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海洋环境中塑料污染调查研究
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2016-5-24
 

  1 引言

  塑料是人工合成的有机合成高分子材料,其主要成分是树脂.自赛璐珞(Celluloid,硝化纤维塑料)问世以来,塑料工业的发展已有约120年的历史.由于塑料热塑性好、坚实耐用,被广泛应用于工业生产和人们的日常生活中.2013年全球塑料产量高达约3亿t,连续3年的平均增长率约为3.7%.同年,我国初级形态的塑料产量约为0.58亿t,连续3年的平均增长率约为10.2%.塑料产量巨大,在自然条件下很难被完全降解,因而容易在环境中累积,对陆地及海洋生态系统的健康存在潜在的威胁,引起了社会各界对其安全性的广泛关注.

  近年来备受世界关注的“大太平洋垃圾带”(Great Pacific Garbage Patch)——海洋漂浮的最大的垃圾岛,据报道,该垃圾带中人造塑料碎末在过去40年中增加了100倍,估计塑料垃圾高达1000万t.据《2013年中国海洋环境状况公报》报道,监测海域聚苯乙烯泡沫碎片和塑料碎片占海面漂浮垃圾总量的83%,占海滩垃圾总量的74%,占海底垃圾总量的83%.进入海洋中的较大型的塑料块,经长期的光化学降解、热氧化和生物腐蚀(如海洋污损生物)等过程的反复作用,断裂成粒径较小的塑料颗粒(包含Plastic Particles)或者纤维(Plastic Fibers.散布于海洋环境中的各种微型塑料对海洋生态环境存在着潜在的影响,一些海洋生物(水螅虫、硅藻等)可在微型的塑料颗粒表面附着生长,海黾属的昆虫可将微型塑料作为产卵“基地”,与生物数量存在显著相关性.海洋环境中的微型塑料还可能被生物摄入体内,进而影响并威胁海洋生物的健康生活和生存.目前已有大量关于海洋生物摄食废塑料的事件被报道,比如夏威夷海岛上因摄食废塑料而大批死亡的信天翁.早在1990年,科学家Hoss和Settle在实验室开展了鱼类摄食研究,将100~500 μm的塑料颗粒分别放入6种幼鱼的饲养池中,结果显示,所有鱼类都有摄入微型塑料,证实了鱼类会主动摄食塑料颗粒,摄入的塑料可能会通过磨损和堵塞等作用伤害到生物体.另外,微型塑料被证实能吸附持久性有机污染物和重金属,进而成为海洋生态系统的携带性污染源,这类微型塑料被海洋生物摄入体内后,吸附的污染物可能会释放或被生物体吸收,其毒性也可能通过食物链进一步放大.

  目前,关于海洋环境中微型塑料的污染研究也逐渐增多,但呈现出较强的地域差异.Ivar do Sul等总结了101篇与微型塑料相关的文献,结果显示,关于它的研究主要集中于欧洲西海岸和美洲沿岸,而亚洲的研究相对较缺乏.我国关于海洋环境微型塑料的研究处于起步阶段,资料非常缺乏.仅Zurcher等对香港自然海滩做了塑料碎片的种类、分布和毒物吸附含量的研究,以及Zhou等(2011)对中国南海北部的海滩和沿海海水中的海洋碎片(Marine Debris)的数量、组成和来源做了相关调查研究.此外,还有Zhao等对长江河口和东海的海水中的悬浮微型塑料进行了定性和定量分析.我国的海洋微型塑料的调查研究有待进一步充实.鉴于此,本研究选取榕江河口附近的自然沙滩作为研究区域,展开野外调查与研究,初步讨论废塑料的类型、密度和来源,为研究塑料污染对海洋生态健康造成的影响提供基础资料,也将为塑料污染评估及治理提供理论依据.

  2 材料与方法

  2.1 研究区域及时间

  榕江是粤东沿海地区第二大河流,流经揭阳和汕头的主城区,平均年径流量约31.1亿m3,干流全长约180 km,流域面积约3500 km2,占整个潮汕土地面积的34%,流域人口300余万.位于榕江入海口周边的塑料工业起步较早,始于20世纪50年代初期,目前其已发展成为汕头地区重要的支柱产业之一.榕江上游目前无大型的主干道截流工程,保持了较好的自然属性,且入海塑料垃圾排放的潜在源头较多,受河道截流的影响较小.为准确反映塑料类污染物通过海流运动最后堆积到沙滩上的情况,本研究根据榕江水系的特点,选取入海口附近受人类干扰较少的自然砂质海滩为研究区域;为了分析塑料类垃圾分布的来源及趋势,结合距离榕江主干流入海口远近及地理、地质实际情况,布设6个采样站位,分别为:榕江主干入海口海滩(S1妈屿岛、S2北山湾)、支流入海口海滩(S3濠江大桥北部、S4濠江大桥南部)及偏远区域海滩(S5南山湾、S6中信北).采样时间选在2014年的夏季6、7月份,此段时间正值汕头地区雨季,榕江流域水量丰沛.

