环境科学  2022, Vol. 43 Issue (3): 1463-1471   PDF    
乌梁素海低密度微塑料聚合物沉降规律
刘禹1,2, 史小红1,2, 张生1,2, 郝若男1, 孙标1,2, 赵胜男1,2     
1. 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018;
2. 内蒙古自治区水资源保护与利用重点实验室, 呼和浩特 010018
摘要: 沉降是低密度微塑料聚合物在湖泊中的主要迁移过程.为探究乌梁素海中低密度微塑料聚合物的沉降规律,基于微塑料和悬浮微粒的相似和不同之处设计微塑料捕获器和沉降试验方法,定量描述不同形状和不同大小的低密度微塑料聚合物在乌梁素海的沉降过程.结果表明,各类型低密度微塑料聚合物沉降通量随风速变快而增大,其中形状为纤维状,各种尺寸(0.05~0.5、0.5~2和2~5 mm)的低密度微塑料聚合物沉降通量与风速的相关性较好,相关系数变化范围为0.218~0.836.在不同点位处,不同风速下,形状为纤维状、碎片状、块状和薄膜状,各种尺寸(0.05~0.5、0.5~2和2~5 mm)的低密度微塑料聚合物沉降通量变化范围分别为0~(1458±284)、0~(368±144)、0~(71±37)和0~(85±65)n·(m2·d)-1.在形状相同的情况下,大尺寸的低密度微塑料聚合物更容易沉积,而小尺寸的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移.在尺寸相同的情况下,纤维状和薄膜状的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移,而碎片状的低密度微塑料聚合物更容易沉积.
关键词: 低密度微塑料聚合物      微塑料捕获器      沉降      乌梁素海      风速     
Deposition Law of Low-Density Microplastics Aggregation in Wuliangsu Lake
LIU Yu1,2 , SHI Xiao-hong1,2 , ZHANG Sheng1,2 , HAO Ruo-nan1 , SUN Biao1,2 , ZHAO Sheng-nan1,2     
1. School of Water Conservancy and Civil Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China;
2. Key Laboratory of Water Resources Protection and Utilization, Hohhot 010018, China
Abstract: Deposition is the main migration process of low-density microplastic aggregation in lakes. In order to explore the deposition law of low-density microplastic aggregation in Wuliangsu Lake, a microplastic trap was designed and applied to examine the deposition process based on the similarities and differences between microplastics and naturally occurring suspended solids. The deposition processes of different sizes and shapes of low-density microplastic aggregation were quantified in Wuliangsu Lake. The results showed that the deposition fluxes of all types of low-density microplastic aggregation increased with wind speed. The deposition of flux of low-density microplastic aggregations with a similar shape of fiber and with a size ranging from 0.05-0.5, 0.5-2, and 2-5 mm had better correlation with wind speed. The correlation coefficient changed from 0.218 to 0.836. The deposition of flux of low-density microplastic aggregations with a similar shape of fiber, fragment, grain, and film and with size ranging from 0.05-0.5, 0.5-2, and 2-5 mm under different wind speeds at different experiment sites changed from 0-(1458±284), 0-(368±144), 0-(71±37), and 0-(85±65)n·(m2·d)-1, respectively. Furthermore, we found that, when shape was held constant, larger low-density microplastic aggregations were more likely to be deposited, whereas smaller low-density microplastic aggregations were more likely to be transported. When size was held constant, fragmentary low-density microplastic aggregations were more likely to be deposited than fibrous and film microplastic.
Key words: low-density microplastic aggregation      microplastic trap      deposition      Wuliangsu Lake      wind speed     

