張晨捷，涂 晨，周 倩，3，李連禎，李 遠，付傳城，潘響亮，駱永明，3，?

（1. 新疆干旱區(qū)環(huán)境污染與生態(tài)修復重點實驗室（中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所），烏魯木齊 830011；2. 中國科學院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復重點實驗室（煙臺海岸帶研究所），山東煙臺 264003；3. 中國科學院大學，北京 100049；4. 浙江工業(yè)大學環(huán)境學院，杭州310014；5. 中國科學院土壤環(huán)境與污染修復重點實驗室（南京土壤研究所），南京 210008）

近年來，微塑料污染已演變?yōu)槿蛐原h(huán)境問題，并被第二屆聯(lián)合國環(huán)境大會列為環(huán)境與生態(tài)科學研究領域的第二大科學問題。據估計，全球環(huán)境中共累積約 49 億噸塑料廢棄物[1]。進入環(huán)境中的塑料會在光照、生物降解等物化和生物共同作用下碎化為更小的顆?；蛩槠?，其中粒徑 ＜ 5 mm 的微塑料可能是數量最多的塑料碎片[2]。

光氧化會引起微塑料的非生物降解[3]，也是導致微塑料在降解初期 C-C 骨架斷裂的主要因素[4]。此外，環(huán)境中的微塑料表面會被微生物定殖并形成生物膜，生物膜中的部分微生物對微塑料也具有一定的生物降解作用[5]。環(huán)境中的微塑料在生物與非生物因素的長期作用下會發(fā)生理化性質（包括形貌、化學組成、密度、粗糙度等）變化[6-7]，導致微塑料發(fā)生風化。風化可引起微塑料表面特性的改變，使其產生裂縫及破碎[8-9]、顏色加深[9]、拉伸強度下降[10]、結晶度改變[11]等。此外，風化增加了微塑料上包括羥基、羰基等在內的含氧官能團的量[2]，誘導聚合物鏈斷裂和氧化，密度（摩爾質量）降低[8，12]，并通過含氧官能團和產生粗糙的表面來降低微塑料的疏水性[2]?？傊?，風化可引起環(huán)境中微塑料的理化性質改變，使其與原始塑料的性質相比發(fā)生極大變化，但由此引起的微塑料環(huán)境歸趨和潛在環(huán)境效應尚不清楚。目前，已有一些學者在實驗室內開展了塑料老化的模擬試驗研究，如 Paluselli 等[13]在實驗室中使用天然海水對聚氯乙烯（Polyvinyl chloride，PVC）進行孵育研究，發(fā)現(xiàn)有光照和細菌暴露的 PVC 釋放的鄰苯二甲酸酯（Phthalate，PAE）總量增加了多達 5 倍。此外，也有部分學者研究了真實環(huán)境微塑料樣品的風化特征，Veerasingam 等[14]發(fā)現(xiàn)在河口及附近潮灘沉積物中的樹脂顆粒表面受到侵蝕和磨損，且表面存在焦油和動植物殘體等附著物，并出現(xiàn)了酯基和酮基，認為這可能是生物和光氧化作用共同導致。周倩等[15]采用質譜鑒定了黃渤海沿岸河口潮灘中多種微塑料風化后所產生的特有含氧、含氮化學物質，認為環(huán)境微塑料在風化的過程中除了發(fā)生形貌的變化，還發(fā)生了成分的變化。海岸帶是陸海交界地帶，受到人類活動和洋流、潮汐的交互作用，容易成為塑料垃圾的匯集區(qū)[16]。國內外已有許多針對海岸帶區(qū)域的微塑料污染研究[17-19]。但目前尚缺乏真實河口海岸環(huán)境中微塑料的長期風化特征研究，對于海岸環(huán)境中不同潮帶微塑料的長期風化特征及其潛在環(huán)境效應更是鮮有報道。

黃河三角洲的河口區(qū)是受氣候變化和人類活動交互作用強烈影響的區(qū)域[20]，也是鹽度、水分、有機碳等環(huán)境因子在海岸帶陸海梯度條件下顯著變化的區(qū)域[21-22]。研究微塑料在黃河口不同海岸環(huán)境中的長期風化特征對于揭示微塑料的環(huán)境效應與歸趨具有重要意義。本研究以黃渤海海岸環(huán)境中常見的低密度聚乙烯（Low density polyethylene，LDPE）薄膜[23]為目標微塑料，通過長達 18 個月的野外暴露試驗，研究其在黃河口海岸帶潮上帶、潮間帶以及潮下帶等不同海岸環(huán)境中的長期風化特征，以期為闡明海岸帶環(huán)境中微塑料的環(huán)境歸趨與環(huán)境效應提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

