2020, Vol. 41
2. 珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室, 桂林 541006;
3. 桂林电子科技大学生命与环境科学学院, 桂林 541004
, ZHANG Qing-ke1,2 , ZHANG Li-shan2,3
, ZHONG Shan2,3 , LIU Jun-yong1,2 , HOU Xiao-ying1,2 , WANG Hua1,2 , FENG Jing-pei1,2 , LIANG Zu-hong1,2 , CHEN Wu-yang1,2
2. Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection, Ministry of Education, Guilin 541006, China;
3. School of Life and Environmental Sciences, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China
环境中的微塑料作为一种新型的污染物近年来已逐渐受到国内外的关注.微塑料即通常被定义为＜5 mm的塑料颗粒[1], 微塑料主要包括两种, 初级微塑料和次级微塑料.初级微塑料指直接用于个人护理产品或工业原料中粒径小于5 mm的塑料制品[2]; 次级微塑料由暴露在环境因素(例如水和阳光)中的塑料制品破碎后形成[3]. 2016年全球塑料产量达到3.22亿t, 并且呈逐年增长的趋势[4].据中国塑料工业编辑部数据显示, 中国作为全球最大的塑料生产国, 占全球塑料总产量的26%, 同时也是最大的塑料消费国和进出口国.由于监管不到位, 由此产生了严重的塑料垃圾问题.文献[5]显示, 塑料是海洋垃圾的主要类型, 渤海、黄海和南海的监测区域表层水体微塑料平均密度为0.4n ·m-3.除了海洋之外, 淡水环境中也存在不同程度的微塑料污染[6, 7].
污水的大量排放是淡水和海洋环境微塑料的主要来源之一.Blair等[8]对英国苏格兰的一座三级污水处理厂进行了调查研究, 结果发现污水处理厂每天向受纳水体释放微塑料2.2×107个. Edo等[9]对西班牙马德里的一座污水处理厂进行了调查, 发现该污水厂每天向受纳水体释放微塑料颗粒达到3.0×108个.因此, 污水处理厂成为微塑料进入淡水与海洋环境的一个重要途径.
水体中的微塑料容易被浮游动物、软体动物和鱼类等误食[10], 微塑料在进入生物体内后难以消化[11], 严重时导致死亡[12].此外, 微塑料能从周围水环境中吸附持久性有机污染物以及重金属等, 进一步增加了微塑料的生态风险[13].目前, 已有不少针对水体及沉积物中微塑料污染的研究, 但缺少对实际淡水环境中不同水生生物体内微塑料富集状况的调查.
为了研究污水处理厂尾水排放对淡水生物体内微塑料污染特征和空间分布的影响, 本文以漓江及其主要支流桃花江为研究对象, 调查污水处理厂尾水、污水处理厂在漓江支流桃花江的排口、桃花江和漓江干流的汇合处和支流汇合处的下游的表层水体、沉积物以及4种典型淡水生物(田螺、河虾、鲫鱼、罗非鱼)中的微塑料污染特征.
1 材料与方法 1.1 采样点信息采样点示意如图 1所示.北冲污水处理厂服务区面积约9.3 km2, 服务人口约12万.污水处理厂主要处理桂林市北区的生活污水, 日污水处理能力为3×104m3, 采用A/A/O处理工艺, 处理后的尾水排入桃花江.桃花江是漓江的1级支流.本研究选取污水处理厂在漓江支流桃花江的排口S1(N 25°18′27″, E 110°16′21″), 桃花江和漓江干流的汇合处S2(N 25°15′7″, E 110°17′15″)以及支流汇合处的下游S3(N 25°13′10″, E 110°20′22″).
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图 1 采样点示意 Fig. 1 Locations of sampling sites |
污水的采样方法.采样前各工具使用蒸馏水清洗3遍以上.将12V直流水泵放入水下20~50cm处进行取样, 在采样过程中尽量保证流量稳定, 并通过流量计记录取样体积.在污水厂的进水和出水处分别采集水样20 L和30 L, 于2018年4月和5月期间共采集3个平行样.水样依次通过4个可移动的不锈钢筛网, 筛网孔径大小分别为0.50、0.20、0.10和0.025 mm.用蒸馏水将筛网上的残留物冲洗至玻璃瓶中, 带回实验室等待进一步分析.
