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        微塑料在黃河流域的污染現(xiàn)狀與治理研究進(jìn)展

        2024-08-16 00:00:00郭笑盈馬怡蔡尚迎李哲李泓露張寧
        人民黃河 2024年7期

        摘 要:我國(guó)是世界最大的塑料制品生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),而黃河流域人口密集,其水質(zhì)安全極其重要。針對(duì)黃河流域水體中微塑料,通過(guò)調(diào)研大量黃河流域微塑料污染相關(guān)文獻(xiàn),從微塑料的來(lái)源特征、形狀與粒徑、空間與季節(jié)分布特征等方面系統(tǒng)歸納了黃河流域微塑料污染現(xiàn)狀,結(jié)合不同地區(qū)人口密度、地理環(huán)境和季節(jié)變化進(jìn)行深入分析,進(jìn)一步對(duì)比了黃河流域和國(guó)內(nèi)其他主要河流微塑料污染狀況,結(jié)果表明:微塑料在黃河流域的豐度整體呈現(xiàn)西低東高的態(tài)勢(shì),黃河流域干流微塑料粒徑大部分集中在200 μm 以下,黃河流域枯水期微塑料豐度大于豐水期的。此外,還系統(tǒng)闡述了微塑料的生物毒性及治理技術(shù)研究進(jìn)展。

        關(guān)鍵詞:微塑料;毒性效應(yīng);治理技術(shù);黃河流域

        中圖分類號(hào):TV211.1+ 1;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A doi:10.3969/ j.issn.1000-1379.2024.07.017

        引用格式:郭笑盈,馬怡,蔡尚迎,等.微塑料在黃河流域的污染現(xiàn)狀與治理研究進(jìn)展[J].人民黃河,2024,46(7):98-103,111.

        新污染物主要包括持久性有機(jī)污染物、內(nèi)分泌干擾物、抗生素、微塑料等。2022 年國(guó)務(wù)院印發(fā)了《新污染物治理行動(dòng)方案》,在黃河、長(zhǎng)江等流域和重點(diǎn)飲用水水源地周邊等開(kāi)展新污染物治理試點(diǎn)。與傳統(tǒng)污染物相比,新污染物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多、分布廣泛,具有環(huán)境持久性、生物累積性、長(zhǎng)距離遷移性等特點(diǎn),新污染物常規(guī)管控效率不高,污染控制難度大。

        新污染物中的微塑料主要來(lái)自于塑料的大量生產(chǎn)和廣泛使用。全球塑料生產(chǎn)量已從2009 年的2.50 億t 增長(zhǎng)到2020 年的3.67 億t,我國(guó)是世界最大的塑料制品生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó),塑料制品產(chǎn)量約占全球總量的26%[1] 。然而,全球范圍內(nèi)可以循環(huán)使用的塑料僅占6%~26%[2] ,大量塑料被置于垃圾填埋場(chǎng)或留存于環(huán)境中,破碎、分解后的微塑料在環(huán)境中蓄積,通過(guò)侵蝕、地表徑流等形式遷移至江河湖海,造成微塑料污染。微塑料類污染物最早由Edward 等[3] 在新格蘭南部沿海地區(qū)發(fā)現(xiàn),隨后John 等[4] 和Neelavannan 等[5] 在大西洋、喜馬拉雅山、南北極等地區(qū)相繼檢測(cè)到微塑料,并且在動(dòng)植物和人體血液樣本中也檢出了微塑料,因此微塑料類新污染物的研究受到了極大關(guān)注。中國(guó)人口基數(shù)大,缺乏對(duì)塑料垃圾的嚴(yán)格監(jiān)管與有效處理,微塑料污染狀況不容樂(lè)觀。黃河作為我國(guó)第二大河、世界第六大河,自西向東貫穿九?。▍^(qū)),流域范圍內(nèi)人口密集,其水質(zhì)安全極其重要。本文從微塑料的來(lái)源特征、污染現(xiàn)狀、毒理效應(yīng)及治理技術(shù)等方面開(kāi)展黃河流域微塑料污染現(xiàn)狀與治理研究綜述,以期為黃河流域微塑料類新污染的檢測(cè)、管控與治理提供科學(xué)支撐。

