祥云湾海洋牧场夏季表层微塑料分布特征及污染负荷评估

赵祺，于佳，石保佳，侯润，张秀文，叶敏，张云岭，齐遵利，李春

(1.河北农业大学 海洋学院，河北 秦皇岛 066000； 2.唐山海洋牧场实业有限公司，河北 唐山 063611)

自20世纪70年代在海洋中发现微塑料以来，由塑料引起的环境问题引起了越来越多研究人员的关注[1-4]。经过长时间的风化和海浪冲击，较大的塑料会破碎成较小的状态。目前研究中，把微塑料定义为粒径小于5 mm的塑料颗粒或碎片，其结构和性质稳定，可在环境中存留百年之久[5]。海洋是微塑料的主要聚集区域，而海洋中的大部分微塑料污染来自陆源输入[6]，同时还包括海洋旅游、海洋工程和水产养殖等。现阶段，国内外对微塑料进行了广泛研究，如王旭[6]和陈宏伟等[7]分别对天津入海排污口和大辽河入海河段微塑料分布特征进行了研究。微塑料的分布受许多环境因素的影响，如风、洋流、人类活动等[8-10]。随着对水域中微塑料研究的不断深入，微塑料对水生生物的影响也受到了关注，如李庆洁等[11]、于萍[12]和韩旭[13]分别研究了大菱鲆Scophthalmusmaximus、中华绒螯蟹Eriocheirsinensis和斑马鱼Daniorerio对微塑料的摄入、组织积累和危害。虽然对微塑料进行了大量研究，但对其效果评价的报道较少。

祥云湾海洋牧场位于河北省唐山市京唐港祥云湾海域，处于渤海湾滦河入海口附近。该海域水质环境优越，随着人工鱼礁的投放，海洋生物多样性显著提高。目前，对祥云湾海洋牧场生境、渔业资源等进行了大量研究，但对微塑料方面的研究尚未见报道，因此,对祥云湾海洋牧场开展微塑料调查十分必要。本试验中，通过对祥云湾海洋牧场夏季微塑料进行调查和污染负荷分析，以期为祥云湾海洋牧场生境状况提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 调查时间与站位

本次调查为连续调查，采样时间为2020年7月21日—8月9日。设置6个采样点，其中鱼礁区内(ar1、ar2、ar3)和对照区(ts1、ts2、ts3)各设置3个采样点(图1)。

图1 采样点布设Fig.1 Sampling site layout

1.2 方法

1.2.2 样品分析及质量管控 将盛有待测样品的滤膜置于体式显微镜下，测量其类型、颜色、数量和规格。使用傅立叶红外显微光谱仪，对挑出的样品成分进行分析，从而判断样品是否为微塑料。

为了确保试验的准确性，试验人员在试验过程中均穿了试验服，试验中使用的工具和用具用蒸馏水冲洗并加热烘干后再使用。

1.2.3 微塑料丰度 微塑料丰度计算公式为

A=(N/V)×1 000。

(1)

其中：A为海水中微塑料丰度(个/L)；N为微塑料数量；V为过滤水的总体积(mL)。

1.2.4 污染负荷指数 参考徐沛[15]对长江口临近海域微塑料污染负荷指数的计算公式：

CF=C/C0，

(2)

(3)

(4)

其中：CF为微塑料的污染系数；C为微塑料在某个站点的实测含量(个/kg)；C0为微塑料浓度的参考值(个/kg)，C0为利用数学模型估算出的沉积物中微塑料的安全浓度(即对生物体无效应浓度)6 650个/kg[16]；PLIn为单一站点微塑料污染负荷指数，n为站点数；PLIt为区域内微塑料污染负荷指数，其中，PLI≤1时为轻微污染，PLI=1～2时为中污染，PLI≥2时为极强污染。

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1.3 数据处理

试验结果以平均值±标准差表示，采用SPSS 19.0 软件对鱼礁区与对照区间的微塑料类型、颜色、粒径和丰度等进行单因素方差分析，用Duncan法进行组间多重比较，显著性水平设为0.05。

