2023, Vol. 44
2. 桂林理工大学环境科学与工程学院, 桂林 541006
2. College of Environmental Science and Engineering, Guilin University of Technology, Guilin 541006, China
水环境中的塑料在物理风化和太阳光等外界因素的影响下会裂解成小尺寸的微塑料(＜5 mm) 被生物摄入, 并沿着食物链转移[1].底栖鱼类[1]、贻贝[2]、江豚[3]和铜锈环棱螺[4]等体内均检测到微塑料.微塑料在生物体内的累积可能会抑制生物的发育和繁殖[5], 同时还会引起微生物群落结构失衡[6].此外, 微塑料作为载体会与水中的其它污染物(重金属[7]、抗生素[8]和农药[9])发生相互作用, 影响污染物在水中的迁移转化, 间接地促进污染物的转移, 从而引起更大的生态风险.因此, 水环境中微塑料的产生、迁移和归趋一直是人们关注的热点.
目前淡水中微塑料的研究主要集中在大型湖泊、河流、河口和城市河道的表层水及沉积物上[10~12].有研究表明, 人类活动与水体功能直接影响研究区域内微塑料的赋存情况[13].城市公园水体是城市生态环境的重要组成部分, 它在净化水质、调节微气候、补充地下水、维持生物多样性和降解污染物等方面发挥着重要作用[14, 15].然而, 由于城市公园水域面积较小, 其环境容量和水体自净能力不及湖泊、河流和河口等大型水体.城市公园水体更容易受污染物影响造成水体微生态系统的失衡, 进而失去景观水的功能, 甚至影响周围居民生活质量[16, 17].因此, 有必要了解城市公园水体中微塑料的丰度、分布和潜在的来源, 以评估微塑料的潜在风险.
桂林市作为世界著名的旅游目的地, 每年都吸引着大量国内外的游客前来观光.旅游业快速发展的同时, 由此带来的塑料产品的消耗和微塑料累积的环境风险却没有引起重视.与西安和武汉等大型城市不同, 桂林城市人口数量小, 制造业欠发达, 第三产业发展繁盛, 外来流动人口频次高, 与人类活动密切相关的城市公园水体微塑料的分布特征及风险情况可能与目前报道的西安[18]和武汉[19]等大型城市不同.因此, 本研究基于公园的功能特点, 将桂林市不同的城市公园分为综合型、社区型和生态型这三大类, 调查了桂林市公园表层水和沉积物中微塑料的分布特征, 分析了可能影响城市公园水体微塑料分布的主要原因, 并评估了桂林市城市公园水体微塑料的污染风险.本研究结果将有助于进一步理解城市公园水体微塑料的来源和分布规律, 以期给城市的塑料制品使用与管理提供指导, 并为城市公园水体微塑料污染治理提供理论基础.
1 材料与方法 1.1 研究区域桂林市位于中国广西壮族自治区东北部, 根据城市公园的功能类型[20], 选择桂林市8个公园作为采样点.为了排除漓江流域水体中微塑料对桂林市公园整体微塑料丰度的影响, 采样点的选择排除了漓江流域流经的公园.采样点的地理位置见图 1：S1~S4为综合型公园, S5~S7为社区公园, S8为生态公园.其中, S5的水源来自洛清江, 处于洛清江支流尽头, 其他采样点均为封闭水域.采样点详细的信息和公园功能特征信息见表 1.
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图 1 桂林市公园采样点示意 Fig. 1 Schematic diagram of sampling points in Guilin Park |
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表 1 桂林市公园类型及特点 Table 1 Types and characteristics of parks in Guilin |
1.2 样品采集
2021年夏季采集了表层水和沉积物的样品, 每个公园选择3个不同的采样点采集3份样本, 采样点使用GPS均匀分布定位.使用10 L不锈钢桶收集表层水, 把收集5次共50 L的表层水依次通过75 μm的不锈钢筛网过滤[21], 用去离子水冲洗筛网, 将截留在筛网上的残渣冲洗到准备好的容器中, 密封后在4℃环境下保存.为了防止样品被污染, 减小误差, 每次采样前都会用去离子水反复冲洗不锈钢筛网和容器.每个采样点用彼得森采泥器抓取1 kg底层沉积物, 挑出杂质接着用去离子水冲洗表面残留后丢弃.处理后样品放入铝箔采样袋中冷藏保存.
1.3 样品处理与分析将带回实验室的表层水样品倒入烧杯中, 反复润洗采样容器.用手持式放大镜(10×)进行初步分选, 将可以观察到的微塑料挑出置于玻璃培养皿的滤膜上.剩余水样通过0.45 μm滤膜抽滤后, 用去离子水冲洗转移到1 000 mL烧杯中, 加入200 mL 30%过氧化氢, 在室温下消化24 h, 加入800 mL饱和氯化钠溶液(密度为1.2 g·cm-3), 充分搅拌后静置24 h, 收集上清液后过0.45 μm滤膜, 将截留有微塑料的滤膜置于玻璃培养皿中, 等待下一步处理.