將 0.2 g 供試微塑料（LDPE 薄膜，5 mm×5 mm）放入尼龍網兜（孔徑：0.15 mm，尺寸：11 cm×10 cm）中，并固定于不銹鋼框內，分別暴露于黃河口的潮上帶、潮間帶及潮下帶等不同區(qū)域。潮上帶位于中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態(tài)試驗站內（37°45'44"N，118°58'47"E），潮間帶（37°47′36″N，119°9′38″E）和潮下帶（37°48'21"N，119°9'47"E）位于山東省黃河三角洲國家級自然保護區(qū)內。潮上帶樣品分為地上部空氣暴露和地下部土壤掩埋兩種暴露方式，潮間帶和潮下帶樣品均掩埋于沉積物中，即共有潮上帶地上部（On the surface of the supratidal zone，OSS）、潮上帶地下部（In the soil of the supratidal zone，ISS）、潮間帶（In the intertidal zone，ITZ）和潮下帶（In the subtidal zone，ISZ）等 4 個暴露位置。LDPE 薄膜微塑料的野外暴露試驗開始于 2017 年 6 月，并分別在暴露 12 個月和18 個月后進行采集，將原位采集的微塑料樣品置于冰盒中，快速送回實驗室進行微觀形貌、化學官能團和密度等理化性質的分析。

1.2 LDPE 薄膜微塑料及表面附著物的微觀形貌觀測

掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope，SEM）是研究微塑料及其表面生物膜微觀形貌的重要技術之一。參考陳濤[24]的方法，分別用滅菌海水（潮間帶和潮下帶樣品）和滅菌超純水（18.2 MΩ）（潮上帶樣品）清洗薄膜微塑料表面 3 次，然后將微塑料置于 2.5% 戊二醛固定液中室溫固定 2 h，再使用 0.1 mol·L–1的磷酸鹽緩沖溶液清洗 2 次，并在 10%、30%、50%、70%、90% 的乙醇溶液中梯度脫水 10 min，最后于 100% 乙醇中脫水兩次，每次 15 min，脫水后的微塑料于室溫風干，表面噴金處理后放入 SEM（S-4800，Hitachi，日本）真空腔內，對微塑料及表面附著物的微觀形貌進行觀察和拍照，并根據微生物的形貌進行形態(tài)學分類。

1.3 LDPE 薄膜微塑料紅外光譜定量分析

塑料的老化（風化）可引起塑料表面官能團的變化，并可通過紅外光譜進行定性與定量分析。本研究使用超純水（18.2 MΩ）將薄膜微塑料超聲清洗30 min 并室溫風干，參考 Zhou 等[23]的方法，通過衰減全反射傅立葉變換紅外光譜儀（Nicolet iS5，Thermo Fisher，美國）收集薄膜微塑料紅外吸收光譜，紅外光譜波數范圍為 650～4 000 cm–1，分辨率 4 cm–1，每次分析掃描 32 次。使用 Omnic 32（Thermo Nicolet，美國）軟件進行數據定量分析。羰基指數是常見的塑料老化定量分析指標之一，其計算方法為塑料表面官能團的紅外吸收圖譜中羰基峰（波數 1 715 cm–1）與亞甲基峰（波數 1 465 cm–1）的峰面積比值[25-26]。

1.4 LDPE 薄膜微塑料密度測定

LDPE 薄膜微塑料的密度測定采用比重瓶法[27]。用超純水（18.2 MΩ）分別對微塑料進行表面清洗（3次）和超聲清洗（30 min），以分別去除微塑料表面松散附著物和生物膜，將微塑料室溫風干。然后配制體積比為 160∶40、120∶80、100∶100、80∶120、40∶160 的酒精-水溶液，將微塑料依次放入上述溶液中，同時以購買的新鮮塑料作為空白處理（Control），觀察微塑料在梯度溶液中的沉降狀態(tài)。配制微塑料沉降狀態(tài)發(fā)生變化的相鄰梯度溶液中的一種，向溶液中加水或酒精，直至微塑料在溶液中呈懸浮狀態(tài)。取出微塑料，使用比重瓶測定溶液密度，即為微塑料的密度：

