傅淙淙 唐文喬, 郭弘藝,

(1. 上海海洋大學海洋動物系統(tǒng)分類與進化上海高校重點實驗室, 上海 201306; 2. 水產(chǎn)種質資源發(fā)掘與利用省部共建教育部重點實驗室, 上海 201306)

塑料可塑性和耐久性強, 性質穩(wěn)定, 難降解, 人們在廣泛使用的同時也產(chǎn)生了大量的塑料垃圾, 其中粒徑小于5 mm塑料碎片和顆粒被統(tǒng)稱為微塑料[1],根據(jù)其來源可分為初級和次級微塑料[2]。初級微塑料主要來自工業(yè)塑料原料和化妝品[3]; 次級微塑料由環(huán)境中的塑料經(jīng)風化、機械摩擦和紫外線輻射等作用后逐漸碎裂而形成[4]。水生生物攝入微塑料后會危害自身的正常生理功能[5], 如造成浮游動物的捕食能力減弱[6]、貽貝的免疫能力下降[7]、魚類的腸道黏膜損傷[8]和肝細胞壞死[9]等, 從而受到學者和社會各界的普遍關注。魚類微塑料污染研究目前主要集中在海洋[10]、大型自然河流[11]和湖泊[12]等水域, 而城市河流作為人類影響程度更高的特殊生態(tài)系統(tǒng), 其魚類受到的微塑料污染關注還較少[13]。

上海地處長江三角洲沖積平原, 河網(wǎng)水系發(fā)達,其中市內河網(wǎng)大多屬于黃浦江水系[14]。黃浦江是長江入海之前的最后一條支流, 將上海市區(qū)分成浦南、浦西和浦東。為完善河網(wǎng)結構, 上海于20世紀70年代后期沿黃浦江干流開挖了淀浦河、川楊河、大治河、金匯港和龍泉港5條人工河流, 成為黃浦江的主要支流和上海市的骨干河流[15]。上海1920年建立我國的第一家塑料廠, 是中國最早生產(chǎn)和使用塑料的城市之一, 對其河流魚類的微塑料污染研究具有很好的代表性。目前已有對上海河道水體和沉積物微塑料的一些研究報道[16—18], 我們在對黃浦江自然水域(淀山湖、干流和蘇州河)魚類微塑料污染研究[19]的基礎上, 對上述5條人工骨干河流的優(yōu)勢魚類微塑料污染作了分析, 旨在通過人工河流與自然水域的對比分析, 全面了解黃浦江水系魚類微塑料污染狀況及人工河流魚類微塑料污染的特點, 為城市河流魚類微塑料研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 魚類樣本采集

淀浦河位于上海浦西, 全長46.4 km。川楊河和大治河位于浦東, 全長28.0和39.5 km。金匯港和龍泉港位于浦南, 全長21.8和26.8 km[15]。5條河流都有航運與貫通水系的作用, 金匯港、大治河和川楊河為五級航道, 河寬70—100 m; 龍泉港、淀浦河為六級航道, 河寬30—60 m[15]。

2021年10月中旬, 在5條人工河流分別設置采樣點(圖1), 用三層刺網(wǎng)采集魚類, 部分樣本現(xiàn)場用10%福爾馬林固定[20], 帶回實驗室鑒定和測量。物種鑒定主要依據(jù)《中國魚類系統(tǒng)檢索》[21]《江蘇魚類志》[22]《上海魚類志》[23]。部分樣本直接帶回實驗室置于-20℃冰箱冷凍保存。以河為單位從中選擇5種優(yōu)勢魚類刀鱭(Coilia nasus)、?(Hemiculter leucisculus)、鯽(Carassius auratus)、似鳊(Pseudobrama simoni)和光澤黃顙魚(Pelteobagrus nitidus)[24], 每種魚選取長度相近、外表完整的40尾,用電子天平稱量標本體重, 精確到0.01 g; 用量魚板逐尾測量體長, 精確到0.1 cm (魚體規(guī)格見表1), 做好標記后待用。

表1 五種優(yōu)勢魚類樣本基本生物學信息Tab. 1 Basic biological information of 5 dominant fish samples

圖1 上海黃浦江人工骨干河流魚類采樣斷面示意圖Fig. 1 Schematic diagram of fish sampling section in Huangpu River artificial backbone rivers in Shanghai

