陳月琴，羅維，孫聰慧，吳光紅*

(1. 天津師范大學(xué) 天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387；2. 中國科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心 城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

1 引言

環(huán)渤海地區(qū)是中國工業(yè)化和城市化最發(fā)達(dá)的3個地區(qū)之一。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對資源和能源的消耗量加大，尤其是塑料制品的大范圍使用，使得塑料垃圾產(chǎn)量大增，造成了塑料垃圾污染。塑料垃圾具有難降解，隨著環(huán)境作用（在自然環(huán)境中緩慢老化分解）極易分解為微塑料（<5 mm）[1–2]。微塑料表面極易吸附持久性有毒物質(zhì)如Hg、Pb等以及其他有機(jī)物，并經(jīng)過生物地球化學(xué)作用對海洋環(huán)境及其生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響[3–4]。河口、海岸、大洋和深海均已檢測到了微塑料，微塑料具有顆粒小、數(shù)量多、分布廣的特征而易被海洋動物誤食產(chǎn)生危害，在海洋環(huán)境中造成生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[4–7]。本文以秦皇島近岸海域潮間帶為研究區(qū)域，采集砂質(zhì)沉積物樣品，對樣品中的微塑料、重金屬和營養(yǎng)鹽及其碳和氮同位素組成進(jìn)行分析，探討微塑料的來源形態(tài)和微觀形貌，對其重金屬和營養(yǎng)鹽含量及其可能來源進(jìn)行了分析。為渤海微塑料污染防控和深入研究提供技術(shù)支持。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

于2017年6月在秦皇島近岸海域（39.5° N，119.0° E）設(shè)置21個砂質(zhì)沉積物采樣點(diǎn)（圖1），各點(diǎn)的采樣面積約為2 m2。使用自制采樣器采用梅花采樣法分別采集了潮間帶的低潮區(qū)、中潮區(qū)和高潮區(qū)的0～5 cm和5～10 cm兩層沉積物及潮上帶的0～5 cm表層沉積物，在清潔的容器中混合均勻，取質(zhì)量約2 kg砂質(zhì)樣品封存于聚乙烯塑料袋內(nèi)，立即帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干。保存于封口袋中，置于干燥器中備用。

圖1 研究地點(diǎn)和采樣點(diǎn)分布Fig. 1 Study area and distribution of sampling sites

2.2 分析方法

微塑料分析方法：所有砂質(zhì)樣品在50℃干燥48 h，基于密度分離原理，利用NaCl溶液在敞口鋁板上進(jìn)行浮選。在淺鋁板（直徑約為35 cm）中，將50 g干燥樣品與250 mL飽和NaCl溶液混合用玻璃棒手動攪拌2 min。沉降2 h后，將砂層上方的溶液轉(zhuǎn)移到500 mL燒杯中再沉降1 h，將溶液通過1.0 mm孔徑的玻璃纖維過濾器過濾。實(shí)驗(yàn)過程中所使用的燒杯和轉(zhuǎn)移裝置均使用超純水多次洗滌，洗滌液也通過相同的玻璃纖維過濾器過濾，以使粘附在容器壁上的微塑料損失最小。過濾器在空氣中干燥24 h，單獨(dú)密封在培養(yǎng)皿中待分析。使用數(shù)字顯微鏡在10倍放大率下觀測分離的微塑料，對于分離提取出的部分微塑料片段，采用傅里葉變換紅外光譜儀測定樣品的紅外光譜圖，分析聚合物成分[8]。纖維類微塑料的主要成分為低密度聚乙烯，薄膜類微塑料的主要成分為聚丙烯，發(fā)泡類微塑料的主要成分為聚苯乙烯。并結(jié)合掃描電子顯微鏡-能譜儀（Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive Spectrometer，SEM-EDS）對微塑料表面的微觀特性進(jìn)行了表征分析。

重金屬分析方法：準(zhǔn)確稱取0.250 g干燥的砂質(zhì)樣品于聚四氟乙烯微波消解罐內(nèi)，用少量超純水（＜5 mL）洗罐壁上粘的樣品。加入5 mL王水（1 HNO3+3 HCl），在微波消解儀中按微波消解程序消解，冷卻后轉(zhuǎn)移到50 mL容量瓶中并定容。Al使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PE，Optima 8300）進(jìn)行測試，Hg利用原子熒光光度計(jì)（LC-AFS9780）進(jìn)行測試，Pb和Cd使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（PE，Elan 9000）進(jìn)行測試。