湖泊是水资源和水利资源的重要储藏地, 在美化环境和降解污染等方面发挥着重要作用.近些年来, 随着湖泊周边人类活动日益频繁, 湖泊微塑料污染问题日益凸显.目前, 无论是城市湖泊还是高山湖泊, 均已发现微塑料的踪迹[1~3].微塑料会对湖泊生态环境造成一系列负面影响.比如, 微塑料易被水体中的浮游动物和鱼类等生物误食, 其危害包括抑制浮游植物生长[4], 影响浮游动物摄食和运动能力[5], 危害牡蛎的滤食行为和繁殖[6], 导致鱼类生病等[7].微塑料尺寸小, 比表面积大, 疏水性强, 是重金属、有机物环芳烃和多溴联苯醚等污染物的载体[8~10].此外, 微塑料还含有许多化学添加剂, 如在生产过程中为了改善塑料的性质或延长其寿命, 通常会添加稳定剂、增塑剂、阻燃剂或抗氧化剂等, 这些化学品对环境均有一定有害影响[11].对比大块塑料, 微塑料在湖泊环境中更难降解, 易在大气、水体和沉积物间迁移, 并在某一环境介质中相对富集[12~14].由于其本身具有毒性并携带大量污染物, 微塑料在湖泊中的迁移和归趋对湖泊环境具有一定影响, 所以了解湖泊中微塑料的迁移规律具有重要意义.

一般而言, 微塑料在湖泊中的迁移和归趋主要取决于其密度.高密度微塑料(密度大于水的微塑料)在进入湖泊后首先会在重力作用下沉降到沉积物中, 并不断累积, 如太湖、三峡水库和Chusi湖沉积物中的微塑料丰度分别高达15~160、25~300和234 n ·kg-1, 其中三峡水库和太湖沉积物中微塑料主要类型分别为PS和PET, 密度均大于水[15~17].低密度微塑料(密度小于水的微塑料)通常只能漂浮或悬浮在水体当中, 在水动力的作用下进行扩散[18].但在水环境的长期作用下, 微塑料的表面形态会发生变化, 易吸附重金属和有机化合物, 同时还会黏着有机碎片、微生物和黏粒等, 变为聚合物, 不断增大自身的密度, 当其密度大于水后, 也会发生沉降, 进而富集到沉积物当中[19, 20].因此, 沉降是低密度微塑料聚合物和高密度微塑料在水体中主要迁移过程之一.但对比来看, 低密度微塑料聚合物的沉降过程要更加复杂, 更难量化和预测.而且据调查研究表明, 我国多数湖泊中微塑料以低密度微塑料为主[16, 21, 22].所以了解低密度微塑料聚合物的沉降规律是探究湖泊微塑料迁移机制的关键.

目前, 有关微塑料沉降规律研究多为室内试验和模型模拟[23~25], 而在野外直接测定其通量大小和影响因素的研究并不多见, 相关研究有待进一步开展.Martin等[26]的研究指出应加强对水环境中微塑料的沉降和再悬浮等迁移过程的研究, 从而更好地了解微塑料在水环境中的迁移和归趋.Kooi等[12]的研究提出由于微塑料颗粒较小且易在淡水环境中垂向混合, 并富集到沉积物中, 与悬浮颗粒和胶体环境行为相似, 可参考悬浮颗粒来探究微塑料在水环境中的迁移规律.悬浮微粒与微塑料最大区别在于, 自然悬浮颗粒大小和形状比较接近, 而微塑料的大小范围很大, 且形状各异, 因此其迁移规律差异较大, 所以在探究微塑料沉降规律时应分别探讨.此外, 对于浅水湖泊而言, 底部沉积物质易受风浪影响发生再悬浮[27~29], 而后发生再次沉降, 沉积物再悬浮速率和沉降速率的大小与风速快慢相关[30].所以在探究低密度微塑料聚合物沉降规律时应主要考虑风速的影响.

本文以典型浅水湖泊乌梁素海为研究区, 基于悬浮微粒沉降试验方法, 设计微塑料捕获器, 并建立低密度微塑料聚合物沉降试验方法, 定量描述不同形状和不同大小低密度微塑料聚合物在不同风速下沉降过程, 对了解微塑料的迁移过程有重要意义, 同时也是构建微塑料迁移模型的关键.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

乌梁素海地处中国北方寒旱区(40°36′~41°03′N, 108°43′~108°57′E), 是黄河流域最大的淡水湖泊, 也是地球上同一纬度最大的湿地. 2020年湖泊面积341 km2, 水力滞留时间为240~290 d左右.据相关研究表明, 乌梁素海水体中微塑料丰度高达(1 400±390)~(10 120±4 090) n ·m-3[21], 是已知报道微塑料丰度最高的湖泊之一.由于湖泊水深较浅(平均2 m), 风力对湖泊扰动作用较强, 泥沙、水藻和微塑料等固体物质在湖泊中的掺混强烈.

