淡水環(huán)境微塑料研究進(jìn)展

何建武，安立會(huì)，齊紅莉

淡水環(huán)境微塑料研究進(jìn)展

何建武1,2，安立會(huì)2，齊紅莉1,通信作者

（1. 天津農(nóng)學(xué)院 水產(chǎn)學(xué)院 天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300392；2. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012）

環(huán)境微塑料（Microplastics，MPs）是指環(huán)境中持久存在的、粒徑小于5 mm的塑料顆粒、薄膜、纖維等。環(huán)境微塑料已在水體、沉積物和生物體內(nèi)廣泛檢出，被聯(lián)合國(guó)環(huán)境署列為亟待解決的十大環(huán)境科學(xué)問(wèn)題之一。本文從淡水環(huán)境中的微塑料來(lái)源、環(huán)境分布與遷移、潛在的生態(tài)效應(yīng)及儀器分析方法4個(gè)方面做綜合闡述，并對(duì)未來(lái)淡水環(huán)境微塑料研究提出了展望，以期為全面開(kāi)展環(huán)境微塑料調(diào)查監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論基礎(chǔ)。

微塑料；監(jiān)測(cè)；來(lái)源；影響；展望

自1972年起，CARPENTER[1]在美國(guó)Florida沿海首次發(fā)現(xiàn)了微塑料之后，微塑料在世界范圍內(nèi)的水、沉積物及生物體中均有檢出，在人類生產(chǎn)活動(dòng)密集的港口、河流入海口等地區(qū)污染較為嚴(yán)重[2-3]。作為近幾年的新型污染物，微塑料受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注，而目前微塑料污染的調(diào)查工作依然集中在海洋環(huán)境[4-6]，如亞洲、澳大利亞、巴拿馬、美國(guó)等多個(gè)地區(qū)的沿海地區(qū)[7]，甚至南極洲[8]附近海域。隨著海洋環(huán)境微塑料污染的爆發(fā)，淡水環(huán)境中微塑料污染的研究逐漸進(jìn)入學(xué)者們的視野。

現(xiàn)有研究表明，關(guān)于淡水環(huán)境中微塑料的報(bào)道近幾年一直在增加；在巴西、印度以及中國(guó)太湖[9-11]等地區(qū)的淡水流域中均開(kāi)展了微塑料污染的調(diào)查工作，但較海洋環(huán)境仍處于起步階段。除了自然環(huán)境中廣泛檢出的微塑料，最新研究發(fā)現(xiàn)飲用水[12]甚至各類食物[13]中也檢出了微塑料，可見(jiàn)微塑料污染正在破壞自然環(huán)境，并對(duì)人類的健康產(chǎn)生潛在威脅，因此亟需對(duì)淡水環(huán)境中微塑料污染水平與潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)開(kāi)展研究。

本文對(duì)淡水環(huán)境中微塑料的特征、生態(tài)效應(yīng)、分析方法進(jìn)行了全面闡述，并對(duì)今后淡水環(huán)境微塑料研究提出展望，以期為今后淡水環(huán)境中微塑料的全面研究和風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控提供理論參考。

1 微塑料的來(lái)源

微塑料按來(lái)源分為初生微塑料和次生微塑料[14]。其中，初生微塑料是指直接生產(chǎn)的粒徑＜5 mm的塑料顆粒，主要作為個(gè)人護(hù)理品添加劑和工業(yè)用拋光料等使用，這些微塑料會(huì)隨沖洗過(guò)程經(jīng)家庭排水系統(tǒng)和污水排放進(jìn)入到水環(huán)境中[15-16]。盡管現(xiàn)存的污水處理系統(tǒng)對(duì)微塑料的最高去除率可達(dá)90%以上，但仍然有可觀數(shù)量的微塑料進(jìn)入水環(huán)境[17]。次生微塑料通常由較大的塑料垃圾經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)、生物等作用分解形成，水環(huán)境中大塊塑料的破碎主要和紫外輻射及水面波浪有關(guān)，但小型水域（如河流、湖泊）中的微塑料較大型水域（如海洋）暴露于紫外線中的可能性更高；同時(shí)陸地上的大塊塑料，尤其是在土壤表面的，由于長(zhǎng)期暴露在紫外線之下，也非常容易發(fā)生破碎后形成微塑料顆粒[18-20]。