  2.2 样品采集

  由于密度较小的塑料容易在沙滩高潮线区域堆积,本研究选取高潮线上部作为采样区间.根据沙滩的海岸线长度确定采样的站点数目和间距,站点的样方面积为50 cm×50 cm,每个站点采集3个样品.将采集的表层沙土(约5 cm深度)过筛(金属制筛子,16目),将剩余物质放置于纸质的信封内保存.

  参考Hidalgo-Ruz等的方法,根据塑料的特征(如形状、颜色等),对采集的样品用自来水进行浮选,挑选出其中的塑料品并进行分类.为了避免空气中污染物的干扰,本研究采用了Nuelle等的实验预防措施,将实验中用到的所有器材都使用超声仪器清洗干净,并且只能一次性使用,实验过程中随时用铝箔纸包裹器材,以避免污染物的干扰.然后将分选出来的泡沫聚苯乙烯、塑料碎片和前体颗粒置于烘箱中烘干至恒重(40 ℃).本研究没有将塑料纤维、塑料薄膜进行收集和计数,因为它们在预实验中几乎很少被发现.最后,进一步将分选出来的塑料按尺寸分类(15~20 mm、5~15 mm和1.19~5 mm),并计数和称重,结果详见.

  3 结果与讨论

  3.1 塑料垃圾的组成及区域分布

  本研究对榕江入海口附近6个自然砂质海滩展开了调查,共采集了77个表层海砂样品.测量出的塑料垃圾直径介于1.19~20 mm之间,每份样品中小型塑料的出现概率为100%,总数为23140个,共计343.84 g.与其它地区的研究类似,各监测区域中塑料的数值波动性较大.

  在所有调查海滩中,塑料碎片的数量所占比重最高,为60%,其次是泡沫聚苯乙烯,比重为27%,前体颗粒为13%.从尺寸类型上分析,极容易被海洋动物所误食的微型塑料的总数量在3种尺寸类型中的比例最高,占总数的72%.进一步对微型塑料进行分类和计数,发现塑料碎片数量占比最大为56%,其次是泡沫聚苯乙烯,占26%,前体颗粒占18%.

  3个区域塑料垃圾的总密度呈现支流入海口附近的海滩>主干入海口附近海滩>偏远海滩,这种地域差异的出现可能存在3个方面的原因:一是由于榕江为近海塑料垃圾输入的主要途径,随着距离主干河流越远而相应的塑料数量随之减少;二是周边的工业和生活垃圾排放及河口的淡水冲刷、沿岸海流、潮汐及风等的联合作用也是造成地域分布差异的原因;三是濠江为榕江的一个分支,入海口狭小,淡水冲刷范围较小,外海海水和河流淡水的作用平衡使得水势较缓,且此区域多岬角容易堆积垃圾碎片.

  各区域微型塑料的密度大小与塑料总密度保持一致的趋势.微型塑料中又含有微型颗粒、微型泡沫和微型碎片,它们的数量也存在着地域性的差异.微型泡沫在榕江入海口海滩所占比例最高(45%),其次为濠江入海口海滩(36%),最低的是偏远海滩(11%).微型颗粒在偏远海滩占34%,榕江主干入海口海滩为18%,濠江入海口海滩占7%.微型碎片在濠江入海口海滩占57%,偏远海滩占55%,榕江主干入海口海滩占37%.

  3.2 不同站位塑料垃圾的组成差异分析

  各个站位塑料垃圾的数量分布密度存在差异.此次调查的6个站位中,以S3的塑料数量密度最高,平均为2916.7个· m-2,其次是S1,平均为1005.6个· m-2,S6为925.9个· m-2,S4为869.1个· m-2,S2为610.0个· m-2,最小的S5为76.8个· m-2.同一区域的两个相邻站位的塑料垃圾组成数量和密度不同,这可能与沙滩的地貌特征及海水动力的不同有关系.位于入海口的不同站点,因周边地貌造成的水交换能力的不同,可能导致海滩塑料密度的分布差异.另外,由于人类活动的复杂多变及海洋环境的复杂性,塑料的数量比例还容易受多种因素的联合影响.

