李天翠,黃小龍,吳辰熙,郭文思
(1.生態(tài)環(huán)境部長江流域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測與科學研究中心,武漢 430010; 2.中國科學院水生生物研究所,武漢 430072)
目前,人類正生活在一個“塑料”時代,全球塑料制品產(chǎn)量逐年高速增長,2015年全球塑料年產(chǎn)量已達3.22億t[1]。由于塑料材質(zhì)具有輕便、耐腐蝕、絕緣性高、可塑性強、價格低廉等特點,因此在包裝、交通運輸、工農(nóng)和醫(yī)療等方面被廣泛應用,塑料用品的使用幾乎涉及人類生產(chǎn)生活的各個方面。塑料帶給人類極大便利的同時也帶來了環(huán)境問題。由于塑料制品較低的回收率和廢棄物的不合理處置,塑料廢棄物進入環(huán)境中難以降解,造成了嚴重的“白色污染”。微塑料是指粒徑或者長度<5 mm的塑料,是一種新興環(huán)境污染物[2]。微塑料分為原生微塑料和次生微塑料。最初以微小尺寸制造的塑料稱為原生微塑料;塑料制品經(jīng)過物理損傷、風化和分解破碎而形成的微小塑料為次生微塑料。環(huán)境中主要存在的是次生微塑料[3]。
近年來,微塑料污染在全球范圍內(nèi)受到廣泛關注和報道。水體微塑料污染現(xiàn)象普遍存在,淡水水域既是環(huán)境中微塑料污染重要的“匯”,同時又是海洋微塑料污染的“源”[4]。研究人員[5]通過模型計算并得出結論,認為長江是全球微塑料輸海通量最高的水體。但這些模型研究缺少實際調(diào)查數(shù)據(jù)和結果的驗證,并不足以反映真實的長江微塑料污染現(xiàn)狀。
長江流域橫跨南北,貫穿東西,流域面積約180萬km2,約占我國國土面積的18.8%。長江流域的水生態(tài)環(huán)境狀況,直接關系到長江經(jīng)濟帶的健康發(fā)展和人民群眾的身體健康。微塑料由于其粒徑小、易傳播和難降解等特征,可能會通過食物鏈進入人和生物體內(nèi),危及生態(tài)環(huán)境和人民群眾的身體健康[6]。目前,長江流域水體微塑料污染的總體現(xiàn)狀、特征及防控方法等仍然缺乏系統(tǒng)的調(diào)查、研究和總結。因此,研究和總結長江流域水體微塑料污染和分布現(xiàn)狀,是深入貫徹和落實長江大保護的舉措之一,對了解和摸清長江流域水體微塑料現(xiàn)狀、成因具有重要意義,也能為微塑料污染的防控思路提供科學依據(jù)。
本文在以往研究的基礎上,總結概括了長江流域目前已有的關于水體微塑料污染研究的相關報道,旨在反映長江流域水體微塑料污染現(xiàn)狀、成因,并提出相應的防控措施。
2.1.1 中下游水體
水體中微塑料的調(diào)查方法主要有拖網(wǎng)法和瓶采法2種方法[7]。表1對比分析了基于瓶采和拖網(wǎng)2種調(diào)查方法的長江流域表層水微塑料的豐度。結果表明,長江中下游地區(qū)水體微塑料豐度較高;微塑料的分布具有較大的空間異質(zhì)性;不同類型的水體微塑料豐度差異也較大,湖泊和水庫的微塑料豐度普遍高于河流型水體;水庫的庫灣及沿岸微塑料豐度明顯高于水庫中心;人口密集、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)水體微塑料豐度相對較高,城市湖泊的微塑料豐度高于其他地區(qū)湖泊[8]。
表1 長江流域表層水中微塑料豐度Table 1 Abundance of microplastics in surface water in Yangtze River basin
長江中下游重點水體,例如三峽水庫、洞庭湖、鄱陽湖、丹江口水庫、長江口等微塑料的污染現(xiàn)狀不容樂觀,表層水和沉積物中微塑料豐度均較高(表1和表2)。
