微塑料(Microplastics)是指存在于海洋环境中的长度小于5mm的塑料碎屑(Wright et al, 2013)。近年来, 环境中的微塑料污染问题已经成为生态与环境领域中的前沿热点, 引发了广泛关注(UNEP Frontiers Report, 2016)。随着对海洋环境中塑料污染情况研究的深入, 学术界逐步认识到微塑料相比较大的塑料垃圾可能具有更大的危害性(Stefatos et al, 1999; Thompson et al, 2004; Koutsodendris et al, 2008; Cole et al, 2011)。已有研究表明, 微塑料在海洋环境中分布极为广泛(Barnes et al, 2009; Anthony, 2011), 从赤道至两极(Zarfl et al, 2010), 滨海到远海都有发现。通过调查发现, 近海(Lattin et al, 2004; Nor et al, 2014; Song et al, 2015; Zhao et al, 2014; Zhao et al, 2015), 特别是沙滩和近岸水域已经非常普遍地存在微塑料(Liebezeit et al, 2012; Nor et al, 2014; Besley et al, 2017; Laglbauer et al, 2014)。进一步的研究表明, 在中远海、大洋(Pichel et al, 2007; Moore, 2008; Isobe et al, 2017), 人类活动比较少的偏远海域, 如偏远的岛屿附近的海域或沙滩(Pieper et al, 2015; Amélineau et al, 2016), 极地海域(Lusher et al, 2015; Cincinelli et al, 2017), 甚至融化的冰川中(Obbard et al, 2014)都发现微塑料的分布。在垂直尺度上, 从海水表层(Wurl et al, 2005; Zhao et al, 2014; Song et al, 2015), 次表层(Desforges et al, 2015)到深海的沉积层(Woodall et al, 2014)都发现有微塑料的存在。

国内对于微塑料的研究最近十年才逐步开展, 但是发展迅速, 已有的报道主要是关于微塑料分布的调查, 部分开始研究微塑料对生物的影响。研究显示, 微塑料在我国也有非常广泛的分布。沿海区域, 如长江口及其邻近东海水域(Zhao et al, 2014), 珠江口(Fok et al, 2015), 东南沿海城市入海口(Zhao et al, 2015), 香港沿海水域(Tsang et al, 2017)等; 内陆的部分地区(主要是湖泊), 如武汉周围水域(Wang et al, 2017), 太湖(Su et al, 2016), 三峡水坝库区(Zhang et al, 2017), 甚至在人口稀少的青藏高原的湖泊沿岸(Zhang et al, 2016)等地区都有发现微塑料。这表明我国各地的水环境中也普遍存在微塑料。

但是, 目前国内已有研究的调查范围都比较小, 多为局部区域, 对我国近海, 特别是黄东海大范围内的微塑料分布还缺乏了解。东海沿岸是中国经济最发达, 人口最密集的区域之一, 是人类活动与海洋环境相互作用非常显著的区域, 也是中国塑料垃圾进入海洋的主要区域之一(Jambeck et al, 2015)。并且, 东海是中国主要的渔业区域, 出产大量海产品, 而海产品又是与居民生活息息相关的消费品, 微塑料的污染可能会影响海产品的安全, 并且可能对沿海环境和生态系统的稳定造成不利影响。因此, 本文选择了东海作为研究区域, 对东海表层水体中微塑料的分布和组成特征进行定量和定性研究。

1 材料与方法 1.1 调查站位

2015年8月20日至9月23日搭乘“科学三号”海洋科考船在北至长江口附近, 南至台湾海峡北出口的东海区域(25.49°—32.50°N, 120.05°—125.50°E)进行了水平拖网采样, 共40个站位(图 1)。

