陳 馨，張仲偉，劉運(yùn)釗，李 靜，蔣忠冠,4*

1.安徽大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽合肥 230601

2.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，水利部長江治理與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430010

3.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水產(chǎn)研究所，安徽省淡水養(yǎng)殖與改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230001

4.濕地生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（安徽大學(xué)），安徽合肥 230601

塑料由于其質(zhì)量輕、耐用性高、成本低廉等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中，也是工業(yè)產(chǎn)業(yè)中生產(chǎn)最廣泛的材料之一[1].然而，隨著塑料制品的大量使用和塑料廢棄物的管理不善，大量塑料垃圾會隨地表徑流進(jìn)入河流、湖泊等淡水生態(tài)系統(tǒng)，對水環(huán)境、水生生物、甚至是人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2].微塑料是粒徑小于5 mm的塑料顆粒[3]，因其尺寸小、比表面積大、疏水性強(qiáng)，而極易在水環(huán)境中遷移和擴(kuò)散，成為有機(jī)污染物和重金屬的載體，產(chǎn)生污染物的復(fù)合毒性效應(yīng)，對用水安全和水生生物的生態(tài)健康均產(chǎn)生不利影響[4-5].

與海洋生態(tài)系統(tǒng)相比，湖泊生態(tài)系統(tǒng)因其具有更穩(wěn)定的水文結(jié)構(gòu)，微塑料可以在湖泊中長時(shí)間持續(xù)積累，致使湖泊成為流域中微塑料的匯[6-8].長江中下游泛濫平原湖泊位于長三角經(jīng)濟(jì)帶，是受人類活動干擾和污染影響較為嚴(yán)重的敏感區(qū)域.因此，及時(shí)監(jiān)測和有效評估長江中下游泛濫平原湖泊中微塑料污染的現(xiàn)狀對水生生物多樣性保護(hù)、區(qū)域用水安全和人類健康都有重要意義.

巢湖是我國五大淡水湖泊之一，是長江中下游典型的泛濫平原湖泊.巢湖維持有較高的水生生物多樣性，包括47種魚類、16種底棲生物、140種浮游動物和118種浮游植物[9].同時(shí)，巢湖作為重要的水源地在居民供水、農(nóng)業(yè)灌溉、洪水調(diào)蓄、發(fā)展航運(yùn)等方面發(fā)揮著重要作用[10].因此，巢湖可能通過地表徑流、干濕沉降(如降雨、降雪)等途徑承納不同來源(工業(yè)廢水、城市和農(nóng)用污水等)的微塑料污染[11].作為合肥市和巢湖市居民的重要水源，巢湖的微塑料污染將對水生生物和當(dāng)?shù)鼐用駱?gòu)成安全風(fēng)險(xiǎn).因此，該研究通過對巢湖水體中微塑料賦存特征的系統(tǒng)調(diào)查和分析，提供巢湖流域微塑料污染的本底資料，為巢湖流域的污染防治提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

巢湖流域位于安徽省中部，屬長江中下游左岸水系，流域范圍為117°00′E~118°29′E、30°56′N~32°02′N.巢湖流域總面積13 486 km2，約占安徽省總面積的9.3%，平均水深為3.06 m.流域涉及合肥、蕪湖、馬鞍山、六安、安慶5市共16個(gè)縣(市、區(qū))[12].巢湖周邊杭埠河、南淝河、白石天河、派河和柘皋河入湖流量占全年河流入湖總流量的90%以上[13].裕溪河是巢湖唯一的出湖河流，并與長江連通.隨著巢湖周邊合肥市和巢湖市等城市人口的快速增長以及農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市化的發(fā)展，大量農(nóng)業(yè)面源污染和工業(yè)點(diǎn)源污染隨地表徑流進(jìn)入巢湖，會對巢湖生態(tài)系統(tǒng)健康造成威脅.

1.2 樣品采集

在巢湖共布設(shè)25個(gè)采樣點(diǎn)(見圖1).基于巢湖的形態(tài)特征，將其分為西湖(1~9號采樣點(diǎn))、中湖(10~19號采樣點(diǎn))和東湖(20~25號采樣點(diǎn))三個(gè)湖區(qū).水樣的采集選取水文穩(wěn)定的平水期開展(2020年11月).具體采樣方法參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)行.采樣前使用超純水將所有采樣工具清洗3遍以上.使用2 L采樣桶放入水下20~30 cm處進(jìn)行取樣，每一個(gè)采樣點(diǎn)采集20 L水樣，并使用孔徑為50μm的不銹鋼篩網(wǎng)過濾.用超純水將篩網(wǎng)上的截留物沖洗進(jìn)250 mL玻璃瓶中，帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰箱保存.