1.2 微塑料的分離和提取

在福爾馬林固定的樣本中取5種各30尾魚, 解剖每尾魚的鰓和消化道, 放置在250 mL錐形瓶內并稱重。另外在冰箱中保存的樣本中取5種各10尾魚,解剖每尾魚的鰓和消化道; 用2 mL移液器吸取超純水注入每個消化道, 小心沖洗內含物, 重復上述操作5次以上, 直至沖洗液澄清; 對鰓和沖洗干凈的消化道壁及內含物分別置于250 mL錐形瓶內并稱重。

參照Avio等[25]的方法, 按樣品(鰓、消化道整體、消化道壁和內含物)重量與溶液體積1﹕40的比例加入按樣品重量與溶液體積1﹕40的比例加入30%H2O2溶液至錐形瓶中, 密封放入恒溫振蕩箱(65℃)消解樣品至澄清(24—48h)。樣品冷卻后加入體積比為1﹕5的飽和NaCl溶液(ρ=1.2 g/mL), 室溫靜置24h。取上清液用直徑50 mm、孔徑0.45 μm的尼龍濾膜抽濾, 抽濾后的濾膜放置于干燥的培養(yǎng)皿中, 標記, 密封保存, 待下一步觀察。實驗全程, 操作人員穿棉質實驗服、戴一次性丁腈醫(yī)用手套和醫(yī)用口罩。

1.3 微塑料的鑒定

在體視顯微鏡(SMZ1270, Nikon)下觀察濾膜,拍照并記錄微塑料的數(shù)量、形狀和顏色, 通過Image J 軟件測量微塑料的粒徑大小。隨機選取形狀清晰、顏色直觀的代表性微塑料, 用傅里葉顯微紅外光譜儀(Nicolet iN10MX, Thermo Fisher)測定樣品的化學成分[26]。掃描次數(shù)16次, 波長650—4000/cm,光譜分辨率為8/cm, 在此條件下通過標準譜圖庫數(shù)據(jù)比較, 完成微塑料化學成分的鑒定。

1.4 實驗數(shù)據(jù)處理

用SPSS 23和Excel 2020對實驗結果進行統(tǒng)計,ArcGIS 10.8繪制采樣地理位置, OriginPro 2021繪制圖表。平均值表示格式: 平均值±標準差(SD)。用Kruskal-Wallis H檢驗多組數(shù)據(jù)的差異性, 若存在顯著差異, 使用Mann-Whitney U進一步檢驗兩組數(shù)據(jù)的差異性。

2 結果

2.1 魚體內微塑料檢出率、豐度和空間分布

結果顯示, 5種優(yōu)勢魚類、200尾樣本共檢出537個微塑料, 平均檢出率為83.00%(表2)。檢出率最高的刀鱭是92.50%, 最低的?是72.50%。按生活習性分析, 表現(xiàn)為中下層(83.33%)>中上層(82.50%)、著生藻類食性(87.50%)>肉食性(86.25%)>雜食性(77.50%)的特點。

表2 上海黃浦江人工骨干河流5種魚體內微塑料平均檢出率及豐度Tab. 2 Average detection rate and abundance of microplastics in five fish species in Huangpu River artificial backbone rivers in Shanghai

5種魚微塑料豐度為0—16個/尾, 平均豐度為(2.69±2.74)個/尾。豐度最高的似鳊為(2.95±3.22)個/尾, 最低的光澤黃顙魚為(2.53±2.35)個/尾。按生活習性排序, 表現(xiàn)為中下層(2.73±2.79)個/尾>中上層(2.62±2.67)個/尾、著生藻類食性(2.95±3.22)個/尾>雜食性(2.66±2.98)個/尾>肉食性(2.57±2.21)個/尾的特點。

從5條河流的空間分布看, 5種魚類微塑料的平均檢出率和豐度最高的是大治河, 分別為91.89%和(3.43±3.24)個/尾, 最低的是龍泉港, 分別為72.50%和(1.63±1.58)個/尾(圖2), 大治河的魚類微塑料豐度顯著高于龍泉港(P<0.05)。但不同魚類在5條河流的微塑料豐度也存在差異(圖3)。淀浦河以光澤黃顙魚最高, 為(3.94±2.62)個/尾, ?最低, 為(1.67±2.18)個/尾; 川楊河以?最高, 為(5.80±5.22)個/尾,光澤黃顙魚最低, 為(1.17±1.17)個/尾; 大治河以鯽最高, 為(5.0±4.56)個/尾, 澤黃顙魚最低, 為(1.33±0.58)個/尾; 金匯港以似鳊最高, 為(3.29±3.73)個/尾,刀鱭最低, 為(1.43±0.79)個/尾; 龍泉港以似鳊最高,為(2.58±1.73)個/尾, ?豐度最低, 為(0.56±0.73)個/尾。

