2021, Vol. 42
2. 江苏海洋大学江苏省海洋生物产业技术协同创新中心, 连云港 222005;
3. 江苏海洋大学江苏省海洋生物技术重点实验室, 连云港 222005
, SONG Ke-xin1 , SUN Yi-xin1 , FANG Tao1,2,3 , LI Jin-zhen1 , ZHANG Tao1,2,3 , FENG Zhi-hua1,2,3
2. Co-innovation Center of Jiangsu Marine Bio-industry Technology, Jiangsu Qcean University, Lianyungang 222005, China;
3. Jiangsu Key Laboratory of Marine Biotechnology, Jiangsu Ocean University, Lianyungang 222005, China
塑料自从被发明以来, 就在各行各业得到了广泛应用, 据报道, 每年塑料增长量约9%, 2018年年产量达到了3.59亿t[1].由于处理不当, 随之而来的污染问题也不可忽视.Eriksen等[2]的研究表明, 超过5.25万亿颗粒, 重达268 940 t的塑料碎片进入海洋环境.这些塑料垃圾在太阳能、风能、海洋物理化学和生物降解作用下形成更小的塑料碎片, 其中粒径小于5 mm的塑料碎片被称为微塑料[2~6].微塑料具有更小的粒径, 能够随着洋流、波浪和潮汐运动在海洋中进行转移, 因此广泛分布于海水[7~10]、入海河流[11]、海岸带[12, 13]和沉积物[7, 14]中, 包括两极[15]和深海[16]等极端环境, 被科学家称为海洋中的PM2.5.环境介质中微塑料会被许多海洋生物主动或被动摄食.有研究表明, 鱼类和蟹类的鳃和消化道中都发现微塑料的聚集[17~19], 在海胆的生殖腺和体腔液中同样发现较高丰度的微塑料累积[20].海洋生物对微塑料的摄食行为不仅会造成胃肠道的物理损伤和堵塞, 减少营养物质摄取[21, 22].室内毒理实验表明, 微塑料还会产生包括抑制生长、能量下降、死亡率升高、幼体存活率下降和生殖能力下降等不利影响[23].
环节动物门多毛纲游走目的沙蚕科, 在海洋无脊椎动物中占据重要地位, 其种类达80余种, 数目巨大, 是潮滩沉积物中最为常见的生物类群之一[24].由于生长速度快, 生产成本低和营养丰富等特征, 沙蚕是众多甲壳类动物、鱼类和鸟类等海洋生物的重要食物来源[25].尽管沙蚕在海洋生态系统中起到重要作用, 但是目前国内关于沙蚕的微塑料污染研究却鲜见报道.本文以海州湾地区沙蚕和潮滩沉积物为研究对象, 探究其微塑料的分布和污染特征, 进一步分析沙蚕中微塑料的来源, 考察沙蚕作为微塑料污染指示生物的可能性.
1 材料与方法 1.1 站位设置与样品采集海州湾是黄海的一个半开阔性海湾, 也是中国重要的养殖海湾之一.由于地理位置处于基岩-砂质海岸和淤泥质海岸的交汇地带, 海州湾拥有较长的海岸线和丰富的潮间带生物资源[26].本研究选择柘汪镇、海头镇和西墅村临海区域这3个海水养殖区作为研究对象, 共设置3个断面(断面1~3)和9个采样站位(S1~S9)(图 1).站位信息详见表 1.
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图 1 调查站位示意 Fig. 1 Sampling sites |
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表 1 调查站位信息 Table 1 Summary of research sites |
选择退潮时段采集样品, 在每一断面的高、中和低这3个潮区分别布设取样点.每一站位使用沉积生物定量采样框(25 cm×25 cm×30 cm)采集生物样品, 每个取样点各采集3个样方.同时用于分析潮滩沉积物中微塑料, 全部样品在同一天采集完毕.以孔径1 mm的筛子筛出生物样品并挑选沙蚕.沙蚕样品用PE材质的密封储物袋密封, 放入冷冻箱中暂存, 并迅速转移至实验室, 在-20℃的冰箱中储存.沉积物样品采用PE材质的密封储物袋密封保存, 在转移至实验室后于避光阴凉处存放.此外, 现场调查同时收集研究区域内的绳索、养殖网帘、泡沫球和塑料材质的废弃物等物品, 用于微塑料的来源解析.
