巢湖水体中微塑料组成及分布特征

陈 馨，张仲伟，刘运钊，李 静，蒋忠冠,4*

1.安徽大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230601

2.长江设计集团有限公司，水利部长江治理与保护重点实验室，湖北武汉 430010

3.安徽省农业科学院水产研究所，安徽省淡水养殖与改良重点实验室，安徽合肥 230001

4.湿地生态系统保护与修复安徽省重点实验室（安徽大学），安徽合肥 230601

塑料由于其质量轻、耐用性高、成本低廉等特点被广泛应用于人们的日常生活中，也是工业产业中生产最广泛的材料之一[1].然而，随着塑料制品的大量使用和塑料废弃物的管理不善，大量塑料垃圾会随地表径流进入河流、湖泊等淡水生态系统，对水环境、水生生物、甚至是人类健康构成严重威胁[2].微塑料是粒径小于5 mm的塑料颗粒[3]，因其尺寸小、比表面积大、疏水性强，而极易在水环境中迁移和扩散，成为有机污染物和重金属的载体，产生污染物的复合毒性效应，对用水安全和水生生物的生态健康均产生不利影响[4-5].

与海洋生态系统相比，湖泊生态系统因其具有更稳定的水文结构，微塑料可以在湖泊中长时间持续积累，致使湖泊成为流域中微塑料的汇[6-8].长江中下游泛滥平原湖泊位于长三角经济带，是受人类活动干扰和污染影响较为严重的敏感区域.因此，及时监测和有效评估长江中下游泛滥平原湖泊中微塑料污染的现状对水生生物多样性保护、区域用水安全和人类健康都有重要意义.

巢湖是我国五大淡水湖泊之一，是长江中下游典型的泛滥平原湖泊.巢湖维持有较高的水生生物多样性，包括47种鱼类、16种底栖生物、140种浮游动物和118种浮游植物[9].同时，巢湖作为重要的水源地在居民供水、农业灌溉、洪水调蓄、发展航运等方面发挥着重要作用[10].因此，巢湖可能通过地表径流、干湿沉降(如降雨、降雪)等途径承纳不同来源(工业废水、城市和农用污水等)的微塑料污染[11].作为合肥市和巢湖市居民的重要水源，巢湖的微塑料污染将对水生生物和当地居民构成安全风险.因此，该研究通过对巢湖水体中微塑料赋存特征的系统调查和分析，提供巢湖流域微塑料污染的本底资料，为巢湖流域的污染防治提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

巢湖流域位于安徽省中部，属长江中下游左岸水系，流域范围为117°00′E~118°29′E、30°56′N~32°02′N.巢湖流域总面积13 486 km2，约占安徽省总面积的9.3%，平均水深为3.06 m.流域涉及合肥、芜湖、马鞍山、六安、安庆5市共16个县(市、区)[12].巢湖周边杭埠河、南淝河、白石天河、派河和柘皋河入湖流量占全年河流入湖总流量的90%以上[13].裕溪河是巢湖唯一的出湖河流，并与长江连通.随着巢湖周边合肥市和巢湖市等城市人口的快速增长以及农业、工业和城市化的发展，大量农业面源污染和工业点源污染随地表径流进入巢湖，会对巢湖生态系统健康造成威胁.

1.2 样品采集

在巢湖共布设25个采样点(见图1).基于巢湖的形态特征，将其分为西湖(1~9号采样点)、中湖(10~19号采样点)和东湖(20~25号采样点)三个湖区.水样的采集选取水文稳定的平水期开展(2020年11月).具体采样方法参考文献[14]进行.采样前使用超纯水将所有采样工具清洗3遍以上.使用2 L采样桶放入水下20~30 cm处进行取样，每一个采样点采集20 L水样，并使用孔径为50μm的不锈钢筛网过滤.用超纯水将筛网上的截留物冲洗进250 mL玻璃瓶中，带回实验室放入4℃冰箱保存.

