会仙岩溶湿地微塑料的时空分布特征及其影响因素

陈 言,张漓杉,3①,周如月,韦锃弦,钟 山,3,刘俊勇

(1.桂林电子科技大学生命与环境科学学院,广西 桂林 541004;2.广西师范大学环境与资源学院,广西 桂林 541006;3.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室,广西 桂林 541006)

微塑料被定义为直径小于5 mm的塑料颗粒,其在地表水系统中的环境行为是当前研究热点之一[1-2]。大量塑料制品在自然条件下破碎降解成微塑料,经降雨径流、大气沉降等途径进入湖泊、河流等湿地环境中积聚[3]。这些累积在环境中的微塑料容易被水生生物误食,再通过食物链在各营养级生物体内富集,对生态系统造成严重威胁[4]。因此,微塑料在水生生态系统中的环境行为需要受到更多关注。

目前关于微塑料的研究主要集中在海洋和陆地环境。湿地系统相较于单一的水生或陆地生态系统更为复杂,微塑料在湿地中可以通过多种途径进行迁移和积累[5]。现阶段关于湿地生态系统中微塑料相关报道还很少见[6],且主要集中在河口和潮间带等滨海湿地[7],然而岩溶湿地的微塑料污染状况鲜见报道。

会仙湿地是漓江水系的重要组成部分,也是广西亚热带岩溶峰林地貌中天然湖泊面积最大的典型喀斯特湿地。会仙湿地被誉为“桂林之肾”,具有保持水土、降解污染等重要生态功能,同时也是当地重要农业种植区和渔业养殖区。因此,了解会仙湿地微塑料污染状况,掌握岩溶湿地系统中微塑料时空分布特征,对于保护湿地生态系统和保障当地农业、渔业产品安全具有重大意义。会仙湿地水文条件受旱、雨季影响较大,这可能导致湿地系统中微塑料分布特征呈现季节性差异。但已有研究中关于湿地系统中季节性特征影响因素的结果尚不明确,一些研究发现丰水期微塑料丰度高于枯水期[8],而另一些研究结果则相反[9]。这表明微塑料的季节变化需要进行深入探讨,需要在更精细的时间尺度上进行研究。

目前,关于会仙湿地微塑料污染方面的研究已有一定基础。在枯水期,会仙湿地主要流域的水体和沉积物中广泛检测出微塑料并发现湿地对微塑料有阻拦作用,在靠近城市的流域范围内微塑料主要来源于污水排放和农业废弃物[10],但鲜有对整个湿地范围内主要居民区以及渔业活动、农业活动和码头区域微塑料分布特征的研究。综上所述,以桂林市会仙湿地为研究区域,探讨受人为活动影响较大区域的微塑料分布特征,通过分析不同水期(丰水期和枯水期)水体和沉积物中微塑料的形态、粒径和聚合物组分等特征,揭示会仙湿地微塑料时空分布特征及其影响因素,为岩溶湿地环境微塑料相关研究和管控提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 样品采集

桂林市会仙湿地为岩溶湿地,位于我国广西桂林市区西南部约21 km处(25°01′30″ N～25°11′15″ N,110°08′15″ E～110°18′00″ E,图1),海拔介于150～160 m之间。平均气温为19.5 ℃,年均降水量为1 835.8 mm,4—8月为丰水期,该时段降水量占全年总量的70%,其他时段为枯水期,年均蒸发量为1 569.7 mm[11]。