污水處理廠被認(rèn)為是水生環(huán)境中微塑料的重要來(lái)源之一[21]。有研究在德國(guó)的下薩克森州4個(gè)三級(jí)和8個(gè)二級(jí)污水處理廠中分析了微塑料，發(fā)現(xiàn)其由14種不同的聚合物組成，其中大部分被確定為聚乙烯，而且主要形態(tài)為纖維，經(jīng)過(guò)樣品對(duì)比得出其來(lái)源多為衣物纖維[22]。MASON等[23]在美國(guó)的17個(gè)不同污水廠中發(fā)現(xiàn)，平均每個(gè)污水處理設(shè)施每天要釋放400多萬(wàn)個(gè)微塑料，纖維和碎片為最常見(jiàn)的形態(tài)，且人口密度越大的地區(qū)，其污水處理廠日排放微塑料的數(shù)量越大。在上海某污水處理廠，白濛雨等人[24]發(fā)現(xiàn)污水廠總進(jìn)水中微塑料豐度為117 n/L（n為微塑料個(gè)數(shù)），調(diào)配水中為90 n/L，總出水中為52 n/L，研究粒徑為0.355～ 1.000 mm，出水中數(shù)量較多為合成革、人造絲、聚酯纖維和聚乙烯，且多為纖維和顆粒，顏色多為透明、黃棕色、藍(lán)色、紅色、黃色、綠色、黑色、灰色和棕色；形態(tài)、顏色和類型均表明污水廠中的微塑料主要來(lái)源于衣物清洗過(guò)程?，F(xiàn)有關(guān)研究[25]顯示，污水處理廠中的微塑料多為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊恍┗瘖y品成分以及洗滌衣物時(shí)脫落的衣物纖維。污水處理廠中微塑料的研究屬于起步階段，仍然需要大量的研究來(lái)說(shuō)明污水處理廠中微塑料的主要類型及來(lái)源。

微塑料能夠在陸地生態(tài)系統(tǒng)、淡水環(huán)境和海洋環(huán)境之間進(jìn)行遷移，而淡水環(huán)境被視為陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋環(huán)境微塑料遷移的橋梁[26]。研究表明，70%～80%的海洋微塑料都是通過(guò)淡水徑流引入的[5]，因此淡水環(huán)境中的微塑料較陸地和海洋環(huán)境更應(yīng)受到重視。一部分陸地環(huán)境中的微塑料會(huì)在重力作用和生物活動(dòng)的影響下沉積到地下[27]，另一部分留在地表。地表上較輕的微塑料在風(fēng)力作用下進(jìn)入淡水水體甚至海洋[28]，較重的微塑料隨著地表徑流沖刷或水土流失進(jìn)入淡水系統(tǒng)，例如農(nóng)業(yè)灌溉的排水溝、雨水沖刷等[29]。同時(shí)，沉積到地下的微塑料也可能通過(guò)地下徑流進(jìn)入淡水環(huán)境[30]。

2 淡水環(huán)境中微塑料的濃度

2.1 水體

目前相較于海洋環(huán)境中微塑料的調(diào)查工作，淡水環(huán)境中的微塑料研究相對(duì)較少。但近幾年來(lái)的研究表明，淡水環(huán)境中的微塑料污染同樣普遍存在[31]，并通常在人口密集的地方微塑料污染較為嚴(yán)重，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)湖泊中也發(fā)現(xiàn)了微塑料漂浮于水體表面。在Hovsgol中，研究發(fā)現(xiàn)了高水平的微塑料，平均豐度為20 264 ind/km2，并且微塑料形態(tài)豐富，如纖維、碎片、薄膜、顆粒、微珠等[32]，說(shuō)明這些湖泊雖然遠(yuǎn)離人口稠密的環(huán)境，但微塑料的污染會(huì)跟隨環(huán)境中季風(fēng)、徑流等作用，擴(kuò)散到各種水體當(dāng)中。武漢地區(qū)湖泊的微塑料污染也達(dá)到了（1 660.0 ± 639.1）～（8 925.0 ±1 591.0）n/m3，且主要為纖維、碎片、顆粒[33]，這類分布在靠近市區(qū)水體中微塑料的豐度遠(yuǎn)高于郊區(qū)。臺(tái)州椒江口、溫州甌江口和福州閩江口水體中同樣發(fā)現(xiàn)微塑料的豐度范圍在100～4 100 ind/m3，主要為聚乙烯和聚丙烯的纖維、顆粒狀和彩色塑料顆粒物，并且污染程度與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)呈顯著相關(guān)[34]。另外值得關(guān)注的是，在太湖表層水體中同樣檢出了微塑料，環(huán)境豐度在0.01×106～6.80×106ind/km2之間，形態(tài)包括纖維、薄膜、碎片以及小球等，顏色有藍(lán)、黑、白和紅等，材質(zhì)主要是聚乙烯、對(duì)苯二酸酯和聚酯，據(jù)推測(cè)其來(lái)源大多為人們?nèi)粘Ｉ钏褂玫乃芰袭a(chǎn)品[11]。CASTANEDA等[35]在城市河流中發(fā)現(xiàn)，人口密度與微塑料含量出現(xiàn)相同的趨勢(shì)，說(shuō)明微塑料的污染情況和人類活動(dòng)有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；KLEIN等[36]在德國(guó)萊茵河和Main河的調(diào)查工作中也發(fā)現(xiàn)，微塑料含量和人類活動(dòng)有很大的相關(guān)關(guān)系。