圖2 五種魚體內微塑料豐度和檢出率在5條人工骨干河流的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of abundance and detection rate of microplastics in five fish species in five artificial backbone rivers

圖3 五種魚體內微塑料豐度在5條人工骨干河流的空間比較Fig. 3 Spatial comparison of microplastic abundance in five fish species in five artificial backbone rivers

2.2 消化道和鰓內微塑料的檢出率和豐度

200尾魚類的消化道和鰓分別檢出微塑料368個和169個。消化道的微塑料檢出率和豐度為70.50%和(1.84±2.31)個/尾, 極顯著高于鰓的49.00%和(0.85±1.20)個/尾(P<0.01)。圖4顯示了5種魚類2個部位微塑料的豐度情況, 消化道中微塑料豐度最高的似鳊為(2.15±2.78)個/尾, 最低的光澤黃顙魚為(1.45±1.54)個/尾。而鰓中微塑料豐度最高的則是光澤黃顙魚, 為(1.08±1.67)個/尾, 最低的鯽為(0.60±0.74)個/尾。

圖4 五種魚類消化道和鰓的豐度比較Fig. 4 Comparison of microplastic abundance in digestive tracts and gills in five fish species

2.3 消化道壁和內含物微塑料的檢出率和豐度

對5種魚各10尾樣本作進一步分析, 發(fā)現(xiàn)在50個樣本的消化道壁和內含物中分別檢出78個和40個微塑料。黏附在消化道壁的微塑料檢出率和豐度分別為70.0%和(1.56±1.63)個/尾, 極顯著高于黏附于內含物的42.0%和(0.80±1.14)個/尾(P<0.01)。黏附在消化道壁和內含物的微塑料豐度, 最高的是?和似鳊, 分別為(2.20±1.93)和(1.20±1.03)個/尾, 最低的則是光澤黃顙魚, 豐度分別為(0.80±0.92)和(0.40±0.84)個/尾(圖5)。黏附在5種魚類消化道壁的微塑料平均占消化道總微塑料的66.07%, 其中最高的?占比達75.86%, 最低的似鳊為61.29%(圖5)。

圖5 黏附在消化道壁和內含物中的微塑料豐度及比例Fig. 5 Abundance and proportion of microplastics adhered to digestive tract walls and contents

2.4 魚類體內微塑料的物理類型

共檢出纖維狀、碎片狀、薄膜狀和顆粒狀4種形狀的微塑料(圖6)?？傮w上以纖維狀最多, 占總數(shù)的53.07%; 其次是碎片狀, 占33.15%; 薄膜狀和顆粒狀僅占12.10%和1.68%; ?、鯽、刀鱭和光澤黃顙魚均以纖維狀微塑料為主, 似鳊則以碎片狀為主(圖7a)。鰓和消化道均以纖維狀微塑料為主, 但鰓為59.76%, 顯著高于消化道的49.73%(P<0.05); 而消化道的碎片狀為35.87%, 極顯著高于鰓的27.22%(P<0.01)。消化道壁中占比最高的微塑料形狀是碎片狀(43.59%), 內含物則是纖維狀(53.00%)。

圖6 體視顯微鏡下魚體內微塑料的形態(tài)Fig. 6 Microplastic mophology in fish under the stereomicroscope

圖7 上海黃浦江人工骨干河流優(yōu)勢魚體內微塑料物理類型的組成Fig. 7 Composition of microplastic physical types in dominant fish in Huangpu River artificial backbone rivers in Shanghai