沉积物样品先剔除植物残体、碎石和贝壳等杂质, 60℃烘干至恒重后过25目筛.称取50 g过筛后的样品, 加入饱和的氯化钠溶液(密度为1.2g·cm-3)静置24 h后将上清液移至另外一个烧杯中, 浮选过程重复3次.将3次浮选的上清液抽滤, 收集滤膜上的残留物到离心管内, 离心10 min后, 取上清液倒入烧杯中.然后加入30%的过氧化氢在60℃的条件下消解3~4 d.消解后再次离心, 取上清液, 经0.45 μm滤膜抽滤, 得到的滤膜放置于培养皿中, 盖上盖子, 置于25℃烘箱中烘干24 h后待分析.
将干燥后的滤膜放于立体显微镜下(LEICA S8AP0)观察滤膜上的微塑料, 并拍照记录.表层水中的微塑料的丰度表示为“n·m-3”, 沉积物中的微塑料丰度表示为“n·kg-1”.使用傅里叶变换显微红外光谱仪(Nicolet iN 10, Thermo Fisher, USA)对挑选出来的微塑料进行分析, 确定微塑料的聚合物类型.
1.4 风险评估实验采用微塑料风险指数(H)和污染物负荷指数(PLI)两种模型对桂林市公园微塑料污染风险进行评估[22, 23], 微塑料风险指数(H)计算公式如下：
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式中, H为聚合物的风险指数; Pn为每个采样点每种聚合物的百分比; Sn为各类塑料聚合物的危险评分.聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯(PE)的Sn值分别为4和11[22].
污染物负荷指数评估模型定义如下：
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式中, CFi为微塑料的污染系数; Ci为某个采样点微塑料的实测丰度; Coi为微塑料丰度参考值, 目前理论上关于Coi的选择争议较大, 此次研究选择Everaert等[24]利用数学模型估算出的水体和沉积物中微塑料的安全浓度(即对生物体无效浓度)作为微塑料丰度参考值, 其中水体和沉积物中微塑料的丰度参考值分别为6 650 n·m-3和540 n·kg-1; PLI为某采样点的微塑料污染负荷指数; n为采样点个数; PLIzone为研究区域微塑料污染负荷指数.当PLI≤1时, 该区域属于轻度污染, 1＜PLI≤2时为重度污染, PLI＞2时为极强污染.
1.5 数据处理数据的处理使用软件IBM SPSS Statistics26.0进行, 采用Pearson相关分析对公园入园人数和微塑料丰度进行分析, 采用单因素方差分析(One-way ANOVA)对不同公园的微塑料丰度进行分析, 所有数据结果均在显著水平为0.05情况下检验.采样点分布图用ArcGis10.2绘制, 其他图件用Origin 2018绘制.
1.6 质量控制为避免样品受到外界微塑料的污染, 在采样和实验全程要求穿戴棉质实验服及手套, 避免样品接触一切塑料制品.烧杯使用锡箔纸密封, 微塑料的提取及鉴定在超净实验室进行.为确保实验的准确性, 实验室处理过程中, 均设置空白对照组, 即在超净实验室中放置湿润的空白滤膜, 空白组未检出微塑料.
2 结果与讨论 2.1 微塑料的丰度特征 2.1.1 表层水微塑料在所有表层水样品中的检出率为100%.桂林市公园表层水中的微塑料丰度为104.67~674.44 n·m-3[图 2(a)].8个不同公园的表层水中微塑料丰度的分布上具有显著性差异(P＜0.05).S3和S6的表层水微塑料丰度远高于其他采样点, 达到674 n·m-3和664 n·m-3.S3是桂林市的热门旅游景点, 近3年平均客流量达到53万人, 因此使用并丢弃到环境中大量的塑料制品可能导致S3表层水中的微塑料丰度高于其他3个综合型公园.S6作为社区型公园代表, 其表层水微塑料丰度略低于S3, 但远远高于另外两个社区型公园S5和S7.现场调研发现S6有生活污水直接排入, 这可能是导致S6微塑料丰度高的直接原因.表层水中微塑料丰度最低的是S8(104.67n·m-3), 由于S8是生态型公园, 其作用主要是保持水土、涵养水源和调节气候, 娱乐性较低, 游客稀少, 微塑料因缺少输入而在该公园水体中不易积累.