表2 長江流域水體沉積物中微塑料豐度Table 2 Abundance of microplastics in sediments of waters in Yangtze River basin
2.1.1.1 長江河口
長江口是物質(zhì)循環(huán)和遷移轉化的重要通道,研究長江口微塑料的污染狀況對評估長江微塑料輸海通量具有重要意義。對長江口地區(qū)微塑料調(diào)查相對較多,不同學者的調(diào)查結果表明,長江口表層水中微塑料豐度在幾十到幾萬個/m3(表1),隨時間變化呈現(xiàn)較大的波動性。2014年Zhao[12]發(fā)表了第一篇關于長江河口微塑料污染的報道,顯示2013年9月長江入河口表層水中微塑料的豐度為(4 137.3±2 461.5) 個/m3。Luo等[11]在2017年4—9月的調(diào)查結果表明,長江口微塑料的平均豐度為10.9×103個/m3,低于長江三角洲內(nèi)陸水體微塑料豐度;同年8月,Xu等[10]調(diào)查發(fā)現(xiàn)長江口表層水微塑料平均豐度為(231±182) 個/m3。2018年4月,沉積物中微塑料平均濃度為(1.43×104±300)個/kg[27],同年9月,河口表層水微塑料豐度為(2.78×104±1.18×104)個/m3[33];2019年6月,表層水和沉積物微塑料豐度分別為0~259 個/m3和10~60 個/kg[9]。不同學者調(diào)查結果的差異主要與調(diào)查的點位、季節(jié)、水位變化等自然因素有關,可能還與調(diào)查方法的差異相關。
2.1.1.2 湖 泊
長江中下游湖泊表層水中微塑料豐度在幾百到幾萬個/m3,沉積物中的微塑料豐度在幾十到幾千個/m3,不同空間的湖泊微塑料豐度差異在1~2個數(shù)量級。長江中下游四大湖泊的巢湖、太湖、鄱陽湖和洞庭湖微塑料豐度也差異較大,不同學者調(diào)查結果也不同。太湖表層水中微塑料濃度最高達6.8×106個/km2[13],基于瓶采法的微塑料豐度在340~2 580 個/m3,巢湖表層水中微塑料平均豐度為747 個/m3[8]。鄱陽湖、洪湖、武漢東湖微塑料濃度較高,均超過1 000 個/m3,遠高于其他湖泊(表1)。
Li等[8]調(diào)查了長江流域中下游18個不同營養(yǎng)水平的湖泊中微塑料污染情況。結果發(fā)現(xiàn),18個湖泊表層水中微塑料豐度為240~1 800 個/m3,平均豐度為(780±429)個/m3,豐度最高的是洪湖,最低的鄱陽湖;沉積物中的微塑料平均豐度為(219±124)個/kg。湖泊表層水和沉積物中的微塑料豐度與總氮呈正相關關系,與總磷、葉綠素a和營養(yǎng)指數(shù)無相關性,這說明湖泊中的微塑料輸入可能與總氮的污染有著相似的來源。
2.1.1.3 長江干流及重點水庫
(1)長江干流。Su等[20]在2016年8—10月的調(diào)查結果表明,長江中下游微塑料豐度在50~310 個/m3之間。Xiong等[7]采用拖網(wǎng)法的調(diào)查結果表明:長江中下游微塑料豐度在1.95×105~9.00×105個/km2之間,平均豐度為4.92×105個/km2。
水庫是最容易受納微塑料的水體之一,三峽水庫和丹江口水庫微塑料污染現(xiàn)狀不容樂觀。
(2)三峽水庫。Zhang等[26]在國內(nèi)最早用拖網(wǎng)法調(diào)查了三峽水庫中的微塑料,發(fā)現(xiàn)三峽水庫中微塑料豐度在3.407×106~13.627×106個/km2,處于較高的污染水平,遠高于長江中下游[7]。三峽水庫沉積物微塑料豐度為25~300個/kg[19],與其他水體無顯著差異。
