2022, Vol. 43
塑料的发明和使用至今已历经百年, 大大改变了人类生活并带来了可观的经济效益, 但塑料废弃物对环境的影响越来越引起人们的担忧[1], 尤其是微塑料的影响.2004年Thompson等[2]首次提出微塑料是尺寸小于5 mm的非均匀塑料颗粒混合体, 之后微塑料在各种环境介质中被发现[3~13].相对于较开阔的海洋, 微塑料更容易进入近海的生态系统.已有资料显示, 人类社会经济活动最为活跃的海岸带区域是海洋微塑料污染最为集中分布的区域[14].通过查阅我国近几年对潮滩微塑料的相关研究发现, 微塑料的污染特征和影响是多元化的.长江口潮滩[15]和鸭绿江潮滩[16]沉积物在河口径流和潮汐的作用下, 微塑料的丰度和成分会发生一定改变; 黄海北部四十里湾[17]和大连市近岸[18]渔业和海运等活动所产生的塑料垃圾在海洋中受到环境风化的作用后会分化成更小的颗粒在沙滩沉积物中重新分布; 连云港海州湾[19]具备良好的贝藻养殖条件, 其养殖设施老化产生的塑料碎屑成为该海域微塑料的主要来源.废弃的塑料制品可以通过地表径流输入海洋, 滨海旅游业、船舶运输业和海水养殖等产生的塑料垃圾也会直接进入海洋[20], 进而沉降后极易被掩埋在沉积物环境中[21].因此, 污染物在潮滩地带中的流动性应该考虑多种因素连续的作用[15, 22].厦门市是著名的旅游城市, 人类活动较为频繁, 在发展经济的同时如何应对海洋微塑料问题是厦门湾环境保护中急需开展的工作.刘启明等[23]研究了厦门湾嵩屿和黄厝等6个典型海滩的微塑料丰度范围为28.1~312.7 n ·kg-1, Tang等[24]在九龙江河口区-厦门湾测得8个沙滩表层沉积物微塑料的丰度范围为76~333 n ·kg-1.作者在前人研究基础上重点针对不同沙滩位置、地形、不同潮间带和不同深度开展研究, 分析了沙滩沉积物中微塑料的污染特征、分布规律及其影响因素, 以期为半封闭海湾及海岸带区域的微塑料污染防治提供数据支撑.
1 材料与方法 1.1 研究区概况厦门市位于福建省东南部, 由陆域、海洋和岛屿组成, 陆域面积1 700 km2, 海域面积390 km2, 亚热带海洋性季风气候, 温和多雨, 年平均气温在21℃左右, 冬无严寒, 夏无酷暑, 年平均降雨量在1 200 mm左右, 主要受九龙江、西溪入海河流和海洋潮流影响.
1.2 样品采集2020年8月14日在鼓浪屿岛内鼓浪屿沙滩、港仔后沙滩和大德记沙滩及厦门岛内白城沙滩、珍珠湾沙滩共布设5个采样站点, 采样站点布置见图 1.
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图 1 厦门湾采样站点示意 Fig. 1 Sampling sites in Xiamen Bay, China |
采样当天的潮汐情况见表 1.根据潮时, 分别在5个采样站点从高潮带向低潮带依次用柱状取样器同时采集沙滩沉积物样品, 采集深度为0~10、10~20和20~30 cm, 每个柱状样均分别为高潮带、中潮带和低潮带附近采集的3个不同深度样品的混合样品, 每个样品湿重为1 kg, 共采集了45个样品.沉积物样品用锡箔纸包好, 放入自封袋中, 供进一步实验室处理使用.
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表 1 采样当日潮汐情况(2020-08-14) Table 1 Tides at the sampling sites in Xiamen Bay, China(2020-08-14) |
1.3 样品预处理
样品预处理的目的是去除有机质等杂质, 预处理的步骤如下：①取250 g沉积物样品放入2 L烧杯中, 加入250 mL 51 g ·L-1的六偏磷酸钠溶液, 置于超声波清洗机上搅拌溶解30~40 min.将分散后的样品65℃烘干; ②采用5L 1.2 g ·cm-3的饱和氯化钠溶液浮选样品[14], 并将上清液通过筛网转入烧杯中; ③利用真空抽滤泵将烧杯中的溶液提取到直径47 mm, 孔径5 μm的醋酸纤维滤膜上; ④用100 mL 30% H2 O2溶液冲洗滤膜至250 mL烧杯中, 铝箔纸包好烧杯口, 置于60℃恒温水浴锅中消解1~2 d, 待烧杯中溶液澄清即可; ⑤再将烧杯中消解完成的溶液抽滤到滤膜上, 用250 mL 1.5 g ·cm-3的氯化锌溶液冲洗滤膜, 对微塑料进行浮选[25]; ⑥12 h之后, 取量筒中约3/4的浮选上清液抽滤置醋酸纤维滤膜上, 取过滤好的滤膜置于滤膜盒中, 贴好标签, 4℃冷藏保存, 待进一步分析.