        1 微塑料的來(lái)源特征

        環(huán)境中微塑料的主要來(lái)源包括廢棄農(nóng)膜、工業(yè)生產(chǎn)和日常生活所產(chǎn)生的塑料垃圾,及其經(jīng)由機(jī)械磨損、UV 老化、風(fēng)化和降解之后形成的微塑料顆粒。黃河流域水體中微塑料的來(lái)源主要包括:生產(chǎn)生活產(chǎn)生的塑料固體廢棄物,塑料用品、化妝品、日用清潔劑中的塑料微珠,水上娛樂(lè)設(shè)施塑料漂浮裝置的磨損與老化,陳舊和廢棄水產(chǎn)養(yǎng)殖設(shè)施和工具,工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中的溢油,農(nóng)業(yè)廢棄棚膜和地膜[6] 等,見(jiàn)圖1。

        微塑料根據(jù)其生成機(jī)制可以分為初生微塑料和次生微塑料兩大類[7] 。初生微塑料指其本身存在的初始形態(tài)就是小粒徑微塑料,這些小粒徑微塑料未能經(jīng)污水處理廠去除或直接由初生微塑料廠排入水環(huán)境,如含有微塑料顆粒的化妝品、洗護(hù)用品或作為工業(yè)原料的塑料顆粒和樹(shù)脂顆粒。次生微塑料是初始粒徑較大的塑料垃圾經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)后,塑料體分裂導(dǎo)致體積縮小而形成小粒徑塑料顆粒[8] 。

        2 黃河流域微塑料污染現(xiàn)狀

        2.1 黃河流域微塑料形狀與粒徑特征

        微塑料根據(jù)形狀不同可以分為纖維、絮團(tuán)、顆粒、碎片、小球、薄膜和泡沫等,黃河上中下游檢出的不同形狀微塑料占比見(jiàn)圖2[9-11] 。黃河上游烏梁素海檢出的微塑料以纖維為主[12] 。山東半島黃河下游河口附近地表水中微塑料以纖維、碎片和顆粒為主,其中纖維占比90%以上[11,13] 。由圖2 可以看出,黃河流域不同河段微塑料形狀不同,各形狀在不同流域的占比也不同,但總體而言纖維和薄膜狀微塑料在黃河全段的占比較大。

        黃河流域常見(jiàn)的微塑料大部分呈透明、白色、灰白色等[14-15] ,小部分呈黑色、紅色、綠色、藍(lán)色等。黃河入??谒w中纖維狀微塑料多為黑色、紅色或藍(lán)色等較為鮮明的顏色,薄膜狀微塑料大多為無(wú)色或透明。

        黃河上流烏梁素海檢出的微塑料粒徑集中在200μm 以下,占比約為74.74%[12] 。黃河中游渭河檢出的微塑料粒徑集中在100 μm 以下,其中50 μm 以下占比最大,占40.8%~68.8%[10] 。黃河入??谔幬⑺芰吓c其他河段相比直徑偏大,微塑料粒徑為207.6~808 7.8 μm,其中粒徑200~3 000 μm 的微塑料占比為93.0%[13] 。在黃河枯水期抽取下游和入??谒畼拥玫搅剑担啊玻埃?μm 的微塑料占比分別為77.66%、67.95%,豐水期黃河口微塑料粒徑為50~200 μm 的占比高達(dá)92.95%[9] 。

