謝莘昊 熊 雄 胡紅娟 吳辰熙

(1. 武漢大學資源與環(huán)境科學學院,武漢 430070;2. 中國科學院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國家重點實驗室,武漢 430072)

塑料是人類發(fā)明的重要合成材料。其具有耐久長、重量輕、成本低等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于工、農(nóng)業(yè)和居民日常生活。自20世紀40年代以來,全球塑料的生產(chǎn)量迅速增加,2019年全球塑料生產(chǎn)量達到3.68億噸[1]。大多數(shù)塑料在自然環(huán)境中難以降解,因此塑料生產(chǎn)和使用的增加也帶來了塑料污染的問題。據(jù)統(tǒng)計,2015年全球塑料廢棄物產(chǎn)量約為63億噸,若不采取有效措施,預(yù)計到2050年,全球塑料廢棄物產(chǎn)量將達到120億噸[2]。微塑料(Microplastics)被定義為粒徑小于5 mm的塑料碎片[3]。大量研究表明微塑料在自然界各類水體(包括海洋、河流及湖泊等)中十分常見[4,5],甚至在遠離人類活動的南北極附近洋面以及深海沉積物中都發(fā)現(xiàn)微塑料的存在[6,7]。微塑料具有較小的體積,使其容易被各類水生生物誤食[8],而其較大的比表面積和較強的疏水性也能夠使其對各類有機污染物都具有較強的吸附性[9]。上述特性使得微塑料可能對各類水生生物產(chǎn)生危害。因此,微塑料污染問題近年來受到了越來越多的關(guān)注。

我國擁有世界上規(guī)模最大的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè),其中淡水池塘養(yǎng)殖是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要組成部分。我國淡水養(yǎng)殖池塘面積約25700 km2[10],與我國自然湖泊相比,面積達湖泊的70%左右[11]。這些面積廣大的淡水養(yǎng)殖池塘不僅提供了豐富的水產(chǎn)品,也被認為是許多養(yǎng)殖相關(guān)污染物的重要來源,帶來包括水體富營養(yǎng)化、水體缺氧、水質(zhì)惡化等環(huán)境問題[12]。目前已經(jīng)有較多的研究關(guān)注養(yǎng)殖池塘的氮磷營養(yǎng)、重金屬、抗生素等污染[13—15],但有關(guān)養(yǎng)殖池塘的微塑料污染研究仍十分有限。漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖活動需要用到大量的塑料制品,包括網(wǎng)具、繩子、圍欄、船、防滲膜、飼料包裝及水產(chǎn)品運輸材料等[16,17]。這些水產(chǎn)行業(yè)中使用的塑料制品很可能是水體中微塑料污染的重要來源。針對海岸帶養(yǎng)殖區(qū)的研究表明,我國多個海水養(yǎng)殖區(qū)都存在較高的水體微塑料濃度[18,19]。而養(yǎng)殖池塘也被一些研究證明存在較高的微塑料豐度,并可能成為周邊天然水體微塑料的來源[20]。還有研究表明水產(chǎn)養(yǎng)殖生物如魚、河蟹和貝殼類也會一定量的攝入微塑料,可能給水產(chǎn)品帶來一定安全隱患[21]。因此,對養(yǎng)殖池塘微塑料賦存現(xiàn)狀的研究具有十分重要的意義。

池塘養(yǎng)殖是一個包含了引水、換水和排水過程的周期性活動。雖然目前對池塘養(yǎng)殖微塑料賦存特征已有一些報道,但對于養(yǎng)殖池塘微塑料賦存在整個養(yǎng)殖周期中的變化過程,還缺乏足夠的認識。不同類型的養(yǎng)殖池的微塑料賦存有一定差異,Xiong等[20]研究發(fā)現(xiàn)河蟹養(yǎng)殖池塘中的微塑料豐度顯著高于魚塘和周邊天然湖泊?？紤]到河蟹的養(yǎng)殖周期通常在1年以內(nèi),因此河蟹養(yǎng)殖池塘可以成為研究養(yǎng)殖周期內(nèi)養(yǎng)殖池塘微塑料時間變化的合適場所。本研究以國內(nèi)典型河蟹養(yǎng)殖池塘為研究對象,調(diào)查了不同養(yǎng)殖期河蟹養(yǎng)殖池塘微塑料賦存特征,以揭示河蟹養(yǎng)殖池塘中微塑料在整個河蟹養(yǎng)殖周期中的變化過程。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域與樣點設(shè)置

