发布时间：2021-09-30所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：沉降是低密度微塑料聚合物在湖泊中的主要迁移过程。为探究乌梁素海中低密度微塑料聚合物的沉降规律，基于微塑料和悬浮微粒的相似和不同之处设计微塑料捕获器和沉降试验方法，定量描述不同形状和不同大小的低密度微塑料聚合物在乌梁素海的沉降过程。结
摘要：沉降是低密度微塑料聚合物在湖泊中的主要迁移过程。为探究乌梁素海中低密度微塑料聚合物的沉降规律，基于微塑料和悬浮微粒的相似和不同之处设计微塑料捕获器和沉降试验方法，定量描述不同形状和不同大小的低密度微塑料聚合物在乌梁素海的沉降过程。结果表明，各类型低密度微塑料聚合物沉降通量随风速变快而增大，其中形状为纤维状，各种尺寸(0.05~0.5、0.5~2 和 2~5mm)的低密度微塑料聚合物沉降通量与风速的相关性较好，相关系数变化范围为 0.268~0.836。在不同点位处，不同风速下，形状为纤维状、碎片状、块状和薄膜状，各种尺寸(0.05~0.5、0.5~2 和 2~5mm)的低密度微塑料聚合物沉降通量变化范围分别为 0~(1458±284)、0~(368±144)、0~(71±37)和 0~(85±65)n∙(m2 ∙d) -1。在形状相同的情况下，大尺寸的低密度微塑料聚合物更容易沉积，而小尺寸的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移。在尺寸相同的情况下，纤维状和薄膜状的低密度微塑料聚合物更容易随水流迁移，而碎片状的低密度微塑料聚合物更容易沉积。
关键词：低密度微塑料聚合物;微塑料捕获器;沉降;乌梁素海;风速
湖泊是水资源和水利资源的重要储藏地，在美化环境和降解污染等方面发挥着重要作用。近些年来，随着湖泊周边人类活动日益频繁，湖泊微塑料污染问题日益凸显。目前，无论是城市湖泊还是高山湖泊，均已发现微塑料的踪迹[1~3]。微塑料会对湖泊生态环境造成一系列负面影响。比如，微塑料易被水体中的浮游动物和鱼类等生物误食，其危害包括抑制浮游植物生长[4]，影响浮游动物摄食和运动能力[5]，危害牡蛎的滤食行为和繁殖[6]，导致鱼类生病等[7]。微塑料尺寸小，比表面积大，疏水性强，是重金属、有机物环芳烃和多溴联苯醚等污染物的载体[8~10]。此外，微塑料还含有许多化学添加剂，如在生产过程中为了改善塑料的性质或延长其寿命，通常会添加稳定剂、增塑剂、阻燃剂或抗氧化剂等，这些化学品对环境均有一定有害影响[11]。对比大块塑料，微塑料在湖泊环境中更难降解，易在大气、水体和沉积物间迁移，并在某一环境介质中相对富集[12~14]。由于其本身具有毒性并携带大量污染物，微塑料在湖泊中的迁移和归趋对湖泊环境具有一定影响，所以了解湖泊中微塑料的迁移规律具有重要意义。
一般而言，微塑料在湖泊中的迁移和归趋主要取决于其密度。高密度微塑料(密度大于水的微塑料)在进入湖泊后首先会在重力作用下沉降到沉积物中，并不断累积，如太湖、三峡水库和 Chusi 湖沉积物中的微塑料丰度分别高达 15~160、25~300 和 234n∙kg-1，其中三峡水库和太湖沉积物中微塑料主要类型分别为 PS 和 PET，密度均大于水[15~17]。低密度微塑料(密度小于水的微塑料)通常只能漂浮或悬浮在水体当中，在水动力的作用下进行扩散[18]。但在水环境的长期作用下，微塑料的表面形态会发生变化，易吸附重金属和有机化合物，同时还会黏着有机碎片、微生物和黏粒等，变为聚合物，不断增大自身的密度，当其密度大于水后，也会发生沉降，进而富集到沉积物当中[19,20]。因此，沉降是低密度微塑料聚合物和高密度微塑料在水体中主要迁移过程之一。但对比来看，低密度微塑料聚合物的沉降过程要更加复杂，更难量化和预测。而且据调查研究表明，我国多数湖泊中微塑料以低密度微塑料为主[16,21,22]。所以了解低密度微塑料聚合物的沉降规律是探究湖泊微塑料迁移机制的关键。