图1 巢湖区域采样点分布Fig.1 The distribution of sampling sites in the Chaohu Lake

1.3 样品处理

样品预处理参考文献[15]进行，在水样中加入10%氢氧化钾溶液消解处理并放入70℃水浴锅内消解约12 h，直至溶液变澄清，再使用饱和氯化钠溶液对水样进行密度浮选.冷却静置12 h后用0.45μm玻璃超细纤维滤纸(Whatman)对上清液进行真空过滤[16]，将滤纸保存于培养皿中，并立即用铝箔覆盖，以备后续观察.采用体式显微镜(SZ61型,OLYMPUS，日本)观察滤纸上的可疑微塑料并拍摄照片.在视觉识别过程中采用了严格的形态识别标准，包括颜色清晰均匀、无细胞或有机结构等等[15].采用拉曼光谱仪(inVia Reflex,Renishaw,英国)对微塑料进行化学组成鉴定，由于样本量大，选择了有代表性的颗粒，包括所有形状和颜色的组合，以确保所有微塑料的化学组成都被识别到[15].数据采集时间分辨率为4 cm−1，扫描时间为一次10 s，光谱范围为200~3 500 cm−1.为提高可信度，对每个可疑的微塑料颗粒进行了3次扫描.将所得到的光谱图校正后与标准谱图库检索对照进行定性分析.

1.4 质量控制

在试验过程中，试验工具和玻璃器皿均用超纯水洗涤3次.所有用于处理样品的化学溶液都用滤膜进行了预过滤，通过体式显微镜检查并未观察到可疑的微塑料颗粒，因此背景污染可以忽略不计.为了确定空气中微塑料污染水平，试验中运行了3个空白对照.在空白对照组样品中仅检测到(0.12±0.11)个纤维，通过减去空白污染值来修正最终的丰度.

1.5 数据处理方法

拍摄出的微塑料照片使用Image J软件测量粒径.巢湖采样点分布图用ArcGIS 10.6软件绘制，其他相关的图表使用Excel 2016、Sigma Plot 14.0和Origin 2021软件完成.微塑料的丰度数值采用平均值±标准偏差表示，丰度采用每L的颗粒数表示，单位为个/L.

2 结果与讨论

2.1 微塑料丰度与分布

巢湖所有水样中均检测到了微塑料，微塑料的丰度范围为0.25~3.20个/L，平均值为(1.30±0.68)个/L.与其他研究相比，巢湖与洞庭湖(平均值为0.9~2.8个/L)和洪湖(平均值为1.25~4.65个/L)有相似的微塑料丰度范围[17]；然而，与经济发达地区的太湖(平均值为3.4~25.8个/L)[18]和水域面积较大的三峡水库〔平均值为(4.7±2.8)个/L〕[19]等内陆水域相比，巢湖的微塑料丰度较低.研究[20]表明，城市高人口密度引发的塑料产品(如服装和包装)消费激增可产生更多的微塑料污染.其次，随着城市中建筑材料和轮胎的使用越来越频繁，导致更多微塑料因天气因素(如降雨、降雪和风)和陆地径流流入城市水生生态系统[20-21].在空间尺度上，巢湖的东湖微塑料平均丰度为(1.16±0.44)个/L，而西湖和中湖的微塑料丰度平均值分别为(1.36±0.27)(1.34±0.98)个/L(见表1).西湖和中湖微塑料丰度相对较高的原因可能是其承纳了南淝河、兆河和派河等流经合肥市的河流，而这些河流也可能带来更多潜在的微塑料污染.

表1 巢湖水体中微塑料丰度Table 1 Abundanceof microplasticsin water of the Chaohu Lake

2.2 微塑料的形状分布特征

将巢湖水体中微塑料形状分为5种，即纤维状、碎片状、颗粒状、微珠状和薄膜状.微塑料的形状占比及显微镜下拍摄的典型微塑料照片如图2所示，巢湖水体中微塑料形状以纤维状(65.80%)为主，其次为碎片状(19.79%).这与其他湖区的研究结果相似，如太湖(48%~84%)[18]和洞庭湖(41.9%~91.9%)[17]中占比最大的形状均为纤维状.已有研究[22]表明，在巢湖的主要入湖河流(南淝河和十五里河)中纤维状也是微塑料最主要的形状类型.而巢湖流域中高含量的纤维可能是纺织品的洗涤及巢湖区域内渔业活动所致[23].研究[24]表明：洗衣机出水中的纤维状微塑料丰度可达100个/L；其次，老化的渔网渔具也会形成纤维状的微塑料.碎片和薄膜主要是塑料制品在自然条件下裂解而成，如塑料包装袋和塑料容器[3].微珠主要来源于工业磨料.而颗粒经常用于个人护理和化妆品，面部擦洗产品平均含量为20.86个/mg[25].