1.2 样品采集

各站位使用浮游生物网BONGO-NET在表层海水中以水平拖网的形式进行采样。使用的BONGO-NET (HYDRO-BIOS公司, 德国)以双联网的形式进行组装, 单个网圈的网口直径为60cm, 网口上装有数字流量计, 用于计算流过的水的体积; 网圈后部连接滤网, 网孔直径500μm; 滤网末端连接网桶, 用于收集样品, 其侧面开口, 上覆盖有筛绢, 孔径500μm。另外, 网具的配件还包括网桶推力杆和深度抑制器(重22kg), 用于维持网具采样时的工作状态。采样以水平拖网的形式进行。到达站位后, 网具下放到海水表层以下1米左右深度, 在2kn船速下拖行6—10min以完成采样。采样结束后, 回收网具, 取下网桶, 将样品转移到容积1L的样品瓶中, 加入5%的甲醛溶液, 混匀后保存。

1.3 样品分析

使用双筒体视显微镜观察样品, 挑选出其中的塑料碎屑, 使用带有摄像系统的双筒体视显微镜(CARL ZEISS Stemi SV11)进行拍摄, 并使用与摄像系统配套的软件(Carl Zeiss AxioVision 4.9.1SP2)测量塑料基本的尺寸信息。并且, 使用Nicolet iN 10 MX型傅里叶变换红外显微光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer)(Thermo Fisher公司, 美国)对微塑料样品进行检测, 确定其化学组成。

由于微塑料在环境中广泛存在, 为减少误差, 实验中使用的玻片、玻璃皿等与样品接触的物品均使用超纯水涮洗, 密闭烘干后使用; 样品的冲洗和保存均使用超纯水; 样品挑出拍摄后用玻片封存留待检测。

1.4 数据处理

使用软件Surfer12、Ocean Data View4.9和ArcGIS10绘图, 使用Microsoft Office Excel 2013绘制表格。

2 结果

通过调查发现, 东海表层海水中普遍存在微塑料。图 2是部分微塑料的图片, 成分检测显示依次是聚乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯。

2.1 微塑料在东海表层的分布

东海表层水体中, 微塑料的分布密度在0.011— 2.198piece/m³之间, 平均分布密度为0.31piece/m³(图 3)。采样中获取了639个样品, 其中457个是塑料材质的碎屑, 微塑料为449个。全部站位中, 分布密度小于0.1piece/m³的站位有16个, 占总数的40%;分布密度在0.1—0.6piece/m³之间的站位有19个, 占47.5%;分布密度大于0.6piece/m³的站位有5个, 占12.5%。即其中87.5%的站位微塑料的分布密度不超过0.6piece/m³。调查结果显示, 东海表层水体中微塑料分布密度较高的区域主要有五个:即长江口外围海域(以D31为中心), 宁波之外较远的东海中部海域(以D30为中心), 浙江沿海水域(以D34为中心), 温州外海和台湾北部交汇的海域(以D13最高), 台湾北部海域(主要在D7附近)。

2.2 东海微塑料的长度组成

本实验获取的塑料样品长度范围在178.6— 21936.46μm之间。将这些样品按其最大长度分成三类, 即小于500μm, 500—5000μm, 大于5000μm。这三种长度范围的塑料在样品总数中所占比例分别是:小于500μm占6.46%, 500—5000μm占88.6%, 大于5000μm占5.0%。

2.3 东海微塑料的形态特征

将微塑料样品按其形态特征分为五类:泡沫状、块状、棒状、薄膜状和纤维状。泡沫状主要指泡沫塑料或类似泡沫塑料的塑料; 棒状指呈现圆柱形且修长的塑料; 薄膜状指表面较平整, 厚度很小的塑料; 纤维状指直径较小, 长径比极大, 呈现细丝状的塑料; 块状指其他不规则形态的塑料。通过对塑料样品进行分类得出五种形态微塑料分别所占比例为:泡沫54.8%、块状21.4%、薄膜状11.8%、棒状8.5%、纤维状3.6%。五种形态微塑料的尺寸范围如表 1所示, 其在各站位所占比例如图 4所示。

将微塑料样品按颜色不同分成四类, 透明、白色、彩色和黑色。四种颜色微塑料分别所占比例为:白色71.9%、彩色18.5%、透明6.9%、黑色2.7%。不同颜色微塑料在各站位所占比例如图 5所示。

