基于魚類體內(nèi)外微塑料積累量測定的水生態(tài)風(fēng)險評價

摘要：微塑料在水體中存在持久，還能吸收各種有毒物質(zhì)，最終經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，對動物和人體的健康都造成危害。為評價水體環(huán)境受污染的程度，構(gòu)建基于魚類體內(nèi)外微塑料累積量測定的水生態(tài)風(fēng)險評價模型。利用該模型測評某河流的水生態(tài)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)采樣點的污染負(fù)荷指數(shù)均小于1，表明屬于輕度污染，微塑料的污染程度由低到高的排序為聚對苯二甲酸乙二酯＜聚苯乙烯＜聚乙烯＜聚丙烯。可見，該模型能有效檢測微塑料的積累量，對及時發(fā)現(xiàn)水生態(tài)風(fēng)險和維護(hù)生態(tài)平衡具有重要意義。

關(guān)鍵詞：微塑料測定；風(fēng)險評價；水生態(tài)；消解方法；污染負(fù)荷指數(shù)

中圖分類號：S949；X55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-0-0661

Water Ecological Risk Assessment Based on Determination of Accumulation of Microplastics Inside and Outside Fish Bodies

CHANG Juan， WU Lei， FANG Chao

（Wuhan Zhongke Ruihua Ecological Technology Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： Plastic persists in water and can absorb various toxic substances， ultimately entering the human body through the food chain， posing a threat to both animal and human health. Therefore， in order to evaluate the degree of pollution in the water environment， a water ecological risk assessment model based on the accumulation of microplastics inside and outside fish bodies was developed. Using this model to evaluate the aquatic ecological environment of a certain river， it was found that the pollution load index of the sampling points was less than 1， indicating mild pollution. The order of microplastic pollution from low to high is polyethylene terephthalate＜polystyrene＜polyethylene＜polypropylene. It can be seen that this model can effectively detect the accumulation of microplastics， which is of great significance for timely detection of water ecological risks and maintenance of ecological balance.

Keywords： measurement of microplastics; risk assessment; water ecology; digestion method; pollution load index

塑料是一種高分子聚合材料，用其生產(chǎn)的塑料袋、打包盒、各種商品的包裝盒等物品方便人們的生活。憑借材質(zhì)輕便、價格低廉等特點，塑料早已實現(xiàn)大量生產(chǎn)且被廣泛使用[1]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，2023年全球的塑料制品生產(chǎn)量已超過3.5億t，且年生產(chǎn)量一直呈現(xiàn)上升趨勢[2]。塑料在給人們生活帶來方便的同時，造成大量的塑料廢棄物堆積。在外力作用下，塑料分解成粒徑小于5 mm的微塑料，并廣泛分布在大氣、土壤和水體中，對維護(hù)生態(tài)環(huán)境平衡造成了巨大壓力[3]。微塑料不僅難以降解，還會吸收重金屬、病原體、有機污染物等有毒物質(zhì)，再經(jīng)過食物鏈最終進(jìn)入人體，對生態(tài)環(huán)境和人體健康都是巨大威脅[4]。我國是全球塑料生產(chǎn)大國，面臨的塑料污染問題更加嚴(yán)峻。目前，微塑料的研究主要集中在土壤和大氣方面的分析，水體中的微塑料污染研究多在海洋中展開，對內(nèi)陸河流的微塑料污染研究比較缺乏。因此，為檢測微塑料對水生態(tài)的污染程度，提出通過檢測魚類體內(nèi)外微塑料的積累量來評價當(dāng)前的水生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建基于魚類體內(nèi)外微塑料積累量測定的水生態(tài)風(fēng)險評價模型。