目前，有关微塑料沉降规律研究多为室内试验和模型模拟[23~25]，而在野外直接测定其通量大小和影响因素的研究并不多见，相关研究有待进一步开展。Martin 等[26]的研究指出应加强对水环境中微塑料的沉降和再悬浮等迁移过程的研究，从而更好地了解微塑料在水环境中的迁移和归趋。Kooi 等[12]的研究提出由于微塑料颗粒较小且易在淡水环境中垂向混合，并富集到沉积物中，与悬浮颗粒和胶体环境行为相似，可参考悬浮颗粒来探究微塑料在水环境中的迁移规律。悬浮微粒与微塑料最大区别在于，自然悬浮颗粒大小和形状比较接近，而微塑料的大小范围很大，且形状各异，因此其迁移规律差异较大，所以在探究微塑料沉降规律时应分别探讨。此外，对于浅水湖泊而言，底部沉积物质易受风浪影响发生再悬浮[27~29]，而后发生再次沉降，沉积物再悬浮速率和沉降速率的大小与风速快慢相关[30]。所以在探究低密度微塑料聚合物沉降规律时应主要考虑风速的影响。
本文以典型浅水湖泊乌梁素海为研究区，基于悬浮微粒沉降试验方法，设计微塑料捕获器，并建立低密度微塑料聚合物沉降试验方法，定量描述不同形状和不同大小低密度微塑料聚合物在不同风速下沉降过程，对了解微塑料的迁移过程有重要意义，同时也是构建微塑料迁移模型的关键。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
乌梁素海地处中国北方寒旱区(40°36′~41°03′N, 108°43′~108°57′E)，是黄河流域最大的淡水湖泊，也是地球上同一纬度最大的湿地。2020 年湖泊面积 341km2，水利滞留时间为 240~290d 左右。据相关研究表明，乌梁素海水体中微塑料丰度高达(1400±390)~(10120±4090) n∙m-3 [21]，是已知报道微塑料丰度最高的湖泊之一。由于湖泊水深较浅(平均 2m)，风力对湖泊扰动作用较强，泥沙、水藻和微塑料等固体物质在湖泊中的掺混强烈。
1.2 低密度微塑料聚合物沉降试验仪器及测定方法
如前文介绍，微塑料颗粒小，易在水体中发生垂向混合，并富集到水体沉积物中，与水体中悬浮颗粒迁移过程相似。一般而言，利用沉积物捕获器能有效地量化悬浮物的沉降过程和底泥的再悬浮过程，该方法原理简单且所需装置简便，试验时只需将沉积物捕获器固定在湖泊中，然后测量其中沉积物质重量，即可计算得出悬浮物沉降通量[31,32]。因此，本研究结合微塑料与悬浮颗粒的相似和不同之处，同时考虑浅水湖泊的环境特征，设计微塑料捕获器和试验方法，量化低密度微塑料聚合物沉降过程，提出研究湖泊微塑料迁移规律的新方法。
1.2.1 微塑料捕获器
沉积物捕获器通常使用有机玻璃制成，具有质轻、强度大和耐腐蚀等特点，但由于其成分为塑料，利用其进行试验可能会造成误差。此外，低密度微塑料聚合物的密度比湖泊沉积物的密度小，更易发生再悬浮离开捕获器，因此微塑料捕获器的高度直径比应尽可能大。本研究利用玻璃圆筒制作微塑料捕获器，内径为 10cm，高度为 50cm，高度直径比为 5∶1，满足捕获器设计的要求[32]。微塑料沉降通量测量装置如图 1 所示，主要包括微塑料捕获器、不锈钢框和不锈钢支架。所有捕获器均固定在不锈钢筐内，保持捕获器瓶口水平，每个捕获器瓶口均用孔径为 1cm 左右的不锈钢覆盖，以防止大型浮游动物或昆虫进入捕获器而影响试验精度。试验时将不锈钢框连同水体微塑料捕获器固定在支架上。水体中不锈钢筐下挂 2kg 左右的重物，确保不锈钢筐在水中能保持水平，微塑料捕获器能保持竖直。不锈钢筐顶端系上不锈钢索，可以将不锈钢筐连同微塑料捕获器固定在水中不同深度。