1.2 低密度微塑料聚合物沉降试验仪器及测定方法

如前文介绍, 微塑料颗粒小, 易在水体中发生垂向混合, 并富集到水体沉积物中, 与水体中悬浮颗粒迁移过程相似.一般而言, 利用沉积物捕获器能有效地量化悬浮物的沉降过程和底泥的再悬浮过程, 该方法原理简单且所需装置简便, 试验时只需将沉积物捕获器固定在湖泊中, 然后测量其中沉积物质重量, 即可计算得出悬浮物沉降通量[31, 32].因此, 本研究结合微塑料与悬浮颗粒的相似和不同之处, 同时考虑浅水湖泊的环境特征, 设计微塑料捕获器和试验方法, 量化低密度微塑料聚合物沉降过程, 提出研究湖泊微塑料迁移规律的新方法.

1.2.1 微塑料捕获器

沉积物捕获器通常使用有机玻璃制成, 具有质轻、强度大和耐腐蚀等特点, 但由于其成分为塑料, 利用其进行试验可能会造成误差.此外, 低密度微塑料聚合物的密度比湖泊沉积物的密度小, 更易发生再悬浮离开捕获器, 因此微塑料捕获器的高度直径比应尽可能大.本研究利用玻璃圆筒制作微塑料捕获器, 内径为10 cm, 高度为50 cm, 高度直径比为5 ∶1, 满足捕获器设计的要求[32].微塑料沉降通量测量装置如图 1所示, 主要包括微塑料捕获器、不锈钢框和不锈钢支架.所有捕获器均固定在不锈钢筐内, 保持捕获器瓶口水平, 每个捕获器瓶口均用孔径为1 cm左右的不锈钢覆盖, 以防止大型浮游动物或昆虫进入捕获器而影响试验精度.试验时将不锈钢框连同水体微塑料捕获器固定在支架上.水体中不锈钢筐下挂2 kg左右的重物, 确保不锈钢筐在水中能保持水平, 微塑料捕获器能保持竖直.不锈钢筐顶端系上不锈钢索, 可以将不锈钢筐连同微塑料捕获器固定在水中不同深度.

图 1 微塑料捕获器 Fig. 1 Microplastic trap

1.2.2 低密度微塑料聚合物沉降测定方法

对于浅水湖泊而言, 低密度微塑料聚合物的沉降和再悬浮主要受流速和风速共同影响.乌梁素海水深较浅, 所在区域风力较强, 而流速却非常低(0.04 m ·s-1), 因此本研究只考虑了风速对低密度微塑料聚合物沉降和再悬浮的影响[33].研究于2020年7月15~31日在乌梁素海进行了低密度微塑料聚合物沉降试验.本研究共设置3个采样点.如图 2所示, 从北向南依次为O10、Q8和R7, 流速为0.02~0.05 m ·s-1, 与乌梁素海平均流速相近.

图 2 乌梁素海试验点分布示意 Fig. 2 Experiment sites of Wuliangsuhai

试验方法如下: 为防止固定不锈钢杆扰动沉积物发生再悬浮, 试验前先将不锈钢杆下端固定在沉积物当中, 待24 h之后, 再把不锈钢框连同微塑料捕获器用不锈钢索固定在不锈钢杆上.每个采样点架设一个不锈钢杆, 每个杆上先分别固定两个不锈钢框, 两个框中共装3个微塑料捕获器.捕获器瓶口通过不锈钢索均固定在距沉积物50 cm处, 安装微塑料捕获器时尽量避免扰动沉积物.试验装置72 h后, 将所有微塑料捕获器中的样品倒入5 L玻璃瓶中, 然后将所有捕获器安装好, 再次进行试验, 试验一共进行5次.试验期间通过小型气象站收集风速资料.样品收集后直接送到试验室, 静置24 h后, 将上覆水体抽出, 留下下部沉积物质, 待测.