图1 研究区采样点位置

为调查枯水期和丰水期水体和沉积物中微塑料差异,根据会仙湿地水文地质条件,同时考虑布点的均匀性及可行性,经实地勘探,分别于2021年5月和10月在10个样点(图1)共采集20个水体和20个沉积物样品,样点分别位于荷花塘码头(S1)、三义码头(S2)、毛家码头(S3)、七星码头(S4)、乾隆桥(S5)、睦洞湖(S6)、桂柳运河河道(S7)、龙山码头(S8)、白景桥(S9)和分水塘(S10),同时在河流采样断面不同位置采集平行水样。采样前采用超纯水将采集工具清洗3遍以上。在距离岸边一定距离处将10 L采样桶放入水下20～30 cm处进行取样,每个采样点采集50 L水样,并采用孔径为50 μm的不锈钢筛网过滤。再用超纯水将筛网上的截留物冲洗进500 mL玻璃瓶中,带回实验室放入4 ℃冰箱中保存。沉积物样品采用梅花点取样法,用预先清洗过的不锈钢采泥器随机均匀重复3次采集0～5 cm表层沉积物样品,装入铝箔封口袋运回实验室。

1.2 样品处理

将玻璃瓶中水样截流物采用过滤后超纯水转移到500 mL烧杯中,向烧杯中加入w=30%的150 mL H2O2,用铝箔封口后在60 ℃条件下消解24 h。消解结束后,向烧杯中加入氯化钠直至溶液饱和,用搅拌器搅拌10 min并静置24 h,将静置后的上清液转移至另一个干净的500 mL烧杯中,然后将水样真空抽滤至0.45 μm孔径玻璃纤维滤膜上,并放入带盖玻璃培养皿中,最后,在50 ℃烘箱中干燥24 h后备用。

沉积物样品预处理方法参照文献[12],回收率试验结果表明该方法可行[13],且对后续分析结果影响可以忽略不计。将采集的沉积物样品放入60 ℃烘箱中烘干2～3 d完全脱水后,使用研钵将沉积物样品充分磨碎并使用镊子挑出大型碎石、木头等杂物。每个样品随机称取3份,每份50 g,然后分别置于500 mL烧杯中,再加入200 mL饱和氯化钠溶液,用搅拌器搅拌30 min后在室温条件下静置24 h,随后分离出上清液。对每份样品重复上述步骤3次,以保证微塑料被完全分离。所得上清液经0.45 μm孔径玻璃纤维滤膜抽滤后,将滤膜上残留物转移到烧杯中,加入w=30%的150 mL H2O2在室温条件下消解24 h后,再采用0.45 μm孔径玻璃纤维滤膜抽滤样品溶液,最终将滤膜放入带盖玻璃培养皿中,在50 ℃烘箱中干燥24 h后备用。

1.3 微塑料的统计与鉴定

采用显微镜(LEICA S8AP0)挑选记录抽滤后滤膜上的疑似微塑料颗粒,但目视无法准确分辨疑似微塑料的具体成分[14]。因此,在目检时,挑选出所有可能为塑料的颗粒物以分析和确定其成分。在显微镜下,将塑料按形态分为薄片、碎片、纤维和颗粒[15]。通过测量软件统计微塑料粒径大小,同时记录微塑料颜色。镜检完成后,采用显微傅里叶变换红外光谱仪(μ-FT-IR,Spotlight 200,PerkinElmer,USA)测定所有微塑料样品化学成分,采用OMNIC软件(Thermo Fisher Scientific,USA)识别样品光谱,并将其与聚合物标准光谱库进行比较,以确定微塑料化学成分。当匹配度超过70%时,可以确认微塑料样品为相应种类聚合物。

1.4 质量控制

采样所用各类仪器设备在使用前采用超纯水冲洗3次并风干,样品在运输过程中全程密封保存。在实验室分析中,实验人员全程穿着棉质实验服并佩戴丁腈手套,同时在桌面放置一张白纸用于评估空气中微塑料污染。试验所用容器采用纯水冲洗3次后烘干,样品在处理间隔时段采用铝箔纸覆盖容器口。对整个微塑料分析流程进行2组空白试验,结果表明没有外源微塑料污染,因此,外来污染源对实验结果的影响可以忽略不计。

1.5 数据分析

采用ArcGIS 10.2制作采样点位分布图,采用SPSS 25.0单因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan法(α=0.05)进行差异显著性检验,并采用Origin 2021作图。水体微塑料丰度采用n·m-3计数,沉积物(干重)微塑料丰度采用n·kg-1计数。