1.2.2 低密度微塑料聚合物沉降测定方法
对于浅水湖泊而言，低密度微塑料聚合物的沉降和再悬浮主要受流速和风速共同影响。乌梁素海水深较浅，所在区域风力较强，而流速却非常低(0.04 m∙s-1)，因此本研究只考虑了风速对低密度微塑料聚合物沉降和再悬浮的影响[33]。本研究于 2020 年 7 月 15~31 日在乌梁素海进行了低密度微塑料聚合物沉降试验。本研究共设置 3 个采样点。如图 2 所示，从北向南依次为 O10、Q8 和 R7，流速为 0.02~0.05m∙s -1，与乌梁素海平均流速相近。
试验方法如下：为防止固定不锈钢杆扰动沉积物发生再悬浮，试验前先将不锈钢杆下端固定在沉积物当中，待 24h 之后，再把不锈钢框连同微塑料捕获器用不锈钢索固定在不锈钢杆上。每个采样点架设一个不锈钢杆，每个杆上先分别固定两个不锈钢框，两个框中共装 3 个微塑料捕获器。捕获器瓶口通过不锈钢索均固定在距沉积物 50cm 处，安装微塑料捕获器时尽量避免扰动沉积物。试验装置后 72h 后，将所有微塑料捕获器中的样品倒入 5L 玻璃瓶中，然后将所有捕获器安装好，再次进行试验，试验一共进行 5 次。试验期间通过小型气象站收集风速资料。样品收集后直接送到试验室，静置 24h 后，将上覆水体抽出，留下下部沉积物质，待测。
1.3 微塑料的鉴别
1.3.1 低密度微塑料样品制备
本文拟探究不同形状和不同大小低密度微塑料聚合物的沉降规律，但根据湖泊微塑料的迁移过程，捕获器中的微塑料既包括高密度微塑料也包括低密度微塑料聚合物，且二者是同时进入捕获器的，因此本研究利用密度分离法来进行分离[34]。首先将捕获器中样品倒入50μm 不锈钢筛过滤，然后用超纯水冲入到 150mL 溢流烧瓶中，再将其放入超声波振荡器中振荡 6min，去掉微塑料表面附着的杂质[35]。在此过程中，低密度微塑料聚合物表面的泥沙和藻类会被剥离，其密度低于水的密度，漂浮到水体表面。静置 24h 后，加入超纯水使漂浮的低密度微塑料溢流出烧瓶并用烧杯收集。接下来，将样品倒入不锈钢筛，然后用 30%双氧水冲入 250mL 锥形瓶，置于 45℃，80 r·min-1 的振荡培养箱中，处理 24 h 以除去水中的有机质，如生物组织和非生物材料，若腐殖质消解不干净，此过程可重复多次。最后将样品用去离子水稀释，过 0.7μm (GF/F, 47 mm Ø, Whatman)滤膜，然后将滤膜放入玻璃培养皿中，在室温下风干待测。
1.3.2 低密度微塑料聚合物的观测、统计和鉴别
利用体视显微镜(M165 C, Leica, Germany)来观测滤膜上的微塑料，放大倍数为 160 倍，观测时基于前人制定的微塑料鉴别标准来确定疑似微塑料[36]，采用 Leica Application Suite X 软件计数，并统计微塑料的尺寸和形状。根据前人对乌梁素海微塑料的基础调查[37,38]，本研究将微塑料的形状分为 4 种，包括纤维状、碎片状、薄膜状和块状，大小分为 3 个区间，分别为：0.05~0.5、0.5~2 和 2~5mm。微塑料沉降速率采用通量单位[FMPs, n∙(m2 ∙d)-1 ]。采用 Microsoft Excel 2016 和 Photoshop 等软件进行绘图。利用 SPSS(24.0)多因素方差分析(ANOVA)对样本差别进行显著性检验。