        2.2 黃河流域微塑料分布特征

        2.2.1 黃河流域微塑料的空間分布特征

        不同河段的地勢(shì)不同、河寬不同造成水流速度不同,微塑料的遷移、聚集程度不一,因此黃河流域微塑料的豐度呈現(xiàn)較大的空間分布差異。黃河流域中游渭河地表水微塑料豐度為3 670~10 700 n/ m3[10] ,渭河關(guān)中段微塑料豐度為2 960~10 320 n/ m3[16] 。黃河主河道沉積物中微塑料豐度為15 000~615 000 n/ m3,其中上游沉積物中微塑料豐度約為43 570 n/ m3,中游約為54 290 n/ m3,下游約為273 750 n/ m3[17] ,即微塑料在黃河流域豐度整體呈現(xiàn)西低東高的態(tài)勢(shì)。這種空間差異存在的原因,一方面是上游和中游河水中的塑料易隨著水流向下游遷移,造成在下游聚集;另一方面下游沿海城市經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)、城鎮(zhèn)化程度較高、人口密度較大,生產(chǎn)生活產(chǎn)生大量微塑料難以被市政污水處理系統(tǒng)去除,導(dǎo)致黃河下游微塑料豐度升高。此外,黃河支流中的微塑料豐度高于干流的,其原因可能是支流人口密度大于干流的。

        2.2.2 黃河流域微塑料季節(jié)分布特征

        通過(guò)對(duì)黃河口表層水體微塑料主要形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn),微塑料在不同季節(jié)的分布不同。黃河河口微塑料豐度在豐水期、枯水期分別為654 000、930 200 n/ m3,枯水期微塑料豐度大于豐水期的,其原因可能是,枯水期河流流量下降,微塑料的污染稀釋速度下降。Han等[11] 研究黃河下游近??诎l(fā)現(xiàn),干濕季節(jié)微塑料豐度平均值分別為930 000、497 000 n/ m3,枯水期微塑料豐度普遍高于豐水期的,黃河近海口區(qū)域表層水體中微塑料豐度隨著與入??诰嚯x的減小呈線性下降趨勢(shì),不同河段、不同季節(jié)微塑料污染分布可能是影響地表水中微塑料豐度的主要原因。

        2.3 不同流域微塑料豐度對(duì)比

        為了更清晰地探究黃河流域微塑料的豐度狀況,對(duì)比黃河、長(zhǎng)江、珠江不同河流微塑料的豐度,見(jiàn)表1。黃河微塑料在不同河段豐度不同,同一河段不同水樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)豐度也存在較大差異。黃河上游烏梁素海微塑料豐度(1 050~14 210 n/ m3 )與人口密度較大的三峽水庫(kù)的微塑料豐度接近[12] 。其可能原因是,微塑料通過(guò)大氣循環(huán)和水循環(huán)進(jìn)入了烏梁素海。黃河流域與其他水系相比,微塑料豐度總體偏大。在微塑料粒徑檢測(cè)范圍≥75 μm 的條件下,黃河中游渭河檢出的微塑料豐度為3 670~10 700 n/ m3,長(zhǎng)江中游漢江地表水微塑料豐度為4 467~8 400 n/ m3,長(zhǎng)江中游丹江口水庫(kù)的微塑料豐度為1 608~32 466 n/ m3,長(zhǎng)江中游丹江口水庫(kù)支流微塑料豐度為1 141~ 9 001 n/ m3,可以看出黃河中游微塑料平均豐度高于長(zhǎng)江中游漢江的,低于長(zhǎng)江中游丹江口水庫(kù)的,而與長(zhǎng)江中游丹江口水庫(kù)支流的接近。黃河流域微塑料污染與漢江和丹江口水庫(kù)支流相比較為嚴(yán)重。其原因可能是黃河流域所涉范圍廣,流域內(nèi)居住人口密集,有更多的塑料污染物匯入,在黃河聚集,難以降解稀釋。與珠江相比,黃河部分水域微塑料豐度顯著高于珠江的,原因可能是,相對(duì)于其他水域黃河泥沙含量大,塑料進(jìn)入黃河后在水流作用下加快了自身的破碎、裂解,從而導(dǎo)致黃河水域微塑料豐度高于其他水域的。

        3 微塑料的毒理效應(yīng)