1.2 微塑料分离与鉴定为减少实验误差, 蒸馏水与所有试剂均通过3 μm玻璃纤维滤膜抽滤后使用; 实验台和实验仪器使用前用蒸馏水冲洗; 实验人员全程着纯棉实验服, 佩戴丁腈手套; 设置空白对照, 以减少实验过程中的微塑料污染.
样品解冻后, 用已过滤的蒸馏水将沙蚕表面冲洗干净, 用吸水纸吸干表面水分, 随后使用精密电子天平测量质量.生物样品的消解参考Karami等[27]的研究：使用10% KOH溶液对样品进行消解, 并在40℃的电热恒温振荡水槽恒温水浴24 h, 直至消解液清澈透明.称取300~400 g的沉积物(湿重)于玻璃烧杯中, 用铝箔纸封口以避免污染.样品在70℃的烘箱中烘干, 以获得准确干重(精确到1 mg).每一样品中加入800 mL饱和氯化钠(NaCl)溶液用以浮选, 自然沉降24 h后, 取上清液进行抽滤, 抽滤过程与生物样品相同.使用玻璃纤维滤膜(孔径3 μm, 直径47 mm, 海宁金正)对消解液进行抽滤, 滤膜保存在干净的培养皿中.
将滤膜置于Nikon体视镜下观察、测量并拍照, 记录微塑料的形态、颜色和粒径特征以便后续统计分析.粒径统计中按照每500 μm一个梯度将其分为10组进行统计[28, 29].随机挑选微塑料, 使用傅里叶变换红外光谱仪(μ-FT-IR, Nicolet iN10, Thermo Fisher Scientific, USA)对微塑料材质进行鉴别.本研究中站位使用Surfer 16绘制, 其它使用Origin 2018绘制, 实验结果使用SPSS 2020进行统计分析.
2 结果与分析 2.1 沉积物中的微塑料 2.1.1 沉积物中微塑料的丰度特征海州湾潮滩沉积物中共分离微塑料1392个, 9个采样站位丰度介于0.27~0.75 n·g-1之间[平均丰度为(0.49±0.24)n·g-1]. 所有站位中, S7站位[(0.75±0.33)n·g-1]沉积物中微塑料丰度最高, 并显著高于S3[(0.27±0.12)n·g-1]、S5[(0.35±0.14)n·g-1]和S6[(0.31±0.15)n·g-1]这3个站位[独立样本t检验, P＜0.05, 图 2(a)].但单因素方差分析表明, 各站位之间微塑料丰度无显著性差异(F8=1.860, P=0.131).对不同断面和潮带进行双因素方差分析发现, 不同潮带沉积物样品中的微塑料存在丰度差异(F2, 4=5.902, P=0.011), 高潮带[(0.68±0.24)n·g-1]显著高于中潮带[(0.46±0.22)n·g-1]和低潮带[(0.33±0.13)n·g-1], 但中潮和低潮之间微塑料丰度并无显著性差异, 如图 2(b).断面1的潮滩沉积物中微塑料丰度最高, 为(0.58±0.26)n·g-1, 断面2最低, 为(0.42±0.22)n·g-1, 3个断面之间并无显著性差异[F2, 4=1.312, P=0.294, 图 2(c)].不同断面和潮带对沉积物中微塑料丰度不存在交互作用(F2, 4=0.112, P=0.977).