總有機(jī)碳（Total Organic Carbon，TOC）和總氮（Total Nitrogen，TN）分析方法：稱取0.5 g沉積物砂質(zhì)樣品，分別將樣品置于離心管中，加入1 mol/L的HCl溶液去除無機(jī)碳，等待樣品和溶液反應(yīng)完全后，水洗除酸至中性后，離心分離，倒掉上清液，將樣品放入干燥箱中烘干至恒重，計(jì)算處理過的樣品質(zhì)量及其占總樣品質(zhì)量的比例。將烘干研磨后的樣品保存于干燥器中，供TOC測試。TN直接使用原樣品測定，TOC、TN采用元素分析儀（PE，2400 Series II）儀器進(jìn)行分析。碳、氮穩(wěn)定同位素比值（δ13C和δ15N）采用穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（Nu Horizon）分別進(jìn)行測定[9-10]，并以碳酸鋇（IAEA-CO-9 barium carbonate）和硝酸鉀（IAEA-NO-3 potassium nitrate）作為參考標(biāo)準(zhǔn)，分析精度δ13C小于0.20‰，δ15N小于0.40‰。

沉積物中有機(jī)質(zhì)含量采用砂質(zhì)沉積物中燒失量（Loss on Ignition，LOI）進(jìn)行估算[11]，燒失量的計(jì)算公式為

式中，LOI指樣品灼燒失去的質(zhì)量占原始樣品質(zhì)量的百分比；m0指烘干后空坩堝質(zhì)量（單位: g）；m550指坩堝和樣品在550℃燃燒后的總質(zhì)量（單位：g）；m105指坩堝和樣品在105℃烘干后的總質(zhì)量（單位：g）。

2.3 質(zhì)量控制

采用近海海洋沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07314）和土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07427）對實(shí)驗(yàn)過程中金屬元素、TOC及TN含量的分析進(jìn)行了質(zhì)量控制，詳見表1。結(jié)果表明，各元素的回收率在87.1%～114.9%之間，實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)具有較高的可靠性和可行性。采用向沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品中摻入尺寸約為1 mm的聚乙烯和聚丙烯塑料顆粒，該方法的回收率大于60%，與Imhof等[12]和Zhu[13]的微塑料回收率基本相當(dāng)。

2.4 污染評價(jià)

采用地累積指數(shù)（Geo Accumulation Indexes，Igeo）和富集系數(shù)（Enrichment Factors，EF）計(jì)算沉積物重金屬的污染程度。地累積指數(shù)由Müller提出，其表達(dá)公式為

表1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中各元素含量及回收率Table 1 Concentrations and recoveries of elements in certified reference material

式中，Cn表示樣品中所測元素n的濃度值；Bn為所對應(yīng)元素的背景濃度（渤海沉積物環(huán)境背景值）。1.5是用來修正沉積物自身的各種特性和巖石地質(zhì)等方面產(chǎn)生的影響。地累積指數(shù)的數(shù)值與污染程度可分為7 個級別[14-15]。

富集系數(shù)計(jì)算式為

式中，EF表示重金屬在沉積物中的富集系數(shù)；（M/NAl）S是樣品中重金屬元素含量與金屬Al含量的比值；（M/NAl）B是渤海沉積物中重金屬元素含量與金屬Al含量的比值。富集程度EF按照Sutherland分為5 個等級[16-17]。

3 結(jié)果與討論

3.1 微塑料

基于密度分離原理從砂質(zhì)沉積物樣品中分離出微塑料，經(jīng)過濾后濾膜上的微塑料見圖2。并利用10倍目顯微鏡觀察濾膜上附著的微塑料顆粒（圖2b至圖2d）。結(jié)果表明，微塑料豐度較低，尺寸在0.2～5 mm之間。微塑料顆粒根據(jù)其形貌和紅外光譜圖分為纖維類、薄膜類和發(fā)泡類3類微塑料。纖維類微塑料多為紅色、綠色；薄膜類微塑料和發(fā)泡類微塑料主要為透明色和白色。根據(jù)觀測到的微塑料的類型和數(shù)量，潮上帶有纖維類和發(fā)泡類的微塑料，低潮區(qū)（0～5 cm）和高潮區(qū)（5～10 cm）多為纖維類的微塑料，觀測結(jié)果與朱曉桐等[18]在長江口潮灘表層沉積物中觀測到的微塑料類型基本一致，主要為纖維類的微塑料。

圖2 研究區(qū)沉積物樣品中不同類型微塑料；纖維類（b），薄膜類（c），發(fā)泡類（d）Fig. 2 Micro plastics in different sediments samples collected from the study area; fibers (b), films (c), foams (d)