本文拟探究不同尺寸和不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降规律。但通常情况下，尺寸和形状均对低密度微塑料聚合物的沉降有一定影响，单独比较不同尺寸，或比较不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊不同位置的沉降通量是没有意义的。因此，本研究将低密度微塑料聚合物划分为 12 类，如表 1 和图 3 所示。然后分别比较：①当形状相同时，不同大小范围低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降规律。②当大小范围相同时，不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊中的沉降规律。需要注意的是，虽然低密度微塑料表面会吸附一定数量的泥沙和藻类等物质，但通常不足以改变其形状，或致使其尺寸增大一个数量级。因此本研究并未考虑微塑料因吸附杂质而导致的形状或大小发生改变带来的影响。
为更进一步确定疑似微塑料，随机从样品中挑选 60 个样品，利用傅里叶变换显微光谱仪检测其成分，波数范围为 4000~50cm-1，对比样品红外光谱图与标准光谱图，对目标物行进定性分析，最后确定成分为微塑料的颗粒数量。
1.3.3 质量控制与管理
为保证微塑料从采集、处理和分析过程中不受到外界污染，每次试验前用超纯水清洗 3 遍采样和试验仪器，并使用酒精擦拭试验台和体式显微镜，试验过程中每一步后都利用铝箔纸覆盖表面。操作全过程中全程穿着棉质试验服。
试验时进行全程空白分析，用于检查样品从运输到分析全过程是否受到污染。进行野外试验时将额外 3 个微塑料捕获器带到现场，然后加入 4L 超纯水。安装装置时将捕获器竖直放立在船上，待装置安装完毕后，倒入 5L 玻璃容量瓶中。送回试验室后，按与样品相同的操作步骤进行试验，结果在空白中发现少量纤维状微塑料，其含量为 0~(0.42±0.29)n∙L -1，表明野外和室内试验过程中受到的污染可以忽略不计。
2 结果与分析
本研究共在乌梁素海非冰封期连续 5 次试验，每个时间段的日平均风速分别为 1.9、2.6、 3.5、4.1 和 2.9 m∙s-1。本试验分别检测出不同风速下 R7、Q8 和 O10 这 3 个试验点微塑料捕获器中各种低密度微塑料聚合物含量(不同大小和不同形状)，即得出各类型低密度微塑料聚合物沉降量，每次试验有 3 组平行。通过计算后，将数量换算为沉降通量[FMPs, n∙(m2 ∙d)-1 ]，并对不同风速下，各类型低密度微塑料聚合物沉降通量在各试验点的差异进行显著性检验，结果如表 1 和图 3 所示。
2.1 相同形状，不同尺寸低密度微塑料聚合物在不同试验点的沉降规律
本试验结果表明，在不同风速，形状相同的情况下，不同尺寸的低密度微塑料聚合物在湖泊 3 个点位的沉降规律有一定差异。形状为纤维状，尺寸为 0.05~0.5mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 Q8 的沉降通量相对较高，尺寸为 0.5~2mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 Q8 和 O10 相对较高，而尺寸为 2~5mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 O10 相对较高;形状为碎片状，尺寸为 0.05~0.5mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 Q8 和 O10 的沉降通量相对较高，尺寸为 0.5~2mm 和 2~5mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 O10 相对较高;形状为薄膜状，尺寸为 0.05~0.5mm 和 0.5~2mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 R7 的沉降通量相对较高，而 2~5mm 的低密度微塑料聚合物在试验点 O10 相对较高;形状为块状，尺寸为 0.05~0.5mm 和 0.5~2mm 的低密度微塑料聚合物在 3 个点位沉降通量相差不大，且并未收集到尺寸 2~5mm 的低密度微塑料聚合物。