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相同的小写字母表示无显著性差异(P>0.05),不同的小写字母表示有显著性差异(P <0.05) 图 2 海州湾潮滩沉积物中微塑料站位、潮带和断面分布 Fig. 2 Distribution of microplastics from tidal flat sediments in different sites, tidal zones, and sections of Haizhou Bay |
海州湾潮滩沉积物中的微塑料可以分为纤维、碎片、泡沫、薄膜和微珠等5个类别[图 3(b)], 其中, 占比最多的是纤维类[(43.69±10.92)%], 随后依次为碎片类[(28.45±11.07)%]、发泡类[(14.76±9.23)%]、薄膜类[(10.09±6.23)%]和微珠[(3.02±4.02)%], 不同形态类型出现频率具有显著性差异(F4=90.121, P=0.000).本研究中, 潮滩沉积物中微塑料的颜色类型有10种以上, 为便于统计, 将其简单归类为5个色系, 分别为黑灰色、白色透明、蓝绿色、橙黄色和红粉色, 如图 3(c).出现频率最高的为黑灰色[(37.93±19.30)%]和白色透明[(31.83±14.08)%]两类微塑料, 并显著高于其它3类(F4=44.738, P=0.000).而对于不同的断面、潮带以及站位, 微塑料的形态和颜色均未表现出显著性差异.随着粒径增加, 每组的微塑料检出个数逐渐减少, 0~500 μm的微塑料个数占比22.76%, 而4 500~5 000 μm的微塑料仅有2.27%.
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(a)分离出的微塑料; (b)形态; (e)颜色; (d)材质 图 3 海州湾潮滩沉积物中分离出的微塑料及其形态、颜色和材质特征 Fig. 3 Microplastics and their characteristic morphology, color, and material isolated from Haizhou Bay tidal flat sediments |
随机抽取约20%的滤膜, 将上面的疑似微塑料颗粒用于傅里叶红外光谱检测.检测结果表明, 海州湾潮滩沉积物样品中的微塑料材质类型多样, 占比超过10%的微塑料材质有4种, 分别为聚乙烯(polyethylene, PE)、聚酯纤维(polyester, PET)、聚苯乙烯(polystyrene, PS)和聚丙烯(polypropylene, PP), 其总个数占检测总数的71.17%.除此之外, 还有乙烯-丙烯共聚物(polypropylene-polyethylene, PP-PE)、赛璐玢(cellophane, CP)、尼龙(Polyamide, PA)、人造纤维(Rayon)和聚醚型聚氨酯(polyether polyurethane, PEU)等[图 3(d)].
2.2 沙蚕中微塑料污染特征 2.2.1 沙蚕中微塑料丰度本研究共捕获52只沙蚕, 每一站位采集到4~8只. 3个潮带中, 高潮带平均每个站位4.33只, 显著低于中潮带(平均7只)和低潮带(平均6只)(F2=12.250, P=0.008), 体重范围为0.12~2.63 g.按照质量将沙蚕分为 < 0.5、0.5~1、1~1.5和>1.5 g 4个组别, 每组9~17只(表 2).其中, 43只沙蚕体内发现微塑料, 检出率为77.78%~86.67%, 最高检出率出现在0.5~1 g质量组, 最低则为>1.5 g质量组.本研究发现, 沙蚕中微塑料的丰度差异较大, 最低时未检出, 最高可达20 n·ind-1.按照质量分组进行统计, 沙蚕中微塑料丰度为3.82~10.78 n·ind-1, 质量组之间存在显著性差异(F3=141.029, P=0.000).如图 4(a), 最高质量组(>1.5 g)沙蚕中微塑料丰度显著高于最低的两个质量组(< 0.5 g和0.5~1 g, P < 0.05), 且随着质量增加, 每组沙蚕中微塑料的平均丰度同样出现增长.数据分析表明, 沙蚕摄入微塑料个数与其个体质量显著正相关[Pearson相关分析, r=0.42, P=0.002, 图 4(b)].
