海洋環(huán)境中塑料污染調(diào)查研究

發(fā)表時(shí)間：2016-05-22 10:30:09 閱讀次

　　1 引言

　　塑料是人工合成的有機(jī)合成高分子材料，其主要成分是樹(shù)脂.自賽璐珞(Celluloid，硝化纖維塑料)問(wèn)世以來(lái)，塑料工業(yè)的發(fā)展已有約120年的歷史.由于塑料熱塑性好、堅(jiān)實(shí)耐用，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中.2013年全球塑料產(chǎn)量高達(dá)約3億t，連續(xù)3年的平均增長(zhǎng)率約為3.7%.同年，我國(guó)初級(jí)形態(tài)的塑料產(chǎn)量約為0.58億t，連續(xù)3年的平均增長(zhǎng)率約為10.2%.塑料產(chǎn)量巨大，在自然條件下很難被完全降解，因而容易在環(huán)境中累積，對(duì)陸地及海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康存在潛在的威脅，引起了社會(huì)各界對(duì)其安全性的廣泛關(guān)注.

　　近年來(lái)備受世界關(guān)注的“大太平洋垃圾帶”(Great Pacific Garbage Patch)——海洋漂浮的最大的垃圾島，據(jù)報(bào)道，該垃圾帶中人造塑料碎末在過(guò)去40年中增加了100倍，估計(jì)塑料垃圾高達(dá)1000萬(wàn)t.據(jù)《2013年中國(guó)海洋環(huán)境狀況公報(bào)》報(bào)道，監(jiān)測(cè)海域聚苯乙烯泡沫碎片和塑料碎片占海面漂浮垃圾總量的83%，占海灘垃圾總量的74%，占海底垃圾總量的83%.進(jìn)入海洋中的較大型的塑料塊，經(jīng)長(zhǎng)期的光化學(xué)降解、熱氧化和生物腐蝕(如海洋污損生物)等過(guò)程的反復(fù)作用，斷裂成粒徑較小的塑料顆粒(包含Plastic Particles)或者纖維(Plastic Fibers.散布于海洋環(huán)境中的各種微型塑料對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境存在著潛在的影響，一些海洋生物(水螅蟲(chóng)、硅藻等)可在微型的塑料顆粒表面附著生長(zhǎng)，海黽屬的昆蟲(chóng)可將微型塑料作為產(chǎn)卵“基地”，與生物數(shù)量存在顯著相關(guān)性.海洋環(huán)境中的微型塑料還可能被生物攝入體內(nèi)，進(jìn)而影響并威脅海洋生物的健康生活和生存.目前已有大量關(guān)于海洋生物攝食廢塑料的事件被報(bào)道，比如夏威夷海島上因攝食廢塑料而大批死亡的信天翁.早在1990年，科學(xué)家Hoss和Settle在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了魚(yú)類攝食研究，將100~500 μm的塑料顆粒分別放入6種幼魚(yú)的飼養(yǎng)池中，結(jié)果顯示，所有魚(yú)類都有攝入微型塑料，證實(shí)了魚(yú)類會(huì)主動(dòng)攝食塑料顆粒，攝入的塑料可能會(huì)通過(guò)磨損和堵塞等作用傷害到生物體.另外，微型塑料被證實(shí)能吸附持久性有機(jī)污染物和重金屬，進(jìn)而成為海洋生態(tài)系統(tǒng)的攜帶性污染源，這類微型塑料被海洋生物攝入體內(nèi)后，吸附的污染物可能會(huì)釋放或被生物體吸收，其毒性也可能通過(guò)食物鏈進(jìn)一步放大.

　　目前，關(guān)于海洋環(huán)境中微型塑料的污染研究也逐漸增多，但呈現(xiàn)出較強(qiáng)的地域差異.Ivar do Sul等總結(jié)了101篇與微型塑料相關(guān)的文獻(xiàn)，結(jié)果顯示，關(guān)于它的研究主要集中于歐洲西海岸和美洲沿岸，而亞洲的研究相對(duì)較缺乏.我國(guó)關(guān)于海洋環(huán)境微型塑料的研究處于起步階段，資料非常缺乏.僅Zurcher等對(duì)香港自然海灘做了塑料碎片的種類、分布和毒物吸附含量的研究，以及Zhou等(2011)對(duì)中國(guó)南海北部的海灘和沿海海水中的海洋碎片(Marine Debris)的數(shù)量、組成和來(lái)源做了相關(guān)調(diào)查研究.此外，還有Zhao等對(duì)長(zhǎng)江河口和東海的海水中的懸浮微型塑料進(jìn)行了定性和定量分析.我國(guó)的海洋微型塑料的調(diào)查研究有待進(jìn)一步充實(shí).鑒于此，本研究選取榕江河口附近的自然沙灘作為研究區(qū)域，展開(kāi)野外調(diào)查與研究，初步討論廢塑料的類型、密度和來(lái)源，為研究塑料污染對(duì)海洋生態(tài)健康造成的影響提供基礎(chǔ)資料，也將為塑料污染評(píng)估及治理提供理論依據(jù).