2.2 沉積物

河流沉積物被認(rèn)為是微塑料的臨時(shí)儲(chǔ)存庫(kù)，是淡水和海洋環(huán)境微塑料的重要來(lái)源[37]。在雅加達(dá)灣、普盧伊特和安科拉的河床沉積物中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)微塑料為聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚酯纖維、尼龍等類型，豐度范圍為18 405～ 38 790粒/g，形態(tài)有碎片、顆粒和纖維，顏色包括藍(lán)色、黑色、白色等[38]，這與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和人類活動(dòng)密不可分。在文伯納德湖沉積物中也發(fā)現(xiàn)了大量薄膜和泡沫狀的微塑料，大多數(shù)為低密度聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯，豐度為96～496個(gè)/m2，其來(lái)源大多數(shù)為旅游活動(dòng)帶來(lái)的塑料垃圾[39]。萊茵河的河床沉積物中，發(fā)現(xiàn)微塑料豐度為（0.26 ± 0.01）×103～（11.07 ± 0.60）×103MP/kg，粒徑范圍在11～500 μm，微塑料粒徑＜75 μm的占96%以上，大多數(shù)為丙烯酸酯、聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯，分析來(lái)源大部分為防污漆涂料，用于保護(hù)和減少船體的摩擦[40]。洛東江（The Nakdong River）河口沉積物中雨季后的微塑料豐度要高于雨季前，微塑料的粒徑范圍主要集中在20 μm以下，塑料類型主要為聚乙烯、聚丙烯、尼龍等[41]。長(zhǎng)江口潮灘沉積物中微塑料檢測(cè)結(jié)果顯示的平均豐度為（3.42 ± 1.31）items/g，有纖維和碎片兩種存在形態(tài)[42]。

2.3 生物體

根據(jù)研究和種類而言，淡水生物中用于研究微塑性污染的動(dòng)物大多為魚和雙殼類動(dòng)物；有研究對(duì)22種物種進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)90%以上的個(gè)體被微塑料污染[43]。在葡萄牙杜羅河口的鰕虎魚（）體內(nèi)，平均11.66條/100 m3密度下，發(fā)現(xiàn)了不同類型的微塑料，即纖維和軟、硬塑料，顏色為彩色、透明，共有2 152個(gè)顆粒，平均豐度為17.06 MPs/100 m3，以硬塑料和纖維為主，共占總體微塑料的83%[44]。德國(guó)西南部淡水魚類微塑料調(diào)查中，共采集了1 167條魚，發(fā)現(xiàn)18.8%的個(gè)體體內(nèi)含有微塑料，豐度在（1.2±0.5）個(gè)/條，粒徑平均范圍（899±1 050）μm，主要類型為碎片和纖維，分別占54%、39%，顏色有藍(lán)色、黃色、黑色、綠色和紅色等[45]。在太湖區(qū)域調(diào)查的魚類樣品中，微塑料的主要類型為賽璐酚（49.1%）、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（10.6%）、聚醚砜樹(shù)脂（7.9%），大多數(shù)形態(tài)為纖維、塊、小球、片、薄膜等[46]。魚類的攝食習(xí)性決定其更易攝入微塑料，且野生魚類體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的微塑料形態(tài)以纖維為主，可能是由于纖維具有較高的變形性，更易被魚類攝入[47]。

3 微塑料的生態(tài)效應(yīng)