1.3 微塑料的鉴别 1.3.1 低密度微塑料样品制备

本文拟探究不同形状和不同大小低密度微塑料聚合物的沉降规律, 但根据湖泊微塑料的迁移过程, 捕获器中的微塑料既包括高密度微塑料也包括低密度微塑料聚合物, 且二者是同时进入捕获器的, 因此本研究利用密度分离法来进行分离[34].首先将捕获器中样品倒入50 μm不锈钢筛过滤, 然后用超纯水冲入到150 mL溢流烧瓶中, 再将其放入超声波振荡器中振荡6 min, 去掉微塑料表面附着的杂质[35].在此过程中, 低密度微塑料聚合物表面的泥沙和藻类会被剥离, 其密度低于水的密度, 漂浮到水体表面.静置24 h后, 加入超纯水使漂浮的低密度微塑料溢流出烧瓶并用烧杯收集.接下来, 将样品倒入不锈钢筛, 然后用30%双氧水冲入250 mL锥形瓶, 置于45℃, 80 r ·min-1的振荡培养箱中, 处理24 h以除去水中的有机质, 如生物组织和非生物材料, 若腐殖质消解不干净, 此过程可重复多次.最后将样品用去离子水稀释, 过0.7 μm (GF/F, 47 mm Ø, Whatman)滤膜, 然后将滤膜放入玻璃培养皿中, 在室温下风干待测.

1.3.2 低密度微塑料聚合物的观测、统计和鉴别

利用体视显微镜(M165 C, Leica, Germany)来观测滤膜上的微塑料, 放大倍数为160倍, 观测时基于前人制定的微塑料鉴别标准来确定疑似微塑料[36], 采用Leica Application Suite X软件计数, 并统计微塑料的尺寸和形状.根据前人对乌梁素海微塑料的基础调查[37, 38], 本研究将微塑料的形状分为4种, 包括纤维状、碎片状、薄膜状和块状, 大小分为3个区间, 分别为: 0.05~0.5、0.5~2和2~5 mm.微塑料沉降速率采用通量单位[FMPs, n ·(m2 ·d)-1].采用Microsoft Excel 2016和Photoshop等软件进行绘图.利用SPSS(24.0)多因素方差分析(ANOVA)对样本差别进行显著性检验.

本文拟探究不同尺寸和不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降规律. 但通常情况下, 尺寸和形状均对低密度微塑料聚合物的沉降有一定影响, 单独比较不同尺寸, 或比较不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊不同位置的沉降通量是没有意义的.因此, 本研究将低密度微塑料聚合物划分为12类, 如表 1图 3所示.然后分别比较: ①当形状相同时, 不同大小范围低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降规律.②当大小范围相同时, 不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降规律.需要注意的是, 虽然低密度微塑料表面会吸附一定数量的泥沙和藻类等物质, 但通常不足以改变其形状, 或致使其尺寸增大一个数量级.因此本研究并未考虑微塑料因吸附杂质而导致的形状或大小发生改变带来的影响.

表 1 不同风速下, 各类型低密度微塑料聚合物在湖泊各试验点沉降通量/n ·(m2 ·d)-1 Table 1 Deposition flux of all types of low-density microplastic aggregation under different wind speeds at the different experiment sites/n ·(m2 ·d)-1

图 3 不同点位处, 各类型低密度微塑料聚合沉降通量与风速的相关性 Fig. 3 Correlation between deposition flux of all types of low-density microplastic aggregation at different experiment sites and wind speeds

为更进一步确定疑似微塑料, 随机从样品中挑选60个样品, 利用傅里叶变换显微红外光谱仪检测其成分, 波数范围为4 000~50 cm-1, 对比样品红外光谱图与标准光谱图, 对目标物进行定性分析, 最后确定成分为微塑料的颗粒数量.

1.3.3 质量控制与管理

为保证微塑料从采集、处理和分析过程中不受到外界污染, 每次试验前用超纯水清洗3遍采样和试验仪器, 并使用酒精擦拭试验台和体式显微镜, 试验过程中每一步后都利用铝箔纸覆盖表面.操作全过程中全程穿着棉质试验服.

试验时进行全程空白分析, 用于检查样品从运输到分析全过程是否受到污染.进行野外试验时将额外3个微塑料捕获器带到现场, 然后加入4 L超纯水.安装装置时将捕获器竖直放立在船上, 待装置安装完毕后, 倒入5 L玻璃容量瓶中.送回试验室后, 按与样品相同的操作步骤进行试验, 结果在空白中发现少量纤维状微塑料, 其含量为0~(0.42±0.29)n ·L-1, 表明野外和室内试验过程中受到的污染可以忽略不计.