圖1 巢湖區(qū)域采樣點(diǎn)分布Fig.1 The distribution of sampling sites in the Chaohu Lake

1.3 樣品處理

樣品預(yù)處理參考文獻(xiàn)[15]進(jìn)行，在水樣中加入10%氫氧化鉀溶液消解處理并放入70℃水浴鍋內(nèi)消解約12 h，直至溶液變澄清，再使用飽和氯化鈉溶液對水樣進(jìn)行密度浮選.冷卻靜置12 h后用0.45μm玻璃超細(xì)纖維濾紙(Whatman)對上清液進(jìn)行真空過濾[16]，將濾紙保存于培養(yǎng)皿中，并立即用鋁箔覆蓋，以備后續(xù)觀察.采用體式顯微鏡(SZ61型,OLYMPUS，日本)觀察濾紙上的可疑微塑料并拍攝照片.在視覺識別過程中采用了嚴(yán)格的形態(tài)識別標(biāo)準(zhǔn)，包括顏色清晰均勻、無細(xì)胞或有機(jī)結(jié)構(gòu)等等[15].采用拉曼光譜儀(inVia Reflex,Renishaw,英國)對微塑料進(jìn)行化學(xué)組成鑒定，由于樣本量大，選擇了有代表性的顆粒，包括所有形狀和顏色的組合，以確保所有微塑料的化學(xué)組成都被識別到[15].數(shù)據(jù)采集時(shí)間分辨率為4 cm?1，掃描時(shí)間為一次10 s，光譜范圍為200~3 500 cm?1.為提高可信度，對每個(gè)可疑的微塑料顆粒進(jìn)行了3次掃描.將所得到的光譜圖校正后與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫檢索對照進(jìn)行定性分析.

1.4 質(zhì)量控制

在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)工具和玻璃器皿均用超純水洗滌3次.所有用于處理樣品的化學(xué)溶液都用濾膜進(jìn)行了預(yù)過濾，通過體式顯微鏡檢查并未觀察到可疑的微塑料顆粒，因此背景污染可以忽略不計(jì).為了確定空氣中微塑料污染水平，試驗(yàn)中運(yùn)行了3個(gè)空白對照.在空白對照組樣品中僅檢測到(0.12±0.11)個(gè)纖維，通過減去空白污染值來修正最終的豐度.

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

拍攝出的微塑料照片使用Image J軟件測量粒徑.巢湖采樣點(diǎn)分布圖用ArcGIS 10.6軟件繪制，其他相關(guān)的圖表使用Excel 2016、Sigma Plot 14.0和Origin 2021軟件完成.微塑料的豐度數(shù)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，豐度采用每L的顆粒數(shù)表示，單位為個(gè)/L.

2 結(jié)果與討論

2.1 微塑料豐度與分布

巢湖所有水樣中均檢測到了微塑料，微塑料的豐度范圍為0.25~3.20個(gè)/L，平均值為(1.30±0.68)個(gè)/L.與其他研究相比，巢湖與洞庭湖(平均值為0.9~2.8個(gè)/L)和洪湖(平均值為1.25~4.65個(gè)/L)有相似的微塑料豐度范圍[17]；然而，與經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的太湖(平均值為3.4~25.8個(gè)/L)[18]和水域面積較大的三峽水庫〔平均值為(4.7±2.8)個(gè)/L〕[19]等內(nèi)陸水域相比，巢湖的微塑料豐度較低.研究[20]表明，城市高人口密度引發(fā)的塑料產(chǎn)品(如服裝和包裝)消費(fèi)激增可產(chǎn)生更多的微塑料污染.其次，隨著城市中建筑材料和輪胎的使用越來越頻繁，導(dǎo)致更多微塑料因天氣因素(如降雨、降雪和風(fēng))和陸地徑流流入城市水生生態(tài)系統(tǒng)[20-21].在空間尺度上，巢湖的東湖微塑料平均豐度為(1.16±0.44)個(gè)/L，而西湖和中湖的微塑料豐度平均值分別為(1.36±0.27)(1.34±0.98)個(gè)/L(見表1).西湖和中湖微塑料豐度相對較高的原因可能是其承納了南淝河、兆河和派河等流經(jīng)合肥市的河流，而這些河流也可能帶來更多潛在的微塑料污染.

表1 巢湖水體中微塑料豐度Table 1 Abundanceof microplasticsin water of the Chaohu Lake

2.2 微塑料的形狀分布特征

將巢湖水體中微塑料形狀分為5種，即纖維狀、碎片狀、顆粒狀、微珠狀和薄膜狀.微塑料的形狀占比及顯微鏡下拍攝的典型微塑料照片如圖2所示，巢湖水體中微塑料形狀以纖維狀(65.80%)為主，其次為碎片狀(19.79%).這與其他湖區(qū)的研究結(jié)果相似，如太湖(48%~84%)[18]和洞庭湖(41.9%~91.9%)[17]中占比最大的形狀均為纖維狀.已有研究[22]表明，在巢湖的主要入湖河流(南淝河和十五里河)中纖維狀也是微塑料最主要的形狀類型.而巢湖流域中高含量的纖維可能是紡織品的洗滌及巢湖區(qū)域內(nèi)漁業(yè)活動所致[23].研究[24]表明：洗衣機(jī)出水中的纖維狀微塑料豐度可達(dá)100個(gè)/L；其次，老化的漁網(wǎng)漁具也會形成纖維狀的微塑料.碎片和薄膜主要是塑料制品在自然條件下裂解而成，如塑料包裝袋和塑料容器[3].微珠主要來源于工業(yè)磨料.而顆粒經(jīng)常用于個(gè)人護(hù)理和化妝品，面部擦洗產(chǎn)品平均含量為20.86個(gè)/mg[25].

