岱海冰封期微塑料與環境因子的關系及風險評價

王志超,竇雅嬌,周 鑫,楊文煥,姚 植,李衛平

岱海冰封期微塑料與環境因子的關系及風險評價

王志超,竇雅嬌,周 鑫,楊文煥,姚 植,李衛平*

(內蒙古科技大學能源與環境學院,內蒙古 包頭 014010)

為探究內陸湖冰封期冰蓋中微塑料的污染情況及其潛在風險,在岱海冰封期進行取樣,采用顯微鏡觀察、冗余性分析和污染物風險指數評價等方法,分析冰封期冰蓋中微塑料的賦存特征以及與環境因子的關系,并進行風險評價.結果表明,岱海冰蓋中微塑料豐度為283～1055n/L,主要檢出形態與顏色分別為纖維狀與黑色,粒徑以<0.5mm為主;垂直方向上,上層冰與下層冰的微塑料豐度高于中層冰.微塑料豐度與總氮、氨氮與鹽度質量濃度呈顯著相關,與其他環境因子關系并不顯著.風險評價結果顯示,冰封期岱海中微塑料污染程度已達中度污染,其潛在風險應引起重視.

岱海；冰封期；微塑料；環境因子；風險評價

微塑料因其尺寸小、不易降解、危害大等特點引起廣泛研究[1].微塑料極易被生物所誤食,使其食物通道堵塞,致使生物營養不良甚至死亡[2-3];可沿食物鏈富集并傳遞,最終進入人體[4-5];且易成為有毒污染物的載體,對環境與生物發揮復合污染效應[6].隨著取樣與檢測手段的不斷進步,微塑料在土壤、湖泊、海洋[7-11]甚至食用鹽、啤酒等食品[12-13]中均已檢測到,研究表明,微塑料除廣泛分布在土壤、水體外[14-15].在冰體中也大量賦存[16].LiSA等[17]對斯瓦爾巴特群島海域中海冰與海水樣品采集發現,同一取樣點海冰的微塑料豐度高于海水樣品2個數量級,證實了海冰為微塑料重要的局部污染擴散源這一猜測,在高豐度微塑料存在情況下,海水水華的潛在生態風險可能更大.Rachel等[18]在北極海冰研究中發現海冰形成時會將海水中微塑料濃縮并封鎖在海冰中,直至冰封期結束微塑料才能被重新釋放到環境中,此循環過程不僅會延長微塑料在環境中的停留時間,更使得微塑料將不斷經歷冰凍-解凍這一過程,使其進一步破損,

微塑料易與污染物結合,對環境造成重復污染.除海冰外,湖冰中也發現了微塑料的存在,王志超等[16]通過對烏梁素海冰體與水體中微塑料進行檢測,發現微塑料在湖冰與海冰中分布相似,相同取樣點的湖冰中微塑料豐度高于湖水中微塑料豐度1～2個數量級.因此,無論海洋還是淡水湖泊,當其處于冰封這一特殊時期時,多數微塑料將被滯留于冰體中,使冰體與水體中微塑料豐度出現數量級的差別.此外,微塑料豐度與環境因子也表現出一定的相關性[17-19].目前對于冰封期湖泊中微塑料的賦存研究較為欠缺,且環境中多種環境因子共存時與微塑料賦存之間的關系也不明晰.

岱海位于內蒙古自治區烏蘭察布市涼城縣境內,是內蒙古自治區三大內陸湖之一.由于獨特的地形地貌,岱海為典型的封閉型內陸流域,排泄與消耗主要依靠湖面蒸發,故本研究通過探究冰封期岱海冰體及水體中微塑料的賦存特征及其與環境因子的關系,以闡明冰封期岱海微塑料污染特征,進而探究微塑料與環境因子的內在聯系,并對冰封期岱海微塑料的潛在風險進行評估,旨在為岱海微塑料污染治理提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

岱海(40°29'～40°37'N、112°33'～112°46'E)湖東西長約25km,南北寬約10km,平均水深約4m.近年來岱海湖面急劇萎縮,截止到2020年,岱海水域面積已從1989年的115.94km2驟減到僅為48.3km2.岱海流域多年平均降雨量為350～450mm,年平均蒸發量高達1800～2300mm,蒸發量與降雨量嚴重不平衡,導致岱海湖補水不足,鹽堿化程度加劇,水質持續惡化[20-21].岱海流域年平均氣溫為5℃,受溫度影響湖體于每年11月開始結冰并進入冰封期,一直持續到次年4月開始融化,年冰封時間長達6個月,冰厚一般可達30～60cm.