2.4 微塑料的化学组成

对微塑料样品使用傅里叶变换红外显微光谱仪进行检测, 结果如表 3所示。东海表层水体中微塑料的主要化学组分是聚乙烯(Polyethylene)占45.5%, 聚丙烯(Polypropylene)占34.6%, 其他各种塑料成分占19.9%。除塑料成分外, 这些微塑料样品中还检测出了少量非塑料的成分, 如二十二醇(Docosanol), 三硫代亚磷酸三月桂醇酯(Weston TLTTP)、三十六烷(Hexatriacontane)、十八烷基三甲基氯化铵(N-Octadearyl dimethyl ammonium chloride)等。图 6是部分塑料样品的显微FTIR光谱图。

3 讨论 3.1 微塑料在东海的分布

通过研究发现, 微塑料广泛分布于东海表层水体中, 但是其分布是非常不均匀的。导致这种斑块分布的现象可能有以下一些原因。世界其他已有的研究表明, 陆源输入是海洋中微塑料的主要来源(Barnes et al, 2009; Ribic et al, 2010; Browne et al, 2011; Doyle et al, 2011; Collignon et al, 2012; Dubaish et al, 2013)。在东海的四个微塑料密度较高的区域中, 除东海中部海域外, 上海和杭州沿海的长江口和杭州湾交汇海域, 浙江的宁波、台州、温州等地沿海水域和台北沿海的水域都离岸较近, 以上所指出的城市都属于沿海城市, 并且都位于河流的入海口附近(上海位于长江口, 杭州在钱塘江入海口, 台州在椒江入海口, 温州在瓯江入海口, 台北在淡水河入海口), 仅杭州湾周围就分布有上海、嘉兴、杭州、绍兴、宁波、舟山等城市。这些地区人口密集, 经济发达, 尤其是商业、渔业、水产养殖业、航运等活动非常繁荣, 并且靠近海岸, 人类活动中产生的塑料废弃物很多, 容易直接经过海岸排放到海水中或通过河流间接进入海洋, 这直接导致了沿海区域塑料密度较高。但是, 陆源的输入不能单独决定微塑料在海洋中的分布, 同样近岸的其他站位, 如D4、D11、D15、D16、D38等站位, 微塑料的分布密度则相对并不高(小于0.2piece/m³), 这表明微塑料从陆地进入海洋之后, 不会一直停留在近海附近, 而是会随水流迁移, 导致在一些区域中微塑分布密度升高, 而在其他区域则降低, 这表明海水会稀释微塑料的分布密度。

河流是微塑料由陆地输入海洋的一条重要途径。已有报道显示, 长江口河口水域微塑料平均密度达到(4137.3±2461.5)n/m³, 而邻近海岸的东海水域则为(0.167±0.138)n/m³(Zhao et al, 2014), 两地虽然毗连, 但微塑料分布密度差异非常明显。这既证明了河流是向海洋输入微塑料的重要途径, 又表明海水会稀释微塑料的分布密度。与本文相比, 前者采样时间是2013年8月上旬, 而本文采样时间是2015年8月中下旬到9月, 两者采样时间基本都属于夏季。5—10月是南方多雨的季节, 河流的径流量增大, 携带了大量的微塑料, 所以长江口水体中微塑料密度非常高。本文与前者不同点在于:第一, 前者在东海的采样站位比本文中的东海近岸采样站位离河口和海岸更近; 第二, 前者在采样中使用孔径为333μm的网具, 而本文中使用的是孔径为500μm的网具。前文已经说明海水对微塑料分布有明显稀释作用, 并且网具孔径意味着有更大可能遗漏部分较小的微塑料, 但本文调查发现长江口外东海水域的微塑料密度要高于其分布密度。

