發(fā)布時間：2021-09-30所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：沉降是低密度微塑料聚合物在湖泊中的主要遷移過程。為探究烏梁素海中低密度微塑料聚合物的沉降規(guī)律，基于微塑料和懸浮微粒的相似和不同之處設(shè)計微塑料捕獲器和沉降試驗方法，定量描述不同形狀和不同大小的低密度微塑料聚合物在烏梁素海的沉降過程。結(jié)
摘要：沉降是低密度微塑料聚合物在湖泊中的主要遷移過程。為探究烏梁素海中低密度微塑料聚合物的沉降規(guī)律，基于微塑料和懸浮微粒的相似和不同之處設(shè)計微塑料捕獲器和沉降試驗方法，定量描述不同形狀和不同大小的低密度微塑料聚合物在烏梁素海的沉降過程。結(jié)果表明，各類型低密度微塑料聚合物沉降通量隨風(fēng)速變快而增大，其中形狀為纖維狀，各種尺寸(0.05~0.5、0.5~2 和 2~5mm)的低密度微塑料聚合物沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)變化范圍為 0.268~0.836。在不同點位處，不同風(fēng)速下，形狀為纖維狀、碎片狀、塊狀和薄膜狀，各種尺寸(0.05~0.5、0.5~2 和 2~5mm)的低密度微塑料聚合物沉降通量變化范圍分別為 0~(1458±284)、0~(368±144)、0~(71±37)和 0~(85±65)n∙(m2 ∙d) -1。在形狀相同的情況下，大尺寸的低密度微塑料聚合物更容易沉積，而小尺寸的低密度微塑料聚合物更容易隨水流遷移。在尺寸相同的情況下，纖維狀和薄膜狀的低密度微塑料聚合物更容易隨水流遷移，而碎片狀的低密度微塑料聚合物更容易沉積。
關(guān)鍵詞：低密度微塑料聚合物;微塑料捕獲器;沉降;烏梁素海;風(fēng)速
湖泊是水資源和水利資源的重要儲藏地，在美化環(huán)境和降解污染等方面發(fā)揮著重要作用。近些年來，隨著湖泊周邊人類活動日益頻繁，湖泊微塑料污染問題日益凸顯。目前，無論是城市湖泊還是高山湖泊，均已發(fā)現(xiàn)微塑料的蹤跡[1~3]。微塑料會對湖泊生態(tài)環(huán)境造成一系列負(fù)面影響。比如，微塑料易被水體中的浮游動物和魚類等生物誤食，其危害包括抑制浮游植物生長[4]，影響浮游動物攝食和運動能力[5]，危害牡蠣的濾食行為和繁殖[6]，導(dǎo)致魚類生病等[7]。微塑料尺寸小，比表面積大，疏水性強(qiáng)，是重金屬、有機(jī)物環(huán)芳烴和多溴聯(lián)苯醚等污染物的載體[8~10]。此外，微塑料還含有許多化學(xué)添加劑，如在生產(chǎn)過程中為了改善塑料的性質(zhì)或延長其壽命，通常會添加穩(wěn)定劑、增塑劑、阻燃劑或抗氧化劑等，這些化學(xué)品對環(huán)境均有一定有害影響[11]。對比大塊塑料，微塑料在湖泊環(huán)境中更難降解，易在大氣、水體和沉積物間遷移，并在某一環(huán)境介質(zhì)中相對富集[12~14]。由于其本身具有毒性并攜帶大量污染物，微塑料在湖泊中的遷移和歸趨對湖泊環(huán)境具有一定影響，所以了解湖泊中微塑料的遷移規(guī)律具有重要意義。
一般而言，微塑料在湖泊中的遷移和歸趨主要取決于其密度。高密度微塑料(密度大于水的微塑料)在進(jìn)入湖泊后首先會在重力作用下沉降到沉積物中，并不斷累積，如太湖、三峽水庫和 Chusi 湖沉積物中的微塑料豐度分別高達(dá) 15~160、25~300 和 234n∙kg-1，其中三峽水庫和太湖沉積物中微塑料主要類型分別為 PS 和 PET，密度均大于水[15~17]。低密度微塑料(密度小于水的微塑料)通常只能漂浮或懸浮在水體當(dāng)中，在水動力的作用下進(jìn)行擴(kuò)散[18]。但在水環(huán)境的長期作用下，微塑料的表面形態(tài)會發(fā)生變化，易吸附重金屬和有機(jī)化合物，同時還會黏著有機(jī)碎片、微生物和黏粒等，變?yōu)榫酆衔铮粩嘣龃笞陨淼拿芏龋?dāng)其密度大于水后，也會發(fā)生沉降，進(jìn)而富集到沉積物當(dāng)中[19,20]。因此，沉降是低密度微塑料聚合物和高密度微塑料在水體中主要遷移過程之一。但對比來看，低密度微塑料聚合物的沉降過程要更加復(fù)雜，更難量化和預(yù)測。而且據(jù)調(diào)查研究表明，我國多數(shù)湖泊中微塑料以低密度微塑料為主[16,21,22]。所以了解低密度微塑料聚合物的沉降規(guī)律是探究湖泊微塑料遷移機(jī)制的關(guān)鍵。