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相同的小写字母表示无显著性差异(P>0.05), 不同的小写字母表示有显著性差异(P < 0.05) 图 4 沙蚕中微塑料丰度及其与个体质量的相关性 Fig. 4 Microplastic abundance in ragworm and correlation between the number of microplastic particles and individual mass of the ragworm |
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表 2 沙蚕生物特征与摄入微塑料情况 Table 2 Summary of biological characteristics and microplastic uptake of ragworms |
2.2.2 沙蚕中微塑料污染特征
本研究发现, 沙蚕中微塑料的形态以纤维为主, 4组沙蚕中纤维状微塑料占比达88.10%~91.75%, 随后依次为薄膜和碎片.在较低的两个质量组(< 0.5 g和0.5~1 g)中, 薄膜(7.14%和6.06%)占比高于碎片(2.38%和3.03%), 在较高的两个质量组(1~1.5 g和>1.5 g)中恰恰相反.此外, 两个较高的质量组中还发现了一定比例的微珠(1~1.5 g：微珠占比2.38%; >1.5 g：微珠占比1.03%), 但两个低质量沙蚕组中并无发现.而颜色的对比中, 不同质量的沙蚕之间并未发现较明显的差异, 整体以黑色、蓝色和红色塑料为主.在1~1.5 g和>1.5 g两组沙蚕中发现了白色微塑料, 另外两组则没有发现.这表明低质量和高质量沙蚕之间存在差异性.
所有沙蚕中共发现331个疑似塑料碎片, 本研究随机选取其中约20%滤膜上的疑似微塑料颗粒, 使用傅里叶变换红外光谱仪进行鉴定.鉴定发现, 其中超过90%的塑料为PE、PET、Rayon和CP这4种材质, 其它则为PP和PP-PE等[图 5(c)].沙蚕中微塑料粒径范围为0.12~4.59 mm, < 1 mm的微塑料占比达到55.29%, 超过93.95%的微塑料小于2.5 mm, 3 mm以上的塑料微粒仅有6个.本研究发现, 随着微塑料粒径增加, 沙蚕摄入的数量呈指数减少[图 5(d)].
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(a)形态; (b)颜色; (e)材质; (d)粒径 图 5 沙蚕中微塑料形态、颜色、材质和粒径特征 Fig. 5 Characteristics of morphology, color, material, and size of microplastics in ragworm |
本研究还发现, 沙蚕与沉积物中的微塑料的形态特征和颜色类型等方面存在一定程度相似性, 发现最多的形态类型均为纤维, 黑灰色是最常见的颜色, 而材质类型均为PE和PET.考虑到沙蚕对微塑料粒径的选择性, 对沉积物中3 mm以下的微塑料进行统计(图 6), 发现沉积物和沙蚕中微塑料的丰度呈正相关(r=0.79, P=0.01).在这一粒径范围内, 潮滩沉积物中微塑料形态以纤维和碎片为主(77.40%), 与沙蚕中的微塑料显著相关(r=0.905, P=0.035), 并在材质比较中同样发现了相关性(r=0.73, P=0.024).此外, 差异性分析表明, 沉积物中微塑料与沙蚕中微塑料粒径不存在显著性差异.
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图 6 沙蚕与沉积物中微塑料丰度、形态和材质的相关性 Fig. 6 Correlation between microplastic abundance, shape, and materials in ragworm and sediment |
本研究中, 海州湾沉积物中微塑料形态主要为纤维类(53.90%), 其中又以黑色和蓝色为主, 成分主要为PE和PET, 这一发现与李征等[30]对海州湾近海水域和沉积物中的研究结果相似, 同样以蓝色和黑色纤维(58.3%)为主.根据调查发现, 海州湾海滩上遗落有较多的养殖垃圾, 多为蓝色渔具, 如塑料容器碎片, 蓝色网帘和鱼线等, 经红外分析多为PE、PET或PP制品.此外, 还有许多碎裂的白色泡沫垃圾被丢弃在海滩上, 为PS材质, 与本研究中分离出的许多白色发泡类形态类似.由此可以推测, 潮滩沉积物中微塑料与近岸海域环境存在关联.