共檢出6種顏色的微塑料, 總體上以黑色最多,占41.90%, 紅色和藍色占25.33%和15.27%, 綠色(8.57%)、透明(5.96%)和黃色(2.98%)的占比較低(圖7b)。?、鯽和似鳊微塑料以黑色為主, 紅色次之; 光澤黃顙魚也以黑色為主, 而綠色次之; 刀鱭則以紅色微塑料為主, 黑色次之。消化道微塑料以黑色(43.48%)和紅色(27.99%)為主, 鰓以黑色(38.46%)和藍色(25.44%)為主。消化道壁中黑色(43.59%)占比最高, 內含物則以紅色占比最高(45.00%)。

檢出的微塑料粒徑在0.014—4.646 mm。其中,粒徑≤1 mm的占83.80%, (1, 2]、(2, 3]、(3, 4]和(4,5] mm的各占11.55%、3.35%、0.93%和0.37%(圖7c)。不同魚體內微塑料的粒徑組成也有差異, 似鳊體內≤1 mm的占比達92.37%, 鯽則為79.82%。而(1,2] mm的微塑料占比, 鯽為15.60%, 似鳊僅為5.08%。魚體中不同位置的微塑料主要為≤1 mm的粒徑(圖7d), 消化道為84.78%, 鰓為81.66%, 消化道壁為82.05%, 內含物為95.00%。在內含物中未檢出>2 mm的微塑料。

2.5 魚類體內微塑料的化學成分

采用傅里葉顯微紅外光譜儀對隨機抽取的83個微塑料樣品進行鑒定, 共鑒定出12種化學成分(表3)。其中賽璐酚(CP)占比最高, 為40.96%; 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)其次, 為 20.48%; 乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)也有較高比例, 為12.05%;其他9種成分相對較少, 共占26.51%。

表3 顯微紅外光譜鑒定的微塑料化學成分Tab. 3 Chemical composition of microplastics identified by microinfrared spectroscopy

3 討論

3.1 上海黃浦江人工骨干河流優(yōu)勢魚體微塑料的污染特點

本研究顯示, 上海黃浦江人工骨干河流魚體微塑料平均檢出率為83.00%。與其他研究水域微塑料比較(表4), 本研究的消化道微塑料平均檢出率為70.50%, 低于茅尾海[27](100%)、青海湖[12](100%)、廣東河口[28](96.9%)魚類, 高于三峽水庫[29](25.70%)和上海自然流域[19](59.87%)魚類。鰓中微塑料平均檢出率為49.00%, 低于茅尾海[27](60.0%)魚類, 高于舟山漁場[30](22.28%)魚類。消化道微塑料平均豐度為(1.84±2.31)個/尾, 低于鄱陽湖[31](7.64個/尾)、珠江流域[32](7.0±23.8)個/尾、茅尾海[27](5.40±0.30)個/尾、廈門灣[33](2.56±1.12)個/尾和東山灣[34](1.98±1.98)個/尾魚類, 高于上海自然流域[19](1.32±1.92)個/尾魚類。鰓中微塑料平均豐度為(0.85±1.20)個/尾,低于巢湖[35](3.06±2.52)個/尾、茅尾海[27](2.0±0.20)個/尾和廈門灣[33](1.60±1.46)個/尾魚類, 高于舟山漁場[30](0.49±0.54)個/尾魚類。這表明上海黃浦江人工骨干河流優(yōu)勢魚體微塑料的檢出率和豐度在總體上處于較低的水平。

表4 不同研究水域魚體微塑料檢出率和豐度比較Tab. 4 Comparison of microplastic abundance and detection rate in fish in different research waters

與同屬黃浦江水系的上海自然水域(淀山湖、黃浦江干流及蘇州河)相同種類的魚類相比(表5),除了似鳊, 人工河流中?、鯽和光澤黃顙魚消化道的微塑料檢出率和豐度均較高。人工河流消化道優(yōu)勢微塑料類型纖維狀(49.73%)和碎片狀(35.87%),也與自然水域優(yōu)勢類型(纖維狀80.47%、薄膜狀13.73%)具有明顯的差異。這表明自然水域纖維狀更多, 而人工河流碎片狀也占很高比例。人工河流黑色微塑料占43.48%、紅色占27.99%, 與自然水域微塑料主要顏色占比(黑色29.59%、透明28.99%)也有明顯差異。人工河流的微塑料粒徑≤1 mm的占84.78%, (1, 2] mm的占10.33%, 而自然水域同樣粒徑的微塑料占比則為60.12%和26.04%, 表明人工河流的微塑料粒徑更小。這可能與自然水域開放而流動性較好(黃浦江年均流量100.6億m3、蘇州河3.2億m3), 而5條人工河流為封閉而流動性較差(兩端有閘, 僅在過船、排澇、引清排污、調控水位等情況下開啟)有關?？傮w來看, 上海內陸水域魚類微塑料整體以纖維狀和碎片狀、黑色和紅色及透明, 以及粒徑≤1 mm為主。