圖3 不同類型微塑料的電鏡掃描圖及其局部掃描圖：纖維類（a），薄膜類（b），發(fā)泡類（c）Fig. 3 Scanning electron micrographs images of the different micro plastics: fibers (a), films (b), foams (c)

利用掃描電子顯微鏡對微塑料的形貌進(jìn)行掃描，詳見圖3。纖維類的微塑料表面風(fēng)化程度不高，可能由于其暴露在環(huán)境中的時間不長或不易于風(fēng)化分解，總體上還是原來的絲狀結(jié)構(gòu)，該類微塑料多為漁業(yè)活動廢棄的漁線或漁網(wǎng)在使用過程中風(fēng)化裂解遺留的[2]（圖3a）。薄膜類微塑料裂解成碎片狀，邊緣無固定形狀，表面也有凸起的形狀，有粉化和老化的痕跡（圖3b），該類微塑料源于食品包裝袋和農(nóng)用薄膜、工程塑料編織袋內(nèi)側(cè)附著的薄膜、防滲地膜等塑料制品及其殘留。發(fā)泡類微塑料表面撕裂痕跡明顯，并且具有明顯的裂紋，存在孔狀結(jié)構(gòu)，空隙中會吸附雜質(zhì)（圖3c）。該類微塑料主要源于船體的浮子、水體養(yǎng)殖使用的浮標(biāo)和各種用途的塑料泡沫箱等。Kwon等[19]的研究表明發(fā)泡類微塑料的重要來源是水產(chǎn)養(yǎng)殖中使用的發(fā)泡塑料浮標(biāo)。環(huán)境中的微塑料具有表面粗糙、多孔狀等特點(diǎn)，這種表面結(jié)構(gòu)是微塑料在環(huán)境中老化遺留的痕跡，此種結(jié)構(gòu)使其容易裂解成更小的顆粒。Ashton等[8]認(rèn)為微塑料表面的老化、風(fēng)化等痕跡會使其產(chǎn)生較多的撕裂裂紋和孔狀結(jié)構(gòu)等，這樣的結(jié)構(gòu)使其比表面積增大，容易吸附更多的污染物和土壤顆粒等雜質(zhì)。

為進(jìn)一步探討微塑料表面附著的物質(zhì)，采用SEM-EDS對分離的微塑料樣品微區(qū)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見圖4。纖維類微塑料表層主要有Si、Al、Mg、Fe和O等元素（圖4a）；薄膜類和發(fā)泡類的微塑料表層主要有 Si、Al、Fe、Mg、Ca和 O 等元素（圖 4b，圖 4c），3種類型的微塑料表面富集了Al、Fe和Mg等常量元素，但沒有Hg和Cd等痕量元素的富集。Ashton等[8]發(fā)現(xiàn)在海洋環(huán)境中塑料顆粒通過沉積物和藻類富集金屬元素（Al，F(xiàn)e，Mn，Pb 和 Cd 等）。簡敏菲等的研究也表明微塑料表層Si、Fe、Al等元素主要以氧化物形態(tài)存在[20-21]。Fe和Al等金屬的水合氧化物是沉積物中重要的無機(jī)膠體，可通過吸附、共沉淀等富集重金屬，內(nèi)分泌干擾物等污染物還可隨著水合氧化物附著在微塑料的表面裂隙及孔狀結(jié)構(gòu)中，對海洋生態(tài)環(huán)境和海洋生物造成危害[19]。

圖4 不同類型的微塑料局部掃描電子顯微鏡-能譜儀（SEM-EDS）圖；纖維類（a），薄膜類（b），發(fā)泡類（c）Fig. 4 Scanning Electron Microscopy Energy Dispersive Spectrometer (SEM-EDS) images of the different micro plastics; fibers (a),films (b), foams (c)