1.4 样品鉴定用电子显微镜[Dino-Lite, AM7915MZT(R4), Taiwan, China]观察微塑料的物理特性, 如数量、颜色、形状等.用傅里叶变换红外光谱(μ-FTIR, Thermo Fisher, Nicolet iN10, USA)以及Omnic软件鉴定微塑料成分, 通过将样品的傅里叶变换红外光谱与数据库中的已知光谱相匹配(至少70%以上匹配度), 确认微塑料的聚合物类型[26].
1.5 质量控制为了保证实验结果的准确性, 在采样和实验过程中均使用非塑性实验工具, 并穿戴棉质实验室工作服和手套以避免任何污染.所有实验工具在使用前用Milli-Q水冲洗至少3次, 所有打开的容器在使用后用锡箔覆盖或密封.
1.6 数据处理沉积物中微塑料的丰度单位表示为每千克干重微塑料个数(n ·kg-1).采样站位图用Arcgis 10.2绘制, 数据处理用统计软件Excel 2007和Origin 2018.采用SPSS 22.0统计软件对不同沉积层之间的微塑料含量差异进行了检验.方差的同质性和正态性分别通过Levene检验和Kolmogorov-Smirnov检验进行检验.通过单因素方差分析和Tukey检验(显著性水平, P < 0.05)检验微塑料含量的显著性.
2 结果与分析 2.1 微塑料分布特征厦门湾沙滩潮间带不同位置及不同深度沉积物的微塑料丰度见表 2.
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表 2 厦门湾沙滩沉积物中微塑料的丰度/n ·kg-1 Table 2 Abundance of microplastics on the beachs in Xiamen Bay/n ·kg-1 |
厦门湾5个采样站点沙滩沉积物的微塑料平均丰度分布见图 2, 所有采样站点均发现了微塑料, 微塑料丰度范围为39~260 n ·kg-1, 平均丰度为(114±26)n ·kg-1.S3站点的微塑料平均丰度最高, 为(159±32)n ·kg-1, 其次是S4站点, 微塑料平均丰度为(135±31)n ·kg-1.S1、S2和S5站点微塑料平均丰度相差不多, 分别为(88±16)、(95±23)和(91±10)n ·kg-1.通过对比, 微塑料平均丰度由大到小排序为：S3(大德记沙滩)>S4(白城沙滩)>S2(港仔后沙滩)>S5(珍珠湾沙滩)>S1(鼓浪屿沙滩).厦门湾沙滩沉积物中微塑料含量与国内外其他海湾沙滩沉积物中微塑料含量的比较见表 3.与这些区域相比, 厦门湾沙滩沉积物中的微塑料污染属于中下等水平.
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图 2 厦门湾各采样站点潮间带不同位置微塑料丰度 Fig. 2 Abundance of microplastics in different intertidal zones in Xiamen Bay, China |
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表 3 国内外部分地区沙滩沉积物微塑料丰度的对比 Table 3 Microplastics in some areas of China |
从各采样站点潮间带不同位置沉积物中的微塑料平均丰度来看, 差别较大, 但总体沙滩高潮带的微塑料平均丰度均高于中潮带和低潮带的微塑料平均丰度, 表明受波浪和潮汐的推动, 微塑料会从低潮带向高潮带积聚.
从各采样站点不同采样深度沉积物的微塑料平均丰度看, 0~10 cm层的微塑料丰度最高, 平均丰度为149 n ·kg-1, 占分层总量的43.6%.这一结果与刘启明等[23]在厦门湾选取的6个典型海滩的微塑料平均丰度148n ·kg-1的研究结果相似.其次是10~20 cm层, 平均丰度为110 n ·kg-1.0~10 cm和20~30 cm之间有显著性差异(P=0.008 < 0.05), 上两层的微塑料丰度占所有层(0~30 cm)整个微塑料丰度的70%以上.这一结果与其他研究类似[29, 34]. Zhou等[29]发现上两层的微塑料丰度占所有层(0~50 cm)整个微塑料丰度的60%以上, 且当沉积物深度超过40 cm时未检测到微塑料; Wang等[34]发现南黄海0~5、5~10、10~15和15~20 cm沉积物层中的微塑料含量分别为2 143、1 514、1 129和471 n ·kg-1.由此可知, 随着深度的不断增加, 微塑料丰度显著降低.