2 结果与分析

本研究共在乌梁素海非冰封期连续5次试验, 每个时间段的日平均风速分别为1.9、2.6、3.5、4.1和2.9 m ·s-1.本试验分别检测出不同风速下R7、Q8和O10这3个试验点微塑料捕获器中各种低密度微塑料聚合物含量(不同大小和不同形状), 即得出各类型低密度微塑料聚合物沉降量, 每次试验有3组平行.通过计算后, 将数量换算为沉降通量[FMPs, n ·(m2 ·d)-1], 并对不同风速下, 各类型低密度微塑料聚合物沉降通量在各试验点的差异进行显著性检验, 结果如表 1图 3所示.

2.1 相同形状, 不同尺寸低密度微塑料聚合物在不同试验点的沉降规律

本试验结果表明, 在不同风速, 形状相同的情况下, 不同尺寸的低密度微塑料聚合物在湖泊3个点位的沉降规律有一定差异.形状为纤维状, 尺寸为0.05~0.5 mm的低密度微塑料聚合物在试验点Q8的沉降通量相对较高, 尺寸为0.5~2 mm的低密度微塑料聚合物在试验点Q8和O10相对较高, 而尺寸为2~5 mm的低密度微塑料聚合物在试验点O10相对较高; 形状为碎片状, 尺寸为0.05~0.5 mm的低密度微塑料聚合物在试验点Q8和O10的沉降通量相对较高, 尺寸为0.5~2 mm和2~5 mm的低密度微塑料聚合物在试验点O10相对较高; 形状为薄膜状, 尺寸为0.05~0.5 mm和0.5~2 mm的低密度微塑料聚合物在试验点R7的沉降通量相对较高, 而2~5 mm的低密度微塑料聚合物在试验点O10相对较高; 形状为块状, 尺寸为0.05~0.5 mm和0.5~2 mm的低密度微塑料聚合物在3个点位沉降通量相差不大, 且并未收集到尺寸2~5 mm的低密度微塑料聚合物.总体来看, 当形状相同时, 尺寸较大的低密度微塑料聚合物(2~5 mm)在位置偏北的试验点O10沉降通量较高, 而尺寸较小的低密度微塑料聚合物(0.05~0.5 mm和0.5~2 mm)在位置中间和位置偏南的试验点Q8和R7沉降通量较高.

2.2 相同尺寸, 不同形状低密度微塑料聚合物在不同试验点的沉降规律

本试验结果表明, 在不同风速, 尺寸相同的情况下, 不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊3个点位的沉降通量规律有一定差异.尺寸为0.05~0.5 mm, 形状为纤维状的低密度微塑料聚合物在试验点Q8的沉降通量较高, 形状为碎片状的低密度微塑料聚合物在试验点O10和Q8相对较高, 形状为薄膜状的低密度微塑料聚合物在试验点R7相对较高, 形状为块状的低密度微塑料聚合物在3个试验点沉降通量相差不大; 尺寸为0.5~2 mm, 形状为纤维状的低密度微塑料聚合物在试验点Q8和O10的沉降通量较高, 形状为碎片状的低密度微塑料聚合物在试验点O10相对较高, 形状为薄膜状的低密度微塑料聚合物在试验点R7相对较高, 形状为块状的低密度微塑料聚合物在3个试验点沉降通量相差不大; 尺寸为2~5 mm, 形状为纤维状、碎片状和薄膜状的低密度微塑料聚合物均是在试验点O10的沉降通量较高, 未收集到块状的低密度微塑料聚合物.总体来看, 当尺寸一定时, 碎片状的低密度微塑料聚合物在偏北部的试验点O10沉降通量更高, 纤维状的低密度微塑料聚合物在位置中间的试验点Q8沉降通量更高, 而薄膜状的低密度微塑料聚合物则在偏南部的试验点R7沉降通量更高, 但尺寸为2~5 mm的各种形状的低密度微塑料聚合物均在偏北部的试验点O10沉降通量更高.

2.3 风速对各种低密度微塑料聚合物沉降通量的影响

在不同点位处, 各种类型低密度微塑料聚合物的沉降通量随着风速的变快而增加(如图 3).从整体来看, 形状为纤维状, 各个尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量与风速的相关性更好, 其相关系数变化范围为0.218~0.836.形状为碎片状、块状和薄膜状的, 各个尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量与风速的相关性相对较差, 其相关系数变化范围分别为0.004 6~0.86、-0.043~0.746和-0.159~0.76.