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區(qū)域及時(shí)間

　　榕江是粵東沿海地區(qū)第二大河流，流經(jīng)揭陽(yáng)和汕頭的主城區(qū)，平均年徑流量約31.1億m3，干流全長(zhǎng)約180 km，流域面積約3500 km2，占整個(gè)潮汕土地面積的34%，流域人口300余萬(wàn).位于榕江入?？谥苓叺乃芰瞎I(yè)起步較早，始于20世紀(jì)50年代初期，目前其已發(fā)展成為汕頭地區(qū)重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一.榕江上游目前無(wú)大型的主干道截流工程，保持了較好的自然屬性，且入海塑料垃圾排放的潛在源頭較多，受河道截流的影響較小.為準(zhǔn)確反映塑料類污染物通過(guò)海流運(yùn)動(dòng)最后堆積到沙灘上的情況，本研究根據(jù)榕江水系的特點(diǎn)，選取入?？诟浇苋祟惛蓴_較少的自然砂質(zhì)海灘為研究區(qū)域;為了分析塑料類垃圾分布的來(lái)源及趨勢(shì)，結(jié)合距離榕江主干流入海口遠(yuǎn)近及地理、地質(zhì)實(shí)際情況，布設(shè)6個(gè)采樣站位，分別為：榕江主干入?？诤?S1媽嶼島、S2北山灣)、支流入?？诤?S3濠江大橋北部、S4濠江大橋南部)及偏遠(yuǎn)區(qū)域海灘(S5南山灣、S6中信北).采樣時(shí)間選在2014年的夏季6、7月份，此段時(shí)間正值汕頭地區(qū)雨季，榕江流域水量豐沛.

　　2.2 樣品采集

　　由于密度較小的塑料容易在沙灘高潮線區(qū)域堆積，本研究選取高潮線上部作為采樣區(qū)間.根據(jù)沙灘的海岸線長(zhǎng)度確定采樣的站點(diǎn)數(shù)目和間距，站點(diǎn)的樣方面積為50 cm×50 cm，每個(gè)站點(diǎn)采集3個(gè)樣品.將采集的表層沙土(約5 cm深度)過(guò)篩(金屬制篩子，16目)，將剩余物質(zhì)放置于紙質(zhì)的信封內(nèi)保存.

　　參考Hidalgo-Ruz等的方法，根據(jù)塑料的特征(如形狀、顏色等)，對(duì)采集的樣品用自來(lái)水進(jìn)行浮選，挑選出其中的塑料品并進(jìn)行分類.為了避免空氣中污染物的干擾，本研究采用了Nuelle等的實(shí)驗(yàn)預(yù)防措施，將實(shí)驗(yàn)中用到的所有器材都使用超聲儀器清洗干凈，并且只能一次性使用，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)用鋁箔紙包裹器材，以避免污染物的干擾.然后將分選出來(lái)的泡沫聚苯乙烯、塑料碎片和前體顆粒置于烘箱中烘干至恒重(40 ℃).本研究沒(méi)有將塑料纖維、塑料薄膜進(jìn)行收集和計(jì)數(shù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)陬A(yù)實(shí)驗(yàn)中幾乎很少被發(fā)現(xiàn).最后，進(jìn)一步將分選出來(lái)的塑料按尺寸分類(15~20 mm、5~15 mm和1.19~5 mm)，并計(jì)數(shù)和稱重，結(jié)果詳見(jiàn).

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 塑料垃圾的組成及區(qū)域分布

　　本研究對(duì)榕江入?？诟浇?個(gè)自然砂質(zhì)海灘展開(kāi)了調(diào)查，共采集了77個(gè)表層海砂樣品.測(cè)量出的塑料垃圾直徑介于1.19~20 mm之間，每份樣品中小型塑料的出現(xiàn)概率為100%，總數(shù)為23140個(gè)，共計(jì)343.84 g.與其它地區(qū)的研究類似，各監(jiān)測(cè)區(qū)域中塑料的數(shù)值波動(dòng)性較大.

　　在所有調(diào)查海灘中，塑料碎片的數(shù)量所占比重最高，為60%，其次是泡沫聚苯乙烯，比重為27%，前體顆粒為13%.從尺寸類型上分析，極容易被海洋動(dòng)物所誤食的微型塑料的總數(shù)量在3種尺寸類型中的比例最高，占總數(shù)的72%.進(jìn)一步對(duì)微型塑料進(jìn)行分類和計(jì)數(shù)，發(fā)現(xiàn)塑料碎片數(shù)量占比最大為56%，其次是泡沫聚苯乙烯，占26%，前體顆粒占18%.