圖2 巢湖水體中微塑料的形狀占比及其顯微照片F(xiàn)ig.2 Theshape proportion and photomicrograph of microplasticsin water of the Chaohu Lake

2.3 微塑料的粒徑分布特征

微塑料根據(jù)其粒徑分為9類，即50~200μm、200~400μm、400~600μm、600~800μm、800~1 000 μm、1~2 mm、2~3 mm、3~4 mm、4~5 mm.由圖3(a)可見，50~200 μm的微塑料粒徑占比最高，達(dá)到39.88%，其次是200~400μm(20.09%)和1~2 mm(11.04%).值得注意的是，巢湖水體中有88.65%的微塑料粒徑集中于50μm~2 mm區(qū)間，與已有研究結(jié)果相似，如在上海市河口中有99.5%的微塑料粒徑小于2 mm[26]，武漢市地表水中小于2 mm的微塑料占比在80%以上[27].這些小尺寸微塑料可能是較大的塑料碎片在機(jī)械磨損、光氧化和生物作用下發(fā)生碎裂和降解形成的[28].由于小尺寸的微塑料比表面積大，能富集重金屬離子等大量環(huán)境污染物，而微塑料作為這些污染物的載體，易被生物所攝食并產(chǎn)生生物毒性效應(yīng)[29].因此，更小尺寸的微塑料在生態(tài)環(huán)境中可能具有更大的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn).

2.4 微塑料的顏色分布特征

通過顯微鏡觀察到的微塑料顏色包括透明、黑色、白色和彩色(藍(lán)色、紅色、黃色和綠色)，如圖3(b)所示.巢湖水體中微塑料的顏色以黑色為主，占比為44.33%，其次為彩色(26.58%)和透明(24.08%)，而在彩色微塑料中，藍(lán)色(20.86%)最為普遍.巢湖水體中微塑料顏色占比情況與已有研究結(jié)果略有差異，在鄱陽湖水體中彩色微塑料占比(48.9%)最大[30]，而透明微塑料在洞庭湖(71.3%)和洪湖(77.9%)水體中占優(yōu)勢[17].巢湖水體中黑色微塑料可能是汽車輪胎或農(nóng)用黑色薄膜的大量使用所產(chǎn)生的.研究[31]發(fā)現(xiàn)，為提高塑料制品的市場吸引力，著色被廣泛應(yīng)用于塑料消費(fèi)品生產(chǎn)中，這可能是彩色微塑料占比較高的重要原因，而彩色微塑料顆粒因與營養(yǎng)水平較低的生物體相似，極易被生物誤攝入從而影響生物的攝食、消化和生長[32].此外，巢湖水體中微塑料顏色呈現(xiàn)出多樣化的特征，表明這些微塑料的來源較為廣泛.

2.5 微塑料聚合物類型

采用拉曼光譜鑒定微塑料的聚合物類型，共選擇了170個(gè)可疑的微塑料顆粒物，鑒定結(jié)果顯示，163個(gè)顆粒被鑒定為微塑料，包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE).由圖3(c)可見，PP(57.52%)在所有類型中占絕對優(yōu)勢，其次是PET(21.17%)、PE(13.50%)和PS(3.07%).這些聚合物都是包裝和工業(yè)生產(chǎn)制造中的常見材料.其中，PP主要應(yīng)用于農(nóng)用薄膜、包裝材料、漁具的制造等；PET主要來源于紡織服裝品，通過洗滌過程隨生活污水排入城市河道；PE是繩索、網(wǎng)和釣魚線的常見組成部分；而PVC通常用于制作包裝袋.結(jié)果表明，巢湖水體中微塑料污染的主要來源可能是紡織品和老化漁具等[33]，且在今后的研究中可進(jìn)一步追溯其污染源頭.

圖3 巢湖水體中微塑料的粒徑、顏色與化學(xué)組成占比Fig.3 The proportion of microplastic particlesize,color and chemical composition in water of the Chaohu Lake

3 結(jié)論

a) 巢湖水體中微塑料的豐度平均值為(1.30±0.68)個(gè)/L，其中東部湖區(qū)略低于其他區(qū)域.

b)巢湖水體中微塑料的形狀包括纖維狀、碎片狀、顆粒狀、薄膜狀和微珠狀，其中纖維狀是最常見的微塑料形狀，占比為65.8%.

c)巢湖水體中微塑料的顏色包括透明、黑色、白色和彩色，其中黑色和彩色占主要優(yōu)勢，分別占總數(shù)的44.33%和26.58%.

d)巢湖水體中微塑料以小尺寸(粒徑為50μm~2 mm)微塑料為主，占總數(shù)的88.65%.

e)巢湖水體中微塑料聚合物類型以PP和PET為主，分別占總數(shù)的57.52%和21.17%.