总体来看，当形状相同时，尺寸较大的低密度微塑料聚合物(2~5mm)在位置偏北的试验点 O10 沉降通量较高，而尺寸较小的低密度微塑料聚合物(0.05~0.5mm 和 0.5~2mm)在位置中间和位置偏南的试验点 Q8 和 R7 沉降通量较高。
2.2 相同尺寸，不同形状低密度微塑料聚合物在不同试验点的沉降规律
本试验结果表明，在不同风速，尺寸相同的情况下，不同形状的低密度微塑料聚合物在湖泊 3 个点位的沉降通量规律有一定差异。尺寸为 0.05~0.5mm，形状为纤维状的低密度微塑料聚合物在试验点 Q8 的沉降通量较高，形状为碎片状的低密度微塑料聚合物在试验点 O10 和 Q8 相对较高，形状为薄膜状的低密度微塑料聚合物在试验点 R7 相对较高，形状为块状的低密度微塑料聚合物在 3 个试验点沉降通量相差不大;尺寸为 0.5~2mm，形状为纤维状的低密度微塑料聚合物在试验点 Q8 和 O10 的沉降通量较高，形状为碎片状的低密度微塑料聚合物在试验点 O10 相对较高，形状为薄膜状的低密度微塑料聚合物在试验点 R7 相对较高，形状为块状的低密度微塑料聚合物在 3 个试验点沉降通量相差不大;尺寸为 2~5mm，形状为纤维状、碎片状和薄膜状的低密度微塑料聚合物在均是在试验点 O10 的沉降通量较高，未收集到块状的低密度微塑料聚合物。总体来看，当尺寸一定时，碎片状的低密度微塑料聚合物在偏北部的试验点 O10 沉降通量更高，纤维状的低密度微塑料聚合物在位置中间的试验点 Q8 沉降通量更高，而薄膜状的低密度微塑料聚合物则在偏南部的试验点 R7 沉降通量更高，但尺寸为 2~5mm 的各种形状的低密度微塑料聚合物均在偏北部的试验点 O10 沉降通量更高。
2.3 风速对各种低密度微塑料聚合物沉降通量的影响
在不同点位处，各种类型低密度微塑料聚合物的沉降通量随着风速的变快而增加(如图 3)。从整体来看，形状为纤维状，各个尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量与风速的相关性更好，其相关系数变化范围为 0.268~0.836。形状为碎片状、块状和薄膜状的，各个尺寸的低密度微塑料聚合物的沉降通量与风速的相关性相对较差，其相关系数变化范围分别为 0.0046~0.86、−0.043~0.746 和−0.159~0.76。
2.4 傅里叶红外光谱检测结果
由于在分析未知塑料材料方面具有极高的可靠性，傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)已被广泛应用于微塑料组分的鉴定[39~41]。本研究对收集到的样品进行红外光谱测试。结果显示，在随机挑选的 60 个样品中，有 53 个被鉴定为微塑料，48 个为低密度微塑料，包括聚乙烯和聚丙烯。其中聚乙烯的个数为 30 个，聚丙烯的个数为 18 个，这两种低密度塑料的典型 FT-IR 光谱如图 4 所示。测定结果表明，捕获器中收集到的微塑料有 80%为低密度微塑料聚合物，说明本研究的收集和分离方法是比较可靠的。——论文作者：刘禹 1, 2，史小红 1, 2*，张生 1, 2，郝若男 1，孙标 1, 2，赵胜男 1, 2
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