2 结果与讨论

2.1 会仙湿地微塑料丰度及时空分布

在会仙湿地雨季和旱季,所有地表水和沉积物样品中均检测到微塑料(图2)。丰水期和枯水期水体微塑料丰度均值分别为(12 017.3±1 833.3)和(23 056±4 532.0) n·m-3,丰度范围分别为5 466.7～24 333.3和12 713.3～34 906.7 n·m-3;丰水期和枯水期沉积物微塑料丰度均值分别为(8 252.7±1 143.6)和(20 680.0±2 224.9) n·kg-1,丰度范围分别为3 380.0～14 533.3和11 866.7～42 486.7 n·kg-1。与其他地表水环境(表1[16-21])相比,研究区水体微塑料丰度高于香溪河、三峡水库和太湖等水体,但低于成都生态区[18];沉积物微塑料丰度高于拉鲁湿地、成都生态区、香溪河和三峡水库等水体[16,18-21]。整体来看,会仙湿地微塑料污染较为严重。

表1 典型地表水环境微塑料污染对比[16-21]

同一幅图中,同一组直方柱上方英文小写字母不同表示相同样点不同水期间微塑料丰度差异显著(P<0.05)。

各样点水体和沉积物微塑料丰度存在显著空间差异(P<0.05)。各样点水体微塑料丰度在整体上表现为S2>S3>S4>S1>S5>S8>S10>S7>S6>S9,沉积物微塑料丰度表现为S4>S3>S1>S2>S9>S7>S5>S10>S8>S6。样点S1、S2、S3、S4和S8位于河道码头区域,是主要的游客集中地和渔业养殖区,其中,样点S2、S3和S4附近人口相对稠密。河流微塑料丰度主要受到渔业、农业活动以及农村社区集中地等因素影响[22],这是样点S2、S3和S4微塑料丰度较高的主要原因。而样点S6、S7、S9和S10位于水系主要河流断面,污染来源主要为渔业活动,而来自其他人为因素的污染较少,故微塑料丰度较低。样点S5周围主要为农业活动区域,种植有大量经济作物,样点S6和S7周围存在中等规模农田,农业活动产生的微塑料可能是这些样点的主要来源。

由图2可知,会仙湿地丰水期和枯水期水体微塑料丰度存在显著差异,而沉积物差异不显著。枯水期水体和沉积物微塑料丰度高于丰水期。在丰水期,降水和径流的增加导致河流水面上升,这会稀释水体中微塑料浓度[23]。另外,样点S6、S8和S10微塑料丰度在不同水期之间差异不显著(P>0.05),这可能是由于这3个采样点所在区域地势相对较高,在丰水期水位上涨幅度较小,造成河流水体对微塑料的稀释效应减弱。虽然目前没有直接证据表明降水量会影响区域微塑料数量,但有研究发现地表水微塑料丰度与降水量呈线性相关[24]。除降水量外,造成微塑料丰度在两个不同水期之间存在差异的重要原因可能为地表径流[25]。据报道[26],农业生产活动可以产生大量塑料垃圾,这些汇集在土壤中的微塑料可以通过地表径流方式进入地表水环境中。图2显示,在丰水期农业活动较为集中的样点S5、S6和S7微塑料丰度小于其他样点。这表明即使在径流最有可能将微塑料颗粒迁移进入地表水体的雨季,大量农业活动产生的微塑料颗粒也不会增加地表水体微塑料丰度。沉积物微塑料丰度在不同水期存在差异的主要原因为水文因素,在丰水期降水频繁,这会扰动河流底部沉积物,造成沉积物中微塑料向水体释放,从而减少沉积物微塑料丰度。此外,采样时间的滞后也可能导致这种差异[27]。