　　3個(gè)區(qū)域塑料垃圾的總密度呈現(xiàn)支流入海口附近的海灘>主干入?？诟浇?gt;偏遠(yuǎn)海灘,這種地域差異的出現(xiàn)可能存在3個(gè)方面的原因：一是由于榕江為近海塑料垃圾輸入的主要途徑，隨著距離主干河流越遠(yuǎn)而相應(yīng)的塑料數(shù)量隨之減少;二是周邊的工業(yè)和生活垃圾排放及河口的淡水沖刷、沿岸海流、潮汐及風(fēng)等的聯(lián)合作用也是造成地域分布差異的原因;三是濠江為榕江的一個(gè)分支，入海口狹小，淡水沖刷范圍較小，外海海水和河流淡水的作用平衡使得水勢(shì)較緩，且此區(qū)域多岬角容易堆積垃圾碎片.

　　各區(qū)域微型塑料的密度大小與塑料總密度保持一致的趨勢(shì).微型塑料中又含有微型顆粒、微型泡沫和微型碎片，它們的數(shù)量也存在著地域性的差異.微型泡沫在榕江入?？诤┧急壤罡?45%)，其次為濠江入?？诤?36%)，最低的是偏遠(yuǎn)海灘(11%).微型顆粒在偏遠(yuǎn)海灘占34%，榕江主干入?？诤?8%，濠江入?？诤┱?%.微型碎片在濠江入海口海灘占57%，偏遠(yuǎn)海灘占55%，榕江主干入海口海灘占37%.

　　3.2 不同站位塑料垃圾的組成差異分析

　　各個(gè)站位塑料垃圾的數(shù)量分布密度存在差異.此次調(diào)查的6個(gè)站位中，以S3的塑料數(shù)量密度最高，平均為2916.7個(gè)· m-2，其次是S1，平均為1005.6個(gè)· m-2，S6為925.9個(gè)· m-2，S4為869.1個(gè)· m-2，S2為610.0個(gè)· m-2，最小的S5為76.8個(gè)· m-2.同一區(qū)域的兩個(gè)相鄰站位的塑料垃圾組成數(shù)量和密度不同，這可能與沙灘的地貌特征及海水動(dòng)力的不同有關(guān)系.位于入?？诘牟煌军c(diǎn)，因周邊地貌造成的水交換能力的不同，可能導(dǎo)致海灘塑料密度的分布差異.另外，由于人類活動(dòng)的復(fù)雜多變及海洋環(huán)境的復(fù)雜性，塑料的數(shù)量比例還容易受多種因素的聯(lián)合影響.

　　各個(gè)站位塑料垃圾的組成種類所占比例存在差異(圖1).在6個(gè)站位的沙灘中，中信北(S6)和北山灣(S2)塑料中前體顆粒所占的比例較高，前體顆粒是塑料加工業(yè)的原料之一，在S2和S6沙灘上出現(xiàn)較高的數(shù)量，可能與周邊塑料工業(yè)布局有關(guān).除中信北外，泡沫在另外5個(gè)站位中的數(shù)量比例均較高，泡沫類塑料主要來(lái)源于人們?nèi)粘Ｊ褂玫娘埡?、包裝等生活垃圾中及漁業(yè)生產(chǎn)丟棄的垃圾，中信北部的沙灘位于旅游區(qū)附近，由于遠(yuǎn)離城市中心，致使其泡沫類的塑料數(shù)量密度較低.除南山灣(S5)外，塑料碎片在其它5個(gè)沙灘上所占數(shù)量比例較高，塑料碎片來(lái)源較多且復(fù)雜，與城市的工業(yè)和社會(huì)生活都有關(guān)聯(lián)，南山灣距離城市較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離周邊的社會(huì)生產(chǎn)和生活活動(dòng)，這可能是其塑料碎片較少的原因.

　　圖1各個(gè)站點(diǎn)不同類型塑料數(shù)量組成對(duì)比情況

　　另外，不同尺寸級(jí)別的塑料垃圾數(shù)量比例也存在差異(圖 1).除南山灣和北山灣以外，其余4個(gè)沙灘中微型塑料總數(shù)所占比例都較高(高于70%)，北山灣和南山灣的塑料垃圾中占比最大的尺寸主要集中在5~15 mm(占比均高于50%)，且以泡沫為主.北山灣和中信北部沙灘上的中型塑料碎片(5~15 mm)比例較高，這些都可能成為該地區(qū)后期微型塑料污染的潛在來(lái)源.