本研究在湖北省洪湖市典型池塘養(yǎng)殖區(qū)選擇了5個養(yǎng)殖池塘作為研究區(qū)。每個池塘作為1個樣點,于2020年5月、2020年7月和2020年10月進行3次采樣調(diào)查,分別代表了河蟹池塘養(yǎng)殖的初期、中期和收獲期。

1.2 野外采樣

受養(yǎng)殖池塘水面面積、水深及水體濁度的限制,本研究采用水桶采集和篩網(wǎng)過濾的方法進行水中微塑料樣品的采集。在每次調(diào)查中,使用預(yù)先洗凈的10 L不銹鋼水桶在每個采樣點采集25 L表層水樣,將水樣通過預(yù)先洗凈的500目不銹鋼篩網(wǎng)過濾,再將篩網(wǎng)上的殘留物用純凈水沖洗轉(zhuǎn)移到預(yù)先洗凈的100 mL廣口玻璃樣品瓶中。樣品采集后低溫避光保存,并及時帶回實驗室進行后續(xù)分析。

1.3 樣品處理

將帶回實驗室的樣品放入烘箱中,60℃烘至近干。向干燥后的樣品中加入至少20 mL且3倍于樣品體積的分析純過氧化氫(30%濃度),在烘箱內(nèi)60℃下消解72h。消解完成后的樣品繼續(xù)在烘箱中以60℃干燥。向干燥后的消解樣中加入適量經(jīng)過1.2 μm玻璃纖維濾膜過濾后的飽和氯化鈉溶液(密度1.2 g/cm3),振蕩混合混勻后將其全部轉(zhuǎn)移到分液漏斗中,靜置過夜后棄去底層的殘渣和液體,將上層的殘留物過濾到帶網(wǎng)格的濾膜上(1.2 μm孔徑)。將濾膜轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿中,陰干后進行后續(xù)分析鑒定。

1.4 樣品分析

陰干后的濾膜在體視顯微鏡(Nikon,東京,日本)下進行觀察,記錄疑似微塑料顆粒的數(shù)量、形態(tài)、顏色和大小等數(shù)據(jù)。在鏡檢完成后,使用拉曼光譜儀(Renishaw inVia Raman microscope,Wottonunder-Edge,Gloucestershire,英國)進行聚合物類型鑒定。拉曼光譜選擇785 nm波長激光作為激發(fā)光源,光譜范圍選在300—3200 /cm波數(shù)內(nèi)。使用內(nèi)置譜庫和自制的標準物質(zhì)譜圖同時對樣品的拉曼光譜進行比對以確定待測顆粒的聚合物類型。

1.5 質(zhì)量管理和質(zhì)量控制

為了防止采樣和實驗過程中的污染,整個過程盡量避免塑料制品的使用,所有實驗器具都事先用純水清洗干凈,并在使用前用鋁箔包裹。采樣與實驗過程中均穿著棉質(zhì)服裝,佩戴手套。桌面及手部都預(yù)先用粘棒處理以去除表面的纖維。所有溶液及水都經(jīng)過GF/C過濾膜(1.2 μm孔徑)過濾。采樣與實驗全程設(shè)置空白對照。

2 結(jié)果

2.1 洪湖河蟹池不同月份微塑料豐度

在本研究中,河蟹養(yǎng)殖池塘微塑料豐度200—1640個/m3。其中5月豐度是200—880個/m3(平均532個/m3),7月豐度是280—880個/m3(平均528個/m3),10月豐度是280—1640個/m3(平均976個/m3;圖1)。雖然單因素方差分析的結(jié)果顯示,3次采樣河蟹養(yǎng)殖塘的微塑料豐度沒有顯著性差異(P=0.175),但從平均值和最大值看,10月與5月和7月相比已有較為明顯的增加。

圖1 不同月份河蟹養(yǎng)殖池塘微塑料豐度Fig. 1 Abundances of microplastics of crab ponds in different months

2.2 洪湖河蟹池不同月份微塑料特征

本研究中將微塑料分為碎片、碎塊和纖維等形狀。河蟹養(yǎng)殖池塘中微塑料各種形狀在不同月份呈現(xiàn)出不同的特征(圖2),總體來說纖維型微塑料占比最高,7月采集樣品中纖維型微塑料占比達到71.2%,10月纖維型微塑料占比為59.8%,5月纖維型微塑料占比最低,為35.2%。其次為碎片型微塑料,其中5月采集樣品中碎片型微塑料占比最高達到38.9%,10月碎片型微塑料占比為35.2%,7月碎片型微塑料占比最低,為18.18%。碎塊型微塑料占比最低,其中5月采集樣品中碎塊型微塑料占比最高,達25.9%,7月碎塊型微塑料占比為10.6%,10月碎塊型微塑料占比最低,僅為4.8%。此外對比不同池塘間各形狀微塑料占比的變異系數(shù),在5月,3種形狀的微塑料變異系數(shù)均較高,7月和10月,纖維型微塑料占比的變異系數(shù)明顯降低,而碎片和碎塊型微塑料占比的變異系數(shù)仍處于較高水平。

