海洋環境中塑料污染調查研究

發表時間：2016-05-22 10:30:09 閱讀次

　　1 引言

　　塑料是人工合成的有機合成高分子材料，其主要成分是樹脂.自賽璐珞(Celluloid，硝化纖維塑料)問世以來，塑料工業的發展已有約120年的歷史.由于塑料熱塑性好、堅實耐用，被廣泛應用于工業生產和人們的日常生活中.2013年全球塑料產量高達約3億t，連續3年的平均增長率約為3.7%.同年，我國初級形態的塑料產量約為0.58億t，連續3年的平均增長率約為10.2%.塑料產量巨大，在自然條件下很難被完全降解，因而容易在環境中累積，對陸地及海洋生態系統的健康存在潛在的威脅，引起了社會各界對其安全性的廣泛關注.

　　近年來備受世界關注的“大太平洋垃圾帶”(Great Pacific Garbage Patch)——海洋漂浮的最大的垃圾島，據報道，該垃圾帶中人造塑料碎末在過去40年中增加了100倍，估計塑料垃圾高達1000萬t.據《2013年中國海洋環境狀況公報》報道，監測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%.進入海洋中的較大型的塑料塊，經長期的光化學降解、熱氧化和生物腐蝕(如海洋污損生物)等過程的反復作用，斷裂成粒徑較小的塑料顆粒(包含Plastic Particles)或者纖維(Plastic Fibers.散布于海洋環境中的各種微型塑料對海洋生態環境存在著潛在的影響，一些海洋生物(水螅蟲、硅藻等)可在微型的塑料顆粒表面附著生長，海黽屬的昆蟲可將微型塑料作為產卵“基地”，與生物數量存在顯著相關性.海洋環境中的微型塑料還可能被生物攝入體內，進而影響并威脅海洋生物的健康生活和生存.目前已有大量關于海洋生物攝食廢塑料的事件被報道，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，科學家Hoss和Settle在實驗室開展了魚類攝食研究，將100~500 μm的塑料顆粒分別放入6種幼魚的飼養池中，結果顯示，所有魚類都有攝入微型塑料，證實了魚類會主動攝食塑料顆粒，攝入的塑料可能會通過磨損和堵塞等作用傷害到生物體.另外，微型塑料被證實能吸附持久性有機污染物和重金屬，進而成為海洋生態系統的攜帶性污染源，這類微型塑料被海洋生物攝入體內后，吸附的污染物可能會釋放或被生物體吸收，其毒性也可能通過食物鏈進一步放大.

　　目前，關于海洋環境中微型塑料的污染研究也逐漸增多，但呈現出較強的地域差異.Ivar do Sul等總結了101篇與微型塑料相關的文獻，結果顯示，關于它的研究主要集中于歐洲西海岸和美洲沿岸，而亞洲的研究相對較缺乏.我國關于海洋環境微型塑料的研究處于起步階段，資料非常缺乏.僅Zurcher等對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)對中國南海北部的海灘和沿海海水中的海洋碎片(Marine Debris)的數量、組成和來源做了相關調查研究.此外，還有Zhao等對長江河口和東海的海水中的懸浮微型塑料進行了定性和定量分析.我國的海洋微型塑料的調查研究有待進一步充實.鑒于此，本研究選取榕江河口附近的自然沙灘作為研究區域，展開野外調查與研究，初步討論廢塑料的類型、密度和來源，為研究塑料污染對海洋生態健康造成的影響提供基礎資料，也將為塑料污染評估及治理提供理論依據.

　　2 材料與方法

　　2.1 研究區域及時間

　　榕江是粵東沿海地區第二大河流，流經揭陽和汕頭的主城區，平均年徑流量約31.1億m3，干流全長約180 km，流域面積約3500 km2，占整個潮汕土地面積的34%，流域人口300余萬.位于榕江入?？谥苓叺乃芰瞎I起步較早，始于20世紀50年代初期，目前其已發展成為汕頭地區重要的支柱產業之一.榕江上游目前無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.為準確反映塑料類污染物通過海流運動最后堆積到沙灘上的情況，本研究根據榕江水系的特點，選取入海口附近受人類干擾較少的自然砂質海灘為研究區域;為了分析塑料類垃圾分布的來源及趨勢，結合距離榕江主干流入海口遠近及地理、地質實際情況，布設6個采樣站位，分別為：榕江主干入?？诤?S1媽嶼島、S2北山灣)、支流入海口海灘(S3濠江大橋北部、S4濠江大橋南部)及偏遠區域海灘(S5南山灣、S6中信北).采樣時間選在2014年的夏季6、7月份，此段時間正值汕頭地區雨季，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域堆積，本研究選取高潮線上部作為采樣區間.根據沙灘的海岸線長度確定采樣的站點數目和間距，站點的樣方面積為50 cm×50 cm，每個站點采集3個樣品.將采集的表層沙土(約5 cm深度)過篩(金屬制篩子，16目)，將剩余物質放置于紙質的信封內保存.

　　參考Hidalgo-Ruz等的方法，根據塑料的特征(如形狀、顏色等)，對采集的樣品用自來水進行浮選，挑選出其中的塑料品并進行分類.為了避免空氣中污染物的干擾，本研究采用了Nuelle等的實驗預防措施，將實驗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，實驗過程中隨時用鋁箔紙包裹器材，以避免污染物的干擾.然后將分選出來的泡沫聚苯乙烯、塑料碎片和前體顆粒置于烘箱中烘干至恒重(40 ℃).本研究沒有將塑料纖維、塑料薄膜進行收集和計數，因為它們在預實驗中幾乎很少被發現.最后，進一步將分選出來的塑料按尺寸分類(15~20 mm、5~15 mm和1.19~5 mm)，并計數和稱重，結果詳見.