1 構(gòu)建基于魚類體內(nèi)外微塑料積累量測定的水生態(tài)風(fēng)險評價模型

1.1 魚類體內(nèi)外微塑料積累測定方法的構(gòu)建

為了評估水生態(tài)環(huán)境風(fēng)險，首先需要測定魚類體內(nèi)外的微塑料。該測定的難點在于提取微塑料時消化方法的選擇。常見的消化方法是單獨使用不同濃度的H2O2、HClO4、HNO3溶液或基于3種溶液的混合液，用以消解魚肉組織[5]。單一使用不同濃度H2O2溶液對高密度聚合物的消解影響試驗結(jié)果表明，H2O2溶液對塑料的影響很小，但4 d后仍有大塊魚肉組織[6]。可見，使用單一的H2O2溶液對塑料的影響較小，但是魚肉組織消解不完全，對微塑料的測定也會造成影響。單一使用HClO4溶液進(jìn)行消解的研究結(jié)果表明，HClO4溶液消解會腐蝕部分聚合物，造成塑料損失，影響測定結(jié)果[7]。單一使用HNO3溶液進(jìn)行消解的研究結(jié)果表明，當(dāng)溶液濃度超過7.4 mol/L時，魚肉組織的消解效果好，但聚酰胺也會開始溶解[8]。可見使用單一的溶液消解魚肉組織，除了濃度為9.97 mol/L的H2O2溶液消解效果稍好，其他濃度較高的酸溶液雖然能消解魚肉，但是均會對微塑料的測定結(jié)果造成較大影響。因此，需進(jìn)一步探究不同濃度的HNO3與HClO4、H2O2不同體積比例的混合溶液的消解效果。

通過表1的1、2、3組試驗可見，不同濃度和體積比例下的酸溶液對聚酰胺塑料的腐蝕性都很強。OGBONNA等[9]的研究也證明了這一點，因此后續(xù)研究將減少硝酸的用量。通過表1的4、5、6組試驗可見，選用濃度為7.4 mol/L的HNO3溶液與濃度為9.97 mol/L的H2O2溶液以體積比例為1∶4配制的混合溶液，消解效果最理想，但殘留有部分油狀物，因此需要去除油狀物。利用超聲波可破壞油狀物結(jié)構(gòu)，從而分解成小液滴存在液體中，以達(dá)到去除油脂的目的。表面活性劑十二烷基磺酸鈉有去污和乳化的作用，常被添加在洗潔精中。

研究將分別探究上述兩種獨立方式及其組合方式的去污效果。首先，在消解12 h后仍有油脂殘留的燒杯中加入10 mL水和1 g十二烷基磺酸鈉，并攪拌均勻。靜置1 h后，燒杯內(nèi)的油狀物沒有明顯減少。其次，在超聲波清洗器中放入消解12 h后仍有油脂殘留的燒杯，發(fā)現(xiàn)利用超聲波清洗1 h后，油狀物也沒有明顯減少，但溶液有分層現(xiàn)象。最后，檢驗表面活性劑與超聲波共同作用來去除油狀物的效果，先將消解12 h后仍有油脂殘留的燒杯中加入10 mL水和1 g十二烷基磺酸鈉，并攪拌均勻，再將該燒杯放入超聲波清洗器利用超聲波清洗1 h。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用超聲波加大油狀物與表面活性劑的接觸面積，油狀物基本消失不見。綜上所述，先用濃度為7.4 mol/L的HNO3溶液與濃度為9.97 mol/L的H2O2溶液以體積1∶4配制的混合溶液在室溫下消解12 h魚肉組織，再采取超聲波結(jié)合表面活性劑十二烷基磺酸鈉的方法有效去除樣品的油狀物，減小對微塑料測定結(jié)果的影響。

找到有效提取微塑料時消化魚肉組織的方法后，就進(jìn)行浮選工作。在盛有消解液的容器中，加入飽和氯化鈉溶液，攪拌均勻后進(jìn)行過濾。選擇孔徑為50 μm、直徑為9 cm的定性濾紙，用以截留溶液內(nèi)的微塑料。再將濾餅放在室溫下等待其干燥，干燥后對于魚體內(nèi)外的微塑料成分的鑒定，將采用傅里葉變換紅外光譜儀分析法[10-11]。由此，魚體內(nèi)外微塑料積累量的測定方法構(gòu)建完成，其流程如圖1所示。