圖2 不同月份河蟹養(yǎng)殖池微塑料形狀組成Fig. 2 The shape composition of microplastics of crab ponds in different months

本研究將微塑料樣品分為＜0.5 mm與＞0.5 mm兩個粒徑水平,總體上這兩種粒徑的微塑料占比接近,其中5、7和8月＞0.5 mm的微塑料占比分別為48.1%、54.6%和50.8%(圖3)。此外,本研究發(fā)現(xiàn)10月部分河蟹養(yǎng)殖池塘水體中存在極少量＞5 mm的大塑料碎片,其豐度僅為8個/m3,占比不到1%。此外對比不同池塘間大粒徑微塑料占比的變異系數(shù),10月的結(jié)果明顯小于5月和7月。

圖3 不同月份河蟹養(yǎng)殖池微塑料粒徑分布Fig. 3 The size composition of microplastics of crab ponds in different months

河蟹養(yǎng)殖池塘中微塑料以白色、透明、黑色和藍色為主,其中5月白色微塑料占比最高,黑色和藍色次之,透明略低于藍色,而在7月,透明和黑色微塑料的比例明顯上升,與白色微塑料占比接近,到了10月,透明微塑料占比明顯高于其他顏色,而黑色和藍色微塑料的占比明顯下降(圖4)。值得注意的是,彩色微塑料(藍、黃、紅和綠等顏色微塑料)的占比在3個采樣時間點隨時間變化降低較為明顯,在10月,彩色微塑料的占比極低。

圖4 不同月份河蟹養(yǎng)殖池微塑料顏色Fig. 4 The color of microplastics of crab ponds in different months

本研究在河蟹養(yǎng)殖池塘總共檢出聚丙烯(PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(尼龍,PA)和聚甲基丙烯酸甲酯(亞克力,PMMA)等7種不同類型的聚合物(圖5)。其中5月占優(yōu)勢的主要是PP,7月占優(yōu)勢的主要是PET,10月PP和PET占據(jù)優(yōu)勢,且比例接近。相比7月、5月和10月鑒定出的聚合物類型較為多樣。

圖5 不同月份河蟹養(yǎng)殖池微塑料聚合物類型Fig. 5 The polymer types of microplastics of crab ponds in different months

3 討論

3.1 河蟹養(yǎng)殖池中微塑料豐度水平、季節(jié)變化和原因分析

本研究結(jié)果中河蟹養(yǎng)殖池塘中的微塑料豐度與Xiong等[20]研究中洪湖水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)的池塘微塑料豐度接近,遠高于Bordos等[22]在中歐地區(qū)魚塘的研究結(jié)果,但是低于Li等[23]在江漢平原河口龍蝦池的研究結(jié)果(6.6×103—263.6×103個/m3)和Ma等[24]在珠江河口魚池的研究結(jié)果(10.3×103—87.5×103個/m3)。與其他天然水體相比,本研究中河蟹養(yǎng)殖池塘在采用類似方法的研究中基本處于中等偏低水平,低于國內(nèi)洞庭湖、鄱陽湖和太湖等水體的水平[20]。不同的采樣方法使得不同研究中微塑料的豐度對比存在一定難度。Dris等[25]的研究表明,孔徑越小的采樣工具,獲得的微塑料豐度也較高。此外,采樣體積也可能會影響調(diào)查結(jié)果[26]。但與采用相似采樣方法的研究相比,本研究的結(jié)果還是表明淡水養(yǎng)殖池塘的微塑料風度水平總體處于較低水平。