表层水样、沉积物和生物样本的采集方法.于2018年9月在污水处理厂在漓江支流桃花江的排口(S1)、桃花江和漓江干流的汇合处(S2)和支流汇合处的下游(S3)采集表层水体、沉积物以及4种典型淡水生物样品.其中, 使用带有刻度标记的5 L不锈钢桶采集表层水样(0~10 cm), 使用孔径为0.025 mm的标准筛过滤后, 用纯水将残留物冲洗至玻璃瓶中.每个采样点每次采集30 L水样, 共采集了3次.沉积物样品使用抓斗式采泥器采集, 用不锈钢铲取表层0~5 cm沉积物样品装入广口玻璃瓶中, 每个采样点采集了3份沉积物样品.收集的水样及沉积物样品放至装有冰袋的保温箱中保存, 带回实验室进行后续处理.鲫鱼、罗非鱼、河虾以及田螺是河流生态系统中常见的物种, 也是常见的可食用水产品.所有生物样品都来自渔民当天从漓江中使用拖网打捞获取, 其中, S1获得了田螺、河虾以及罗非鱼, S3获得了田螺、河虾以及鲫鱼.生物样品基本信息如表 1所示.
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表 1 采样点生物样品基本信息 Table 1 Basic information of the biological samples at the sampling sites |
1.3 样品处理 1.3.1 污水样品的处理
所有样品放置于90℃烘箱中干燥至100 mL, 用芬顿试剂消解污水样品中的有机物[14].等待消解完全, 将样品放置于60℃的烘箱至水分完全蒸发, 加入饱和NaCl溶液(ρ=1.2 g ·mL-1)进行密度浮选, 取上浮部分用隔膜真空抽滤装置0.45 μm的玻璃纤维滤膜(GF/F, Whatman, 50 mm)过滤.最后, 将滤膜保存在有盖的培养皿中等待进一步分析.
1.3.2 表层水样和沉积物的处理将采集的水样转移到烧杯中, 按照水样体积加入适量30% H2O2试剂后, 用铝箔封口后放入60℃烘箱中处理24 h, 去除水样中的生物质.随后, 使用0.45 μm的玻璃纤维滤膜(GF/F, Whatman, 50 mm)将烧杯中的液体抽滤, 将滤膜保存在带盖培养皿中以进行下一步观察[15].沉积物中的微塑料提取采用密度浮选法[1].将沉积物样品在60℃烘箱中烘干至恒重后, 每个采样点称取100 g样品(n=3)置于1 L烧杯中, 每个烧杯中加入500 mL饱和氯化钠溶液, 充分搅拌后静置24 h.将上清液转移到另外的烧杯, 按照上述水样的处理方法处理, 每份沉积物样品重复提取3次.
1.3.3 淡水生物的处理对淡水生物(田螺、河虾和鱼类)中微塑料的提取参照Li等[16]的消解方法, 将生物样本带回实验室立即处理, 用超纯水冲洗生物表面, 测量其体长和质量.随后解剖并分离其软体组织, 称重后移至锥形瓶中.以40 :1的比例向每个锥形瓶中加入30% H2O2试剂, 即每5 g有机组织加入200 mL的H2O2试剂.将锥形瓶放入水浴恒温振荡器中以转速80r ·min-1和温度65℃消解24 h.消解完成后, 将溶液在室温下冷却24 h, 用0.45 μm孔径的玻璃纤维滤膜(GF/F, Whatman, 50 mm)抽滤, 将滤膜放入带盖培养皿中等待下一步观察.其中, 由于河虾的个体较小, 因此采用的是整只消解.