(3)丹江口水庫。Di等[21]在2017年11 月的調(diào)查結果表明,丹江口水庫中的微塑料豐度為467~15 017個/m3,平均豐度為2 594 個/m3,沉積物微塑料豐度為15~40個/kg(干重),處于較高的污染水平,纖維狀微塑料的占比在20.8%~99.2%之間。潘雄等[22]在2019年豐水期的調(diào)查結果發(fā)現(xiàn),丹江口庫區(qū)表層水微塑料平均豐度為7 248 個/m3,入庫支流丹江和老灌河微塑料豐度最高分別達到9 001 個/m3和7 746 個/m3。總體來看,丹江口水庫微塑料污染處于較高水平,但其豐度低于三峽水庫。
2.1.2 上游水體
長江流域上游水體地形復雜,地質(zhì)災害較多,水流較急,例如金沙江、赤水河和雅礱江等,微塑料調(diào)查難度相對較大,微塑料污染的報道相對較少。長江上游人口密度小,水環(huán)境相對較好,可能微塑料污染引起的關注相對較少。但近年來相繼報道了長江流域上游的黃金峽水庫、赤水河、沱江等水體微塑料污染。
黃金峽水庫位于陜西省,是漢江上游干流河段的第一個梯級電站。Li等[32]的調(diào)查結果顯示,黃金峽水庫沉積物中的微塑料豐度為233~870個/kg,豐度高于丹江口水庫和三峽水庫,但在同一數(shù)量級,無明顯差異。
御臨河位于重慶境內(nèi),是長江重要支流,其表層水中微塑料豐度為13~360個/m3,低于下游水庫型河流中的豐度[4]。
沱江是長江上游的主要支流之一,Zhou等[24]的調(diào)查結果表明,沱江中微塑料的豐度為911.57~3 395.27個/m3, 其中沱江在資陽市微塑料豐度最高,纖維的占比為34.88%~65.85%。
赤水河是長江干流上游右岸的一級支流,流域內(nèi)工業(yè)基礎總體還較薄弱,經(jīng)濟發(fā)展相對滯后。但有調(diào)查發(fā)現(xiàn),赤水河仁懷段表層水中微塑料豐度為1 770~14 330個/m3,豐度也較高,且纖維狀微塑料占比為59.4%[23]。
從調(diào)查來看,上游水體微塑料調(diào)查相對較少,但沉積物中的豐度與下游并無明顯差異。上游微塑料分布特征還需要進一步的調(diào)查和研究。
(1)河流、水庫和湖泊中心微塑料豐度低于水體沿岸、庫灣和河口。微塑料在三峽水庫、丹江口水庫、太湖、巢湖等水體的調(diào)查結果均表明:水體中心微塑料的豐度遠低于沿岸、庫灣、河口等區(qū)域。例如太湖東南河口區(qū)平均豐度高于湖心的微塑料豐度近 7倍,三峽水庫河口區(qū)微塑料豐度是干流的3倍多[34]。這可能與水體的水文地質(zhì)、風浪擾動等因素有關。
(2)長江流域水體沉積物是微塑料重要的“匯”,沉積物中微塑料豐度較高。盡管塑料密度小,但沉積物中依然檢測出其存在,特別是水體消落帶沉積物(表2)。不同于溶解性污染物,微塑料向沉積物中積累更多受物理因素和生物作用影響,這一點可能類似于水體中的懸浮顆粒物。聚氯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等塑料的密度大于1 g/cm3,可自然沉降到水底。水中的微塑料不僅會被魚類、底棲動物等通過攝食而遷移和沉積,微塑料表面生長有細菌和藻類后密度會增大而逐漸沉降到水底[31]。富營養(yǎng)化水體中藻類大量爆發(fā)也會攜帶和遷移微塑料,并改變其形態(tài)特征。因此,除較高密度的 PET和聚酯類(PA)外,低密度的聚丙烯(PP)也出現(xiàn)在80%的沉積物研究中。
長江流域水體沉積物中微塑料的豐度在幾十到幾千個/kg之間(表2)。三峽水庫沉積物微塑料平均豐度為(82±60)個/kg[19],黃金峽水庫沉積物微塑料豐度則高達233~870 個/kg[32],鄱陽湖沉積物微塑料豐度最高可達到3 153 個/kg[31]。