2 结果与分析

2.1 微塑料类型、颜色

本试验中共检测到3种类型微塑料，分别是纤维类、薄膜类和颗粒类(图2)，其中，人工鱼礁区3种微塑料数量占比依次为纤维类>薄膜类>颗粒类，对照区3种微塑料数量占比依次为薄膜类>纤维类>颗粒类(表1)。整体来看，人工鱼礁区和对照区纤维类、薄膜类占比相似，且占比较大。单因素方差分析显示，人工鱼礁区与对照区微塑料形态比例无显著性差异(P>0.05)。

表1 3种类型微塑料占比Tab.1 Proportion of three types of microplastics

图2 3种类型的微塑料Fig.2 Three types of microplastics

从图3可见：本试验中共检测出8个颜色的微塑料，分别为蓝色、黑色、红色、透明、黄色和其他颜色(粉色、绿色和棕色)；人工鱼礁区和对照区微塑料的颜色主要以蓝色、黑色为主，两种颜色的样品数之和分别占各区总样品数的64.11%和55.02%；人工鱼礁区与对照区微塑料同种颜色比例无显著性差异(P>0.05)。

图3 不同颜色微塑料占比Fig.3 Proportion of microplastics with different color

2.2 微塑料组成成分

经检测可知，祥云湾海洋牧场微塑料主要为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和尼龙(PA)等。从整体来看，纤维类微塑料主要成分为聚乙烯、聚丙烯、尼龙，占微塑料总数的64.32%，其来源可能是钓具或刺网等生产渔具；薄膜类和颗粒类主要成分为聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二酯等，占微塑料总数的35.68%(表2)。

表2 微塑料组成成分Tab.2 Composition of microplastics

2.3 微塑料丰度的空间和时间分布

从图4可见：在调查的20 d内，人工鱼礁区的微塑料丰度范围为0.55～1.13个/L，平均丰度为(0.82±0.16)个/L，对照区的微塑料丰度范围为0.43～1.68个/L，平均丰度为(0.88±0.33)个/L，人工鱼礁区略低于对照区(P>0.05)，整体上变化较为一致；时间变化上，人工鱼礁微塑料丰度在7月31日最高，在7月29日最低，最高丰度是最低丰度的2.06倍；对照区塑料丰度在7月24日和31日最高，在7月25日最低，最高丰度是最低丰度3.88倍。经统计分析可知，人工鱼礁区与对照区微塑料丰度变化无显著性差异(P>0.05)。

图4 人工鱼礁区和对照区微塑料丰度随时间的变化Fig.4 Changes in the microplastics abundance in the artificial reef area and the control area with time

2.4 微塑料丰度与粒径的关系

从表3可见:本次调查中，检出人工鱼礁区微塑料粒径范围为0.03～4.76 mm，粒径≤1 mm的微塑料数量丰度最多，占人工鱼礁区总丰度的74.85%,其次为1.1～2.0 mm粒径的微塑料,占礁区总数的17.89%,而粒径为4 mm以上的微塑料仅占礁区总数的0.61%;与人工鱼礁区一致，对照区微塑料粒径范围为0.04～4.12 mm，粒径≤1 mm的微塑料丰度最多，占对照区总丰度的74.15%,其次为1.1～2.0 mm粒径的微塑料,占对照区总数的20.74%,而粒径>4 mm以上的微塑料仅占对照区总数的0.28%。上述结果显示,鱼礁区和对照区均呈现小粒径微塑料丰度高于其他粒径丰度的特点，多重比较结果显示，鱼礁区和对照区粒径≤1 mm的微塑料丰度均显著高于其他粒径范围的微塑料丰度(P<0.05),而其他粒径范围的微塑料丰度之间无显著性差异(P>0.05)。

表3 不同粒径微塑料丰度及其占比Tab.3 Abundance and proportion of microplastics with different particle sizes

2.5 微塑料污染负荷指数

经计算可知,人工鱼礁区和对照区微塑料污染负荷指数均<1，处于轻微污染状态(表4)。

表4 人工鱼礁区与对照区微塑料污染负荷指数Tab.4 Microplastic pollution load index(PLI) in artificial reef area and control area

3 讨论

3.1 微塑料特征

本试验中检测到纤维类、薄膜类和颗粒类3种类型的微塑料，本研究结果与田媛等[17]和王睿涵[18]对渤海相关海域微塑料调查结果相似。受人为影响，调查中纤维类和薄膜类数量占比较大，与程姣姣等[19]的研究结果相似，其主要成分为聚乙烯、聚丙烯和尼龙和聚对苯二甲酸乙二酯等。上述材质主要来自养殖材料或捕捞网具或生活、建筑原料。祥云湾海洋牧场周边海域海水捕捞业较发达，同时受附近河流、港口等影响，因此，采集到3种类型共4种成分的微塑料。