2.2 微塑料组成特征 2.2.1 各采样站点微塑料组成特征厦门湾沙滩沉积物中检出的微塑料有纤维状、碎片状、颗粒状和泡沫状, 见图 3.其中以纤维状和泡沫状最为丰富, 分别占总体的72.5%和16.8%, 碎片状和颗粒状数量相似, 只占很小的比例.不同站点微塑料形状组成存在差异, 见图 3(a).检出的微塑料颜色分别为透明、黄色、蓝色、黑色、红色、棕色、粉色、绿色和白色, 其中以透明和蓝色最为丰富, 分别占总体的59.23%、12.96%.不同站点微塑料颜色组成存在差异, 见图 3(b).检出的微塑料材质包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、赛璐芬(cellophane)、聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚丙烯腈(polyacrylonitrile, PA)和聚苯乙烯(polystyrene, PS)及其他少见材质.其中以PET、cellophane和PE最为丰富, 分别占总体的42.43%、32.99%和11.63%.不同站点微塑料材质组成存在差异, 见图 3(c).
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(a)形状特征, (b)颜色特征, (c)材质特征 图 3 厦门湾沙滩沉积物微塑料组成特征 Fig. 3 Characteristics of microplastics in Xiamen Bay, China |
厦门湾各采样站点不同深度沉积物中不同形状微塑料的含量见图 4.在所有沉积层中, 纤维状微塑料平均含量最高, 其次为泡沫状微塑料.纤维状微塑料主要来源于化纤类衣物的纤维残体[35, 36]、废弃的绳索或渔网[37]和大气沉降; 泡沫状微塑料主要来源于一次性泡沫餐具、渔业养殖使用的发泡浮子、泡沫箱、泡沫板等塑料垃圾, 这些密度较小的泡沫状塑料在日晒、风力等外力作用下老化破碎形成微塑料, 从而聚集在潮滩上; 少量的碎片状和颗粒状微塑料可能直接来源于塑料废弃物的裂解破碎[38], 也与日常生活和旅游产生的塑料垃圾有关[39].沉积层越深, 纤维状和碎片状占比越大, 因为大多数塑料碎片是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET), 而塑料纤维大部分是尼龙(PA)和PET, 由于密度相对较大, 更容易下沉[40].不同形状的微塑料, 其质地、成分及粒径往往不同, 这会形成其不同的污染性能, 微塑料形状的垂直分布可能受到各种因素的影响.
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图 4 沙滩沉积物微塑料形状深度分布 Fig. 4 Vertical distribution of microplastic shape in sediments |
将微塑料的颜色归为三类：透明、白色和彩色.各采样站点不同深度沉积物中不同颜色微塑料的含量见图 5. 0~10 cm层透明微塑料的比例大于10~20 cm和20~30 cm层.这与Zhou等[29]所研究的抚河沉积物中透明微塑料的分布相同, 但与Zheng等[30]所研究的胶州湾沉积物中透明微塑料的分布相反, 这之间的差异可能是由不同地理位置的不同自然条件造成的.所有层都有彩色微塑料, 10~20 cm和20~30 cm层彩色微塑料的比例大于0~10 cm层.大多数颜料的密度大于微塑料的密度, 这可能会增加有色微塑料的密度, 使有色微塑料在沉积物受到扰动时更容易下沉.
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图 5 沙滩沉积物微塑料颜色深度分布 Fig. 5 Vertical distribution of microplastic color in sediments |
各采样站点不同深度沉积物中不同材质微塑料的含量见图 6.微塑料的化学成分可能会提供关于个别物体来源的相关信息.在所有沉积层中, 均观察到PET和PE微塑料, 它们的比例总和大于50%.自1998年以来, PE已成为产量最大的聚合物类型.PA含量不高, 且随着沉积物深度的增加, PA含量降低.Zhou等[29]的研究中, 当沉积深度超过30 cm时, 未检测到PA微塑料.塑料制品的聚合物组成、微塑料的来源和引入途径等很多因素, 可能导致不同研究领域之间微塑料类型的差异.
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(a)S1, (b)S2, (c)S3, (d)S4, (e)S5 图 6 厦门湾沙滩沉积物微塑料主要组成成分占比 Fig. 6 Microplastic composition in Xiamen Bay sediments |
沙滩潮间带是海陆交互作用最活跃的地带之一, 沙滩微塑料的污染特征不仅与沙滩所处的位置、沙滩地形、常年主导风向和海洋水文动力如波浪和潮汐[41]等自然因素有关, 还与沙滩吸引的游客数量、岸滩垃圾和海漂垃圾的收集等人为因素有关.