2.2 微塑料的形状、粒径及颜色特征

会仙湿地两个水期水体和沉积物微塑料的形状、粒径和颜色分布没有显着差异(P>0.05)。水体和沉积物微塑料包括薄膜状、碎片状、纤维状和颗粒4种形状(图3)。丰水期和枯水期水体微塑料形状主要为纤维状(分别占55.59%和52.63%),其后依次为薄膜状(24.37%和26.14%)、碎片状(19.81%和21.06%)和颗粒(0.23%和0.17%),沉积物中不同形状占比由高到低依次为碎片状(43.05%和38.25%)、薄膜状(33.11%和33.18%)、纤维状(28.28%和23.67%)和颗粒(0.36%和0.10%)(图4)。综上,水体和沉积物微塑料形状主要为纤维状、薄膜状和碎片状。

图3 会仙湿地地表水体和沉积物中不同形状的微塑料

图4 会仙湿地各水期微塑料的形状组成

水体中纤维状微塑料占比高于沉积物,这是由于线状纤维难以在河床上下沉和沉积,更容易悬浮在水中[28]。根据实地考查发现,纤维状微塑料可能主要来源于当地村民在河边洗涤衣物。除此之外,破损渔网、大气沉降和水中塑料垃圾也可能是纤维状微塑料的来源[29]。然而,沉积物中薄膜状和碎片状微塑料占比高于地表水,这可能是由于薄膜状和碎片状微塑料容易产生生物污垢且较大的比表面积可以为细沙和其他物质提供吸附点位,从而增加塑料密度[30],导致这两种形状微塑料沉积在河床中。有研究发现,纤维状微塑料可能更多地附着在丝状藻类和生物膜上,不会很快进入沉积物,而更难捕获的碎片状或薄膜状微塑料可能更容易沉降到沉积物中[16]。碎片状微塑料主要来自环境中大型塑料的破碎和降解,而薄膜状微塑料主要来源于包装袋、农膜废料和保鲜膜的风化降解[31]。检测到的颗粒微塑料占比最小,这可能与研究区周边土地利用情况、人口密度等因素有关[32]。会仙湿地地处农村地区,人口相对稀疏,这可能是造成会仙湿地颗粒微塑料占比低的重要因素。

如图5所示,不同水期会仙湿地水体和沉积物微塑料粒径占比无显著差异。整体上看,微塑料粒径大小与丰度之间呈负相关关系,即微塑料不同粒径占比由高到低分别为0.45 μm～0.5 mm以及>0.5～1、>1～2、>2～3、>3～4和>4～5 mm(图5)。大粒径塑料可以通过紫外线辐射、高温和机械磨损等作用逐渐破碎为小粒径微塑料,这是导致环境中小粒径微塑料占比高的主要原因。丰水期和枯水期水体粒径为0.45 μm～0.5 mm的微塑料占比分别为29.43%和34.80%,沉积物中分别为36.02%和40.41%。枯水期粒径为0.45 μm～0.5 mm的微塑料占比略高于丰水期,这表明微塑料在丰水期降解率可能更低。温度和紫外线照射在塑料降解中起着重要作用,微塑料降解速率在很大程度上取决于在环境中的暴露量[33]。枯水期平均气温更高,且紫外线照射时间更长,这可能是河流中微塑料破碎的原因。除此之外,由于小粒径微塑料更容易重新悬浮和输送,因此在河流水量较低的时期,小粒径微塑料更容易在水体和沉积物中富集,导致小粒径微塑料在环境中占比增加[34]。在会仙湿地,丰水期河流流量远高于枯水期,这可能造成两个水期之间不同粒径微塑料占比存在差异。

图5 会仙湿地各水期微塑料的粒径组成

检测到的会仙湿地微塑料颜色包括透明、黑色、红色、白色、蓝色、紫色、绿色和黄色,微塑料颜色的多样性代表微塑料来源的多样性[34]。如图6所示,水体和沉积物微塑料中透明微塑料占比分别为32.02%和39.35%,黑色占比分别为17.97%和17.75%,其后依次为白色、红色、蓝色、紫色、绿色和黄色。水体和沉积物中无色(包括透明和白色)微塑料占比很高,这是由于透明塑料在各行业中应用普遍以及塑料在潮汐作用等强烈风化过程中的褪色造成的[23]。透明微塑料来源广泛,最主要来源为农膜和塑料袋,黑色微塑料主要来源于塑料袋,而其他有色微塑料可能来自有色塑料制品、服装等[35-36]。