据已有研究表明, 海洋环境中存在的微塑料密度大都在0.8—1.4g/cm³之间(Hidalgo-Ruz et al, 2012)。一般情况下, 大部分微塑料都漂浮或悬浮在浅层海水中, 容易随表层海水运动而迁移。另外, 信风、风暴、河流入海口的冲淡水都会通过影响海水的流动而间接影响微塑料在海水中的分布(Galgani et al, 2000)。所以, 陆源输入主要影响沿岸和近岸的海域内微塑料的分布, 距海岸稍远之后, 微塑料的分布主要受海水运动影响, 特别是表层海水的运动。另外, 进入海洋的一部分密度大的微塑料会下沉, 还有一部分会被海洋动物摄食, 其中一些会随浮游动物的粪便颗粒而下沉(Cole et al, 2016), 另一些会留在海洋动物体内。这些情况也会对微塑料的分布产生一定影响。

总的来说, 微塑料的分布主要受水流运动的影响, 但并不完全由水流决定, 最终呈现的地理和空间分布是多因素作用的结果, 其他因素有待进一步研究。

表 2选取了与本文实验方法和用具最为相似的一些已有的研究进行比较, 结果显示, 东海微塑料的分布密度要低于北太平洋、美国西海岸的部分区域, 而高于地中海地区。与国外的一些同样人口相对密集, 城市较多的沿海地区相比, 东海的微塑料分布密度远低于美国西海岸水域, 尤其是加利福尼亚沿海(Moore et al, 2002)。与世界其他地区相比较, 东海微塑料分布密度低于法国和比利时沿海(Van Cauwenberghe et al, 2013)、意大利沿海(Fossi et al, 2012), 而高于澳大利亚沿海(Reiser et al, 2013)、西太平洋(Yamashita et al, 2007)、南极洲罗斯海(Cincinelli et al, 2017)等海域。与国内相比, 东海微塑料分布密度低于多个城市附近的河流入海口(Zhao et al, 2014; Zhao et al, 2015; Fok et al, 2015)以及香港岛沿海水域(Tsang et al, 2017)。所以黄东海微塑料的分布密度与世界其他地区相比处于中等水平。

3.2 东海微塑料形态特征和成分组成

结果显示长度小于5000μm的塑料占挑选出塑料样品的95%, 其中500μm到5000μm的微塑料又是主要的组成部分(88.6%), 这表明东海表层水体中的塑料碎屑绝大部分是微塑料。从表 3可以看出, 这些微塑料的成分多是常见的聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氯乙烯等类型。其中, 泡沫的主要成分包括聚苯乙烯和聚乙烯, 块状多为聚丙烯、聚氯乙烯等, 薄膜状多为聚乙烯、聚苯乙烯等。这些都是生活中常用的塑料类型, 聚乙烯多用于制造塑料袋和包装材料; 聚丙烯多用于家用电器和塑料管道; 聚苯乙烯常用于制造泡沫塑料板; 聚对苯二甲酸乙二酯多用于制造电子器件和涤纶等。成分多样性表明微塑料来源的广泛性。另外, 在微塑料样品中检出了二十二醇、三硫代亚磷酸三月桂醇酯、十八烷基三甲基氯化铵等成分。这些物质并不是塑料的组成成分, 其中, 二十二醇是一种常见的润肤剂, 常出现在洗涤用品中, 而三硫代亚磷酸三月桂醇酯是一种合成洗涤剂, 也常出现在洗涤用品中, 或作为工业印染的匀染剂、矿物的浮选剂中的成分; 十八烷基三甲基氯化铵一般用作织物柔软剂和护发素的成分。这些成分最有可能出现在生活污水和工业污水中。这表明微塑料吸附了这些物质, 并且陆源污水是微塑料进入海洋环境的一个重要途径。

4 结论

(1) 微塑料普遍存在于东海的表层水体中, 平均分布密度为0.31piece/m³。微塑料在东海表层水体中呈现不均匀的分布, 在近海水域特别是大型城市的沿海、河流入海口附近海域微塑料分布密度明显较高, 离岸较远的东海中部海域微塑料有局部汇集的现象。与世界上其他区域比较, 东海微塑料分布密度处于中等水平。

(2) 东海表层水体中的微塑料形态上多为泡沫状和块状, 颜色上多为白色和彩色, 化学组分多为聚乙烯和聚丙烯。

致谢 本文中样品的采集工作得到了“科学三号”考察船工作人员的大力协助, 谨致谢忱。