1.2 樣品采集

針對研究內容及岱海流域特點,為保證采樣點合理布設,對研究區域進行方形網格剖分節點后,依據湖泊功能分區以及河道入湖口等特點綜合確定并設置9個采樣點(DH1～DH9)[22],如圖1.綜合考慮岱海冰封期水文、環境特征以及取樣時的安全性與可操作性,于2021年1月進行冰樣和冰下水樣采集,使用GPS定位儀進行取樣點定位,為避免樣品采集過程中存在的潛在污染,采樣前使用超純水將水樣采集器、取樣瓶與油鋸等采樣用品洗凈備用.結合前人的取樣方法[23],采集冰樣時在采樣點上畫出40cmｘ40cm的正方形邊框,利用油鋸沿邊框垂直將冰體四周鋸斷,將冰體取出,測量冰厚后將冰體按由上至下10cm每層進行切分,收集到的冰樣共分為3層,分別為表層冰(10～10cm)、中層冰(10～20cm)和底層冰(20～30cm).冰體采集完畢,待水體恢復穩定后利用取水器對距冰水界面0.5m處水樣進行采集,后將9個采樣點的36份樣品在-15℃的環境下保存并帶回實驗室進行后續檢測.

圖1 岱海采樣點分布

1.3 環境因子測定

將采集的冰樣放置在體積為2L的玻璃容器內,待室溫融化后與水樣分別進行環境因子的濃度測定以及微塑料的分離鑒定.量取1L體積的冰融水用于微塑料的分離鑒定,余下樣品一部分用水質分析儀檢測其融水鹽度,另一部分均按國家標準方法進行環境因子(總氮、總磷、氨氮、葉綠素a和硝酸鹽)的濃度測定[24-28].

1.4 微塑料分離鑒定

圖2 岱海區域中微塑料形態

因岱海冰、水微塑料賦存特征未知,故微塑料的分離鑒定必須要以完整的預處理、統計定量以及鑒別方法作為研究的基礎[29].將100mL30%的H2O2溶液加入體積為1L的冰融水和水樣中,以消解其中的有機物質,反應24h后使用玻璃砂芯過濾器以及孔徑為0.45μm的玻璃纖維濾膜過濾樣品,之后將濾膜利用固體膠黏于玻璃培養皿中并將每個玻璃培養皿進行編號,最后將其封蓋置于干燥處以便于后續的檢測[16].采用直接目檢法對微塑料進行統計定量,借助蔡司立體顯微鏡對微塑料樣品進行鏡檢,觀察并記錄樣品中微塑料形態與豐度等特征(圖2).

1.5 質量保證與控制

為最大限度避免實驗過程中所存在的外部潛在污染,實驗器材選用玻璃制品,實驗與取樣前將使用的玻璃制品用超純水清洗3遍后放入烘干箱干燥,實驗與取樣時衣著純棉實驗服和一次性丁腈手套.

1.6 微塑料生態風險評估方法

本文采用Tolminson等[30]提出的污染物負荷指數(PLI)模型,該模型在土壤重金屬污染方面的污染風險評估應用較為成熟,目前已有學者將該模型用于長江口鄰近海域中微塑料的生態風險評估[31].故本研究基于風險評價模型,以冰蓋中微塑料豐度代替污染物負荷來評估冰封期岱海微塑料污染所引起的生態環境風險.

微塑料生態風險評估模型具體如下:

1.7 數據處理與分析

以1L水中包含的微塑料顆粒個數表示微塑料豐度,記作“n/L”.采用Microsoft Excel2018進行數據預處理及制圖,利用SPSS26.0進行數據的相關性分析,通過最小顯著差異(LSD)進行數據差異性分析,當<0.05認為數據顯著,冗余性分析采用Origin2019完成,利用Origin2019、Arcgis10.2及Microsoft Office PowerPoint2018制圖.