3.2 重金屬

環(huán)渤海潮間帶沉積物Hg、Cd和Pb處于中等水平，而 Cr、As、Cu和 Zn處于相對較低水平[22]，因此選擇重金屬Hg、Cd和Pb作為污染元素進(jìn)行分析，并以Al作為參比元素，其含量詳見表2。Hg的偏度和峰度為負(fù)值，表明整體的數(shù)據(jù)較為集中且在左邊分布更為分散，重金屬在自然背景環(huán)境中含量很低，多呈對數(shù)正態(tài)分布，而在人為影響下大量富集可造成含量的概率分布向高含量方向偏斜。與海洋沉積物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB18668-2002）對比，Hg和Pb達(dá)到一類標(biāo)準(zhǔn)，Cd達(dá)到了二類標(biāo)準(zhǔn)。Hg的平均含量為0.11 mg/kg，是沉積物背景值的2倍多，這與鄭舜琴和張淑美[23]研究渤海灣沉積物Hg的含量（0.025～0.170 mg/kg）較一致，影響沉積物中Hg含量的原因可能與秦皇島入海河流的因素及陸源輸入存在著關(guān)聯(lián)性。采用地累積指數(shù)Igeo和富集系數(shù)EF分析砂質(zhì)沉積物中重金屬的富集特點(diǎn)（圖5）。Igeo的結(jié)果表明，Pb污染為0級，無污染；Hg污染為1級，無污染到中度污染；Cd污染為4級，強(qiáng)污染。EF的結(jié)果表明，Pb為無富集，Hg為中度到高度富集，Cd屬于超高度富集。

Cd、Pb的偏度和峰度均為正，數(shù)據(jù)較為分散且右邊分布更為分散，表明在人為影響下大量富集造成含量的概率分布向高含量方向偏斜。秦延文等[24]對渤海灣潮間帶重金屬進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Pb和Cd的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相應(yīng)的環(huán)境背景值，通過歸一化研究得知重金屬的污染具有明顯的人為痕跡。而本研究Pb的含量明顯低于渤海沉積物環(huán)境背景值，這可能與砂質(zhì)沉積物自身有關(guān)，砂質(zhì)沉積物不易于富集重金屬Pb，而渤海灣及其入海河流中Pb含量較高的區(qū)域則分布在富含有機(jī)質(zhì)的排污河道和淤泥質(zhì)沉積物中[24-25]。Cd含量較高可能與當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域污染特點(diǎn)有關(guān)，張雷等[22]在興城附近海域潮間帶沉積物中重金屬分布特征的研究中，Cd含量也達(dá)到了1.48 mg/kg。從表2可知，重金屬Cd含量的均值為2.69 mg/kg，大于沉積物質(zhì)量基準(zhǔn)（Sediment Quality Guidelines, SQGs）效應(yīng)區(qū)間低值（Effect Range-Low, ERL），但遠(yuǎn)小于效應(yīng)區(qū)間中值（Effect Range-Median, ERM），表明很少會引起生物負(fù)效應(yīng)；Hg含量的均值為0.11 mg/kg，略低于ERL生物影響值，表示極少會引起生物負(fù)效應(yīng)；Pb含量的均值為7.78 mg/kg，遠(yuǎn)低于ERL，表示極少會引起生物負(fù)效應(yīng)[26]。

3.3 碳氮及其穩(wěn)定同位素組成

秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物中TOC、TN的含量及δ13C和δ15N的穩(wěn)定同位素組成見圖6。TOC含量分布在0.35%～1.07%之間，均值為0.68%。而TN分布在0.079% ～0.156%之間，均值為0.11%。秦延文等[24]報(bào)道了渤海灣淤泥質(zhì)沉積物有機(jī)質(zhì)含量為1.41%～3.05%，均值為2.08%，其接納了大量工業(yè)廢水和生活污水，有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽污染明顯。而本研究中砂質(zhì)沉積物中TOC和TN含量較低，有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽污染不高。秦皇島近岸海域砂質(zhì)沉積物與淤泥質(zhì)沉積物不同，有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽污染不明顯，未受陸源工業(yè)廢水和生活污水的影響。沉積物中LOI達(dá)到了1.06%，LOI與TOC的比值為1.6，說明砂質(zhì)沉積物中含有較高的非有機(jī)質(zhì)（如微塑料）等其他雜質(zhì)。Sutherland[11]對夏威夷瓦胡島沉積物中LOI與TOC的關(guān)系進(jìn)行了研究，TOC約占LOI的64%，本研究與前人研究結(jié)果相似。

表2 秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物重金屬及營養(yǎng)鹽含量Table 2 Concentrations of heavy metals and nutrients of the sediments in the coastal intertidal zone of Qinhuangdao

圖5 秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物重金屬富集水平Fig. 5 Enrichment of heavy metals in sediments collected from the coastal intertidal zone of Qinhuangdao