3.1 微塑料對(duì)生物體的損傷

微塑料的粒徑普遍較小，容易被底棲生物、濾食性生物等所誤食，繼而在生物體內(nèi)產(chǎn)生一系列毒理效應(yīng)[48]。世界各地均已報(bào)道在水體環(huán)境中魚類、貝類等生物的微塑料污染。大多數(shù)魚類都會(huì)主動(dòng)攝食微塑料，通過(guò)吞食、捕食等方式主動(dòng)攝入懸浮或漂浮在水體中的微塑料顆粒。誤食被認(rèn)為是微塑料進(jìn)入水生生物體內(nèi)的主要途徑，體型越大的生物體，能夠進(jìn)入體內(nèi)的微塑料粒徑也越大[49-50]。通過(guò)解剖和組織切片發(fā)現(xiàn)，微米級(jí)的微塑料被攝入后會(huì)對(duì)生物體胃腸道造成機(jī)械損傷，堵塞食物通道，產(chǎn)生飽腹感。同時(shí)，微塑料還會(huì)在消化組織器官中積累，如消化管、胃、肝胰腺、生殖器官、呼吸器官等[51-53]。此外，MOOS等人[54]發(fā)現(xiàn)貽貝（）在攝入微塑料顆粒后，能夠在其細(xì)胞中檢測(cè)到微塑料，繼而引發(fā)組織炎癥、細(xì)胞增殖和壞死[55]。

3.2 微塑料中添加劑和附著物的毒性

塑料產(chǎn)品為了滿足不同的需要，會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中添加染色劑、增塑劑、阻燃劑等化學(xué)添加 劑[56]。據(jù)歐盟統(tǒng)計(jì)，列入塑料添加劑清單的阻燃劑有38類，包括7種有機(jī)磷酸酯；增塑劑有64種，包括9種苯甲酸酯類[57]。以有機(jī)磷酸酯為例，有機(jī)磷酸酯會(huì)導(dǎo)致青鳉（）體內(nèi)分泌系統(tǒng)發(fā)生紊亂，激素水平顯著變化，進(jìn)而導(dǎo)致繁殖行為以及繁殖能力下降[58]。同時(shí)微塑料粒徑微小，比表面積大，更容易吸附有機(jī)污染物、重金屬等環(huán)境污染物。有研究發(fā)現(xiàn)，微塑料中所含污染物濃度高出周圍水體中幾個(gè)數(shù)量級(jí)[3]。微塑料自身較強(qiáng)的疏水性會(huì)導(dǎo)致更多污染物富集在生物體內(nèi)，對(duì)生物體的潛在毒性效應(yīng)升高[59]，從而影響生態(tài)系統(tǒng)安全以及人體健康。

4 微塑料的儀器分析方法

目前，應(yīng)用于微塑料分析的方法主要有視覺(jué)識(shí)別、傅立葉變換紅外光譜、拉曼光譜、掃描電子顯微鏡法、裂解氣相色譜-質(zhì)譜法、液相色譜法等[60]。

視覺(jué)識(shí)別是指觀察者使用肉眼或者體視顯微鏡，通過(guò)觀察顏色硬度等特征檢測(cè)和計(jì)數(shù)，一般可對(duì)1～5 mm的樣品進(jìn)行鑒別。這種方法操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)成本低。但是微小顆粒計(jì)數(shù)困難，易錯(cuò)認(rèn)[61]；傅立葉變換紅外光譜法利用塑料的特異性紅外光譜對(duì)微塑料進(jìn)行識(shí)別可有效分析大于500 μm的微塑料，其方法可靠，可快速有效識(shí)別不同的微塑料種類，配合新的自動(dòng)圖像分析系統(tǒng)可在短時(shí)間內(nèi)對(duì)大量樣品進(jìn)行快速分析。但是無(wú)法適用于粒徑小于20 μm的微粒[62]；拉曼光譜通過(guò)散射光譜與光譜庫(kù)進(jìn)行比較來(lái)識(shí)別微塑料、鑒定微粒的聚合物組成，不易破壞樣品結(jié)構(gòu)檢測(cè)，可識(shí)別粒徑＞1 μm的顆粒。但是背景的污染會(huì)對(duì)檢測(cè)造成干擾，需要對(duì)雜質(zhì)進(jìn)行去除，同時(shí)此方法對(duì)粒徑在5～10 μm的粒子識(shí)別能力最高，因此會(huì)低估樣品中微塑料的豐度[63]；掃描電子顯微鏡法生成高分辨率圖像可幫助觀察者從有機(jī)微粒中識(shí)別微塑料，但是樣品前處理嚴(yán)格，是破壞性檢測(cè)，不能區(qū)分添加劑和吸附物質(zhì)，且需對(duì)電鏡下的粒子逐個(gè)分析，耗時(shí)久，無(wú)詳細(xì)識(shí)別信息[64]；裂解氣相色譜-質(zhì)譜法對(duì)裂解后微塑料樣品進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析，通過(guò)獲得的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)光譜圖比對(duì)來(lái)識(shí)別分析微塑料種類并進(jìn)行定量分析，適合于分析大于500 μm的微塑料顆粒，靈敏度高、可靠性強(qiáng)。但一次只能分析一個(gè)塑料顆粒，不適用于大量樣本分析，且設(shè)備復(fù)雜，會(huì)破壞樣品[65]；液相色譜法是將微塑料樣品溶解于有機(jī)溶劑后，通過(guò)液-固的物質(zhì)的量分配比差異，對(duì)混合物進(jìn)行分析鑒別，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)品比對(duì)來(lái)確定微塑料的類型。該方法對(duì)某些微塑料具有較高選擇性，但不適用于分析有機(jī)溶劑中難溶解的微塑料，適用于極小尺寸樣品，無(wú)法認(rèn)知顆粒的物理性質(zhì)[66]。