2 結果與分析

2.1 冰封期岱海微塑料賦存特征

冰封期岱海冰蓋與水體中微塑料豐度見圖3(a),冰蓋中微塑料的豐度為283～1055n/L,平均593n/L;冰下水體中微塑料豐度為51～148n/L,平均92n/L.冰蓋中微塑料豐度約為同一采樣點水體中微塑料豐度的4～9倍,烏梁素海同一采樣點冰樣與水樣中微塑料的檢測表明,烏梁素海冰樣中微塑料豐度為56.75～141n/L,高于水體中微塑料豐度1～2個數量級,兩者冰蓋中微塑料豐度均高于水體[16],這一現象的出現可能受到冰蓋形成過程的影響,在冰體形成過程中,常規水質指標呈現被排斥至冰下水體的趨勢,微塑料卻與之相反,很容易融入到冰體中,并出現冰下水體中微塑料顆粒被捕捉的情況,使得冰體成為微塑料主要的臨時儲存場所[32],導致冰封期岱海冰體中微塑料豐度高于水體.

冰體中不同冰層微塑料豐度比例見圖3(b),垂直方向上,所有取樣點中微塑料豐度均表現出上層冰、下層冰豐度高于中層冰的特征,其中上層冰、中層冰與下層冰微塑料豐度分別占整體豐度的32%～59%、14%～28%和24%～44%,但差異并不顯著(>0.05).上層冰、中層冰與下層冰中微塑料平均豐度分別為276n/L,133n/L和184n/L,總體而言,上層冰內微塑料豐度最高,中層冰內微塑料豐度最低.冰封期烏梁素海不同冰層中微塑料豐度呈現出與本研究結果相一致的特征,上層冰與下層冰微塑料豐度約占微塑料總豐度的71%,其原因可能為自然水體結冰過程從表面開始,此時將部分微塑料提前封鎖在上層冰中,而底層冰由于在成冰過程中冰-水界面鹽度的升高,導致大量微塑料被底層冰捕獲,這可能是導致此現象出現的原因[16].

本次共采集的36個樣品中均檢測到微塑料的存在,檢出率達100%,結合采樣點分布可知,位于岱海西北部的采樣點微塑料豐度較高,其原因可能為岱海西部區域曾為漁業養殖的主要區域,自西部匯入岱海湖區的支流徑流量大,而北部區域入湖河流水質較差.岱海西北部周圍人類活動較為頻繁,微塑料豐度相對較高,相關研究表明周圍環境及入湖支流對湖泊微塑料豐度影響較大[31],這些都可能是導致分布在岱海西北部區域的DH1、DH2、DH7、DH8采樣點微塑料豐度較高的原因.

將冰蓋中檢測到的微塑料分為黑色、透明和其他共計3類,其中大多微塑料呈現黑色,其次為透明和其他顏色;黑色微塑料分別占檢測到的微塑料總量的48%～73%,[圖4(a)].由于微塑料形態的不同,將檢測到的微塑料分為3種類型:纖維狀、碎片狀和薄膜狀,各采樣點薄膜狀和碎片狀微塑料比例均明顯小于纖維狀微塑料,各采樣點中纖維狀微塑料的檢出比重在41%～63%之間,為冰封期岱海采樣點的主要檢出形態[圖4(b)].眾多學者在開展野外實驗中均發現纖維狀微塑料在各形態微塑料中所占比例相當大[16,29,33],其原因可能為纖維狀微塑料密度較低[34],在湖泊中易漂浮起來,而密度較高的其他類型微塑料則易下沉到湖泊沉積物中,因此這可能是導致冰蓋中纖維狀微塑料占比較高的原因.為評估不同粒徑微塑料所占的比例,本研究將檢測到的微塑料分成5組:<0.5,0.5～1.0mm,1.0～2.5mm,2.5～5mm,所有樣品在各粒徑范圍內均檢測出微塑料,小于0.5mm粒徑的微塑料分別占檢測到的微塑料總量的43%～65%,[圖4(c)].文中較小的粒徑范圍顯示出較高的比例,說明塑料的破碎程度較嚴重,尤其在水體流動緩慢的冰封期,塑料顆粒被封鎖在冰蓋中,而漫長的冰封期使塑料顆粒經過長時間的化學(如光氧化[35])作用被老化、分解成了小粒徑的微塑料顆粒.