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图 2 桂林市公园表层水和沉积物中的微塑料丰度 Fig. 2 Abundance of microplastics in surface water and sediments of park waters in Guilin |
与同样采用过滤法进行调研的其它水体中微塑料的丰度相比(表 2), 桂林市公园表层水微塑料丰度明显低于洞庭湖[25]、鄱阳湖[26]、乌梁素海[27]和瑞士的萨索罗湖[28], 但高于芬兰的Kallavesi湖[29]和印度的恒河[30].与巴基斯坦的拉瓦尔湖[31]和俄罗斯的贝加尔湖[32]相比其丰度相似.但总体来说, 桂林市公园表层水微塑料丰度相对较低, 这可能是因为很多大型湖泊是污水厂或排水系统的受纳水体, 这使其成为微塑料在内陆淡水中重要的汇集地.
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表 2 全球湖泊微塑料污染情况 Table 2 Microplastic pollution in global lakes |
2.1.2 沉积物
沉积物样品中同样全部检测出了微塑料, 沉积物中微塑料的丰度为95.57~877.78 n·kg-1[图 2(b)].S2和S4沉积物中的微塑料丰度显著高于S1和S3, 这可能是因为S2和S4的公园湖泊中有大量人工种植的挺水植物.这些挺水植物在种植时, 用来包裹根部的塑料薄膜或壳没有清除, 这些塑料制品在水中不断经受水流冲击后破碎形成微塑料并停留在沉积物中.与表层水情况相同, S8沉积物中微塑料丰度最低(95.57 n·kg-1), 远低于其他公园.沉积物中的微塑料丰度容易受到水体扰动的影响.S3较多的水上娱乐项目使公园不同深度的水交换频繁.S5与河流相连, 水体流动性较大, 这些水体环境不利于微塑料的沉降.而S6和S7是封闭水域, 水体扰动程度小, 微塑料更容易沉降.本次研究区域内沉积物中微塑料的丰度高于大部分其他的研究的结果(表 2), 这可能也是因为公园水域面积小, 水体流动性和交换能力不及大型湖泊, 从而更有利于微塑料在沉积物中的累积[33].
2.2 微塑料的形貌与组分特征图 3给出了各采样点表层水和沉积物中典型微塑料的形貌.微塑料主要形状是碎片和纤维.表层水中碎片占54.09%、纤维占36.20%[图 4(a)], 沉积物中碎片占60.61%、纤维占24.93%[图 4(c)].一般来说, 碎片状微塑料主要来自于大型塑料的裂解[38], 纤维状微塑料主要来源是衣物等人工合成纤维纺织品的清洗[39].城市公园中纤维状微塑料主要来源可能为大气沉降和地表径流[40, 41].
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图 3 桂林市公园表层水和沉积物中不同形状的微塑料 Fig. 3 Microplastic shapes in surface water and sediments of park waters in Guilin |
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图 4 桂林市公园表层水和沉积物中微塑料的形状和粒径分布 Fig. 4 Microplastic shape and size distributions in surface water and sediments of park waters in Guilin |
不同粒径微塑料在不同采样点中的占比见图 4(b)和图 4(d). S3和S4两个公园表层水中1~5 mm的微塑料数量占有明显优势, 其它采样点微塑料则以1 mm以下粒径为主.沉积物中的1 mm以下粒径的微塑料在各采样点占60%以上.表层水和沉积物中微塑料粒径分布与黄河下游河口[42]、乌梁素海[11]和鄱阳湖[43]研究结果一致.桂林市属于亚热带季风气候, 降雨总量大, 降雨形成的地表径流容易携带微塑料等污染物进入到城市公园湖泊中, 且地表径流水的剪切力可能会加速微塑料的裂解.小尺寸(＜1 mm)微塑料更易富集环境污染物, 并被生物摄食, 因此小尺寸的微塑料潜在的环境风险更大, 需要更多关注.
2.3 城市公园微塑料分布与城市公园类型和入园游客数量的关系根据公园的功能特点, 综合型(S1~S4)、社区型(S5~S7)和生态型(S8)公园的微塑料丰度情况见图 5.各类型公园表层水中微塑料丰度范围为104.67~395.84n·m-3, 不同类型公园表层水的微塑料丰度大小顺序为：综合型＞社区型＞生态型.沉积物中微塑料的丰度范围为95.57~586.11 n·kg-1, 不同类型公园的沉积物的微塑料丰度大小顺序为：综合型>社区型＞生态型.综合型公园由于其功能的多样性, 进入公园的人群量和活动范围更广, 由此带来的塑料垃圾的输入量更大, 更容易累积微塑料.而生态型公园主要功能是改善生态环境, 其塑料的外源输入途径比综合型和社区型公园要少, 因此生态型公园的微塑料丰度低.
