海洋作為微塑料最主要的匯,目前已有大量關于海水中微塑料的研究,甚至在海鹽等非生物海產品中也發現了微塑料。近年來,人們對淡水環境中微塑料的研究逐步增多,但主要集中在湖泊等大型流域,如太湖、洞庭湖等,對城市內河的研究極少,特別是江南水鄉這種長度短、水深淺、流速緩的小型河道,因此迫切需要了解小型河道的微塑料污染狀況。
蘇州是長江三角洲和太湖流域重要的城市之一,也是經濟最為發達的城市之一。本研究立足于蘇州古城區,調查了古城區22條河流的微塑料污染水平,旨在為制定城市內河微塑料污染防治策略提供數據支持和技術支撐。
1、材料與方法
1.1 采樣點及樣品采集
采樣點位于蘇州古城區(姑蘇區),地處長江三角洲和太湖流域,面積為85.1km2,常駐人口95.8萬人。選取古城區22條河流并布置采樣點,蘇州古城共設置了4個水門:平門、樓門、蛇門和閶門,為了引水入城和排水,橫向連通閶門和婁門,縱向連通平門和蛇門。閶門正處于22條河道的中心位置,因此以閶門為中心,將四周分為A(序號1~6)、B(序號7~12)、C(序號14)、D(序號15~22)四個區域。河道基本參數如表1所示,均無黑臭現象。
從水體以下0~5cm處收集表面水于5L的樣品罐中,在每個位置采集3個樣本,并于4℃下保存,以進一步分析地表水中的微塑料。所使用工具和容器都用純水(過0.45μm玻璃纖維濾膜)洗滌,避免污染水樣。
1.2微塑料分離
采用兩步過濾法從所收集的水樣中提取微塑料。首先量取2L水樣,并用真空抽濾系統將水中的顆粒過濾到玻璃纖維濾膜上(0.45μm)。然后使用100mL體積分數為30%過氧化氫將濾膜上的顆粒沖洗到錐形瓶中,密封,放于65℃的振蕩培養箱中,設置轉速為100r/min,反應72h以消化有機物(反復3次)。待反應完全后,再次進行抽濾,將濾膜保存于直徑為60mm培養皿中,以待進一步檢測。
1.3微塑料觀察
采用尼康正置顯微鏡對可疑的微塑料進行觀察,放大倍率為40倍。微塑料根據顏色、粒徑和形狀進行分類。其中,顏色分為紅色、黑色、藍色、無色;形狀分為纖維、顆粒、薄膜和碎片;粒徑分為0~10、10~20、20~30、30~40、40~50μm。
1.4微塑料驗證
從每個濾膜的中心區域隨機選擇1~2個粒子,在FT-IR衰減全反射模式、分辨率為4cm-1、掃描時間為32s等條件下測量聚合物的組成。將光譜圖用OMNIC軟件進行處理,并與譜圖庫(HummelPolymerSampleLibrary等)進行比較,以驗證聚合物類型,判斷其是否屬于微塑料。將匹配率達到80%的聚合物認定為微塑料,重新計算微塑料數量。
2、結果與討論
2.1微塑料的豐度
微塑料測定結果如圖1所示。蘇州古城區微塑料豐度值為3.50~12.00個/L,均值為(7.15±2.52)個/L。在22個水樣中,豐度較高的河流集中在A區和D區,如青龍橋[(11.67±0.24)個/L]、銀杏橋[(12.00±0.82)個/L]、興市橋[(11.00±0.82)個/L],而豐度較低的區域集中在B區和D區,如閶門[(3.50±0.71)個/L]、滄浪亭橋[(3.50±0.71)個/L]和泰讓橋[(3.50±0.41)個/L]。C區只有一條河流,豐度[(5.00±0.82)個/L]不具可比性,其他三個分區的豐度均值排序為A>D>B,依次為(8.58±1.67)、(7.02±2.80)、(6.36±2.10)個/L。
