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塑料这种用途广泛的合成材料具有重量轻、强度高、耐用、耐腐蚀和电绝缘等独特性能[1-2]。大量塑料垃圾因处置不当被丢弃在水生和陆地环境中，较大的塑料物品可通过物理、化学和生物过程慢慢分解成小块 [3-4]。小于5 mm的塑料碎片通常被称为“微塑料”，分为初生微塑料 [5-6]和次生微塑料 [7- 8]。微塑料可以通过食物链进入人和生物体内，脊椎动物对微塑料的过量摄取可能导致身体内部擦伤和溃疡，或者由于饱腹感而抑制进食[9]。除此之外，微塑料表面会吸附有毒有害物质，也可能携带各种微生物[10-12]。微塑料污染在环境中具有普遍性，对生态系统具有潜在的风险性，为新兴的全球性环境问题[13-16]。目前，淡水中微塑料的研究主要集中在大型湖泊、河流、河口和城市河道的表层水及沉积物上[17]。世界各地河流微塑料分布与特征具有显著差异，主要受来源量和水动力、气候、地理条件的影响[18-20]。湖泊的微塑料丰度普遍高于河流型水体[21-23]，这可能是由于河流的流体动力更强，有利于污染物的排泄，而湖泊具有相对封闭的环境，微塑料丰度会通过长期的降解和积累而不断增加[15]，造成水体微生态系统的失衡。为有效控制城市湖泊微塑料排放与污染，因地制宜采取有效的微塑料污染治理措施，需对城市湖泊中微塑料的丰度、尺寸、种类、形态、分布及生态风险进行评估，明确微塑料污染特征、来源及其潜在危害。
武汉境内江河纵横、百湖密布，拥有165条河流、166个湖泊，水域总面积达2 217.6 km2，占全市土地面积的26.1%，被誉为“百湖之市”“湿地之城”，是全球同纬度地区和长江中下游湖泊型湿地的典型代表。基于此，本研究以武汉湖泊为对象，重点采集6个典型湖泊表层水体的样品，以探明微塑料的污染现状和组成特征，并评估微塑料的生态风险，为城市湖泊中微塑料污染治理提供参考。
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为掌握武汉市远城区、城乡结合区及中心城区等3类湖泊中微塑料分布规律，2022年10月，选取区内6个典型湖泊分别布设采样点，这6个湖泊均隶属于武汉市，位于长江南岸，距离较近且水域面积较大，湖面形状相对规则。其中，鲁湖代表远城区湖泊，汤逊湖、黄家湖、青菱湖代表城乡结合区湖泊，南湖、东湖代表中心城区湖泊。各湖泊采样点尽量沿湖泊岸边对称均匀分布，采样点均距离湖边约1 m，共采集15组水体微塑料样品 (图1) 。鲁湖和汤逊湖水域面积相对较大，黄家湖作为城乡结合区湖泊，因紧邻多个大学导致人口密度相对更大，故上述3个湖泊均设置了2个取样点，其余湖泊设置2个取样点。
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参照《海水中微塑料的测定傅立叶变换显微红外光谱法》 (DB21T 2751-2017) 及《海水增养殖区环境微塑料监测技术规范》 (DB37T 4323-2021) 等相关标准开展样品采集与分析测试。样品采集：采用瓶采过滤法取样，将容积为5 L的大体积不锈钢采水器置于水面以下0.2 m，分多次采集地表水30 L，过0.048 mm不锈钢标准筛，将筛网上的固体颗粒物用去离子水反冲入1 000 mL广口玻璃样品瓶中密封，送实验室测试。采样样品的过滤：将己采集的样品过5 mm不锈钢筛，剔除尺寸大于5 mm的固体颗粒物，滤液继续过0.048 mm的不锈钢筛网，将不锈钢筛网上的颗粒物用适量超纯水反冲至250 mL烧杯中。样品中有机物的消解：向烧杯中先加入20 mL浓度为0.05 mol·L−1的硫酸亚铁溶液，再加入质量分数为30%过氧化氢，烧杯口盖好铝箔纸，在常温下放置15 min。待剧烈反应结束后，将烧杯转移至50 ℃的电热板上，待样品烧杯中不再产生气泡后，再次向烧杯中加入20 mL 30%过氧化氢继续消解，重复此步骤3次，直分无肉眼可见天然有机物。微塑料颗粒提取：向样品烧杯中加入NaCl搅拌均匀以增加溶液密度，每20 mL溶液中加入6 g NaCl，将上层溶液过0.45 μm的水系滤膜置于培养皿中，50 ℃烘干待测。分析测定：将滤膜平整的贴于载玻片，采用WITec Alpha 300-R型共聚焦显微激光拉曼光谱仪采集所有目标物信号，采用“平滑”曲线功能，对拉曼光谱图进行进一步处理，将目标物光谱谱图与拉曼光谱谱图库进行比对，匹配度达到85%以上的目标物，方可确定目标物的成分。