1.4 微塑料的识别与鉴定将滤膜置于体视显微镜(SAIKEDIGITAL SK2500H, China)下进行统计和筛选.对所有疑似微塑料进行拍照和测量, 记录微塑料的颜色、粒径和形状.微塑料粒径大小分为4个尺寸：0.025~0.10、0.10~0.20、0.20~0.50和0.50~5 mm.此外根据形状将微塑料分为纤维、碎片和薄膜.挑出后放置在洁净的滤膜上, 用傅里叶显微红外线光谱仪(Nicolet iN10, Thermo Fisher, USA)在透射模式下对挑选出的疑似微塑料颗粒进行成分鉴定.微塑料聚合物类型分为：聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯-聚乙烯共聚物(polypropylene-polyethylene copolymer, PP/PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、玻璃纸(cellophane)和聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PAN).
1.5 数据分析污水处理厂污水中微塑料丰度使用单位n ·m-3表示, 漓江表层水体中微塑料丰度使用单位n ·m-3表示, 沉积物中微塑料丰度使用单位n ·kg-1, 以干重沉积物计, 淡水生物中微塑料丰度使用单位n ·ind-1表示.采用Microsoft Office 2010和OriginLab 2017进行统计制图.采用ArcGIS 10.4绘制采样点图, 并利用SPSS 16.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同采样点表层水、沉积物和不同生物种类中微塑料丰度的差异显著性, P < 0.05有统计学意义.
2 结果与分析 2.1 北冲污水处理厂污水中的微塑料分布特征由图 2可知, 北冲污水处理厂进水和出水微塑料丰度分别为(700.0±220.0)n ·m-3和(70.0±0)n ·m-3.进水微塑料的粒径在0.50~5 mm的占35.7%, 在0.20~0.50 mm的占40.0%, 在0.10~0.20 mm的占17.1%.出水的微塑料粒径在0.50~5 mm的占50.0%, 在0.20~0.50 mm的占50.0%.北冲污水处理厂的微塑料形状有碎片、纤维和薄膜这3种, 其中进水的碎片, 纤维和薄膜分别占微塑料总量的78.6%、18.6%和2.9%.出水只有纤维.进水中微塑料的颜色主要为红色(36.0%)、绿色(24.0%)和透明(20.0%), 出水中微塑料的颜色主要为红色(37.5%)和黑色(37.5%).
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图 2 各采样点污水中微塑料分类 Fig. 2 Classification of MPs in sewage at each sampling point |
不同化学成分的微塑料在用途上存在差异, 根据微塑料的化合物类型可以对其来源进行初步推算.如图 3所示, 对污水中微塑料样品红外成分鉴定的结果统计表明, 污水中微塑料聚合物类型有PP、PE和PET这3种.由图 4可知, 碎片状微塑料包括PP(50.0%)、PE(37.5%)和PET(12.5%), 纤维状微塑料包括PP(16.7%)、PE(16.7%)和PET(66.6%).
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图 3 微塑料红外谱图 Fig. 3 Infrared spectrogram of MPs |
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图 4 污水中微塑料聚合物类型占比 Fig. 4 Ratio of MPs polymer type in sewage |
对污水处理厂在漓江支流桃花江的排口(S1)、桃花江和漓江干流的汇合处(S2)以及支流汇合处的下游(S3)这3个采样点表层水进行取样, 可以估算污水厂尾水排放口对微塑料分布的影响.数据显示(图 5), S1表层水中微塑料的平均丰度为(85.3±17.5)n ·m-3, S2表层水中微塑料的平均丰度为(52.7±15.5)n ·m-3, S3表层水中微塑料的平均丰度为(44.4±11.1)n ·m-3.S1表层水中的微塑料平均丰度显著高于S2和S3(P < 0.05). 3个采样点表层水体中的微塑料粒径均以0.50~5 mm为主, 比例达75.0%以上. 3个采样点表层水体中的微塑料形状相似, 均以纤维为主, 比例达70.0%以上.S1中主要颜色占比为：黑色(52.0%)和透明(17.0%).S2中主要颜色占比为：黑色(45.0%)和透明(25.0%).S3中主要颜色占比为：黑色(50.0%)、黄色(17.0%)和透明(17.0%).表层水体中微塑料聚合物类型有6种(图 6).碎片状微塑料聚合物主要为PP(47.6%)和PS(23.8%), 纤维状微塑料主要为PET(52.6%)和PP(26.3%).