　　3 結果與討論

　　3.1 塑料垃圾的組成及區域分布

　　本研究對榕江入?？诟浇?個自然砂質海灘展開了調查，共采集了77個表層海砂樣品.測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概率為100%，總數為23140個，共計343.84 g.與其它地區的研究類似，各監測區域中塑料的數值波動性較大.

　　在所有調查海灘中，塑料碎片的數量所占比重最高，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，極容易被海洋動物所誤食的微型塑料的總數量在3種尺寸類型中的比例最高，占總數的72%.進一步對微型塑料進行分類和計數，發現塑料碎片數量占比最大為56%，其次是泡沫聚苯乙烯，占26%，前體顆粒占18%.

　　3個區域塑料垃圾的總密度呈現支流入?？诟浇暮?gt;主干入海口附近海灘>偏遠海灘,這種地域差異的出現可能存在3個方面的原因：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而相應的塑料數量隨之減少;二是周邊的工業和生活垃圾排放及河口的淡水沖刷、沿岸海流、潮汐及風等的聯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較緩，且此區域多岬角容易堆積垃圾碎片.

　　各區域微型塑料的密度大小與塑料總密度保持一致的趨勢.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%)，其次為濠江入海口海灘(36%)，最低的是偏遠海灘(11%).微型顆粒在偏遠海灘占34%，榕江主干入?？诤?8%，濠江入海口海灘占7%.微型碎片在濠江入?？诤┱?7%，偏遠海灘占55%，榕江主干入?？诤┱?7%.

　　3.2 不同站位塑料垃圾的組成差異分析

　　各個站位塑料垃圾的數量分布密度存在差異.此次調查的6個站位中，以S3的塑料數量密度最高，平均為2916.7個· m-2，其次是S1，平均為1005.6個· m-2，S6為925.9個· m-2，S4為869.1個· m-2，S2為610.0個· m-2，最小的S5為76.8個· m-2.同一區域的兩個相鄰站位的塑料垃圾組成數量和密度不同，這可能與沙灘的地貌特征及海水動力的不同有關系.位于入海口的不同站點，因周邊地貌造成的水交換能力的不同，可能導致海灘塑料密度的分布差異.另外，由于人類活動的復雜多變及海洋環境的復雜性，塑料的數量比例還容易受多種因素的聯合影響.

　　各個站位塑料垃圾的組成種類所占比例存在差異(圖1).在6個站位的沙灘中，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的原料之一，在S2和S6沙灘上出現較高的數量，可能與周邊塑料工業布局有關.除中信北外，泡沫在另外5個站位中的數量比例均較高，泡沫類塑料主要來源于人們日常使用的飯盒、包裝等生活垃圾中及漁業生產丟棄的垃圾，中信北部的沙灘位于旅游區附近，由于遠離城市中心，致使其泡沫類的塑料數量密度較低.除南山灣(S5)外，塑料碎片在其它5個沙灘上所占數量比例較高，塑料碎片來源較多且復雜，與城市的工業和社會生活都有關聯，南山灣距離城市較遠，遠離周邊的社會生產和生活活動，這可能是其塑料碎片較少的原因.

　　圖1各個站點不同類型塑料數量組成對比情況

　　另外，不同尺寸級別的塑料垃圾數量比例也存在差異(圖 1).除南山灣和北山灣以外，其余4個沙灘中微型塑料總數所占比例都較高(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后期微型塑料污染的潛在來源.

　　3.3 微型塑料產生途徑和來源分析

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

　　圖2 榕江入?？诟浇匀簧碁┪⑿退芰袭a生途徑假設圖

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

　　2)沙灘上微型塑料的來源有：①周邊塑料加工業排入的前體顆粒，②大型塑料及漁業生產丟棄的泡沫塊在海上或者沙灘上經光解作用、風化作用、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?？诟浇纳碁┲械奈⑿退芰蠑盗恐饕苤鞒菂^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城區生活塑料垃圾的影響，偏遠海灘主要受塑料工業排放及外海海水攜帶而來的塑料垃圾的影響(根據本研究監測到的3個區域的塑料類型組成推測).

　　3.4 不同地區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量密度為1067.67個· m-2，尺寸小于5 mm的占72%.本文選取類似的相關研究進行比較(表 1).McDermid等對夏威夷群島自然海灘的塑料垃圾(1~15 mm)開展了調查，發現塑料數量密度為2333.19個· 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· m-2.Costa等對巴西累西腓的Boa Viagem海灘的調查結果顯示，高潮帶塑料垃圾碎片平均數量密度高達2900個· m-2.海灘塑料垃圾的數量密度排序為：巴西(累西腓，南大西洋)>美國(夏威夷，北太平洋)>中國(汕頭，南海北)>中國(香港，南海北)>印度(孟買，印度洋)>智利(東南太平洋).據此分析，榕江入?？谧匀簧碁┥系奈⑿退芰侠芏忍幱谥械绕系乃?

　　表1 世界各地海洋環境中的微型塑料分布

　　海灘地點調查方法尺寸/mm平均密度/(個· m-2)參考文獻

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

　　4 結論

　　1)盡管入海口附近的各個自然海灘具備的波浪作用、風向、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，說明我國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域都呈現相同的趨勢：支流入?？诟浇暮?gt;主干入?？诟浇?gt;離河口較遠海灘.

　　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源.