1.5 數據處理

使用 OriginPro 2017 和 SPSS 19 進行數據處理與顯著性差異分析。處理間差異采用 Duncan 多重比較法[28]，圖表中誤差值為標準差（n = 3）。

2 結果與討論

2.1 LDPE 薄膜微塑料與表面附著物的微觀形貌

通過 SEM 對不同空間和時間的薄膜微塑料樣品及購買的商品塑料進行微形貌觀察?？梢钥闯觯幸巴獗┞兜谋∧の⑺芰媳砻婢尸F(xiàn)一定程度的風化痕跡（圖 1）。在空間尺度上，潮上帶地上部暴露的微塑料表面裂化程度高于其他暴露位置的微塑料，并在整體上呈現(xiàn)出從潮上帶至潮下帶遞減的趨勢。其中，潮上帶地上部暴露的微塑料表面裂縫最明顯，寬度可達 0.2 μm（圖 1e）。從時間尺度來看，與暴露 12 個月（圖 1i）相比，潮上帶地上部微塑料在 18 個月時出現(xiàn)了更嚴重的破碎現(xiàn)象，在其邊緣產生了亞毫米級的不規(guī)則碎屑，并有從薄膜主體上剝落的趨勢（圖 1j），而其余暴露位置微塑料的微觀形貌在 18 個月時未觀察到顯著變化。從局部形貌來看，商品塑料（圖 1l）表面較為光滑，野外暴露的微塑料表面則出現(xiàn)邊緣粗糙、凹陷、凸起、孔洞、裂縫（圖 1e、圖 1f、圖 1i、圖 1k）等風化或老化特征，微塑料表面還普遍有物質附著（圖 1i）。LDPE 薄膜微塑料表面復雜的形貌特征可能是由光照、機械摩擦、化學氧化、生物降解等物理、化學或生物作用造成的[15]。潮上帶地上部微塑料表面形貌出現(xiàn)顯著變化，可能是因為受到更多的光照與機械摩擦作用。這些表面形貌特征會增加微塑料比表面積，提高微塑料對重金屬等污染物的吸附能力[29]。

野外暴露的 LDPE 薄膜微塑料除了表面形貌發(fā)生變化，還有微生物在其表面附著定殖（圖 1a—圖1h）。從薄膜微塑料表面主要微生物形態(tài)（表 1）看，球菌出現(xiàn)在所有野外暴露處理的薄膜表面，大多數薄膜表面還有桿菌和弧菌存在。這些物種可能是海岸帶環(huán)境中穩(wěn)定存在的微生物，并容易在LDPE 薄膜表面定殖。薄膜微塑料表面微生物形態(tài)在暴露位置和暴露時間上還存在著一定程度的變化?？傊?，掩埋在海岸帶不同區(qū)域的薄膜微塑料樣品表面的微生物物種與掩埋點的位置密切相關，可能受到鹽度和營養(yǎng)條件等環(huán)境因素的影響[30]。

2.2 LDPE 薄膜微塑料的羰基指數變化

圖 1 LDPE 薄膜微塑料及其表面附著物微觀形貌Fig. 1 Morphologies of the microplastics of LDPE film and attachment on its surface

由圖 2 可知，在暴露 12 個月和 18 個月后，潮上帶地上部處理的羰基指數最高。對于掩埋暴露的 LDPE 薄膜微塑料而言，羰基指數呈潮上帶、潮間帶、潮下帶依次遞減的規(guī)律。從暴露時間看，薄膜微塑料的羰基指數在暴露 18 個月時均較12 個月時有所增加，其中潮下帶薄膜微塑料的增加最為顯著。潮上帶地上部薄膜微塑料的羰基指數最高，這可能是由于充足的光照和紫外輻射作用引發(fā)薄膜微塑料的光氧化降解。Andrady[3]發(fā)現(xiàn)塑料的降解主要是通過太陽紫外輻射引起的光氧化反應發(fā)生的，且在海洋表面和海灘的光環(huán)境中降解最嚴重，在水柱的光照區(qū)以下，尤其是在海底，塑料降解則非常緩慢。本研究中野外回收的潮上帶地上部薄膜微塑料已變硬變脆，有明顯的老化跡象。在暴露 18 個月后，回收的地上部薄膜微塑料已開始粉碎破裂，由此產生粒徑更小的塑料碎屑。這將導致微塑料的比表面積增加，進而提高其作為載體吸附環(huán)境中毒害污染物的能力，增加對土壤生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境風險[31]。另一方面，細小的微塑料可沿著土壤孔隙進行垂直遷移[32]，與土壤顆粒纏結形成團塊進而造成土壤板結[33]；甚至還可與其所攜帶的污染物發(fā)生垂向共遷移，進而引起土壤和地下水環(huán)境的污染。