        3.1 微塑料對(duì)生物的危害

        微塑料在環(huán)境中長(zhǎng)期存在,不但對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響,而且通過(guò)生態(tài)圈和食物鏈對(duì)植物、動(dòng)物和人體產(chǎn)生不良影響,誘發(fā)炎癥、產(chǎn)生生殖毒性、基因與遺傳毒性等。從分子水平上通過(guò)研究微塑料對(duì)黃河鯉魚(yú)幼魚(yú)生長(zhǎng)發(fā)育、抗氧化反應(yīng)和免疫功能的影響發(fā)現(xiàn),微塑料影響鯉魚(yú)幼魚(yú)性腺和組織形成過(guò)程中正常的基因表達(dá),對(duì)幼魚(yú)的性腺發(fā)育產(chǎn)生抑制,影響其正常生長(zhǎng)[23] 。Wright 等[24] 研究表明微塑料會(huì)使機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng),不同尺寸微塑料會(huì)造成吸附的化學(xué)污染物轉(zhuǎn)移、破壞腸道微生物群落結(jié)構(gòu)等。Lei 等[25] 研究發(fā)現(xiàn)水體中存在的微塑料能夠增加斑馬魚(yú)和秀麗隱桿線蟲(chóng)的氧化應(yīng)激。Au 等[26] 研究發(fā)現(xiàn),美洲鉤蝦的死亡率與微塑料豐度表現(xiàn)出顯著的劑量作用關(guān)系,美洲鉤蝦死亡率隨微塑料豐度增大而上升。

        3.2 微塑料對(duì)人體的危害

        微塑料可以通過(guò)呼吸道、消化道和皮膚接觸等方式進(jìn)入人體,已有研究在人體排泄物、血液系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的樣本中檢測(cè)出微塑料。進(jìn)入人體的微塑料可能穿透血腦屏障在大腦積累造成神經(jīng)毒性、影響肝臟代謝、造成腸胃炎癥、阻滯宮內(nèi)胎盤(pán)發(fā)育以及對(duì)呼吸道造成惡性炎癥等[27] 。Zhang等[28] 檢測(cè)18 ~25 歲男性糞便發(fā)現(xiàn),被試者糞便樣品中均有微塑料,對(duì)其進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)微塑料以PP 和PET 為主。Vianello 等[29] 通過(guò)構(gòu)建模型計(jì)算出一個(gè)成年男性在不進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)只維持體征活動(dòng)的24 h 內(nèi)能夠吸入272 個(gè)微塑料,這些微塑料可能到達(dá)人體肺部并沉積體內(nèi)。微塑料能夠作為載體,為微生物提供生長(zhǎng)附著點(diǎn),誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生疾病。

        3.3 微塑料復(fù)合污染的毒理效應(yīng)

        微塑料除其自身具有生物毒性外,由于微塑料粒徑小、比表面積大且疏水性高[23] ,因此進(jìn)入環(huán)境中還可以作為載體吸附、富集其他污染物,能夠與一種或多種污染物吸附從而產(chǎn)生更為復(fù)雜的復(fù)合污染。研究發(fā)現(xiàn)微塑料可吸附多溴聯(lián)苯醚、多氯聯(lián)苯、有機(jī)氯農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、雙酚A(BPA)、石油烴等疏水性有機(jī)污染物[30] ,從而具有復(fù)合毒性,對(duì)環(huán)境產(chǎn)生持久影響。根據(jù)與微塑料形成復(fù)合污染的主要污染物的來(lái)源,復(fù)合污染分為外源性復(fù)合污染和內(nèi)源性復(fù)合污染,見(jiàn)圖3,其中外源性復(fù)合污染主要包括微塑料與持久性有機(jī)污染物、微塑料與重金屬、微塑料與有機(jī)污染物的復(fù)合污染,內(nèi)源性復(fù)合污染則指微塑料經(jīng)過(guò)老化、磨損后與自身或環(huán)境中的增塑劑形成復(fù)合污染[31] 。