2.2 冰封期岱海微塑料與環境因子的關系

如表1所示,水體中TN、TP、NH3-N、Chl-a、硝酸鹽和鹽度質量濃度均大于冰蓋平均質量濃度,各污染物在冰-水相中的遷移效果也不盡相同,但冰蓋中微塑料豐度大于水體中微塑料豐度,呈現出與其他污染物不同的現象,表明在冰蓋形成過程中微塑料與冰蓋對其他污染物的排斥效應不同,冰蓋形成過程中冰下水體中的微塑料會聚集在冰蓋中,因此導致冰蓋與水體中微塑料的豐度呈現出數量級的差別,說明冰封期冰蓋的形成使得湖泊污染特征與暢流期有所不同[36].

表1 冰封期岱海微塑料與環境因子對比

結合岱海鹽度較高等突出性特點,對冰封期岱海冰蓋各采樣點的微塑料豐度、TN、TP、NH3-N、Chl-a、硝酸鹽、冰厚與鹽度值進行冗余性分析(RDA),為驗證RDA分析結果,對微塑料豐度與環境因子進行相關性分析.冗余性分析與相關性分析結果表明(圖5、圖6),除Chl-a與冰厚外,其他環境因子與微塑料豐度均為正相關,其中微塑料豐度與NH3-N、TN、鹽度呈現顯著正相關(<0.05),這一結果表明微塑料與營養鹽有相近的污染特征,其空間分布特征一致,故一定程度上說明微塑料與環境因子的污染源相似,與傳統污染物不同的是,塑料屬人為源污染物,微塑料的賦存數量很容易受到外界環境的影響,該區域污染情況很大程度上決定了區域內微塑料聚集的數量[37-38],故冰封期岱海微塑料豐度與環境因子濃度有著密不可分的原因.對此王志超等[16]在冰封期對烏梁素海進行了有關研究,發現微塑料豐度與鹽度在垂直方向上顯著正相關.另,微塑料豐度與環境因子同時呈現出不同程度的相關性,這可能由于自然環境下微塑料及各環境因子受到的冷凍濃縮作用程度不同,可能造成在冰封期冰-水中遷移效果的不同,例如氮、磷等營養元素受到冷凍濃縮影響程度較高,而鐵、錳等污染物受冷凍濃縮影響程度較低[39].值得注意的是,冰封期冰蓋將微塑料封鎖其中,微塑料豐度與營養鹽呈現正相關,而營養鹽更易降落在作為懸浮顆粒物的微塑料上[40],待到融冰期時大量吸附營養鹽的微塑料從冰蓋中釋放,則更易被捕食者誤食.

圖5 岱海冰蓋中微塑料與環境因子的RDA二維排序

圖6 岱海冰蓋中微塑料豐度與環境因子相關性

冰蓋中微塑料豐度與Chl-a質量濃度和冰厚呈現出負相關.Chl.a是浮游藻類的重要組成成分,廣泛使用Chl.a估計藻類生物量[41],這可能表明岱海湖泊中微塑料顆粒對藻類生長有一定的抑制作用.但由于冰封期前后岱海中微塑料豐度與Chl-a之間的關系并不明晰,所以在非冰封期岱海水體中微塑料顆粒是否對藻類生長產生抑制作用還需進一步研究. Geilfus等[42]認為,在微塑料豐度較高或豐度持續增加的地區,微塑料可能會影響海冰表面的性質,本研究在室外開展,影響因素眾多,除冰體自身物理結構外,人為因素、污染物質等都將對冰體厚度產生影響[43],這些都可能對微塑料豐度與冰厚的關系產生影響,但其中機理尚不明晰.

2.3 冰封期岱海微塑料風險評估

與其他湖泊及海洋冰體中微塑料豐度相比,岱海冰蓋中微塑料豐度高于人跡罕至的南極、北極與波羅地海,同時也高于同一緯度的烏梁素海[16,19,42,44],其原因可能為岱海湖泊較南極、北極與波羅地海等相比人類活動強度高,與烏梁素海相比,岱海的水質惡化更為嚴重,而較強的人類活動以及水質的惡化會向水體提供更多的污染物質,相應微塑料豐度也較高[29].根據污染程度等級分類,各個采樣點均受到不同程度的污染,經計算各采樣點PLI為0.524～ 1.954,DH1污染指數值最高,DH4污染指數值最低,已有5點的污染程度達中度污染,表明不同采樣點的環境風險存在差異.PLIZONE為冰封期岱海區域微塑料負荷指數,由模型計算可得PLIZONE=1.016,在理想情況下所選的參考值基礎上,冰封期岱海區域內微塑料污染程度已達中度污染.