海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度为(0.49±0.17)n·g-1, 与近岸沉积物中微塑料的丰度[(0.33±0.26)n·g-1]相似.通过查阅国内外对沿海滩涂沉积物中微塑料的相关研究, 以同样的粒径 < 5 mm计数、以n·g-1为单位计量, 与海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度进行比较(表 3).发现海州湾潮滩沉积物中微塑料污染虽然低于南海的6个海滩[31](13.88 n·g-1), 但对比渤海辽东湾[32](0.128 n·g-1)和恰巴哈尔海湾[35](0.26±0.017)n·g-1等而言, 仍旧处于较高水平, 并远高于厦门湾[33](0.028~0.31n·g-1).与同样以养殖业和旅游业作为经济支柱产业的沿岸区域相比, 海州湾略低于印度本地治里海岸[36], 但稍高于舟山海域[34].在Dowarah等[36]的研究中提出, 旅游活动与微塑料丰度之间存在弱相关(r=0.04, P=0.932), 而养殖活动则与其存在较强的相关性(r=0.92, P=0.0103).考虑到海州湾是一个传统养殖海湾, 该区域较高的微塑料丰度可能受到大规模海水养殖的影响.王洪燕[34]在舟山附近的养殖海滩研究中发现, 微塑料的丰度为(0.46±0.18)n·g-1, 与本研究中的丰度结果类似, 并且, 该研究中微塑料的主要材质同样为PE、PET和PS等渔业常用器具的材质.海水养殖生产过程中, 渔网、浮球、绳索和鱼线等塑料制品大量进入海洋环境并转化为微塑料[37, 38].在山东半岛潮滩沉积物的调查中已经证明, 海水养殖活动会提高其周边潮滩沉积物中微塑料的丰度[39].这表明密集的养殖活动是海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度较高的重要原因.此外, 由于海州湾同时也是连云港港口所在区域, 临洪河和善后河等河流从此处入海, 来往船舶[40]、生活垃圾[41]和河流输入[42]同样可能是影响海州湾区域微塑料丰度的原因.
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表 3 不同地区沉积物中微塑料丰度 Table 3 Microplastic abundance in sediments of different regions |
3.2 海州湾沙蚕中微塑料污染水平
沙蚕中发现的塑料形态多为黑色或蓝色小纤维, 与沉积物中相似, 丰度为(6.68±2.21)n·ind-1或(9.57±9.32)n·g-1. Missawi等[43]在南地中海海岸的沉积物研究中发现, 沙蚕会摄入一定量的微塑料, 丰度仅为0.2~1.9 n·g-1.而Bour等[44]在挪威奥斯陆峡湾的研究中发现, 沙蚕中微塑料的丰度为2 n·ind-1, 孔雀缨鳃蚕中微塑料的丰度仅为1 n·ind-1.本研究中沙蚕体内微塑料的含量处于较高水平.
在潮滩环境中, 行动能力较弱、分布广泛的贝类通常被作为微塑料指示生物.由于沙蚕乃至环节动物门的相关研究较少, 本文选择了同一生境中经常被建议作为微塑料指示生物的其它物种进行比较(表 4).沙蚕中微塑料含量与中国沿海贻贝中的微塑料丰度(5~7.6 n·ind-1)相近[45], 低于加拿大野生贻贝中微塑料的含量[48], 而远高于中国太湖和象山湾的双壳类研究[46, 47].同样作为潮间带常见物种, 贻贝等双壳类属于滤食性生物, 而沙蚕属于沉积食性, 二者摄食行为的不同或许是影响微塑料摄入的原因之一.对潮间带生物而言, 微塑料丰度的影响因素并不是单一的[45], 传统研究表明, 微塑料在不同生物体内存在差异, 沙蚕与双壳类生物微塑料污染水平差异或与微塑料滞留时间有关.沙蚕对沉积物中的微塑料进行无区别的摄入, 而更多的微塑料累积会影响沙蚕的代谢过程, 导致更长的肠道滞留时间[49].
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表 4 不同地区底栖生物中微塑料丰度 Table 4 Microplastic abundance in benthos of different regions |
3.3 沙蚕生物体内微塑料及对沉积物中微塑料的指示作用
有研究表明海洋生物会摄入环境中的微塑料[7, 50], 并提供了底栖生物摄入微塑料的相关佐证[51~53].如Muller-Karanassos等[53]的研究中提出, 沙蚕会摄取沉积物中的防污油漆颗粒(0.5~2 mm).本研究发现, 沙蚕中微塑料的材质主要为PE(42.86%)和PET(23.21%), 这同时也是潮滩沉积物中出现频率最高的微塑料材质.沙蚕中微塑料与潮滩沉积物中0~3 mm粒径范围内的微塑料在丰度上具有正相关, 其形态和材质同样存在相关性.由此推测, 沙蚕摄取微塑料的主要来源是潮滩沉积物, 并主要摄取0~3 mm粒径范围内的微塑料.Missawi等[43]在南地中海的研究中同样指出沙蚕会摄取沉积物中0~3 mm的微塑料, 并进一步表明, 沙蚕对微塑料粒径的选择受到过氧化氢酶的影响, 与其体内的氧化作用有关.