2.4 傅里叶变换红外光谱检测结果

由于在分析未知塑料材料方面具有极高的可靠性, 傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)已被广泛应用于微塑料组分的鉴定[39~41].本研究对收集到的样品进行红外光谱测试.结果显示, 在随机挑选的60个样品中, 有53个被鉴定为微塑料, 48个为低密度微塑料, 包括聚乙烯和聚丙烯.其中聚乙烯的个数为30个, 聚丙烯的个数为18个, 这两种低密度塑料的典型FT-IR光谱如图 4所示.测定结果表明, 捕获器中收集到的微塑料有80%为低密度微塑料聚合物, 说明本研究的收集和分离方法是比较可靠的.

图 4 不同种类微塑料的红外光谱图 Fig. 4 FT-IR spectrum of different microplastic samples

3 讨论

水环境中微塑料迁移是有关微塑料研究的新内容.如前文介绍, 沉降是低密度微塑料聚合物在水环境中主要迁移过程.近些年来, 不少学者通过试验和模型探究了微塑料在水环境中的沉降规律, 其研究结果多为通过计算得出的理论值或模拟值, 或者在静水状态下得出的试验结果[25, 42, 43].而低密度微塑料聚合物在实际水环境中的沉降受到诸多因素的影响, 通过模型或室内试验很难准确地得到微塑料在自然水体中的沉降规律.低密度微塑料聚合物与湖泊中的悬浮物迁移行为相似, 参考悬浮颗粒来探究微塑料在水环境中的迁移是探究水环境微塑料迁移研究的新方法[12].目前, 已有学者利用悬浮物沉降公式估算了微塑料的沉降[24, 42].本研究基于微塑料和悬浮物的相似和不同之处构建新的仪器——微塑料捕获器, 同时建立试验方法.对比其他方法, 微塑料捕获器能够直接地测量湖泊中低密度微塑料聚合物的沉降通量, 同时考虑环境因素(如风速和流速)对其过程的影响, 避免了室内试验和模型模拟的局限性和不确定性, 更准确地量化湖泊中微塑料聚合物沉降过程.此外, 微塑料捕获器装置结构简单, 容易安装, 稍加改动后, 亦可测量其他湖泊、河流和海洋中微塑料的沉降.

3.1 风速对低密度微塑料聚合物沉降的影响

本文利用微塑料捕获器探究了风速对不同类型低密度微塑料聚合物沉降规律的影响.本试验结果表明, 各类型低密度微塑料聚合物沉降通量随风速的增快而增大, 说明风速对低密度微塑料聚合物的沉降有一定影响.根据低密度微塑料聚合物在湖泊中的迁移过程, 微塑料捕获器中的低密度微塑料聚合物主要来自于以下3个方面: ①沉积物中低密度微塑料聚合物在水动力作用下发生再悬浮, 返回上覆水体, 然后在重力作用下进入捕获器; ②漂浮或悬浮在湖泊中的低密度微塑料不断吸附泥沙和藻类, 当其整体密度大于水体后, 沉降至捕获器中; ③低密度微塑料聚合物通过水流进入湖泊并进行迁移, 然后沉降到捕获器.

乌梁素海是典型的浅水湖泊, 底部的沉积物质极易受风浪影响发生再悬浮, 且沉积物再悬浮速率主要受风速的影响[33].有研究表明, 浅水湖泊中再悬浮沉积物浓度与风速的相关系数可以达到0.981[44].所以, 风速越快, 低密度微塑料聚合物的再悬浮通量也就越高, 结果其沉降通量也就越高, 所以乌梁素海中低密度微塑料聚合物沉降受风速影响.整体来看, 形状为纤维状, 各个尺寸低密度微塑料聚合物沉降通量与风速的相关系数最高.Ho等[45]的研究通过室内试验和模型模拟探究了水罐中沉积物的再悬浮规律, 结果表明在相同水动力作用下, 沉积物质尺寸越小或质量越低就越容易发生再悬浮.在直径相同且密度相近的情况下, 纤维状微塑料表面积最小, 吸附的杂质最少, 整体质量相对较低, 更容易在风浪影响下发生再悬浮然后沉降, 因此其沉降通量与风速的相关性较好.