        微塑料與其他污染物的復(fù)合會(huì)對(duì)生物體造成一系列損害,包括氧化應(yīng)激、能量代謝毒性、生長(zhǎng)發(fā)育毒性、行為毒性、器官毒性、免疫毒性、神經(jīng)毒性、基因及遺傳毒性和急性毒性等,危害生物體健康[32-33] 。針對(duì)微塑料與雙酚A 對(duì)黃河鯉魚(yú)聯(lián)合暴露的慢性毒性效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn),黃河鯉魚(yú)的鰓、肝、腸、腦等組織會(huì)產(chǎn)生炎性細(xì)胞浸潤(rùn)、組織空泡化、肝細(xì)胞排列稀疏、腸黏膜層杯狀細(xì)胞數(shù)量減少、腦組織內(nèi)神經(jīng)纖維排列疏松等病變[34] 。Yokota 等[35] 研究發(fā)現(xiàn),在水生環(huán)境中微塑料和雙酚A 的復(fù)合毒性可以顯著改變米卡達(dá)魚(yú)的性別比例, 這表明生物體的內(nèi)分泌受到干擾。Barboza等[36] 研究微塑料和汞(Hg)對(duì)歐洲鱸魚(yú)幼魚(yú)的短期毒性發(fā)現(xiàn),微塑料與Hg 復(fù)合會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重復(fù)合毒性,使鱸魚(yú)大腦和肌肉中累積更多Hg,發(fā)生氧化應(yīng)激、肝臟損傷,進(jìn)而引發(fā)更為嚴(yán)重的神經(jīng)毒性和氧化損傷。

        4 微塑料污染的治理技術(shù)

        4.1 生物降解

        1)微生物降解。微生物群落可以對(duì)微塑料的降解起到一定程度的促進(jìn)作用,篩選、培養(yǎng)出特定的菌群能夠?qū)ξ⑺芰辖到膺_(dá)到良好的效果[37] 。微生物降解微塑料的原理是微生物對(duì)微塑料的碳鏈進(jìn)行改性從而達(dá)到降解的目的[38] 。真菌菌絲可以牢固地附著在微塑料表面,通過(guò)促進(jìn)微塑料中羰基、羧基和酯基等化學(xué)鍵的形成來(lái)降低微塑料的疏水性, 使微塑料降解[37,39] 。Dobretsov 等[40] 發(fā)現(xiàn)單一細(xì)菌群落降解有機(jī)化合物會(huì)導(dǎo)致抑制微生物生長(zhǎng)的毒副產(chǎn)物增加,而多種真菌和細(xì)菌組成的混合菌群則可以減緩這種毒副作用,從而增強(qiáng)對(duì)微塑料的降解。Skariyachan 等[41] 從塑料垃圾中篩選出了降解微塑料的最佳菌群,對(duì)比單一菌群對(duì)微塑料的降解效率,多種菌群的組合對(duì)微塑料的降解效率更高。

        2)動(dòng)物降解。底棲動(dòng)物、無(wú)脊椎動(dòng)物和昆蟲(chóng)通過(guò)自身的生命活動(dòng)或吞食消化微塑料,能夠產(chǎn)生一定程度的微塑料降解效果[42] 。某些特定動(dòng)物通過(guò)采食、爬行、筑穴等生物擾動(dòng)作用改變微塑料的物理和化學(xué)性質(zhì),使微塑料顆粒物更易被分解。Amobonye 等[38] 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)蚯蚓幼蟲(chóng)能夠吞食環(huán)境中的微塑料,這些被攝食的微塑料作為碳源可以被蚯蚓幼蟲(chóng)體內(nèi)相應(yīng)的微生物降解。Wang 等[43] 通過(guò)試驗(yàn)證明,大型無(wú)脊椎動(dòng)物如蠕蟲(chóng)、小型甲蟲(chóng)和蝸牛等可以攝入微塑料。劉鑫蓓等[44] 研究發(fā)現(xiàn)昆蟲(chóng)也能同底棲動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物一樣,將微塑料攝入體內(nèi)作為可吸收利用的大分子碳源,從而降解微塑料。昆蟲(chóng)及其幼蟲(chóng)胃腸道存在可以降解微塑料的細(xì)菌群落,如黃粉蟲(chóng)、大麥蟲(chóng)和蠟螟幼蟲(chóng)等可以采食微塑料,從而降解微塑料[45] 。