目前對(duì)于粒徑較大的微塑料視覺(jué)識(shí)別完全可以，且成本低，操作簡(jiǎn)單；粒徑較小肉眼無(wú)法識(shí)別時(shí)，傅立葉變換紅外光譜和拉曼光譜能夠提供光譜比對(duì)以鑒別化學(xué)成分，可以滿足分析淡水環(huán)境中微塑料的需求，且不需要復(fù)雜的前處理過(guò)程，不會(huì)破壞樣品，耗時(shí)較短。視覺(jué)識(shí)別、傅立葉變換紅外光譜和拉曼光譜是目前使用最多的儀器分析方法[67]?，F(xiàn)階段沒(méi)有國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的微塑料儀器分析流程，試驗(yàn)研究中需要根據(jù)目的和實(shí)際條件擇優(yōu)組合，在實(shí)踐中不斷優(yōu)化，探索新方法。

5 展望

淡水環(huán)境微塑料已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，但在一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題上仍存在不足。為能夠深入了解淡水環(huán)境微塑料的生態(tài)影響和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，今后的研究建議集中在以下方面：一是建立環(huán)境微塑料的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，包括樣品采集、前處理、儀器分析、數(shù)據(jù)表達(dá)方式等，進(jìn)而對(duì)不同研究之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以便全面了解環(huán)境微塑料的污染特征和變化趨勢(shì)；二是開(kāi)展微塑料的環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)研究，包括水環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)、沉積物環(huán)境質(zhì)量基準(zhǔn)和生態(tài)質(zhì)量基準(zhǔn)，從而為制定微塑料的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)；三是評(píng)估環(huán)境微塑料的生態(tài)影響和人體健康風(fēng)險(xiǎn)，為政策制定提供理論依據(jù)。

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Research progress of microplastics in freshwater environment

He Jianwu1,2, An Lihui2, Qi Hongli1, Corresponding Author

（1. Tianjin Key Laboratory of Aqua-Ecology and Aquaculture, College of Fisheries, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300392, China; 2. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China）

Environmental microplastics （MPs） are permanent plastic particles, films and fibers with a diameter of less than 5 mm. The occurrences of microplastics have been reported in water, sediments and organisms, and microplastics have been listed by UNEP as one of the top ten environmental science issues to be solved urgently. In order to get a thorough understanding of the microplastics pollution in the freshwater environment, the origin, distribution, migration, potential ecological impact and instrumental analysis of microplastics in freshwater environment were reviewed based on the previous studies in recent years. Scientific prospects for microplastics research in fresh water environment was also put forward. This paper would provide a theoretical reference for investigation, monitoring and evaluation of environmental microplastics.

microplastics; monitoring; source; impact; prospect

X52

A

1008-5394（2021）01-0067-06

10.19640/j.cnki.jtau.2021.01.013

2019-10-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21577137）；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（15JCYBJC23900）

何建武（1994—），男，碩士在讀，主要從事水生態(tài)毒理學(xué)研究。E-mail：hjw171127@163.com。

齊紅莉（1978—），女，副教授，碩士，主要從事水生態(tài)毒理學(xué)及原生動(dòng)物學(xué)研究。E-mail：qihl2000@163.com。

責(zé)任編輯：張愛(ài)婷