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(a)丰度, (b)粒径, (c)形状, (d)颜色 图 5 表层水中微塑料分类 Fig. 5 Classification of MPs in surface water |
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图 6 表层水中微塑料聚合物类型占比 Fig. 6 Ratio of MPs polymer type in surface water |
数据显示(图 7), S1沉积物中微塑料的平均丰度为(340.0±40.0)n ·kg-1, S2沉积物中微塑料的平均丰度为(256.7±20.8)n ·kg-1, S3沉积物中微塑料的平均丰度为(210.0±30.0)n ·kg-1. S1沉积物中微塑料的平均丰度显著高于S2和S3(P < 0.05).沉积物中微塑料丰度的分布与表层水体中的一致, 最大值出现在S1. S1沉积物中小粒径微塑料含量更高, 0.10~0.20 mm和0.025~0.10 mm范围内的微塑料分别占微塑料总量的38.7%和35.8%, 而S2和S3沉积物中的微塑料以0.20~0.50 mm粒径范围内的为主, 分别占总量的40.0%和37.9%. 3个采样点沉积物中的微塑料形状可分为2种且类型相似, 均以纤维为主, 其次为碎片.S1中主要颜色占比为：透明(34.0%)和黑色(18.9%).S2中主要颜色占比为：透明(30.0%)和黑色(25.0%).S3中主要颜色占比为：绿色(27.0%)和透明(19.0%).沉积物中微塑料聚合物类型有6种(图 8).碎片状微塑料聚合物主要为PP(43.5%)和PP/PE(26.1%), 纤维状微塑料主要为PET(53.1%)和PP(15.6%).
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(a)丰度, (b)粒径, (c)形状, (d)颜色 图 7 沉积物中微塑料分类 Fig. 7 Classification of MPs in sediment |
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图 8 沉积物中微塑料聚合物类型占比 Fig. 8 Ratio of MPs polymer type in sediment |
水环境中分布的微塑料能够直接被水生生物摄食, 对水生生态系统的健康具有潜在威胁.因此, 对S1和S3采样点收集的生物样品开展调查研究, 可以了解微塑料在水生生物体内的累积现状.经统计分析, 本研究共191个生物样品, 其中在180个生物样品中检测出含有微塑料, 检出率为94.2%, S1和S3的生物样品特征以及体内微塑料的富集状况如表 2所示.S1淡水生物中的微塑料总体丰度为(2.7±6.0) n ·ind-1, S3淡水生物中的微塑料总体丰度为(1.9±2.6) n ·ind-1.空间尺度上, S1水生生物中的微塑料总体丰度显著高于S3(P＜0.05).S1不同物种微塑料累积丰度依次是罗非鱼(7.7±11.4) n ·ind-1>河虾>(2.2±2.8) n ·ind-1>田螺(1.0±0.3) n ·ind-1, S3不同物种微塑料累积丰度依次是鲫鱼(3.7±3.9) n ·ind-1>河虾(1.5±1.5) n ·ind-1>田螺(1.0±0.2) n ·ind-1. 2个采样点田螺、河虾和鱼体内微塑料丰度无显著性差异(P>0.05).