3.2 不同形状和不同尺寸的低密度微塑料聚合物沉降规律

本试验结果表明, 在不同风速下, 当形状相同时, 尺寸较大的低密度微塑料聚合物在位置偏北的试验点O10沉降通量较高, 而尺寸较小的低密度微塑料聚合物在位置中间和位置偏南的试验点Q8和R7沉降通量较高.如前文介绍, 根据湖泊低密度微塑料聚合物的迁移过程, 捕获器中部分低密度微塑料聚合物来自于输入河流.乌梁素海的主要输入排干(总排干和八排干, 其入湖水量占湖泊总入湖水量的90% ~95%)位于湖泊西北部, 湖泊中水流方向总体从北向南流动, 北部的试验点O10离入水口更近, 偏南部的试验点R7离入水口更远.本试验结果说明, 大尺寸的低密度微塑料聚合物更容易沉降, 而小尺寸的低密度微塑料聚合物更容易向远距离输移. Besseling等[24]的研究利用DUFLOW模型模拟了微塑料在多梅尔河的迁移过程, 结果表明, 尺寸较大的微塑料迁移距离较短, 而尺寸较小的微塑料迁移距离则较远. Khatmullina等[25]的研究通过室内试验模拟了不同尺寸微塑料的沉降速率, 结果表明微塑料尺寸越大, 其沉降速率也就越快.以上研究与本文的试验结果相似, 说明尽管湖泊和河流的水动力条件相差很大, 但尺寸对微塑料在湖泊和河流中的影响是相似的.

在不同风速下, 当尺寸相同时, 碎片状的低密度微塑料聚合物在偏北部的试验点O10沉降通量更高, 纤维状的低密度微塑料聚合物在位置中间的试验点Q8沉降通量更高, 薄膜状的低密度微塑料聚合物则在偏南部的试验点R7沉降通量更高, 而块状的低密度微塑料聚合物在各个试验点沉降通量相差不大, 无明显规律.本试验结果说明, 薄膜状和纤维状的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移, 而碎片状的低密度微塑料聚合物则不容易迁移, 而更容易沉降.Hoellein等[46]的研究采用螺旋指标探究了河流中碎片状、纤维状和球状微塑料的迁移和沉降, 结果表明, 碎片状的微塑料迁移距离较短, 而纤维和球状迁移距离较长.此外, 还有学者通过室内试验对比了纤维状、球状和短柱形微塑料的沉降速率, 结果表明, 在大小和材质相近的情况下, 纤维状的沉降速率要比其他形状微塑料慢[25].一般情况下, 纤维状和薄膜状的低密度微塑料聚合物容易悬浮在水体当中, 迁移距离较长, 因此可能在较远的地方发生沉降.在尺寸相近的情况下, 碎片状的低密度微塑料聚合物通常比纤维状和薄膜状的低密度微塑料聚合物质量更大, 更容易发生沉降.且碎片状的低密度微塑料聚合物形状不圆润, 不易在沉积物表面随水流运动, 迁移能力弱, 因此碎片状的低密度微塑料聚合物在离入水口近的地方沉降量更大.

4 结论

(1) 在乌梁素海中, 各种类型低密度微塑料聚合物沉降通量随风速的增快而增大, 其中形状为纤维状, 各个尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量与风速的相关性较好, 其相关系数变化范围为0.218~0.836.

(2) 不同风速下, 在形状相同的情况下, 尺寸较大的低密度微塑料聚合物在离湖泊入水口近的试验点沉降通量高, 而尺寸较小的低密度微塑料聚合物在离湖泊入水口较远的试验点沉降通量较高, 说明大尺寸的低密度微塑料聚合物在湖泊中更容易沉积, 而小尺寸的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移.

(3) 不同风速下, 在尺寸相同的情况下, 碎片状的低密度微塑料聚合物在离入水口较近的试验点沉降通量较高, 而纤维状和薄膜状的低密度微塑料聚合物则在离湖泊入水口较远的试验点沉降通量较高, 说明乌梁素海中纤维状和薄膜状的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移, 而碎片状的低密度微塑料聚合物更容易沉积.

参考文献
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