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采样前在实验室将高纯水放入样品瓶中密封，作为空白样，将其带到采样现场，与采样瓶同时开盖和密封，之后随样品运回实验室，按与样品相同的操作步骤进行实验。实验过程中尽量保持实验室密闭，减少空气流动，实验人员着纯棉工作服进行实验操作。结果显示空白样品未检出。
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微塑料丰度使用单位items·m−3来表示。采用Microsoft Excel 2021对数据进行统计分析，使用Origin 2018和Microsoft Excel 2021进行绘图，使用MAPGIS6.7软件绘制采样点图。
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目前国内常用的风险评估方法有污染负荷指数法[24] (PLI) 、聚合物风险指数法[25] (PHI) 和本文所采用的生态风险指数法[26-27] (RI) ，生态风险指数法由瑞典科学家HAKANSON提出，该方法不仅考虑各类污染物在环境中的积累，而且综合考虑了多污染物协同作用、毒性水平、污染浓度及环境对目标污染物的敏感性等因素，并对潜在的生态风险水平进行量化分类，能更加全面地评估水体中的微塑料污染风险等级。评价表达如式 (1)~(4) [28]所示。
式中：
$ C_{\mathrm{f}}^i $ 为微塑料的污染指数；$ {C}^{i} $ 为各点微塑料实测浓度；$ {c}_{r}^{i} $ 为标准参考值，本研究选用Everaert等 [26]利用数学模型估算出的地表水体中微塑料的安全浓度 (即对生物体无效应浓度) 6.65 items·L−1；$ {T}_{r}^{i} $ 为单个微塑料聚合物生态危害因子；$ {S}_{i} $ 表示聚合物毒性评分 (表1) ；$ {P}_{i} $ 为特定聚合物i的浓度；$ {E}_{r}^{i} $ 和RI为单一和多种微塑料存在条件下的潜在生态风险指数，n为样品中聚合物的种类数。依据MPs生态风险指数 (RI) 将评价结果划分为五类：RI值<150为低风险；150~300为中风险；300~600为较高风险；600~1 200为危险等级；而>1 200为高危等级。 -
本研究采集了15组样品，共获得1 422个微塑料，有14组微塑料丰度为2 000~3 767 items·m−3，有1组微塑料丰度为7 733 items·m−3 (表2) ，位于中心城区南湖西南部。微塑料在湖泊中的分布总体上呈现出远离城市中心丰度下降趋势[29-30]。本研究结果显示，远城区湖泊表层水体微塑料丰度通常高于城乡结合区湖泊，中心城区微塑料丰度具有显著差异。鲁湖代表远城区湖泊，微塑料丰度为2 967~3 767 items·m−3，平均值通常高于其他湖泊 (图2) 。远城区生活垃圾分类及回收管理力度小于中心城区，导致湖泊周边生活垃圾相对更多，且鲁湖水产养殖业发达，渔网等塑料制品应用更为广泛；青菱湖、黄家湖和汤逊湖代表城乡结合区湖泊，微塑料丰度相近，为2 000~3 333 items·m−3，属于较低水平，汤逊湖、黄家湖虽然与污水处理厂相邻，但水域面积较大，周边人口密度较中心城区更小，且局部正在开展生态修复工程试点，生活垃圾分类及回收管理力度大于远城区，故微塑料丰度低于远城区；南湖和东湖等中心城区湖泊微塑料为2 400~7 733 items·m−3，微塑料丰度差异大，变异系数>100%，空间变异性强，主要原因在于南湖周边居民区众多，湖泊连接多处排污口，局部正在开展的生态修复工程试点起步较晚，导致微塑料丰度具有很大的差异性。而东湖是国家AAAAA级旅游景区，多年来生态环境保护修复成效显著，生活垃圾分类及回收管理力度大，使得表层水微塑料丰度整体较低。
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根据检测微塑料的形状，将武汉典型湖泊微塑料分为4类：纤维状、碎片状、球状和薄膜状。湖泊中微塑料以纤维状为主，其次是碎片状 (图3 (a) ) ，平均占比分别为63.96%和31.38%，薄膜状较少，约占4.52%，球状极少，仅占0.14%。相关研究表明，生活污水是纤维状微塑料的主要来源[31]，2017年欧盟统计报告中提出纺织品 (包括衣着用、装饰用、工业用等纺织品) 的纤维是海洋水体中微塑料的重要来源。同时，航运或渔业活动中使用的钓鱼线或绳索的降解也会产生大量微塑料纤维；碎片状主要源于塑料袋、塑料瓶及其他生活垃圾等大塑料的破碎和降解[32]。