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表 2 生物体内微塑料丰度1)/ n ·ind-1 Table 2 Abundance of MPs in organisms/ n ·ind-1 |
由图 9可知, S1和S3生物体中的微塑料粒径均以 < 0.10 mm为主, 占比分别为46.0%和30.5%.生物体内分离的微塑料仅有纤维一种类型.S1中主要颜色占比为：黑色(39.7%)和透明(35.9%).S3中主要颜色占比为：透明(36.4%)和黑色(29.9%).黑色与透明的微塑料占主要部分, 生物体内微塑料的颜色与水体及沉积物中微塑料的颜色基本一致.由图 10可知, S1生物中聚合物类型主要占比为PET(田螺：37.5%、河虾：54.5%、罗非鱼：70.8%)和PP(田螺：20.8%、河虾：27.3%、罗非鱼：8.3%).S3生物中聚合物类型主要占比为PP(田螺：44.4%、河虾：33.3%、鲫鱼：33.3%)和PE(田螺：22.2%、河虾：25.0%、鲫鱼：26.7%).
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图 9 淡水生物中微塑料分类 Fig. 9 Classification of MPs in freshwater organisms |
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图 10 淡水生物中微塑料聚合物类型占比 Fig. 10 Ratio of MPs polymer type in freshwater organisms |
北冲污水处理厂进水微塑料丰度为(700.0±220.0)n ·m-3.与其他地区的污水处理厂相比, 本研究所测得的进水微塑料丰度处于较低水平.例如, 贾其隆等[17]调查上海市2个大型污水厂发现, 进水中微塑料的平均丰度为(199 080.0±22 970.0)n ·m-3.Yang等[18]研究我国北京污水处理厂发现, 进水中微塑料的平均丰度为(12 030.0±1 290.0)n ·m-3.汪文玲等[19]调查厦门地区城市污水处理厂发现, 进水中微塑料的平均丰度为1 700.0 n ·m-3.除了采样方式的影响外, 这可能还与研究地区居民的生活习惯及污水厂处理工艺的区别有关[17].北冲污水处理厂的总去除率达到89.2%, 这表明城市污水处理厂对减少城市微塑料污染物进入漓江淡水环境发挥了重要作用.但与其他同类研究相比(>90.0%)[9, 20], 其去除率相对较低, 这表明该地区的城市污水处理厂的运营和管理还有提升的空间.碎片和薄膜主要来自大型塑料的破碎, 比如日常生活中广泛使用的包装袋、塑料瓶以及其他大型塑料制品等.污水中的纤维来源包括合成纤维的洗涤和纺织品老化过程中的脱落, 据Browne等[21]的报道, 在每次洗涤过程中, 服饰的合成材料中会产生约1900根纺织纤维, 大量的纤维可通过污水管道进入城市污水处理系统中.重力沉降在污水厂微塑料的去除中起着重要作用, 而生物结垢会加速这一过程[22, 23].碎片和薄膜拥有更大的表面积, 使更多的微生物在其表面附着生长, 因此碎片和薄膜状微塑料更容易沉降至污泥中.在污水厂的最终出水中纤维占主要成分, 原因可能是纤维状塑料自身具有一定的柔韧性, 能够在外力的作用下发生变形扭曲, 从而减小了机械外力的破坏, 从而避免破碎而形成更小粒径的纤维状塑料[24], 因此尾水排放中大粒径范围的纤维状塑料的占比高于小粒径范围.显微红外光谱仪鉴定微塑料样品的聚合物类型, 主要为PET, 其次为PE和PP. PET纤维被广泛应用于服装生产, 因其由洗衣机的废水携带而经常在污水中被检测出.PP和PE是全球范围内被广泛生产和使用的塑料类型, 它们通常被用于制作薄膜、包装袋以及容器等, 这些塑料制品在日常生活的使用过程中容易发生破碎而进入污水管网中[25].经过污水厂的处理, 出水中微塑料量显著减少, 微塑料丰度由进水的(700.0±220.0)n ·m-3降至70.0n ·m-3, 考虑到污水厂日处理量为3.0×104 m3, 总去除率为89.2%.尽管污水处理厂对微塑料的去除率较高, 但污水处理厂尾水中每年仍然约有7.7×108个微塑料被释放到水体中.污水处理厂是河流微塑料污染的一个重要排放源.污水经处理之后直接排放至地表水体之中, 随之排放的微塑料可能会带来生态风险, 例如淡水生物摄取微塑料本身的潜在不利影响, 以及微塑料与其它污染物相互作用下产生的新的环境风险.