3.1 自然因素 3.1.1 沙滩位置和地形各采样站点沙滩地形见图 7所示. S1：鼓浪屿沙滩位于鼓浪屿西南部, 海沧港区码头对面, 九龙江入海口以北, 沙滩长约420 m, 宽约40 m, 为细沙滩, 沙滩近东西走向, 沙滩地形平缓, 坡度小, 东侧为基岩海岸岬角, 涨潮流流向西北方向, 受到东侧基岩海岸的阻挡, 流速小; 退潮流流向东南方向, 流速大, 沙滩常见与海岸线方向一致的垃圾带. S2：港仔后沙滩位于鼓浪屿南部, 直面九龙江入海口, 沙滩长约450 m, 宽约80 m, 为细沙滩, 沙滩东北西南走向, 沙滩经过后期改造, 有外来沙补充, 沙滩较平坦, 东侧菽庄花园基岩海岸突出, 涨潮流流向西北方向, 退潮流流向东南方向, 受九龙江影响较大, 野外调查可见与海岸线方向有30°夹角的垃圾带. S3：鼓浪屿大德记浴场沙滩位于鼓浪屿东侧, 南部有突出的印斗石, 北部有突出的皓月园基岩海岸, 沙滩长约80 m, 宽约30 m, 呈南北走向, 呈勺子形状, 北侧宽, 南侧窄, 沙滩坡度较缓, 约15°左右, 与S1和S2相比, 沙滩颗粒稍粗, 涨潮流流向西, 退潮流流向西南方向, 从涨退潮方向看, 涨潮时, 沙滩与涨潮流方向垂直, 受外海影响, 水动力较强, 易于将海漂垃圾推向岸边, 沙滩与退潮流方向呈30°夹角, 退潮时不易将海漂垃圾带走. S4：白城沙滩, 位于厦门岛南部, 厦门大学白城校门口, 近西北东南走向, 东侧为胡里山炮台基岩海岸, 西侧沙滩沿防浪墙向西延伸, 沙滩长约610 m, 宽约100 m, 沙滩坡度约20°左右, 涨潮流流向西北方向, 退潮流向南, 从涨退潮方向看, 受退潮影响较大. S5：珍珠湾沙滩位于厦门岛南部, 沙滩长约480 m, 宽约40 m, 沙滩东西长, 南北较窄, 海岸线顺直, 周边无遮挡, 涨潮流流向西北方向, 退潮流流向南, 岸线基本与涨潮潮流方向平行.
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图 7 各采样站点沙滩地形 Fig. 7 Beach topography of each sampling site |
鼓浪屿临近九龙江入海口, 河流漂浮下来的垃圾对沙滩微塑料有显著的贡献.S1和S2站点微塑料平均丰度分别为88 n ·kg-1和95 n ·kg-1, 微塑料基本呈均匀分布, 而S3站点微塑料平均丰度为159 n ·kg-1, 明显多于S1和S2站点, 其原因为大德记浴场夏季海岸游客数量多, 且为凹形海岸, 涨潮时易将九龙江冲刷下来的塑料垃圾顶托堆积在岸滩上.白城沙滩微塑料平均丰度为135 n ·kg-1, 首先白城沙滩临近厦门大学思明校区, 其次由于排污管网的改造沙滩受人为影响较大, 故S4站点微塑料丰度也相对较高.而珍珠湾沙滩微塑料丰度为91 n ·kg-1, 珍珠湾临近厦门岛东部外海, 水域较为开阔, 较为清洁的外海水体对沙滩的不断冲刷, 稀释了厦门岛东部人类活动产生的微塑料, 使得S5站点微塑料丰度相对较低.
3.1.2 风速风向厦门市常年主导风向为东风, 夏季盛行东南风, 冬季盛行东北风, 风力一般为3~5级, 年平均风速为3.4 m ·s-1, 台风频率约每年3~6次, 台风过境时最大风速可达38 m ·s-1.风速和风向对海漂塑料垃圾的集聚带来一定影响, 夏季在东南风和涨潮流的共同影响下, 更易于将九龙江漂浮下来的垃圾和外海的垃圾吹到湾内, 滞留在沙滩上, 表现出S3站点大德记沙滩的微塑料数量最大.