2.3 LDPE 薄膜微塑料的密度變化

微塑料密度變化會改變其在水體中的環(huán)境行為與歸趨[7，34]，對海岸環(huán)境中微塑料密度變化的研究具有重要的環(huán)境意義。與新鮮塑料相比，環(huán)境中的LDPE 薄膜微塑料在暴露 12 個月后，各位置的微塑料密度均出現(xiàn)增長，在暴露 18 個月后，微塑料密度相比 12 個月時有所下降（圖 3a）。12 個月的微塑料密度大，可能是因為在其野外暴露初期，表面生物膜的形成而引起微塑料的復合密度增加。但隨著暴露時間增加，在生物和非生物因素的共同作用下，微塑料發(fā)生風化，出現(xiàn)聚合物鏈斷裂[10]，從而導致密度降低，這也與薄膜微塑料羰基指數在暴露 18 個月時出現(xiàn)增加的趨勢一致。

表1 LDPE 薄膜微塑料表面主要微生物形態(tài)Table1 Morphology of the dominating microbes attached on the surface of the LDPE microplastics

圖 2 LDPE 薄膜微塑料表面紅外光譜的羰基指數Fig. 2 Carbonyl index of the LDPE microplastics obtained via infrared spectrum

對 LDPE 薄膜微塑料進行超聲清洗去除生物膜后再次測定其密度（圖 3b），發(fā)現(xiàn)與商品塑料相比，潮上帶地上部暴露的微塑料密度出現(xiàn)下降，并總體低于掩埋暴露的微塑料。Liu 等[2]認為光化學降解是烴類聚合物老化的重要過程。相比于潮上帶地下部、潮間帶和潮下帶等掩埋暴露的微塑料，潮上帶地上部暴露的微塑料除了受到微生物作用，還受到光熱氧化作用，可能導致其發(fā)生更嚴重的風化，因此其密度低于掩埋暴露的微塑料。

關于微塑料密度變化所帶來的環(huán)境行為，有研究認為生物膜的形成會增加微塑料復合密度，繼而引起微塑料在水中沉降[35]。但本研究未觀察到潮下帶處理中薄膜微塑料表面生物膜對其密度有顯著影響，沒有足夠證據支持微塑料表面生物膜影響其在水體中垂向遷移的環(huán)境效應。Besseling 等[36]通過生物膜建模方法研究了微塑料河川運輸模型，同樣認為生物膜不會對顆粒行為的總體定性趨勢和模式產生影響。

3 結 論

圖 3 超聲清洗前（a）、后（b）的LDPE 薄膜微塑料密度Fig. 3 Density of the LDPE microplastics before（a）and after（b）ultrasonic cleaning

LDPE 薄膜微塑料在海岸帶環(huán)境中經過長期（18個月）暴露出現(xiàn)風化跡象，風化程度從潮上帶至潮下帶總體呈遞減趨勢。潮上帶地上部空氣暴露的 LDPE薄膜微塑料隨暴露時間增加而呈現(xiàn)嚴重的破碎和風化跡象，光氧化等物理化學作用可能是造成 LDPE薄膜微塑料風化的最主要因素。掩埋暴露的 LDPE薄膜微塑料風化程度隨時間變化不明顯，表明以生物降解為主的掩埋暴露 LDPE 薄膜微塑料受到的風化作用極為有限。未來需要關注海岸帶中微塑料在降水、風流、海流等各類環(huán)境因子作用下的長期環(huán)境歸趨和潛在環(huán)境效應。