S1表层水中的微塑料平均丰度显著高于S2和S3, Estahbanati等[26]调查美国Raritan River发现, 在城市污水处理厂排放口邻近下游水域中微塑料丰度为(71.7±60.2)n ·m-3.另一项研究, McCormick等[27]调查美国Chicago River也有同样的发现, 在城市污水处理厂排放口邻近下游水域中微塑料丰度为(17.9±11.0)n ·m-3.可见, 城市污水处理厂尾水排放口可作为河流微塑料点源污染的污染源.与干流不同的是, 支流河流的水容量要小得多[28], 对微塑料污染物的稀释能力严重不足, 因而支流河流中微塑料污染物的数量浓度相对较高.沉积物中微塑料粒径以 < 0.50 mm为主, 该结果与先前的研究结果相似.根据Chubarenko等[22]和Fazey等[23]的研究指出, 小粒径的微塑料具有更大的比表面积, 且生物膜的附着会使微塑料的密度增加而加速沉降, 会加速这一过程, 因此导致了沉积物中小粒径微塑料的占比相对较大.同时, 小粒径的微塑料可能更容易被水生生物摄食, 对生物具有广泛的影响.
3.2 污水处理厂排口对漓江支流及其下游干流生物体中微塑料累积的影响S1和S3这2个采样点的淡水生物的微塑料检出率为94.2%, 表明微塑料生物体摄食现象广泛存在于漓江淡水环境的重要水生生物中.S1淡水生物中的微塑料平均丰度显著高于S3, 说明环境中塑料污染的程度不同对于生物来说, 其周围环境中的塑料可利用性也就存在差异[29], 从而直接影响了环境中淡水生物对塑料的摄食情况.Pazos等[29]的研究发现, 与从巴西里约热内卢河口淡水带的其它地点收集的鱼类相比, 靠近污水厂收集的鱼类消化组织中微塑料丰度明显更高.S1位于漓江支流且在污水厂排口邻近下游, 较小的河流流量增加了微塑料污染风险和生物富集的可能性.由于自身能量需求, 体型较大的生物将消耗更多的食物(可能包含微塑料), 因此摄入微塑料的几率更大[30].生物体内发现的微塑料仅有纤维一种类型, 而纤维状的微塑料的聚合物类型以PET和PP为主, PET塑料其来源可能主要为污水处理厂尾水排放中的纤维[21].PP塑料则有可能是由于该地区鱼线等渔具在使用中的磨损脱落或是这些渔具裂解后而形成纤维状微塑料.由于微塑料的形状和丝状结构, 纤维更容易被淡水生物摄食, 且在被摄食后, 容易在其体内打结或结块, 造成消化道阻塞[31], 从而导致纤维状微塑料在淡水生物中累积.生物体中的微塑料粒径均以 < 0.10 mm为主, 该结果与沉积物中微塑料粒径相似, 微塑料在水体中能够沉降至河流底部并富集于河底沉积物中, 对于栖息于水体底部的生物来说, 在摄食过程中吞食大量沉积物则会造成微塑料在其体内富集.
4 结论污水处理厂的尾水排放是河流微塑料污染的重要来源.本研究发现漓江支流桃花江排口表层水体和沉积物中的微塑料丰度显著高于桃花江和漓江干流的汇合处以及支流汇合处下游的微塑料丰度, 污水处理厂的尾水排放口对邻近下游的河流水生环境的微塑料污染影响较大, 尤其是排口位于流量相对干流较小的支流.受水生环境微塑料污染影响, 淡水生物体中普遍检出微塑料的存在(94.2%), 生物体中的微塑料形状和城市污水厂排放尾水中微塑料形状一致, 邻近尾水排放口附近的支流河道中的生物体内微塑料丰度显著高于下游干流河道, 这说明污水处理厂尾水排放对水环境以及淡水生物中微塑料的丰度和空间分布产生显著影响.
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