  各个站位塑料垃圾的组成种类所占比例存在差异(图1).在6个站位的沙滩中,中信北(S6)和北山湾(S2)塑料中前体颗粒所占的比例较高,前体颗粒是塑料加工业的原料之一,在S2和S6沙滩上出现较高的数量,可能与周边塑料工业布局有关.除中信北外,泡沫在另外5个站位中的数量比例均较高,泡沫类塑料主要来源于人们日常使用的饭盒、包装等生活垃圾中及渔业生产丢弃的垃圾,中信北部的沙滩位于旅游区附近,由于远离城市中心,致使其泡沫类的塑料数量密度较低.除南山湾(S5)外,塑料碎片在其它5个沙滩上所占数量比例较高,塑料 碎片来源较多且复杂,与城市的工业和社会生活都有关联,南山湾距离城市较远,远离周边的社会生产和生活活动,这可能是其塑料碎片较少的原因.

 

  图1各个站点不同类型塑料数量组成对比情况

  另外,不同尺寸级别的塑料垃圾数量比例也存在差异(图 1).除南山湾和北山湾以外,其余4个沙滩中微型塑料总数所占比例都较高(高于70%),北山湾和南山湾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%),且以泡沫为主.北山湾和中信北部沙滩上的中型塑料碎片(5~15 mm)比例较高,这些都可能成为该地区后期微型塑料污染的潜在来源.

  3.3 微型塑料产生途径和来源分析

  根据以上所有分析及有关的历史研究资料,本研究可对榕江入海口附近的自然沙滩上的微型塑料的来源及密度分布差异做出如下假设(图 2).

 

  图2 榕江入海口附近自然沙滩微型塑料产生途径假设图

  1)大型塑料和前体颗粒物的来源有:榕江上游随水流飘入的部分,沿岸城区排放入海的部分,以及周围塑料加工业排入环境中的前体颗粒.

  2)沙滩上微型塑料的来源有:①周边塑料加工业排入的前体颗粒,②大型塑料及渔业生产丢弃的泡沫块在海上或者沙滩上经光解作用、风化作用、海水击打和生物侵蚀等分解为尺寸较小的微型塑料.

  3)榕江主干入海口附近的沙滩中的微型塑料数量主要受主城区生活塑料垃圾及上游水流携带 垃圾的影响,濠江入海口附近的沙滩主要受上游水流携带的塑料垃圾及濠江区城区生活塑料垃圾的影响,偏远海滩主要受塑料工业排放及外海海水携带而来的塑料垃圾的影响(根据本研究监测到的3个区域的塑料类型组成推测).

  3.4 不同地区微型塑料密度差异比较分析

  榕江入海口附近的自然沙滩表层的塑料垃圾的数量密度为1067.67个· m-2,尺寸小于5 mm的占72%.本文选取类似的相关研究进行比较(表 1).McDermid等对夏威夷群岛自然海滩的塑料垃圾(1~15 mm)开展了调查,发现塑料数量密度为2333.19个· 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%),这一结论与本研究一致.香港自然海滩的塑料垃圾碎片(>2 mm)的平均密度为356.34个· m-2.Costa等对巴西累西腓的Boa Viagem海滩的调查结果显示,高潮带塑料垃圾碎片平均数量密度高达2900个· m-2.海滩塑料垃圾的数量密度排序为:巴西(累西腓,南大西洋)>美国(夏威夷,北太平洋)>中国(汕头,南海北)>中国(香港,南海北)>印度(孟买,印度洋)>智利(东南太平洋).据此分析,榕江入海口自然沙滩上的微型塑料垃圾密度处于中等偏上的水平.

  表1 世界各地海洋环境中的微型塑料分布

  海滩地点调查方法尺寸/mm平均密度/(个· m-2)参考文献

  中国香港(太平洋)样方61 cm×61 cm样方深度5 cm2~15356.34Zurcher et al., 2009

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

  美国,夏威夷群岛(北太平洋)样方61 cm×61 cm样方深度约5.5 cm1~152333.19McDermid et al., 2004

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

  智利(东南太平洋)样方50 cm×50 cm样方深度约2 cm1~4.7527.0Hidalgo-Ruz et al., 2012

  中国,汕头(太平洋)样方50 cm×50 cm样方深度5 cm1.19~201067.67本次调查研究

  4 结论

  1)尽管入海口附近的各个自然海滩具备的波浪作用、风向、洋流模式不同,但各海滩均受到不同程度的废塑料污染,且废塑料以微型塑料为主,说明我国东部沿海海滩可能均存在不同程度的废塑料污染.

  2)微型塑料密度和塑料总密度在不同采样区域都呈现相同的趋势:支流入海口附近的海滩>主干入海口附近海滩>离河口较远海滩.

  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滩微型塑料的主要潜在来源.

  4)受前体颗粒污染较为严重的海滩均离河口较远.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  5)榕江入海口附近的自然沙滩上微型塑料的密度与世界其它地区相比,处于中等偏上的水平,应引起我国相关环境管理部门的重视.

 

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