由沉積物樣品中TOC和TN的含量計(jì)算C/N比值。砂質(zhì)沉積物中TOC/TN的比值分布在4.0～8.0之間，均值為6.5，均小于8。本研究的結(jié)果接近海洋藻類有機(jī)質(zhì)來源的TOC/TN比值范圍（3～8），高于底棲動物的范圍（2.8～3.4），低于陸生高等植物有機(jī)質(zhì)的范圍（14～23）[27]。石勇等[28]在鴨綠江河口西岸潮灘沉積物有機(jī)質(zhì)中δ13C、δ15N和TOC/TN的研究結(jié)果表明，向陸方向，δ13C逐漸增大，而δ15N和TOC/TN逐漸減小。說明秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物中營養(yǎng)鹽主要以自然海源藻類輸入為主。同時秦皇島近岸海域砂質(zhì)沉積物TOC與TN之間沒有顯著的線性關(guān)系，這與我們在渤海灣西部淤泥質(zhì)沉積物中的研究不一致[9]。結(jié)果表明，渤海灣西部和秦皇島近岸海域潮間帶沉積物中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽的來源不同，也表明秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物中的微塑料以潮汐輸運(yùn)來源為主。這與劉啟明等[2]在廈門灣海灘的微塑料研究中發(fā)現(xiàn)其主要來自陸源不盡相同。

為了探討沉積物中陸源和海源有機(jī)質(zhì)的輸入特點(diǎn)，對其穩(wěn)定碳、氮同位素（δ13C和δ15N）進(jìn)行了測試和分析，詳見圖6。δ13C分布在-21.17‰～-19.57‰，均值為-20.23‰，而δ15N分布在4.09‰～5.28‰，均值為4.16‰。與2月、7月長江河口潮灘表層（0～2 cm）沉積物中有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定碳（-27.3‰～-25.6‰，-29.8‰～-23.7‰）和穩(wěn)定氮（1.7‰～7.8‰，1.0‰～5.5‰）同位素相比，δ13C明顯偏高[29]，長江河口潮灘表層沉積物有機(jī)質(zhì)中的穩(wěn)定碳、氮同位素組成受陸源和海源有機(jī)質(zhì)輸入的共同影響。陸源有機(jī)質(zhì)δ13C和δ15N的分布分別在-27‰和2.7‰附近，而海源有機(jī)質(zhì)的δ13C和δ15N較高，均值分別在-20‰和6.5‰附近[27,30]。若氮的來源以大氣沉降和農(nóng)業(yè)源（無機(jī)化肥和土壤有機(jī)氮）為主，δ15N相應(yīng)降低，而隨著人類活動及工業(yè)化、城市化上升，硝酸鹽及懸浮顆粒有機(jī)氮來源增加，δ15N相應(yīng)增加[10]。結(jié)果表明，秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物中有機(jī)質(zhì)受海源的影響較大。沉積物中的TOC和TN主要是自然來源，以土壤有機(jī)質(zhì)和海洋浮游生物（藻類等）為主，而工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水較少。δ13C、δ15N和TOC/TN可作為不同來源有機(jī)質(zhì)的示蹤指標(biāo)，本研究也表明δ13C較TOC/TN比值和δ15N能更準(zhǔn)確的指示有機(jī)質(zhì)的來源[27]。

圖6 沉積物中TOC和TN含量、TOC/TN比值及其C和N穩(wěn)定同位素組成Fig. 6 TOC and TN contents, TOC/TN ratios, δ13C and δ15N in sediments

4 結(jié)論

秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)樣品中觀測到了纖維類、發(fā)泡類、薄膜類3種微塑料，以纖維類的微塑料為主，微塑料以潮汐輸運(yùn)來源為主。微塑料表面粗糙、撕裂、凸起、存在孔狀結(jié)構(gòu)，受到老化、風(fēng)化及侵蝕作用的影響，其表面主要有Si、Al、Mg、Fe和Ca等元素富集。

重金屬Hg和Cd超過了沉積物背景值，而Pb小于沉積物背景值。Hg和Pb低于ERL值，極少會引起生物負(fù)效應(yīng)，Cd處于ERL和ERM之間，表明很少會引起生物負(fù)效應(yīng)。較高的Cd含量與當(dāng)?shù)刂亟饘傥廴咎攸c(diǎn)有關(guān)，較低的Pb含量與沉積物中有機(jī)質(zhì)含量低有關(guān)。

砂質(zhì)沉積物中TOC和TN含量較低，TOC/TN的比值以及δ13C和δ15N的穩(wěn)定同位素組成的分析結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)的來源以海洋水生生物藻類等海源為主，而營養(yǎng)鹽則以土壤氮和大氣干濕沉降硝態(tài)氮等自然來源為主，未受到工農(nóng)業(yè)廢水和生活污水的明顯影響。與渤海灣西部淤泥質(zhì)潮間帶的沉積物相比，秦皇島近岸海域潮間帶砂質(zhì)沉積物中有機(jī)質(zhì)和營養(yǎng)鹽總量及其來源均不同。