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图 5 桂林市不同功能型公园表层水和沉积物中微塑料丰度 Fig. 5 Abundance of microplastics in surface water and sediments of different functional park waters in Guilin |
不同功能型公园与微塑料的形状和尺寸关系见图 6.在桂林市公园水体中, 公园类型与微塑料尺寸之间没有显著性差异(P＞0.05).主要原因可能是所有采样点的微塑料来源没有明显不同.相对而言, 社区型公园中颗粒状微塑料较多, 可能是因为采样点S7接纳的部分生活污水导致社区型公园颗粒状塑料数量高于另外两个类型的公园.生活污水中颗粒状微塑料主要来自个人护理产品, Gouin等[44]研究显示, 3亿人在个人护理品中使用了261 t的聚乙烯微塑料.
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图 6 桂林市不同功能型公园表层水和沉积物中微塑料形状与粒径分布 Fig. 6 Microplastic shape and size distributions in surface water and sediments of different functional park waters in Guilin |
城市公园的功能特征可以影响环境中微塑料的分布.为了说明人类活动对微塑料分布的影响, 研究进一步分析了微塑料分布与公园入园人数之间关系.根据桂林市相关部门提供的近3年公园入园人数数据, 对公园微塑料丰度和入园人数进行皮尔逊相关性分析, 结果见表 3.其中Sig.(双尾)值为0.009, 小于0.01, 表明桂林市公园微塑料与入园人数之间存在极显著的相关性.皮尔逊相关性的值为0.881, 则说明桂林市公园微塑料丰度与入园人数之间存在显著正相关.这充分说明了人类活动是城市公园微塑料的主要来源.其它研究也表明, 游客众多的海滩的微塑料丰度值会相对较高[45].对青海湖[46]、蒙古湖[47]和意大利的加尔达湖[48]的微塑料调研研究也认为旅游是微塑料污染的重要来源.
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表 3 桂林市公园微塑料丰度与入园人数相关性分析1) Table 3 Correlation analysis between the abundance of microplastics and the number of tourists for parks in Guilin |
2.4 微塑料的聚合物类型和污染风险评估
根据FTIR分析结果(图 7), 桂林市城市公园微塑料聚合物类型主要为聚乙烯(PE, 84%)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET, 16%).所有的样品中只有PE和PET被检出, 这与它们的广泛使用密不可分.PET常被用于生产纺织品, 如衣服、毛毯和枕芯填充材料.PE被广泛应用于农用薄膜、食品包装袋、塑料瓶和最常见的塑料购物袋.PE和PET目前是内陆淡水中普遍存在的微塑料类型.
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图 7 桂林市公园微塑料红外光图谱 Fig. 7 Fourier transform infrared spectroscopy of microplastics for parks water in Guilin |
根据1.4节中所述的风险评价方法, 桂林市微塑料风险指数(H)为5.12, 低于中国乌拉特前旗[11]、东亚海到北极盆地[49]和青海省的湟水河流域[50]的风险指数, 其风险类别等级为Ⅰ(低风险).各采样点的污染负荷指数PLI值见图 8.表层水的PLI范围为0.12~0.31, 均不超过阈值1, 属于轻度污染.沉积物的PLI范围为0.42~1.27, 其中, S2、S4、S6和S7的PLI都超过了阈值1, 属于重度污染, 其余均为轻度污染.表层水和沉积物的总体PLIzone值分别为0.20和0.91, 属于轻度污染.可见桂林市公园水体的微塑料污染风险总体评估为低风险.但需要指出的是, 虽然桂林市的微塑料污染风险和污染负荷指数总体评估都为低风险, 但该风险评估仅仅考虑了微塑料本身的毒性及其在环境中的丰度.作为污染物载体的微塑料与其它有毒有害污染物的相互作用可能引起复杂的风险效应.同时, 个别采样点的沉积物中微塑料污染处于重度污染, 可能对底栖水生生物构成直接威胁.桂林市作为重要的世界级旅游城市, 应该重视微塑料对生态环境的影响, 规范塑料制品的使用, 加强对塑料垃圾的回收.
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图 8 桂林市公园微塑料各采样点PLI值 Fig. 8 PLI value of microplastics in each sampling point of Guilin Parks |
(1) 桂林市公园表层水和沉积物中微塑料的检出率100%.桂林市公园表层水和沉积物中的微塑料以碎片和纤维为主, 小尺寸(＜1 mm)的微塑料占据了主要部分, 检出微塑料聚合物主要是聚乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯.
(2) 不同类型公园的微塑料丰度差异性显著.研究区域内的微塑料丰度与公园的功能和入园人数密切相关, 旅游是桂林城市公园微塑料污染的重要来源.
(3) 微塑料风险指数(H)和污染物负荷指数(PLI)评估结果表明桂林市公园微塑料污染风险较低.
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