        4.2 化學(xué)降解

        1)高級(jí)氧化法。高級(jí)氧化工藝(AOPs)是指通過(guò)產(chǎn)生活性氧(ROS)使水體中的持久性有機(jī)污染物降解為低毒或無(wú)毒的小分子物質(zhì),或者直接降解為CO2 和H2O。AOPs 所產(chǎn)生的活性氧,如硫酸根自由基和羥基自由基,相對(duì)于普通氫電極具有更高的氧化還原電勢(shì),可以增強(qiáng)微塑料的氧化[46] 。Kang 等[47] 通過(guò)研究碳化錳納米顆粒(Mn@ NCNTs)發(fā)現(xiàn),Mn@ NCNTs 可以通過(guò)輔助水熱的方式去除50%的微塑料。過(guò)硫酸鹽或過(guò)氧化氫通過(guò)硫酸根自由基或羥基自由基等強(qiáng)氧化性基團(tuán)降解和礦化微塑料,對(duì)微塑料降解更快速、高效,同時(shí)可產(chǎn)生藻類生長(zhǎng)所需的碳源物質(zhì),但目前過(guò)氧化物氧化降解微塑料仍停留在試驗(yàn)階段。

        2)光催化。自然環(huán)境中,光照能夠使塑料碎片氧化老化,但自然降解速度慢、效率低,引入光催化劑可以加速微塑料的降解[48] 。水中的光催化劑可以分為單組分光催化劑、復(fù)合光催化劑和光催化微機(jī)器人[49] 。二氧化鈦(TiO2 )的形態(tài)和結(jié)構(gòu)決定了其在光催化降解過(guò)程中的良好性能,因此TiO2是最常見(jiàn)的單組分光催化劑。Domínguez-Jaimes 等[50] 用陽(yáng)極氧化法分別制備了阻擋層結(jié)構(gòu)、納米管狀以及混合狀態(tài)的TiO2,其中混合狀態(tài)的最窄帶隙多層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最佳的光生載流子轉(zhuǎn)移和分離,提高了納米級(jí)聚苯乙烯(PS-NP)的光降解效率。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        黃河流域的微塑料污染在不同季節(jié)、不同河段呈現(xiàn)出差異性污染特征,部分支流污染狀況較為嚴(yán)重。微塑料在黃河流域的豐度整體呈現(xiàn)西低東高的態(tài)勢(shì),黃河流域干流微塑料粒徑大部分集中在200 μm 以下。地表水的微塑料污染豐度隨季節(jié)變化較為明顯,呈現(xiàn)出枯水季高于豐水季的特征。微塑料經(jīng)由不同的途徑進(jìn)入水體,對(duì)水體的生態(tài)系統(tǒng)、水生物的生長(zhǎng)繁殖以及人體的健康都產(chǎn)生了復(fù)雜的影響,然而微塑料毒性機(jī)制在食物鏈中傳遞和富集的具體狀況尚未有定論。此外,對(duì)水體中微塑料的污染仍缺乏規(guī)范的檢測(cè)方法。因此,針對(duì)黃河流域微塑料類新污染物的控制需要從法律法規(guī)、環(huán)境基準(zhǔn)、檢測(cè)技術(shù)、降解技術(shù)等方面進(jìn)行改進(jìn)與研發(fā),結(jié)合國(guó)家政策因地制宜進(jìn)行微塑料污染管控與治理。

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        【責(zé)任編輯 呂艷梅】

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