目前，有關(guān)微塑料沉降規(guī)律研究多為室內(nèi)試驗和模型模擬[23~25]，而在野外直接測定其通量大小和影響因素的研究并不多見，相關(guān)研究有待進(jìn)一步開展。Martin 等[26]的研究指出應(yīng)加強(qiáng)對水環(huán)境中微塑料的沉降和再懸浮等遷移過程的研究，從而更好地了解微塑料在水環(huán)境中的遷移和歸趨。Kooi 等[12]的研究提出由于微塑料顆粒較小且易在淡水環(huán)境中垂向混合，并富集到沉積物中，與懸浮顆粒和膠體環(huán)境行為相似，可參考懸浮顆粒來探究微塑料在水環(huán)境中的遷移規(guī)律。懸浮微粒與微塑料最大區(qū)別在于，自然懸浮顆粒大小和形狀比較接近，而微塑料的大小范圍很大，且形狀各異，因此其遷移規(guī)律差異較大，所以在探究微塑料沉降規(guī)律時應(yīng)分別探討。此外，對于淺水湖泊而言，底部沉積物質(zhì)易受風(fēng)浪影響發(fā)生再懸浮[27~29]，而后發(fā)生再次沉降，沉積物再懸浮速率和沉降速率的大小與風(fēng)速快慢相關(guān)[30]。所以在探究低密度微塑料聚合物沉降規(guī)律時應(yīng)主要考慮風(fēng)速的影響。
本文以典型淺水湖泊烏梁素海為研究區(qū)，基于懸浮微粒沉降試驗方法，設(shè)計微塑料捕獲器，并建立低密度微塑料聚合物沉降試驗方法，定量描述不同形狀和不同大小低密度微塑料聚合物在不同風(fēng)速下沉降過程，對了解微塑料的遷移過程有重要意義，同時也是構(gòu)建微塑料遷移模型的關(guān)鍵。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
烏梁素海地處中國北方寒旱區(qū)(40°36′~41°03′N, 108°43′~108°57′E)，是黃河流域最大的淡水湖泊，也是地球上同一緯度最大的濕地。2020 年湖泊面積 341km2，水利滯留時間為 240~290d 左右。據(jù)相關(guān)研究表明，烏梁素海水體中微塑料豐度高達(dá)(1400±390)~(10120±4090) n∙m-3 [21]，是已知報道微塑料豐度最高的湖泊之一。由于湖泊水深較淺(平均 2m)，風(fēng)力對湖泊擾動作用較強(qiáng)，泥沙、水藻和微塑料等固體物質(zhì)在湖泊中的摻混強(qiáng)烈。
1.2 低密度微塑料聚合物沉降試驗儀器及測定方法
如前文介紹，微塑料顆粒小，易在水體中發(fā)生垂向混合，并富集到水體沉積物中，與水體中懸浮顆粒遷移過程相似。一般而言，利用沉積物捕獲器能有效地量化懸浮物的沉降過程和底泥的再懸浮過程，該方法原理簡單且所需裝置簡便，試驗時只需將沉積物捕獲器固定在湖泊中，然后測量其中沉積物質(zhì)重量，即可計算得出懸浮物沉降通量[31,32]。因此，本研究結(jié)合微塑料與懸浮顆粒的相似和不同之處，同時考慮淺水湖泊的環(huán)境特征，設(shè)計微塑料捕獲器和試驗方法，量化低密度微塑料聚合物沉降過程，提出研究湖泊微塑料遷移規(guī)律的新方法。
1.2.1 微塑料捕獲器
沉積物捕獲器通常使用有機(jī)玻璃制成，具有質(zhì)輕、強(qiáng)度大和耐腐蝕等特點，但由于其成分為塑料，利用其進(jìn)行試驗可能會造成誤差。此外，低密度微塑料聚合物的密度比湖泊沉積物的密度小，更易發(fā)生再懸浮離開捕獲器，因此微塑料捕獲器的高度直徑比應(yīng)盡可能大。本研究利用玻璃圓筒制作微塑料捕獲器，內(nèi)徑為 10cm，高度為 50cm，高度直徑比為 5∶1，滿足捕獲器設(shè)計的要求[32]。微塑料沉降通量測量裝置如圖 1 所示，主要包括微塑料捕獲器、不銹鋼框和不銹鋼支架。所有捕獲器均固定在不銹鋼筐內(nèi)，保持捕獲器瓶口水平，每個捕獲器瓶口均用孔徑為 1cm 左右的不銹鋼覆蓋，以防止大型浮游動物或昆蟲進(jìn)入捕獲器而影響試驗精度。試驗時將不銹鋼框連同水體微塑料捕獲器固定在支架上。水體中不銹鋼筐下掛 2kg 左右的重物，確保不銹鋼筐在水中能保持水平，微塑料捕獲器能保持豎直。不銹鋼筐頂端系上不銹鋼索，可以將不銹鋼筐連同微塑料捕獲器固定在水中不同深度。