本试验中共检测出8个颜色的微塑料，主要以蓝色和黑色为主，这与李征等[20]对连云港海域微塑料的检测结果一致;与深颜色的微塑料相比，红色、黄色、透明等颜色的微塑料在人工鱼礁区与对照区仅分别占样品总数的35.89%和44.98%，礁区内鲜艳颜色的微塑料占比低于对照区，这可能与海洋生物的摄食有关，鲜艳颜色的物质可更能引起海洋生物的注意[21]。

本试验中检测到的微塑料粒径主要集中在≤1 mm范围内，所占比例最大，与张钦洲等[22]对微塑料粒径的研究结果一致。本研究显示，微塑料粒径越大数量越少。据调查，黄渤海海域微塑料粒径均以小于1 mm为主，呈现随着粒径增大而数量减少的特点[23-24]，这与本研究结果一致。由此说明，进入到海水中的塑料最终受各种因素的影响，分解、破碎成微塑料，并以越来越小的粒径留存在海中。由于海洋的连通性，洋流可将不同种类、颜色和粒径的微塑料卷带至人工鱼礁区和对照区，因此，人工鱼礁区和对照区微塑料数量无明显差异。

3.2 微塑料丰度及污染负荷指数

本研究中，祥云湾海洋牧场人工鱼礁区与对照区微塑料平均丰度分别为(0.82±0.16)、(0.88±0.33)个/L，略低于烟台表层水体(2.0个/L)[25]和桑沟湾表层水体(1.8～11.0个/L)[26]。这可能是由于夏季为渤海湾的汛期，大量降雨使入海口水体排放量增多，但减少了河流流量的停留时间，使微塑料浓度得到稀释，并没有表现出使入海口的表层水微塑料浓度增多的现象[18]；受风雨天气的影响，微塑料随着洋流漂向外海，所以其在近岸海域的浓度就会降低[21]。微塑料丰度除人为因素影响外，还受降雨、风速、洋流等因素的影响。本研究中，人工鱼礁区微塑料丰度最高值在7月31日，受降雨的影响流速增加，致使当天微塑料丰度到达近期峰值，而在7月23日海上环境较稳定，故丰度较低；对照区7月24日微塑料丰度最高，因为当天为东南风，微塑料受风向和波浪的影响，而后在7月25日受往复流的影响，微塑料丰度最低。

本研究中，祥云湾海洋牧场两个区域不同粒径范围下的微塑料丰度变化规律相近，人工鱼礁区和对照区粒径≤1 mm的微塑料丰度均显著高于其他粒径范围的微塑料丰度，且随着粒径增大微塑料丰度减少，说明微塑料丰度受粒径影响较大，这与熊宽旭等[26]的研究结果一致。

根据微塑料污染负荷指数计算可知，本研究中，人工鱼礁区和对照区微塑料处于轻微污染状态。该方法主要取决于参考值的选择，但是基于微塑料的研究进展还是无法给定一个确定的微塑料浓度基准值[15]。今后，应进一步完善微塑料的调查、分析和评价方法，为准确、客观地分析评价海洋中微塑料丰度及状态提供理论依据。

4 结论

1)祥云湾海洋牧场检测出8个颜色3种类型的微塑料，主要材质为聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯、聚丙烯和尼龙，其粒径以≤1 mm为主。

2)祥云湾海洋牧场人工鱼礁区微塑料平均丰度为0.82个/L，对照区平均丰度为0.88个/L，两区域的丰度无显著性差异。

3)微塑料丰度和粒径呈负相关性，粒径越小，丰度越大。

4)人工鱼礁区和对照区污染负荷指数均<1，表明祥云湾海洋牧场微塑料处于轻微污染状态。

本试验中还有诸多不足之处，今后应进行长时间的连续调查，探究微塑料在鱼礁区内外的变化规律；做好降雨、风速、流速等自然因素的调查和统计，分析这些因素与微塑料的相关关系；定期对海洋生物进行系统调查，检测海洋生物对微塑料的吞食情况及微塑料对海洋生物的危害。