　　3.3 微型塑料產(chǎn)生途徑和來(lái)源分析

　　根據(jù)以上所有分析及有關(guān)的歷史研究資料，本研究可對(duì)榕江入海口附近的自然沙灘上的微型塑料的來(lái)源及密度分布差異做出如下假設(shè)(圖 2).

　　圖2 榕江入?？诟浇匀簧碁┪⑿退芰袭a(chǎn)生途徑假設(shè)圖

　　1)大型塑料和前體顆粒物的來(lái)源有：榕江上游隨水流飄入的部分，沿岸城區(qū)排放入海的部分，以及周圍塑料加工業(yè)排入環(huán)境中的前體顆粒.

　　2)沙灘上微型塑料的來(lái)源有：①周邊塑料加工業(yè)排入的前體顆粒，②大型塑料及漁業(yè)生產(chǎn)丟棄的泡沫塊在海上或者沙灘上經(jīng)光解作用、風(fēng)化作用、海水擊打和生物侵蝕等分解為尺寸較小的微型塑料.

　　3)榕江主干入海口附近的沙灘中的微型塑料數(shù)量主要受主城區(qū)生活塑料垃圾及上游水流攜帶垃圾的影響，濠江入?？诟浇纳碁┲饕苌嫌嗡鲾y帶的塑料垃圾及濠江區(qū)城區(qū)生活塑料垃圾的影響，偏遠(yuǎn)海灘主要受塑料工業(yè)排放及外海海水?dāng)y帶而來(lái)的塑料垃圾的影響(根據(jù)本研究監(jiān)測(cè)到的3個(gè)區(qū)域的塑料類型組成推測(cè)).

　　3.4 不同地區(qū)微型塑料密度差異比較分析

　　榕江入海口附近的自然沙灘表層的塑料垃圾的數(shù)量密度為1067.67個(gè)· m-2，尺寸小于5 mm的占72%.本文選取類似的相關(guān)研究進(jìn)行比較(表 1).McDermid等對(duì)夏威夷群島自然海灘的塑料垃圾(1~15 mm)開(kāi)展了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)塑料數(shù)量密度為2333.19個(gè)· m-2，碎片所占比例最高(87%)，并且塑料垃圾的尺寸主要集中在小于4.75 mm(90.4%)，這一結(jié)論與本研究一致.香港自然海灘的塑料垃圾碎片(>2 mm)的平均密度為356.34個(gè)· m-2.Costa等對(duì)巴西累西腓的Boa Viagem海灘的調(diào)查結(jié)果顯示，高潮帶塑料垃圾碎片平均數(shù)量密度高達(dá)2900個(gè)· m-2.海灘塑料垃圾的數(shù)量密度排序?yàn)椋喊臀?累西腓，南大西洋)>美國(guó)(夏威夷，北太平洋)>中國(guó)(汕頭，南海北)>中國(guó)(香港，南海北)>印度(孟買，印度洋)>智利(東南太平洋).據(jù)此分析，榕江入?？谧匀簧碁┥系奈⑿退芰侠芏忍幱谥械绕系乃?

　　表1 世界各地海洋環(huán)境中的微型塑料分布

　　海灘地點(diǎn)調(diào)查方法尺寸/mm平均密度/(個(gè)· m-2)參考文獻(xiàn)

　　中國(guó)香港(太平洋)樣方61 cm×61 cm樣方深度5 cm2~15356.34Zurcher et al., 2009

　　印度，孟買(印度洋)樣方50 cm×50 cm樣方深度2 cm1~2068.83Jayasiri et al., 2013

　　美國(guó)，夏威夷群島(北太平洋)樣方61 cm×61 cm樣方深度約5.5 cm1~152333.19McDermid et al., 2004

　　巴西，累西腓(南大西洋)樣方998 cm2樣方深度2 cm1~202900Costa et al., 2010

　　智利(東南太平洋)樣方50 cm×50 cm樣方深度約2 cm1~4.7527.0Hidalgo-Ruz et al., 2012

　　中國(guó)，汕頭(太平洋)樣方50 cm×50 cm樣方深度5 cm1.19~201067.67本次調(diào)查研究

　　4 結(jié)論

　　1)盡管入海口附近的各個(gè)自然海灘具備的波浪作用、風(fēng)向、洋流模式不同，但各海灘均受到不同程度的廢塑料污染，且廢塑料以微型塑料為主，說(shuō)明我國(guó)東部沿海海灘可能均存在不同程度的廢塑料污染.

　　2)微型塑料密度和塑料總密度在不同采樣區(qū)域都呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)：支流入?？诟浇暮?gt;主干入海口附近海灘>離河口較遠(yuǎn)海灘.

　　3)河流上游塑料污染及河口附近城市的生活塑料垃圾排放是沙灘微型塑料的主要潛在來(lái)源.