有研究指出, 海洋物种可以作为指示生物对微塑料污染积累和影响提供支持[54].目前微塑料指示生物研究多集中于海洋水体环境, 对沉积物, 尤其是潮滩沉积物中的生物研究较少.Li等[45]的研究中提出, 贻贝可以富集环境中的微塑料, 并提出贻贝或许可以作为微塑料污染的指示生物.也有研究认为, 斑马鱼[22]、浒苔[55]和浮游动植物[56]同样考虑作为微塑料污染的指示种. Wang等[57]的研究发现, 底栖生物中微塑料的含量与沉积环境呈正相关, 为底栖生物作为微塑料污染的指标提供了研究方向.
然而, 需要特别指出的是, 底栖生物摄入微塑料的行为取决于微塑料的形态大小等特征与相关物种的摄食习惯[58].因此, 在指示种的选择中, 应充分考虑其生态特征与对微塑料的选择性.沙蚕的消化管是一条直管, 其口、咽、食道、胃肠和肛门笔直连通, 由食道中微小的颚齿对摄入的沙石和泥土等进行磨碎, 并利用食道腺分泌的消化液消化, 每隔约40 min进行一次排泄, 排出无法消化的摄入物.在这一过程中, 微塑料会随着沙石和泥土进入沙蚕体内, 一部分经过简单的生物降解后再被排出体外.但同时, 许多物种的研究中发现, 存在微塑料在生物器官中滞留的现象[59~61].因此认为, 沙蚕与沉积物中的微塑料存在交换现象, 且会随着不断的进食在体内积累微塑料, 在一定程度上能够反映其所在沉积环境中微塑料的污染状况.
此外, Su等[46]在微塑料的指示生物研究中指出, 应该考虑生物分布范围与生物总量等因素.全球范围内, 沙蚕从潮间带上部到深海底均有分布[62], 其作为鱼类、虾蟹类和海鸟类的饵料, 在生态系统中具有重要作用. 20世纪80年代初, 江苏省春季和秋季的沙蚕总资源量分别达到2 291 t和2 522 t.此后, 随着环境恶化该数据有所下降, 但沙蚕仍旧是潮滩沉积环境中的优势物种[24].这表明从生理特性和物种密度两方面而言, 沙蚕基本具备作为沉积物中微塑料污染的指示种的条件, 对沉积物中小于3 mm粒径的微塑料丰度和相关特征存在指示作用, 可考虑作为微塑料污染的指示物种.
4 结论(1) 海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度为(0.49±0.17)n·g-1, 与国内外其它区域相比, 这一微塑料丰度水平相对较高.经过比较, 海州湾沙蚕中微塑料的丰度也高于其它区域的潮间带生物.考虑到采样区域均为养殖海滩, 密集的海水养殖产业或为微塑料富集的原因之一, 沙蚕特殊的摄食行为也有一定的贡献量.
(2) 52个沙蚕个体中, 43个检出微塑料, 平均丰度为(6.68±2.21)n·ind-1.沙蚕中微塑料的丰度与其生物质量呈显著正相关.沙蚕中检出的微塑料以黑色和蓝色纤维为主, 主要材质为PE、PET和Rayon.高质量组沙蚕和低质量组沙蚕之间存在形态和颜色上的区别.
(3) 沙蚕与潮滩沉积物中0~3 mm微塑料的丰度、形态和材质均呈现显著相关, 本研究认为沙蚕会摄取沉积物中0~3 mm的微塑料.考虑到沙蚕的生理特性和广泛分布等特征, 建议将沙蚕作为微塑料污染的指示生物的考虑物种, 并进一步开展微塑料污染指示生物的选择研究.
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