图6 会仙湿地各水期微塑料的颜色组成

在自然环境下,紫外线和风化等作用会对微塑料的形状和颜色产生影响,例如在长期风化作用下微塑料表面形貌会发生改变同时有色塑料会发生褪色[23]。但笔者研究发现两个水期微塑料形状和颜色分布特征并无显著差异,这表明会仙湿地微塑料形状和颜色分布特征可能直接受污染来源影响[31],而受自然条件下的风化等作用的影响较不明显。

2.3 会仙湿地微塑料成分分析

如图7～8所示,会仙湿地水体和沉积物微塑料主要检测到4种类型聚合物,分别为聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。水体中这4种聚合物类型占比分别为42.78%、17.85、22.55%和14.23%,沉积物中占比分别为30.50%、19.76%、13.94%和32.37%。

图7 会仙湿地微塑料红外光谱图

图8 会仙湿地不同微塑料聚合物组成分布

PE、PS和PP在各领域中应用广泛并且容易在环境中迁移,且这3种微塑料密度均小于水,更容易悬浮在水体中。PET密度大于水,因此PET在沉积物中占比大于水体。虽然PE和PP密度小于水,但PE和PP仍然普遍存在于沉积物中,这可能是由于生物污染效应造成微塑料颗粒密度增加所致[37]。

PE是环境中最常见的塑料类型,广泛用于生产管材、容器和塑料袋。枯水期水体和沉积物中PE占比高于丰水期,这是由于枯水期微塑料丰度高于丰水期,而PE为检出微塑料的主要成分,因此可能是PE占比受微塑料丰度影响。PS主要用于生产电器和汽车,碎片状PS更容易沉入沉积物中[38],这导致沉积物中PS占比高于水体。PP可用于生产农用地膜、渔网、包装袋和捆扎绳,受当地渔业活动影响,水体中存在大量渔网,这可能是PP的重要来源。值得注意的是,在沉积物和水体中发现大量PET纤维,PET常用于生产塑料瓶及纺织行业[39],通过实地考察发现当地居民会在河边洗涤衣物等纺织用品,这会造成大量PET纤维进入地表水环境中。此外,水体和沉积物中还发现少量玻璃纸,这种半合成聚合物主要用于生产食品包装和香烟包装,在一些研究[40]中被认为也属于微塑料。

3 结论

以桂林市会仙湿地为研究区域,调查并分析该地区微塑料空间和时间分布特征。具体结论如下：

(1)会仙湿地水体和沉积物均检测到微塑料,水体和沉积物微塑料平均丰度分别为(17 536.67±3 182.65) n·m-3和144 66.33±1 684.21 n·kg-1,码头区域、居民集中地和农业渔业活动区微塑料丰度高于其他区域。水体和沉积物微塑料形状主要为纤维状、薄膜状和碎片状。水体和沉积物微塑料均以0.45 μm～0.5 mm粒径为主,且不同粒径微塑料丰度随粒径增加而下降。水体和沉积物中检出微塑料颜色均以透明为主。水体微塑料检出聚合物成分以PE为最多,其后依次为PP、PS和PET;而沉积物中则以PET为主,其后依次为PE、PS和PP。

(2)会仙湿地微塑料赋存具有时空差异性。枯水期水体和沉积物微塑料丰度均大于丰水期,两个水期微塑料丰度存在显著差异(P<0.05)。此外,枯水期小粒径(0.45 μm～0.5 mm)微塑料和PE占比高于丰水期。不同样点水体和沉积物微塑料丰度存在显著差异,其中,荷花塘码头、毛家码头和七星码头地区微塑料丰度显著高于其他地区。

(3)综合分析会仙湿地微塑料时空分布特征发现,研究区微塑料主要来源为旅游业、农村生活污水排放以及农业和渔业活动。