(3)長江流域水體中的微塑料多為纖維狀,其次是碎片、薄膜和球狀,主要聚合物為PA、PE和PP。目前微塑料的形態(tài)主要分為:碎片、薄膜、球狀、纖維、線狀等微塑料。微塑料的形態(tài)分區(qū)主要基于不同的污染來源,具有一定的污染指示作用。通常,形狀規(guī)則的球狀微塑料多為工業(yè)生產(chǎn)中的初級微塑料,主要是牙膏、化妝品中的磨砂顆粒等[35]。纖維、線狀(主要是尼龍)、泡沫狀塑料多與水域中的漁業(yè)活動等相關聯(lián)。纖維狀微塑料在太湖、丹江口水庫和東湖等水體中的豐度均在70%以上[8, 13, 21]。這可能與纖維較小的密度導致其容易遷移有關。長江流域聚酯類、聚乙烯和聚丙烯微塑料的大量分布主要與這三類塑料制品在生產(chǎn)生活中的廣泛使用有關。
(4)水體微塑料的豐度隨著流域鎮(zhèn)化程度增強而升高。人類活動是塑料的唯一貢獻和來源,因此城鎮(zhèn)化程度越高的地區(qū),人類社會工業(yè)、經(jīng)濟和生產(chǎn)活動更頻繁,向水體中輸送的微塑料也隨之增多。以太湖為例,太湖西北部湖區(qū)微塑料豐度和營養(yǎng)指數(shù)顯著高于其他區(qū)域,與西北部河口相連的入湖河流如武進港河和殷村港河等貢獻了太湖全部入湖流量的1/3左右,上游來水也攜帶了大量微塑料在河口聚集并向全湖擴散[20]。三峽水庫支流香溪河中的微塑料豐度在城鎮(zhèn)化較高的區(qū)域高于其他地區(qū)[36],武漢城市中心微塑料豐度顯著高于郊區(qū)和農(nóng)村[18]。這一特征不僅在長江流域存在,在其他流域也具有相似的特征。
(5)與國內(nèi)外其他流域水體相比,長江流域水體微塑料污染處于中等偏低水平。表3對比了國內(nèi)外河流表層水微塑料污染現(xiàn)狀,與國內(nèi)其他流域相比,長江水體部分區(qū)域微塑料豐度略高于黃河、海河、珠江等流域。但微塑料豐度在幾百到幾萬個/m3之間。拖網(wǎng)法采樣的結果可以看出,長江中下游表層水微塑料豐度比美國芝加哥河低了3~4個數(shù)量級。瓶采結果也表明,長江流域水體微塑料豐度遠遠低于越南的西貢河。與歐洲的多瑙河、萊茵河相比,豐度處于相對較低的污染水平。這也論證了模型預測并不能反映長江流域真實的微塑料污染狀況。
表3 世界各國典型河流表層水微塑料豐度Table 3 Abundances of microplastics in surface water in typical rivers of the world
我國是世界上最大的塑料生產(chǎn)國,2015年塑料產(chǎn)量達8 950萬t,占全球塑料產(chǎn)量的27.8%[47]。盡管在過去的幾十年,我國經(jīng)社會濟飛速發(fā)展,但人民群眾的環(huán)保意識還較薄弱,固體廢棄物管理水平還很低,每年因管理不當而進入環(huán)境中的塑料廢棄物占我國塑料總產(chǎn)量的27.7%[48]。此外,塑料廢棄物較低的回收利用率是微塑料污染的另一重要原因。2015年全球大約產(chǎn)生63×108t的塑料垃圾,其中只有9%被回收利用,12%的塑料被焚燒,而79%的塑料被丟棄;我國廢舊塑料的回收利用率僅約25%,焚燒處理率約為30%,剩余部分則隨意堆放或通過填埋處置[49]。工業(yè)活動、垃圾填埋場的泄露物質(zhì)以及農(nóng)業(yè)活動產(chǎn)生的塑料殘骸等未經(jīng)有效管理的塑料廢棄物最終遷移至水體中。這些被丟棄的塑料會隨之進入環(huán)境當中,經(jīng)風化、分解和破碎轉化為微塑料。