1.2.2 低密度微塑料聚合物沉降測定方法
對于淺水湖泊而言，低密度微塑料聚合物的沉降和再懸浮主要受流速和風(fēng)速共同影響。烏梁素海水深較淺，所在區(qū)域風(fēng)力較強(qiáng)，而流速卻非常低(0.04 m∙s-1)，因此本研究只考慮了風(fēng)速對低密度微塑料聚合物沉降和再懸浮的影響[33]。本研究于 2020 年 7 月 15~31 日在烏梁素海進(jìn)行了低密度微塑料聚合物沉降試驗。本研究共設(shè)置 3 個采樣點。如圖 2 所示，從北向南依次為 O10、Q8 和 R7，流速為 0.02~0.05m∙s -1，與烏梁素海平均流速相近。
試驗方法如下：為防止固定不銹鋼桿擾動沉積物發(fā)生再懸浮，試驗前先將不銹鋼桿下端固定在沉積物當(dāng)中，待 24h 之后，再把不銹鋼框連同微塑料捕獲器用不銹鋼索固定在不銹鋼桿上。每個采樣點架設(shè)一個不銹鋼桿，每個桿上先分別固定兩個不銹鋼框，兩個框中共裝 3 個微塑料捕獲器。捕獲器瓶口通過不銹鋼索均固定在距沉積物 50cm 處，安裝微塑料捕獲器時盡量避免擾動沉積物。試驗裝置后 72h 后，將所有微塑料捕獲器中的樣品倒入 5L 玻璃瓶中，然后將所有捕獲器安裝好，再次進(jìn)行試驗，試驗一共進(jìn)行 5 次。試驗期間通過小型氣象站收集風(fēng)速資料。樣品收集后直接送到試驗室，靜置 24h 后，將上覆水體抽出，留下下部沉積物質(zhì)，待測。
1.3 微塑料的鑒別
1.3.1 低密度微塑料樣品制備
本文擬探究不同形狀和不同大小低密度微塑料聚合物的沉降規(guī)律，但根據(jù)湖泊微塑料的遷移過程，捕獲器中的微塑料既包括高密度微塑料也包括低密度微塑料聚合物，且二者是同時進(jìn)入捕獲器的，因此本研究利用密度分離法來進(jìn)行分離[34]。首先將捕獲器中樣品倒入50μm 不銹鋼篩過濾，然后用超純水沖入到 150mL 溢流燒瓶中，再將其放入超聲波振蕩器中振蕩 6min，去掉微塑料表面附著的雜質(zhì)[35]。在此過程中，低密度微塑料聚合物表面的泥沙和藻類會被剝離，其密度低于水的密度，漂浮到水體表面。靜置 24h 后，加入超純水使漂浮的低密度微塑料溢流出燒瓶并用燒杯收集。接下來，將樣品倒入不銹鋼篩，然后用 30%雙氧水沖入 250mL 錐形瓶，置于 45℃，80 r·min-1 的振蕩培養(yǎng)箱中，處理 24 h 以除去水中的有機(jī)質(zhì)，如生物組織和非生物材料，若腐殖質(zhì)消解不干凈，此過程可重復(fù)多次。最后將樣品用去離子水稀釋，過 0.7μm (GF/F, 47 mm Ø, Whatman)濾膜，然后將濾膜放入玻璃培養(yǎng)皿中，在室溫下風(fēng)干待測。
1.3.2 低密度微塑料聚合物的觀測、統(tǒng)計和鑒別
利用體視顯微鏡(M165 C, Leica, Germany)來觀測濾膜上的微塑料，放大倍數(shù)為 160 倍，觀測時基于前人制定的微塑料鑒別標(biāo)準(zhǔn)來確定疑似微塑料[36]，采用 Leica Application Suite X 軟件計數(shù)，并統(tǒng)計微塑料的尺寸和形狀。根據(jù)前人對烏梁素海微塑料的基礎(chǔ)調(diào)查[37,38]，本研究將微塑料的形狀分為 4 種，包括纖維狀、碎片狀、薄膜狀和塊狀，大小分為 3 個區(qū)間，分別為：0.05~0.5、0.5~2 和 2~5mm。微塑料沉降速率采用通量單位[FMPs, n∙(m2 ∙d)-1 ]。采用 Microsoft Excel 2016 和 Photoshop 等軟件進(jìn)行繪圖。利用 SPSS(24.0)多因素方差分析(ANOVA)對樣本差別進(jìn)行顯著性檢驗。