1.2 水生態(tài)風(fēng)險評價方法的構(gòu)建

風(fēng)險評價能夠評估外界可能會破壞生態(tài)系統(tǒng)的所有因素作用的可能性。隨著科技的發(fā)展，塑料的使用改善人們生活，但是隨之而來的微塑料污染問題愈加嚴(yán)重[12-13]。通過對魚類體內(nèi)外微塑料累積量的測定，可以反映出當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)下水體生態(tài)系統(tǒng)的好壞程度[14]。由于沒有一套完整且系統(tǒng)地用于測量微塑料污染的水生態(tài)風(fēng)險方法，研究采用污染負(fù)荷指數(shù)（Pollution Load Index，PLI）來評價微塑料對水生態(tài)的風(fēng)險。若PLI值小于1，則表明當(dāng)前水體處于輕度污染；若PLI處于[1，2]，則表明當(dāng)前水體處于中度污染；若PLI值大于2，表明當(dāng)前水體處于極強污染[15]。微塑料的總體污染的計算公式如式（1）所示。

（1）

式中：ci為采樣點微塑料的實際濃度；CFi為污染系數(shù)；Coi為微塑料濃度的參考值。微塑料的污染指數(shù)計算公式如式（2）所示。

（2）

式中：Cfi為微塑料的污染指數(shù)；Cri為標(biāo)準(zhǔn)參考值，為6 650個/m3。單一微塑料聚合物生態(tài)危害因子的計算公式如式（2）所示。

（3）

式中：Tri為單一微塑料聚合物生態(tài)危害因子；pi為特定微塑料聚合物Ⅰ的濃度；Si為微塑料聚合物危害指數(shù)。單個微塑料聚合物潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的計算公式如式（4）所示。

Eri=Tri×Cfi（4）

式中：Eri為單個微塑料聚合物潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)，其數(shù)值越大，表明微塑料附著的有毒物質(zhì)越多，對水質(zhì)的污染程度越高。多種微塑料聚合物的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)的計算公式如式（5）所示。

（5）

式中：RI為多種微塑料聚合物的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)；n為測定樣品中含有的微塑料聚合物的種類數(shù)。

2 水生態(tài)風(fēng)險評價的應(yīng)用效果分析

2.1 魚類體內(nèi)外微塑料積累測定方法的效果分析

為檢驗提出的魚類體內(nèi)外微塑料積累量的測定方法的效果，選擇了某河流主流河段水體中8個采樣點的不同野生魚的魚腸、魚鱗作為研究對象，測定了其體內(nèi)外微塑料的累積量并分析了其特征。在采樣點向漁民分別購買了鯽魚、草魚、鰱魚、紅鰭鲌以及鯉魚各5條。5種魚類魚鱗微塑料的積累量及其占比如圖2所示。

由圖2（a）可知，總體來看，鯽魚魚鱗的微塑料積累量在8個采樣點中最高，紅鰭鲌和鯉魚魚鱗的微塑料積累量最少；鯽魚魚鱗的微塑料積累量在200.2～350.4 μg/g；草魚魚鱗的微塑料積累量在163.2～285.3 μg/g；鰱魚魚鱗的微塑料積累量在160.8～165.9 μg/g；紅鰭鲌魚鱗的微塑料累積量平均浮動值很小，積累量為165.3 μg/g和148.6 μg/g，分別在采樣點4和1處捕捉到；鯉魚魚鱗的微塑料累積量分別為112.8 μg/g和165.3 μg/g。由圖2（b）可知，鯽魚和草魚的分布最廣，每個采集點都能采集到，且鯽魚魚鱗的微塑料積累量占比最多，其次是草魚；紅鰭鲌和鯉魚的分布最少，鯉魚魚鱗內(nèi)的微塑料積累量最少。