Xiong等[20]之前的研究認為,淡水養(yǎng)殖池塘較低的微塑料豐度可能和池塘養(yǎng)殖的換水過程有關(guān)。一般養(yǎng)殖池塘會在養(yǎng)殖前期從天然水體引水,并在一個養(yǎng)殖季結(jié)束后排空池塘中的尾水。排水過程會將池塘中積累的微塑料排出,從而導(dǎo)致養(yǎng)殖池塘微塑料積累水平較低。而這一過程也意味著研究一個養(yǎng)殖周期內(nèi)池塘內(nèi)微塑料的豐度變化對評估養(yǎng)殖池塘微塑料的風險有著重要的意義。本研究的結(jié)果表明,河蟹養(yǎng)殖池塘中的微塑料豐度呈現(xiàn)出養(yǎng)殖前中期較低,養(yǎng)殖末期升高的趨勢。之前的研究認為,河蟹養(yǎng)殖塘周邊的圍欄及河蟹養(yǎng)殖過程中使用的其他塑料制品可能是河蟹塘微塑料的重要來源[20],而這些塑料制品分解為微塑料都需要一定的時間,這可能是造成后期微塑料豐度較高的原因之一。另一方面,河蟹池塘小流域內(nèi)微塑料的積累本身也是一個隨著時間逐漸增加的過程。雖然一個養(yǎng)殖周期較短的暴露時間和養(yǎng)殖池塘較小的流域范圍都可能影響了養(yǎng)殖池塘中微塑料的生成和積累,從而使得養(yǎng)殖末期的河蟹池塘微塑料豐度并沒有顯著高于養(yǎng)殖前中期,但接近兩倍水平的平均豐度和最高豐度值仍說明河蟹養(yǎng)殖塘中存在著微塑料豐度隨養(yǎng)殖時間積累的過程。

養(yǎng)殖前期和中期,河蟹養(yǎng)殖水體中微塑料豐度較低的原因可能并不相同。養(yǎng)殖初期較低的微塑料豐度可能是由于洪湖區(qū)域內(nèi)本身較低的天然水微塑料豐度導(dǎo)致的。Xiong等[20]發(fā)現(xiàn),在秋季,洪湖天然湖泊的水體微塑料豐度要顯著低于河蟹養(yǎng)殖池塘。雖然5月份,河蟹養(yǎng)殖已經(jīng)開始了一段時間,但在冬春季季節(jié)紫外線輻射總量較少,并且此時河蟹的生物量較低,區(qū)域內(nèi)降水水平也較低,上述條件都不利于微塑料在養(yǎng)殖池塘中的積累。而在6—7月,河蟹的脫殼過程使得當水溫升高時需要增加水深以在池底部形成低溫層,同時可能還需要大量換水[27],這一過程一方面會引入微塑料含量較低的天然水,另一方面也會將池塘內(nèi)已經(jīng)生成的微塑料排出。此外,水體中的微塑料可能會由于共沉淀或生物作用進入沉積物中[28]。Chen等[29]的研究表明生物膜的生長和懸浮顆粒物的濃度都會影響微塑料向沉積物沉降的過程。在夏季較高的溫度下,水生生物膜生長一般較為旺盛,同時天然水中的懸浮物可能也較高,這有利于微塑料從水體進入沉積物。還有一些研究還表明,水草也可能通過纏繞捕獲水中的微塑料。河蟹池在夏季會大量種植輪葉黑藻與伊樂藻作為河蟹的食物[30],水草的存在可能會捕集表層水中新生成的微塑料。

微塑料是完全的人類活動來源。在河蟹養(yǎng)殖的過程中,為防止河蟹逃逸會使用大量的圍網(wǎng)設(shè)施,這些設(shè)施中就含有塑料薄膜和聚乙烯繩等[30]。這些大塑料經(jīng)過紫外線的照射和機械磨損的作用分解為各種微塑料[31]。另外,在水草栽培、蟹苗投放、飼養(yǎng)管理及最后的收獲這些過程中使用的塑料制品都可能給河蟹池帶來一定量的微塑料污染,比如飼料的包裝袋,飼料碎魚中本身含有的微塑料和捕撈使用的地籠等。除了養(yǎng)殖過程中的塑料制品,在捕撈結(jié)束后,很大一部分養(yǎng)殖沉淀底泥會被清理堆積在池邊,而這些淤泥中殘留的微塑料很可能通過沖刷的過程再次進入養(yǎng)殖池水體。養(yǎng)殖末期較高的微塑料豐度可能是由于隨著時間的推移,河蟹養(yǎng)殖池塘周邊的塑料制品老化程度增加,塑料制品遭受的機械磨損也日益增多,河蟹養(yǎng)殖池塘流域內(nèi)微塑料不斷積累并進入池塘。此外,在河蟹收獲期,捕撈活動使用的網(wǎng)具、浮體、船只等塑料制品也可能會帶來微塑料的輸入。 因此河蟹養(yǎng)殖池塘在10月總體上呈現(xiàn)出較高的水體微塑料豐度。