本文擬探究不同尺寸和不同形狀的低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降規(guī)律。但通常情況下，尺寸和形狀均對低密度微塑料聚合物的沉降有一定影響，單獨比較不同尺寸，或比較不同形狀的低密度微塑料聚合物在湖泊不同位置的沉降通量是沒有意義的。因此，本研究將低密度微塑料聚合物劃分為 12 類，如表 1 和圖 3 所示。然后分別比較：①當(dāng)形狀相同時，不同大小范圍低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降規(guī)律。②當(dāng)大小范圍相同時，不同形狀的低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降規(guī)律。需要注意的是，雖然低密度微塑料表面會吸附一定數(shù)量的泥沙和藻類等物質(zhì)，但通常不足以改變其形狀，或致使其尺寸增大一個數(shù)量級。因此本研究并未考慮微塑料因吸附雜質(zhì)而導(dǎo)致的形狀或大小發(fā)生改變帶來的影響。
為更進(jìn)一步確定疑似微塑料，隨機(jī)從樣品中挑選 60 個樣品，利用傅里葉變換顯微光譜儀檢測其成分，波數(shù)范圍為 4000~50cm-1，對比樣品紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)光譜圖，對目標(biāo)物行進(jìn)定性分析，最后確定成分為微塑料的顆粒數(shù)量。
1.3.3 質(zhì)量控制與管理
為保證微塑料從采集、處理和分析過程中不受到外界污染，每次試驗前用超純水清洗 3 遍采樣和試驗儀器，并使用酒精擦拭試驗臺和體式顯微鏡，試驗過程中每一步后都利用鋁箔紙覆蓋表面。操作全過程中全程穿著棉質(zhì)試驗服。
試驗時進(jìn)行全程空白分析，用于檢查樣品從運輸?shù)椒治鋈^程是否受到污染。進(jìn)行野外試驗時將額外 3 個微塑料捕獲器帶到現(xiàn)場，然后加入 4L 超純水。安裝裝置時將捕獲器豎直放立在船上，待裝置安裝完畢后，倒入 5L 玻璃容量瓶中。送回試驗室后，按與樣品相同的操作步驟進(jìn)行試驗，結(jié)果在空白中發(fā)現(xiàn)少量纖維狀微塑料，其含量為 0~(0.42±0.29)n∙L -1，表明野外和室內(nèi)試驗過程中受到的污染可以忽略不計。
2 結(jié)果與分析
本研究共在烏梁素海非冰封期連續(xù) 5 次試驗，每個時間段的日平均風(fēng)速分別為 1.9、2.6、 3.5、4.1 和 2.9 m∙s-1。本試驗分別檢測出不同風(fēng)速下 R7、Q8 和 O10 這 3 個試驗點微塑料捕獲器中各種低密度微塑料聚合物含量(不同大小和不同形狀)，即得出各類型低密度微塑料聚合物沉降量，每次試驗有 3 組平行。通過計算后，將數(shù)量換算為沉降通量[FMPs, n∙(m2 ∙d)-1 ]，并對不同風(fēng)速下，各類型低密度微塑料聚合物沉降通量在各試驗點的差異進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果如表 1 和圖 3 所示。
2.1 相同形狀，不同尺寸低密度微塑料聚合物在不同試驗點的沉降規(guī)律
本試驗結(jié)果表明，在不同風(fēng)速，形狀相同的情況下，不同尺寸的低密度微塑料聚合物在湖泊 3 個點位的沉降規(guī)律有一定差異。形狀為纖維狀，尺寸為 0.05~0.5mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 Q8 的沉降通量相對較高，尺寸為 0.5~2mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 Q8 和 O10 相對較高，而尺寸為 2~5mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 O10 相對較高;形狀為碎片狀，尺寸為 0.05~0.5mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 Q8 和 O10 的沉降通量相對較高，尺寸為 0.5~2mm 和 2~5mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 O10 相對較高;形狀為薄膜狀，尺寸為 0.05~0.5mm 和 0.5~2mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 R7 的沉降通量相對較高，而 2~5mm 的低密度微塑料聚合物在試驗點 O10 相對較高;形狀為塊狀，尺寸為 0.05~0.5mm 和 0.5~2mm 的低密度微塑料聚合物在 3 個點位沉降通量相差不大，且并未收集到尺寸 2~5mm 的低密度微塑料聚合物。