圖1河道微塑料豐度
古城區處于市中心地帶,且景點較多(如平江路、山塘街、園林等),人口流動活躍,因此人為活動是本地區微塑料污染的重要因素。江南水鄉雨量充沛,年平均降雨量可達1100mm,加之古城區河道管網錯綜復雜,加大了地表徑流將陸地微塑料帶入河道中的概率。國內部分內陸水體的微塑料分析結果如表2所示。可見,蘇州古城區的微塑料豐度與丹江口和揚子江接近,遠高于岷江、椒江、甌江和揚子江(沿海水域),最高可達到10倍。洞庭湖和洪湖的平均豐度比甌江和椒江高1~3.4倍,表明大型湖泊的平均微塑料含量要比沿海水域高,而小型河道(江南水鄉)又比大型湖泊(洪湖)的豐度高3~6倍,表明城市小型河流是微塑料的潛在來源。
2.2微塑料的形狀、顏色和粒徑
微塑料顏色分布如圖2所示,A和D區域黑色占比較高,分別達到9.74%和12.01%,B區域豐度較高的是無色,占比為8.25%,C區域黑色占比較高為1.30%。整個區域黑色占比相比于其他顏色高,達到30.79%,紅色、無色和藍色占比分別為19.05%、21.59%、28.57%。如表2所示,其他內陸水體主要以彩色為主。塑料在維持人們現代生活的舒適性方面起著重要作用,而著色是提高塑料產品市場吸引力的常用手段,因此彩色的微塑料占絕大多數。江南水鄉水運交通發達,畫舫游船是江南水鄉的特點,黑色的微塑料可能來自游船的繩索材料,也可能是上游的微塑料順著水流傳到下游。
圖2微塑料顏色分布
微塑料形狀按碎片、薄膜、顆粒、纖維分類,以纖維為主,比例達到85.40%,其次是顆粒狀(5.40%)、碎片(5.40%)和薄膜(3.80%)。如圖3所示,A、B、C、D四個區域纖維狀的微塑料占比最高,分別達到27.62%、24.44%、2.86%和30.47%。生活污水排放是纖維的主要來源,且80%以上的纖維是合成纖維。地表徑流和空氣攜帶的纖維型微塑料,在短期內能顯著提高小型水體中纖維的濃度,這些纖維一旦進入水體并發生擴散,就會影響整個河網的微塑料污染特征。
圖3微塑料形狀分布
整個區域中微塑料粒徑均小于50μm(見圖4),且30~40μm的微塑料數量最多。微塑料的粒徑分布如圖5所示,0~10、10~20、20~30、30~40和40~50μm占比分別為22.50%、24.38%、26.25%、15.00%和13.75%。該結果比先前研究的微塑料粒徑小很多,如揚子江只測了500μm以上的微塑料,忽略了小于500μm的微塑料。小尺寸微塑料顆粒的比例高可能是因為大塑料可以分解成更小的碎片。纖維是主要類型,可以推斷大多數檢測到的微塑料是由較大的塑料制品產生的。塑料顆粒越小,越容易在食物鏈中傳遞,可能對水生生物構成潛在威脅。
圖4整個區域粒徑分布
圖5不同區域微塑料粒徑分布
3、結論
①、江南水鄉22條小型河道地表水樣中的微塑料豐度為3.50~12.00個/L,平均值為(7.15±2.52)個/L,比沿海水域和內陸大型湖泊的豐度高。微塑料主要類型為顏色各異的纖維、顆粒、薄膜和碎片。纖維狀(85.40%)和黑色(30.79%)的微塑料占比最高。100%的微塑料粒度均在50μm以下,20~30μm占比最高為26.25%,40~50μm占比最低為13.75%。
②、水文條件和人文因素是影響微塑料空間分布的主要因素。古城區微塑料豐度較高,表明人口密集、河流錯綜復雜、降雨充沛、高度城市化地區的微塑料污染水平較其他地區要高得多。