3.1.3 波浪和潮汐厦门湾各采样点沉积物高潮带的微塑料丰度均显著高于低潮带微塑料丰度.沙滩上承受大量的紫外线辐射、高温以及波浪和风的作用, 从而加速塑料碎片的降解[42].由于波浪和潮汐的作用, 塑料等海漂垃圾被推向海岸的高潮线附近, 在退潮时, 海水逐渐通过表层水流和砂粒之间的孔隙下渗水流退回海洋, 高潮带水量和流速小, 携带的物质容易留在沙滩上, 低潮带水量和流速大, 更多的物质被冲回海洋, 留在低潮带沙滩的物质少, 只有在大潮或者天文大潮涨潮流超过高潮带时, 才有可能将高潮带的物质冲回海洋.因此, 表现为高潮带留下的塑料和微塑料多于低潮带, 塑料在沙滩上逐渐风化破碎成微塑料, 在不同的潮间带累积.
3.2 人为因素 3.2.1 沙滩游客数量厦门市2020年全年接待国内游客6 897.86万人次[43], 据思明区文旅局统计, 5月1~5日, 鼓浪屿共接待7.14万人次, 曾厝垵共接待6.35万人次, 胡里山炮台共接待1.85万人次.根据厦门市旅游年报、大数据、沙滩的吸引力和各种满意度调查等资料显示, 游客数量依次为：白城沙滩>大德记沙滩>港仔后沙滩>珍珠湾沙滩>鼓浪屿沙滩; 逗留时间长短依次为：白城沙滩>珍珠湾沙滩>大德记沙滩>港仔后沙滩>鼓浪屿沙滩.游客活动频繁的地区微塑料丰度普遍偏高.游客在沙滩上的活动主要包括游泳、趟水、冲浪和晒太阳等, 留在沙滩上的塑料垃圾主要包括饮料瓶、湿纸巾、一次性快餐盒和塑料袋等, 其成分分别为PET、PP、HDPE和PE等, 这些聚合物类型相较于其他类型偏多.
3.2.2 海漂垃圾和岸滩垃圾的收集微塑料可以分为陆源和海源两类.直接人为丢弃在海滩、雨水冲刷和河流输入的塑料垃圾在河流和潮汐的作用下迁移并滞留在海滩上, 是海滩微塑料的主要来源.厦门市市政环卫负责对岸边垃圾进行清理, 包括海边垃圾桶中的垃圾和滩涂上的垃圾, 尤其是在台风天气、天文大潮和暴雨天气后, 沙滩上各种垃圾非常多, 环卫工人用机械或人工对垃圾进行收集, 2018年开始厦门市市政园林局开始分海域设立海漂垃圾收集点, 不间断地进行海漂垃圾收集.根据厦门市海上环卫站提供的资料及厦门大学微塑料团队对海漂垃圾中塑料垃圾的分类统计, 2021年海漂垃圾打捞量约2 916.30 t, 平均密度为12.38 t ·km-2, 其中塑料垃圾打捞量约219.76 t, 平均密度为0.93 t ·km-2, 塑料垃圾量约为海漂垃圾量的7.5%.厦门大学江毓武教授建立了海漂垃圾预报模型, 考虑了海洋水文和气象等因素, 逐日给出了九龙江口-厦门湾海洋垃圾分布, 对海漂垃圾的位置进行了预报.采样当天的九龙江口-厦门湾海洋垃圾分布在5个沙滩均为少量, 这与本研究所得结果吻合：5个沙滩的微塑料丰度差异不显著且丰度不高.在风、波浪和潮汐的作用下, 垃圾进入河口区后主要沿鸡屿南、北两侧水道向东漂流, 会影响鼓浪屿沿岸、白城和珍珠湾沙滩.
4 结论(1) 厦门湾沙滩沉积物微塑料丰度为39~260 n ·kg-1之间, 平均丰度为(114±26)n ·kg-1; 与国内其他海滩相比, 微塑料污染程度处于中等偏下水平; 微塑料丰度由大到小排序为：大德记浴场沙滩>白城沙滩>港仔后沙滩>珍珠湾沙滩>鼓浪屿沙滩; 微塑料的颜色以透明色为主, 且有色微塑料随深度增大而占比越大; 微塑料的形状以纤维状和泡沫状为主, 颗粒类和碎片类所占比例较少; 聚合物类型主要为PET、cellophane和PE, 其他类型占比较小.
(2) 从各采样站点潮间带不同位置沉积物的微塑料丰度来看, 高潮线微塑料丰度均高于低潮线微塑料丰度.
(3) 从各个采样站点不同深度沉积物的微塑料丰度来看, 0~10 cm层显著高于20~30 cm层, 随着深度的不断增加, 微塑料丰度显著降低.
(4) 厦门湾沙滩微塑料丰度分布和运输受到波浪和潮汐、常年风速风向、沙滩的位置和地形、不同沙滩游客数量及海漂垃圾和岸滩垃圾的收集情况所影响.
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