總體來看，當(dāng)形狀相同時，尺寸較大的低密度微塑料聚合物(2~5mm)在位置偏北的試驗點 O10 沉降通量較高，而尺寸較小的低密度微塑料聚合物(0.05~0.5mm 和 0.5~2mm)在位置中間和位置偏南的試驗點 Q8 和 R7 沉降通量較高。
2.2 相同尺寸，不同形狀低密度微塑料聚合物在不同試驗點的沉降規(guī)律
本試驗結(jié)果表明，在不同風(fēng)速，尺寸相同的情況下，不同形狀的低密度微塑料聚合物在湖泊 3 個點位的沉降通量規(guī)律有一定差異。尺寸為 0.05~0.5mm，形狀為纖維狀的低密度微塑料聚合物在試驗點 Q8 的沉降通量較高，形狀為碎片狀的低密度微塑料聚合物在試驗點 O10 和 Q8 相對較高，形狀為薄膜狀的低密度微塑料聚合物在試驗點 R7 相對較高，形狀為塊狀的低密度微塑料聚合物在 3 個試驗點沉降通量相差不大;尺寸為 0.5~2mm，形狀為纖維狀的低密度微塑料聚合物在試驗點 Q8 和 O10 的沉降通量較高，形狀為碎片狀的低密度微塑料聚合物在試驗點 O10 相對較高，形狀為薄膜狀的低密度微塑料聚合物在試驗點 R7 相對較高，形狀為塊狀的低密度微塑料聚合物在 3 個試驗點沉降通量相差不大;尺寸為 2~5mm，形狀為纖維狀、碎片狀和薄膜狀的低密度微塑料聚合物在均是在試驗點 O10 的沉降通量較高，未收集到塊狀的低密度微塑料聚合物。總體來看，當(dāng)尺寸一定時，碎片狀的低密度微塑料聚合物在偏北部的試驗點 O10 沉降通量更高，纖維狀的低密度微塑料聚合物在位置中間的試驗點 Q8 沉降通量更高，而薄膜狀的低密度微塑料聚合物則在偏南部的試驗點 R7 沉降通量更高，但尺寸為 2~5mm 的各種形狀的低密度微塑料聚合物均在偏北部的試驗點 O10 沉降通量更高。
2.3 風(fēng)速對各種低密度微塑料聚合物沉降通量的影響
在不同點位處，各種類型低密度微塑料聚合物的沉降通量隨著風(fēng)速的變快而增加(如圖 3)。從整體來看，形狀為纖維狀，各個尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)性更好，其相關(guān)系數(shù)變化范圍為 0.268~0.836。形狀為碎片狀、塊狀和薄膜狀的，各個尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量與風(fēng)速的相關(guān)性相對較差，其相關(guān)系數(shù)變化范圍分別為 0.0046~0.86、−0.043~0.746 和−0.159~0.76。
2.4 傅里葉紅外光譜檢測結(jié)果
由于在分析未知塑料材料方面具有極高的可靠性，傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)已被廣泛應(yīng)用于微塑料組分的鑒定[39~41]。本研究對收集到的樣品進(jìn)行紅外光譜測試。結(jié)果顯示，在隨機(jī)挑選的 60 個樣品中，有 53 個被鑒定為微塑料，48 個為低密度微塑料，包括聚乙烯和聚丙烯。其中聚乙烯的個數(shù)為 30 個，聚丙烯的個數(shù)為 18 個，這兩種低密度塑料的典型 FT-IR 光譜如圖 4 所示。測定結(jié)果表明，捕獲器中收集到的微塑料有 80%為低密度微塑料聚合物，說明本研究的收集和分離方法是比較可靠的。——論文作者：劉禹 1, 2，史小紅 1, 2*，張生 1, 2，郝若男 1，孫標(biāo) 1, 2，趙勝男 1, 2
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