人類活動是微塑料污染的直接和唯一來源。2019年,長江流域總人口約3.7億,占全國總人口的26.4%,其中城鎮(zhèn)人口約1.8億,占長江流域總人口的48.6%。長江流域較多的人口是全國塑料制品消耗的主體之一,人類的衣、食、住、行等日常生活均是塑料制品的主要消耗途徑。長江流域有將近700個工業(yè)園區(qū)和經(jīng)濟開發(fā)區(qū),涉及鋼鐵、化工、醫(yī)藥、新材料、裝備制造等行業(yè)。大多數(shù)園區(qū)或企業(yè)依水而建,對周邊水體造成了極大的環(huán)境風險,其中包括微塑料污染風險,特別是新材料、紡織業(yè)、電商行業(yè)等都是微塑料的重要來源。隨著電商的快速發(fā)展,2018年我國快遞行業(yè)每年消耗的塑料袋總量為5.6億~14.7億件[50],這些隨意丟棄的快遞塑料袋最終因處置不當而進入環(huán)境中。
水體微塑料最主要的來源是陸地上的各項人類活動,包括工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)薄膜覆蓋等。水體微塑料的直接來源也包括水上捕魚、船舶運輸、旅游業(yè)、生活廢水和污水處理廠的直接排放等。長江流域漁業(yè)資源豐富,據(jù)不完全統(tǒng)計,長江流域現(xiàn)有各類捕撈船只26萬艘,專業(yè)漁民達到了35萬人,在“10年禁漁”出臺前,捕魚對水體微塑料的直接輸送也是直接原因之一。長江流域碼頭泊位數(shù)有一萬多個,船舶運輸不僅是微塑料的直接來源,也是微塑料在水體中遷移的重要途徑。長江流域水體中的微塑料以聚酯類、聚乙烯和聚丙烯為主。聚酯類主要是合成纖維,以紡織業(yè)為主要來源,紡織廢水中的聚酯型纖維塑料經(jīng)過處理后部分排放到水體。研究指出,單件衣物洗滌時每次可產(chǎn)生 >1 900根合成纖維[51]。生活廢水和工業(yè)廢水中的微塑料經(jīng)市政管道傳輸?shù)轿鬯幚韽S后,并不能被完全截留到污泥中,會有一部分微塑料隨出水排放,進入水體當中。據(jù)不完全統(tǒng)計,長江流域范圍內(nèi)有2萬多個入河排污口,這是長江流域水體微塑料污染的主要點源,較大的排污量造成大量微塑料隨污水直接進入水體。
水體微塑料污染的直接危害是漂浮和沉積的塑料垃圾降低水體觀感,影響水體水質(zhì)和供水安全。微塑料由于粒徑小,容易被水生動物誤食,微塑料本身和其吸附和釋放的塑化劑、阻燃劑、著色劑等物質(zhì)通過食物鏈傳遞影響不同營養(yǎng)級生物的健康,危害生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能,甚至會影響流域人民群眾的身體健康,也會影響“美麗中國”建設進程。因此,長江流域水體微塑料污染應引起高度的重視,并在流域?qū)用娉雠_相關的政策,加強對微塑料污染的防控。建議從以下幾個方面開展:
(1)源頭管控。減少初級微塑料生產(chǎn),提高次級塑料制品的循環(huán)利用率。初級微塑料,如個人護理品中的微塑料顆??梢杂谜渲閹r、火山巖、核桃殼等顆粒替代,噴砂磨料可用無機材料或者可降解材料替代。
次級微塑料主要來源于生活中的包裝、交通運輸、醫(yī)藥衛(wèi)生等方面。應盡量減少塑料制品的使用,如鼓勵和倡導民眾自帶餐盒、自帶購物袋、循環(huán)使用塑料袋;提高塑料廢棄物的回收利用率,實現(xiàn)廢物資源化。
(2)過程阻斷。主要是提高流域入湖河庫水質(zhì)。污水處理廠在格柵、沉砂池和沉淀池等工藝過程中能去除大部分的微塑料,但經(jīng)過氣浮、氯氣消毒等過程可能降低微塑料的去除率。因此,可以考慮改進污水處理廠的處理工藝,增加膜過濾、二次沉淀等措施,減少出水中的微塑料。針對污水處理廠出水、降雨、農(nóng)業(yè)地表徑流等排放入河湖的水,可通過建設人工濕地、河湖緩沖帶、砂濾池、生態(tài)溝渠等土壤處理系統(tǒng),攔截進入水體之前的部分微塑料和其他污染物。