某河流主流河段8個采樣點的5種魚類魚腸的微塑料積累量及其占比如圖3所示。

由圖3（a）可知，鯽魚魚腸內(nèi)微塑料積累量的平均浮動值為99.3 μg/g，在采樣點2處最少，為100.6 μg/g，在采樣點8處最多，為203.4 μg/g；草魚魚腸內(nèi)微塑料積累量的平均浮動值為66.1 μg/g，在采樣點1處最少，為87.3 μg/g，在采樣點8處最多，為148.2 μg/g；紅鰭鲌魚腸內(nèi)微塑料積累量在采樣點1處最少，為85.2 μg/g，在采樣點4處最多，為136.6 μg/g；鯉魚魚腸內(nèi)微塑料積累量在采樣點8處和4處分別為79.6 μg/g和109.3 μg/g；鰱魚魚腸內(nèi)微塑料積累量的平均浮動值為64.8 μg/g，在采樣點1處最少，為95.2 μg/g，在采樣點8處最多，為110.3 μg/g。由圖3（b）可知，鯽魚魚腸內(nèi)的微塑料積累量占比最高，其次是草魚，最低的是鯉魚。

2.2 水生態(tài)風(fēng)險評價方法的應(yīng)用效果

為驗證研究提出的基于魚類體內(nèi)外微塑料累積量測定的水生態(tài)風(fēng)險評價模型的實際效果，在魚類體內(nèi)外微塑料的累積量測定試驗的基礎(chǔ)上，評價某河流的主流河段的水生態(tài)風(fēng)險。因為魚鱗的微塑料積累量多于魚腸的微塑料積累量，所以選擇魚鱗的微塑料積累量了計算Eri值和RI值。

由圖4（a）可知，8個采集點的PLI值都沒有超過1，屬于輕度污染，表明當(dāng)前環(huán)境下該河流主流河段的污染情況都較為穩(wěn)定。具體來看，采集點8處的PLI值最高，其次是采集點1處，最低的是采集點3處的PLI值，且8個采集點間的PLI值沒有顯著性差異。由圖4（b）可知，主流河段中的聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯以及聚對苯二甲酸乙二酯都屬于低污染程度，按由低到高的污染程度排序為聚對苯二甲酸乙二酯＜聚苯乙烯＜聚乙烯＜聚丙烯。由圖4（c）可知，不同微塑料的生態(tài)風(fēng)險等級從低到高依次為聚對苯二甲酸乙二酯（Ⅰ級）、聚苯乙烯（Ⅱ級）、聚乙烯（Ⅲ級）和聚丙烯（Ⅳ級）。聚丙烯風(fēng)險最高，對生態(tài)系統(tǒng)危害最嚴(yán)重，應(yīng)作為治理重點；而聚對苯二甲酸乙二酯風(fēng)險最低，但仍需關(guān)注累積效應(yīng)。綜上所述，聚丙烯對魚類的污染嚴(yán)重，也嚴(yán)重污染水生態(tài)環(huán)境，能夠為確定水生態(tài)的潛在風(fēng)險提供參考。

3 結(jié)論

為檢測微塑料對水體生態(tài)環(huán)境的污染程度，研究首先構(gòu)建了魚類體內(nèi)外微塑料積累量測定方法，再基于該方法構(gòu)建了基于魚類體內(nèi)外微塑料積累量測定的水生態(tài)風(fēng)險評價模型，還在真實環(huán)境下利用該模型調(diào)查了某河流主流河段的微塑料污染現(xiàn)狀。研究結(jié)果顯示，主流河段8個采樣點中，鯽魚的分布最廣泛，鯽魚魚鱗的微塑料積累量在200.2～350.4 μg/g；魚腸內(nèi)微塑料積累量在100.6～203.4 μg/g。整體來看，魚鱗的積累量大于魚腸的積累量。在水生態(tài)風(fēng)險評價中，8個采樣點的PLI值不存在顯著性差異，污染程度由低到高依次為聚對苯二甲酸乙二酯＜聚苯乙烯＜聚乙烯＜聚丙烯。研究的不足之處在于，沒有考慮到季節(jié)變化帶來的野生魚微塑料攝入不同。未來，研究會擴大信息采集時間，以豐富對水生態(tài)的評價。

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作者簡介：常娟（1979—），女，土家族，湖北恩施人，碩士，工程師。研究方向：水生態(tài)環(huán)保。

通信作者：吳雷（1992—），男，湖北孝感人，碩士，工程師。研究方向：水生態(tài)環(huán)保。