图2 巢湖水体中微塑料的形状占比及其显微照片Fig.2 Theshape proportion and photomicrograph of microplasticsin water of the Chaohu Lake

2.3 微塑料的粒径分布特征

微塑料根据其粒径分为9类，即50~200μm、200~400μm、400~600μm、600~800μm、800~1 000 μm、1~2 mm、2~3 mm、3~4 mm、4~5 mm.由图3(a)可见，50~200 μm的微塑料粒径占比最高，达到39.88%，其次是200~400μm(20.09%)和1~2 mm(11.04%).值得注意的是，巢湖水体中有88.65%的微塑料粒径集中于50μm~2 mm区间，与已有研究结果相似，如在上海市河口中有99.5%的微塑料粒径小于2 mm[26]，武汉市地表水中小于2 mm的微塑料占比在80%以上[27].这些小尺寸微塑料可能是较大的塑料碎片在机械磨损、光氧化和生物作用下发生碎裂和降解形成的[28].由于小尺寸的微塑料比表面积大，能富集重金属离子等大量环境污染物，而微塑料作为这些污染物的载体，易被生物所摄食并产生生物毒性效应[29].因此，更小尺寸的微塑料在生态环境中可能具有更大的潜在生态风险.

2.4 微塑料的颜色分布特征

通过显微镜观察到的微塑料颜色包括透明、黑色、白色和彩色(蓝色、红色、黄色和绿色)，如图3(b)所示.巢湖水体中微塑料的颜色以黑色为主，占比为44.33%，其次为彩色(26.58%)和透明(24.08%)，而在彩色微塑料中，蓝色(20.86%)最为普遍.巢湖水体中微塑料颜色占比情况与已有研究结果略有差异，在鄱阳湖水体中彩色微塑料占比(48.9%)最大[30]，而透明微塑料在洞庭湖(71.3%)和洪湖(77.9%)水体中占优势[17].巢湖水体中黑色微塑料可能是汽车轮胎或农用黑色薄膜的大量使用所产生的.研究[31]发现，为提高塑料制品的市场吸引力，着色被广泛应用于塑料消费品生产中，这可能是彩色微塑料占比较高的重要原因，而彩色微塑料颗粒因与营养水平较低的生物体相似，极易被生物误摄入从而影响生物的摄食、消化和生长[32].此外，巢湖水体中微塑料颜色呈现出多样化的特征，表明这些微塑料的来源较为广泛.

2.5 微塑料聚合物类型

采用拉曼光谱鉴定微塑料的聚合物类型，共选择了170个可疑的微塑料颗粒物，鉴定结果显示，163个颗粒被鉴定为微塑料，包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE).由图3(c)可见，PP(57.52%)在所有类型中占绝对优势，其次是PET(21.17%)、PE(13.50%)和PS(3.07%).这些聚合物都是包装和工业生产制造中的常见材料.其中，PP主要应用于农用薄膜、包装材料、渔具的制造等；PET主要来源于纺织服装品，通过洗涤过程随生活污水排入城市河道；PE是绳索、网和钓鱼线的常见组成部分；而PVC通常用于制作包装袋.结果表明，巢湖水体中微塑料污染的主要来源可能是纺织品和老化渔具等[33]，且在今后的研究中可进一步追溯其污染源头.

图3 巢湖水体中微塑料的粒径、颜色与化学组成占比Fig.3 The proportion of microplastic particlesize,color and chemical composition in water of the Chaohu Lake

3 结论

a) 巢湖水体中微塑料的丰度平均值为(1.30±0.68)个/L，其中东部湖区略低于其他区域.

b)巢湖水体中微塑料的形状包括纤维状、碎片状、颗粒状、薄膜状和微珠状，其中纤维状是最常见的微塑料形状，占比为65.8%.

c)巢湖水体中微塑料的颜色包括透明、黑色、白色和彩色，其中黑色和彩色占主要优势，分别占总数的44.33%和26.58%.

d)巢湖水体中微塑料以小尺寸(粒径为50μm~2 mm)微塑料为主，占总数的88.65%.

e)巢湖水体中微塑料聚合物类型以PP和PET为主，分别占总数的57.52%和21.17%.