需要注意的是岱海因其獨特的地形地貌,導致排泄途徑只能依靠蒸發排泄[45],但新型污染物微塑料并不能通過自然生態代謝消解,將導致微塑料在岱海湖區呈現出只進不出的現象,且湖區蓄水量逐年減少,使得湖中微塑料將不斷累積.然而微塑料除自身含有雙酚-A等多種添加劑,存在一定的危害性,還易與其他污染物形成復合污染效應[46-47],使微塑料毒性效應加強,因此微塑料導致的環境風險可能加倍.同時岱海冰蓋中微塑料豐度為水體中4～9倍,待融冰期時存儲在冰蓋中的微塑料將被重新釋放在湖泊中,將會打破冰-水間微塑料的濃度平衡,對湖泊造成二次污染.冰封期岱海中微塑料污染程度已達中度污染,上述因素都將進一步增強微塑料對岱海生態環境造成潛在的風險,因此關于研究區域微塑料污染需引起重視.

3 結論

3.1 冰封期岱海冰蓋中微塑料豐度在283～ 1055n/L之間,平均豐度為593n/L,冰蓋垂直方向上表現出上層冰與下層冰高于中層冰的特征,但并未表現出顯著差異(>0.05).冰下水體中微塑料豐度在51～148n/L之間,平均豐度為92n/L,冰蓋中微塑料豐度約為同一采樣點水體中微塑料豐度的4～9倍.檢出的微塑料中形態以纖維狀為主,碎片狀和薄膜狀數量較少,主要檢出顏色為黑色,粒徑以<0.5mm為主.

3.2 冰封期岱海水樣中的環境因子質量濃度均表現出高于冰體的特點.冰封期岱海中微塑料豐度與TN、TP、NH3-N與硝酸鹽表現出正相關,其中TN、NH3-N和鹽度與微塑料豐度呈顯著正相關(<0.05);微塑料豐度與Chl-a質量濃度和冰厚呈現負相關關系.

3.3 冰封期岱海各個采樣點均受到不同程度的污染,整個區域內污染程度已達中度污染,冰封期該區域微塑料污染需引起重視.

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Relationship between microplastics occurrence and environmental factors and risk assessment during ice-covered period of the Daihai Lake.

WANG Zhi-chao, DOU Ya-Jiao, ZHOU Xin, YANG Wen-huan, YAO Zhi, LI Wei-ping*

(School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)., 2022,42(2)：889～896

In order to investigate the contamination and potential risks of microplastics in the ice cap of inland lakes, microplastics were sampled during the ice-covered period of the Daihai Lake, Inner Mongolia, northwest. The relationship between microplastics and environmental factors was analyzed by microscopic observation, redundancy analysis and pollutant risk index evaluation. The results showed that the abundance of microplastics in the Daihai ice cap ranged from 283 to 1055n/L, and the main detectable forms and colors were fibrous and black, and the particle size was mainly <0.5mm. Vertically, the abundance of microplastics in the upper and lower ice layers was higher than that in the middle ice layer. The abundance of microplastics was significantly correlated with the concentration of total nitrogen, ammonia nitrogen and salinity, but not with other environmental factors. The risk assessment results showed that the microplastics pollution in the Daihai Lake during the ice-covered period has reached a moderate level, and the potential risk should be taken seriously.

Daihai Lake；ice-covered period；microplastics；environmental factors；risk assessment

X524

A

1000-6923(2022)02-0889-08

王志超(1988-),男,山東德州人,副教授,博士,從事環境污染控制與生態修復.發表論文30余篇.

2021-07-19

國家自然科學基金資助項目(42007119);國家重點研發項目(2019YFC0409204);內蒙古科技大學創新基金資助項目(2019QDL-B42);內蒙古自治區自然科學基金資助項目(2019BS05004,2020MS02017)

* 責任作者, 教授, sjlwp@163.com