表5 上海黃浦江人工河流與自然水域同種魚類消化道微塑料的比較Tab. 5 Comparison of microplastics in fish digestive tracts between artificial rivers and natural waters in Huangpu River in Shanghai

3.2 上海人工骨干河流魚體內微塑料的分布

消化道和鰓是魚體直接接觸微塑料的內部器官, 可以反映魚體受微塑料污染的程度[38]。本研究顯示消化道微塑料的檢出率和豐度均顯著高于鰓(P<0.05), 消化道內積累的微塑料占68.5%。分析發(fā)現(xiàn), 消化道內有其中66.07%的微塑料黏附在消化道壁上, 這些微塑料可損傷消化道黏膜, 影響營養(yǎng)吸收。另外, 占比31.5%的鰓部微塑料大部分被吸附在鰓絲上, 也可損傷和覆蓋鰓上皮, 降低呼吸效率。

分析顯示, 鰓部纖維狀微塑料占59.76%, 顯著高于消化道的49.73%(P<0.05); 而消化道碎片狀占35.87%, 極顯著高于鰓的27.22%(P<0.01)。推測是纖維狀微塑料具有變形性[29], 易于纏附在鰓上。魚體不同部位的微塑料均以≤1 mm的小粒徑為主,消化道為84.78%(其中消化道壁占82.05%、內含物占95.00%), 鰓為81.66%, 表明小顆粒微塑料更容易被魚體攝取。

3.3 微塑料的成分及其來源

已有研究顯示不同地區(qū)的魚類, 其體內微塑料的主要化學成分存在著差異, 如三峽水庫為聚乙烯和聚酰胺[29], 珠江流域[32]為聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚乙烯, 華東沿海[36]為聚酯纖維, 鄱陽湖則是聚苯乙烯[39]。本研究顯示, 上海人工骨干河流魚體內微塑料的主要化學成分為賽璐酚(40.96%)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(20.48%)和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(12.05%), 與上海自然水域相應的微塑料成分(賽璐酚39.42%、聚對苯二甲酸乙二醇酯20.19%、聚酰胺11.54%和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物9.62%)[19]略有差異。賽璐酚常被用作食品及各類裝飾包裝紙[40];滌綸主要用于服裝、窗簾、沙發(fā)布等紡織品及食品包裝袋、塑料瓶和薄膜等[41]; EVA被廣泛應用在發(fā)泡鞋底、隔音板、玩具坐墊、農(nóng)業(yè)薄膜和密封材料領域[42]。上海自然水域魚體內的微塑料主要來源于當?shù)鼐用窀黝惾粘Ｉ钣闷返陌b材料或丟棄物[19]。但本研究分析的5條人工河流, 除了淀浦河和川楊河位于人口稠密[43]的浦西和浦東城區(qū),其他3條河流均位于人口密度相對較低的郊區(qū)。上海郊區(qū)的農(nóng)用地大多用于果蔬等經(jīng)濟作物生產(chǎn)[44],大量農(nóng)用薄膜的使用可能是人工河流魚體內乙烯-醋酸乙烯酯共聚物微塑料增高的原因, 自然流域魚體內聚酰胺占比較高, 可能與捕撈業(yè)使用的各種網(wǎng)具[45]有關。

本研究認為, 盡管上海內河優(yōu)勢魚類的微塑料豐度總體上處于較低水平, 但微塑料可能會影響魚類的呼吸和營養(yǎng)吸收效率。微塑料還能作為載體與其他環(huán)境污染物如重金屬、有機污染物等一起進入魚體, 產(chǎn)生復合毒性效應[46]。上海已全面實施生活垃圾的分類管理, 對各類塑料垃圾進行更深入的無害化處理。我們還應減少一次性塑料制品的使用, 從源頭上減少微塑料的污染。

致謝:

感謝趙振官實驗師、研究生陳振峰、張彥彥、唐振、邵嚴、劉思琪、潘正東、王潔苗協(xié)助采樣和處理樣本。