物装入磨口250mL的锥形瓶中，倒入适量的1.2g/cm3的NaCl溶液，盖上塞子，放于振荡器中振荡4小时。收集其中密度小于1.2g/cm3的碎片，即浮与液体表面的碎片，置于滤纸上，过滤，烘干滤纸及剩余沉积物，对滤纸上的碎片进行再次视觉挑选，得最终微塑料碎片。

3. 结果和讨论

3.1 微塑料的分选方法的确定

首先，视觉分选是进行微塑料必须的步骤，从其他的材料中仔细视觉分拣塑料残渣，可以排除其他潜在干扰，主要是粒径类似的非塑料颗粒的影响：如有机碎屑（贝壳碎片，动物部分，干海藻或海草等）和其他碎屑（金属油漆涂层，焦油，玻璃等）。在本研究的工作中，颗粒的碎片尺寸在大于1毫米时采用以下标准来确定是否是微塑料：1）没有细胞结构；2）碎屑在长度上是等厚度的3）碎片必须是新鲜和颜色均匀的。

其次，密度分选是确定微塑料的有效手段，同时也能提供其成分信息。特定密度的塑料的密度可以有很大的不同，这取决于聚合物和制造过程。一般而言，塑料的密度值范围从0.8至1.4克每立方厘米[1]。其中，聚丙烯为0.85至0.94 g/cm3，聚乙烯为0.92至0.9 g/cm3，对聚苯乙烯从<0.05至1.00 g/cm3[1]。这些值是指原始塑料，不考虑可能在产品的制造上被添加的各种添加剂而造成的密度的改变。而沙或其他沉积物的典型密度是2.65 g/cm3，一般生物残体的秘诀差别较大，但是有明显的细胞结构，一般在视觉分选的过程中就可以剔除[1， 4]。因此，这种密度的差别可以用来从较重的颗粒（主要是河水中的泥沙，以及沉积物）中分离出较轻的塑料颗粒，通过在一定密度的溶液中浮选以后，可以获得大部分的微塑料颗粒。在浮选过程中，泥沙迅速沉淀于底部，而低密度颗粒保持悬浮状态或浮到该溶液的表面。研究中还采用超声波清洗去离子水的方法来分离塑料碎片并洗去，以及除附着在其表面的其他物质（如沙子和土）。值得注意的是，虽然不同的塑料有不同的密度范围，但是由于一些塑料的密度范围重合，因此浮选的方法只能大概的确认其组成，而详细的定性需要借助仪器的检测方法，常用的是红外光谱法定性，这在之前的研究中已经有很多应用[1]。另外，微塑料在环境介质中受到生物化学作用的影响，其密度可能发生变化，例如若是产生空腔的话，其密度会降低，而若是附着上难以去除的高密度物质（典型的如泥沙），其密度会增大[8]。

3.2 长江环境中微塑料的分布

通过对所采集的沉积物进行烘干、视觉初选、密度分离、过滤、滤筛和视觉排序等步骤，共得174片微塑料碎片。所采沉积物样品干重为985.0g。通过总量恒算得出本次所采集长江沉积物中微塑料密度为177个/kg。长江水体中的微塑料以体积恒算的方式表达，密度为0.42个/L。

3.3长江中典型微塑料的特征

微塑料的最普遍颜色是白色或者类似颜色（比如：渐变黄和亮奶白），也还有蓝色等醒目的颜色。通过塑料的颜色可以初步鉴定颗粒的化学组成。纯净透明的塑料颗粒是聚丙烯，白色的塑料颗粒是聚乙烯，但如前所述，最终的定性还要通仪器完成。颜色也被用来作为光降解、海洋表面停留时间、和焦化与风化程度的指标。前人的研究发现脱色的聚乙烯颗粒可能比未脱色的聚乙烯颗粒具有更高含量的多氯联苯[1， 5， 9]。因为脱色过程（黄化）象征着在环境中更长期的暴露时间，增加了塑料被氧化的机会。黑色和老化的颗粒，基本上由聚苯乙烯和聚丙烯组成，往往易于吸收多环芳烃和多氯联苯污染物。这也说明脱色的微塑料，也就是在环境中留存时间较长的颗粒往往会有较高的环境风险。本研究中获得的的微塑料有各种颜色，以白色、黑色和蓝色为主。塑料颗粒形状包括片状，长椭圆形，圆柱形，球形。一些粒子表面明显表现出生物分解，降解，化学风化，或物理力（波浪作用，风，喷砂）造成的肉眼可见的裂纹。这说明其中一些微塑料可能在环境中残存时间较长，而这种降解、磨损、破碎从一定程度上增加了微塑料的比表面积，使得其在环境中更加易于富集污染物，诸如持久性有机污染物等。

3.4 长江中微塑料的分类，以及来源初探

由于本研究没有采用红外做最终定型，仅仅是通过肉眼辨识，结合上文提到的特征辨别方法对长江中的微塑料进行了初步的分类。从分类结果来看，最为明显的特征是长江水体以及长江沉积物中的微塑料颗粒大部分为泡沫塑料残体（水体>70%，沉积物>60%），有些塑料泡沫残体颜色明显黑化，且有微生物附着。塑料泡沫的主要成为是聚苯乙烯。相对应而言白色的聚乙烯颗粒仅此于塑料泡沫，透明的聚丙烯颗粒很少发现。这和国外研究者在海洋生态系统中得到的结论有很大差异。欧洲和美国的研究表明在海洋生态系统中，留存的微塑料以聚乙烯和聚丙烯为主，而聚苯乙烯不是微塑料的主体[1， 2， 9]。这充分说明我国和欧洲、美国微塑料来源不同。推断在长江沉积物发现的大量聚苯乙烯颗粒为一次性餐具以及包装材料破碎所致，这和我国这类塑料的使用量较大有关。而国外主要微塑料来源为生活用塑料制品，以及塑料加工厂原料，其主要成为为聚乙烯（包括高密度聚乙烯和低密度聚乙烯），以及用作食品级塑料的聚丙烯。

4. 结论

本研究通过样品采集，视觉分选，密度分离，以及形态分析对长江水体以及沉积物中的微塑料进行了初步的分类，以及来源分析，长江沉积物中微塑料密度为177个/kg，长江水体中微塑料密度为0.42个/L。在长江水体和沉积物中微塑料多为聚苯乙烯，这反映了我国塑料污染来源的特征。同时在一些微塑料上发现了诸如脱色、边角钝化等降解的痕迹，说明其在环境中存在时间较长，并且有随着长江水体长距离传输的趋势。

参考文献：

[1]Hidalgo-Ruz， V.， et al.， Microplastics in the Marine Environment： A Review of the Methods Used for Identification and Quantification. Environ. Sci. Technol， 2012. 46（4）： p. 3060-3075.

[2]Cole， M.， et al.， Microplastics as contaminants in the marine environment： A review. Marine Pollution Bulletin， 2011. 62（12）： p. 2588-2597.

[3]Nakashima， E.， et al.， Quantification of Toxic Metals Derived from Macroplastic Litter on Ookushi Beach， Japan. Environ. Sci. Technol， 2012. 46（18）： p. 10099-10105.

[4]Carson， H.S.， et al.， Small plastic debris changes water movement and heat transfer through beach sediments. Marine Pollution Bulletin， 2011. 62（8）： p. 1708-1713.

[5]Law， K.L.， et al.， Plastic Accumulation in the North Atlantic Subtropical Gyre. Science， 2010. 329（5996）： p. 1185-1188.

[6]Andrady， A.L.， Microplastics in the marine environment. Marine Pollution Bulletin， 2011. 62（8）： p. 1596-1605.

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