(3)加強管控。應加強固體廢棄物處置和管理。水體中微塑料大部分可能來源于固體廢棄塑料垃圾。調(diào)查發(fā)現(xiàn),一些碼頭、旅游區(qū)、庫灣、濕地公園等人類活動密集地區(qū),塑料垃圾隨意丟棄的現(xiàn)象依然存在。固體廢棄物收集后在一些農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)依然隨意堆放,在大氣環(huán)流、風力影響下成了微塑料污染的“點源”,因此需要加強這些固體垃圾的及時處置。垃圾填埋場中也需要將塑料垃圾分類撿出,循環(huán)利用,對無法分類和回收的塑料應及時進行焚燒、填埋或者進行其他處置,減少塑料垃圾在環(huán)境中的暴露時間。
(4)法規(guī)制度。用法律手段管理和限制塑料制品的使用,是減少環(huán)境中微塑料排放的重要措施。2007 年,國務院辦公廳發(fā)布了《關于限制生產(chǎn)銷售使用塑料購物袋的通知》,但“禁塑令”在個體商戶之間形同虛設,塑料袋的使用量依然較大。2017年,國務院辦公廳頒布了《禁止洋垃圾入境推進固體廢物進口管理制度改革實施方案》,減少了“洋垃圾”的輸入。2016年,國家發(fā)展和改革委員會、住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《垃圾強制分類制度方案》,該《方案》提出,到2020年底,重點城市生活垃圾得到有效分類,生活垃圾分類收集覆蓋率達到90%以上,生活垃圾回收利用率達到35%以上。但目前實施上較為困難,進度較慢。
針對塑料垃圾管理的法律法規(guī)仍然存在不完善的地方,應該落實塑料垃圾的目標責任制和處罰制度。例如,隨著我國互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的快速發(fā)展,快遞袋和外賣包裝袋等垃圾日益增多,應出臺相關的制度,鼓勵使用非塑料制品,對于使用塑料包裝的實行“誰污染誰買單”的政策。
(5)加強教育,提高公眾參與意識。我國居民的環(huán)保教育缺乏,垃圾分類意識不強,環(huán)??破罩R薄弱。應發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的作用,科普微塑料的危害和環(huán)境安全知識,普及垃圾分類知識,做到公眾知行合一,垃圾有效分類和管理。
(1)長江流域水體中微塑料在空間分布上整體呈現(xiàn)自上游向下游增多的趨勢;水體微塑料豐度整體呈沿岸高、中心低的分布規(guī)律。
(2)長江流域水體中微塑料以聚酯類、PE和PP為主,纖維狀微塑料是水體中微塑料的主要形態(tài)。
(3)較高的人口密度和較強的人類活動強度(例如:固體廢棄物的不當處置、工業(yè)生產(chǎn)、地表徑流、廢水排放、旅游業(yè)等)是長江水體微塑料污染的重要原因。
(4)應加大流域?qū)用嫖⑺芰系墓芸睾头乐喂ぷ?,出臺相關政策、標準和文件,加強監(jiān)管,應該從源頭上減少微塑料的生產(chǎn),加強公眾的科普和環(huán)保教育,落實垃圾分類等措施控制水體微塑料的污染。
目前,關于內(nèi)陸水體,特別是長江流域微塑料的報道與日俱增,但微塑料的調(diào)查與研究方法不盡相同,導致許多水體微塑料報道的結果差異較大,淡水微塑料的調(diào)查和分析缺乏統(tǒng)一的方法指南,亟需建立適合于不同區(qū)域、不同水體類型的微塑料監(jiān)測規(guī)范,提出微塑料前處理和分析鑒定的標準化方法。此外,應科學合理地提出微塑料污染引起的生態(tài)風險評估方法,建立流域淡水微塑料生態(tài)風險評估方法和體系。