3.2 河蟹養(yǎng)殖池中微塑料特征季節(jié)變化和原因分析

除了微塑料豐度外,河蟹養(yǎng)殖池塘的微塑料賦存特征也隨著養(yǎng)殖過程出現(xiàn)不同的變化。纖維型微塑料在養(yǎng)殖初期占比較低,在中后期占比較高。纖維是目前天然環(huán)境中最常見的微塑料形狀[32]。在之前不少研究中,纖維型微塑料的占比都超過50%,甚至可以達到90%以上[33—35]。對于養(yǎng)殖水體,纖維型微塑料主要來自于塑料漁具、網(wǎng)具的使用及養(yǎng)殖池塘小流域內(nèi)人類活動來帶的紡織品來源的纖維輸入[36,37]。前期相對較低的纖維型微塑料占比可能反映了區(qū)域內(nèi)天然水體的情況,而隨著養(yǎng)殖活動的進行,漁具、網(wǎng)具和養(yǎng)殖戶的紡織品等塑料制品輸入纖維型微塑料可能是河蟹養(yǎng)殖池塘微塑料的主要來源,這也造成了養(yǎng)殖中后期纖維型微塑料占比的上升。雖然在養(yǎng)殖末期纖維型微塑料的占比略有下降,但考慮微塑料豐度的上升,其絕對數(shù)值仍保持上升,占比下降可能是由于其他老化和磨損產(chǎn)生的塑料碎片有所增加。

本研究以0.5 mm為界將微塑料分成兩個粒徑范圍。雖然調(diào)查結(jié)果顯示兩個粒徑范圍的微塑料占比接近,但從不同養(yǎng)殖階段池塘間的變異系數(shù)看,養(yǎng)殖中前期,河蟹養(yǎng)殖池塘的微塑料粒徑占比的變異系數(shù)較大,后期變異系數(shù)小。這表明,在養(yǎng)殖前中期,天然水體的復(fù)雜性使得不同池塘間的微塑料賦存特征可能存在較大差異。養(yǎng)殖過程可能對微塑料的粒徑組成起到了均勻化的作用,在養(yǎng)殖末期,整個養(yǎng)殖周期中微塑料的輸入使得不同養(yǎng)殖池塘間的微塑料粒徑組成更為接近。

作為人工合成材料,塑料制品顏色豐富。本研究也發(fā)現(xiàn)了多種顏色的微塑料。在整個養(yǎng)殖過程中,透明微塑料的占比持續(xù)增加,采集到的微塑料顏色也從養(yǎng)殖初期的7種下降到末期的5種,彩色微塑料的占比明顯下降。天然水體由于其微塑料來源復(fù)雜,往往含有顏色較為多樣的微塑料,這可能是養(yǎng)殖初期彩色微塑料較多且占比略高的原因。而本研究的結(jié)果也表明,河蟹養(yǎng)殖池塘小流域內(nèi)的微塑料可能主要以透明微塑料為主。在實踐中,無論是紡織品帶來的纖維型微塑料還是河蟹養(yǎng)殖池塘圍欄使用的塑料圍擋,主要都是以透明微塑料為主。

河蟹養(yǎng)殖池塘中發(fā)現(xiàn)的聚合物類型和之前天然水體及養(yǎng)殖水體中發(fā)現(xiàn)的主要聚合物類型類似[20]。PP和PE是目前使用范圍最廣的塑料材料,在全球水體中均有發(fā)現(xiàn),而PET作為人工合成紡織品最常用的纖維材料,也是纖維型微塑料中最常見的聚合物類型[38]。相對于5月和7月,10月養(yǎng)殖末期鑒定出的聚合物種類更為豐富,且占比也更為均勻,這表明養(yǎng)殖過程中不同類型的塑料都有可能隨著包裝、圍欄和網(wǎng)具等的使用進入養(yǎng)殖水體。

4 結(jié)論

本研究表明,河蟹養(yǎng)殖池塘微塑料在不同養(yǎng)殖階段存在差異。養(yǎng)殖前中期微塑料豐度較低,而養(yǎng)殖末期微塑料豐度較高。整個河蟹養(yǎng)殖周期中的引水和排水過程、養(yǎng)殖過程中塑料制品的使用和老化及養(yǎng)殖過程中水環(huán)境的變化都可能對河蟹養(yǎng)殖池塘的微塑料豐度變化產(chǎn)生影響。而養(yǎng)殖過程不僅影響了微塑料豐度,還影響了河蟹養(yǎng)殖池塘的微塑料特征。養(yǎng)殖末期較高的水體微塑料豐度可能會隨著尾水排放進入天然水體,這需要在后續(xù)研究中進一步關(guān)注,同時,不同養(yǎng)殖期微塑料特征對養(yǎng)殖生物攝食微塑料和生態(tài)風險的影響也需要在后續(xù)研究中進一步探索。