进一步将检测到的微塑料按尺寸分为3类：0.048~1、1~2、2~5 mm。所有水样中微塑料均以小颗粒 (<1 mm) 为主 (图3 (b) ) ，平均占比为91.94%，超过2 mm的微塑料极少，平均占比仅为1.13%。许多研究表明，微塑料的主要来源是环境中的次生微塑料[29, 33-34]。XIONG等[14]研究发现长江中下游水体里的中塑料丰度和微塑料之间显著正相关，其可能具有相同来源，即塑料废物的直接排放及由水中的波浪和光降解驱动的碎裂。
武汉湖泊中微塑料颜色种类繁多，主要有透明、蓝色、灰色、紫色、黄色、黑色、绿色、粉色、红色和棕褐色等10种。主要颜色为透明和蓝色，分别占比21.28%和20.69%，其次是灰色和紫色。其中，鲁湖、青菱湖、东湖和汤逊湖灰色较多，几乎未见紫色，黄家湖和南湖则相反。
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应用最为广泛的塑料有聚乙烯 (polyethylene，PE) 、聚丙烯 (polypropylene，PP) 、聚氯乙烯 (polyvinyl chloride，PVC) 、聚苯乙烯 (polystyrene，PS) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (polyethylene terephthalate，PET) 等，约占世界塑料产品种类的90%[35]。本研究样品中检出的聚合物以PE、PP和PET为主 (图4) ，显著高于PS、PVC、PC、PA、PMMA等聚合物。PE主要用于制作塑料袋、保鲜膜等塑料制品；PET主要用于纤维-纺织工业；PP主要用于制作盆、桶、玩具、办公用品等[29]。以东湖及南湖为代表的中心城区湖泊中PET占比最高，主要原因在于中心城区人口密度相对较大，衣物洗涤会产生大量的纤维，同时中心城区生活垃圾处理及回收相对完善，尽管人口密度大，但PE占比并非最高；以汤逊湖、青菱湖和黄家湖为代表的城乡结合区湖泊中PP占比最高，主要原因在于城乡结合区有较多大型工厂制造业及学校，产生了更多的办公用品废弃物；以鲁湖为代表的远城区湖泊中PE占比最高，主要原因在于远城区生活垃圾管理不完善，生活垃圾中携带大量塑料袋、保鲜膜等塑料制品。
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为进一步评估微塑料丰度及成分对生态环境的影响，本研究使用潜在生态风险指数法将微塑料浓度与单一微塑料生态污染指数相结合，将检出的几种MPs聚合物作为分析对象，对武汉市典型湖泊MPs生态风险进行评估，评估结果见表3。结果表明，武汉市典型湖泊表层水体中MPs生态风险指数为601.5~8 954，均属于危险或高危等级。尽管PE、PP和PET的危害评分相对较低，但由于这3类聚合物浓度相对较高，其生态风险指数普遍较高。以鲁湖为代表的远城区湖泊中所有样品RI值均属于高危等级；以青菱湖、黄家湖、汤逊湖为代表的城乡结合区湖泊有37.5%的水样RI值属于高危等级，62.5%的水样属于危险等级；以南湖、东湖为代表的中心城区湖泊各有50%的水样RI值分别属于高危和危险等级。值得注意的是，本研究采集的样本中MPs生态风险指数均属于危险或高危等级，但样本数量有限，生态风险评估能基本反映不同采样点的生态风险指数，但对于综合评价不同湖泊的生态风险指数具有一定的局限性。
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1) 本研究采集的15组样品中，有14组微塑料丰度为2 000~3 767 items·m−3，有1组微塑料丰度为7 733 items·m−3，位于中心城区南湖西南部；远城区湖泊表层水体微塑料丰度通常高于城乡结合区湖泊，中心城区微塑料丰度具有显著差异。2) 湖泊中微塑料以纤维状为主，其次是碎片状，平均占比分别为63.96%和31.38%；大小以小颗粒 (<1 mm) 为主，占总数的91.94%；主要颜色为透明和蓝色，分别占比21.28%和20.69%；主要成分为聚乙烯 (PE) 、聚丙烯 (PP) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 。3) 武汉市典型湖泊表层水体中MPs生态风险指数为601.5~8 954，均属于危险或高危等级，且PE、PP和PET的生态风险指数普遍较高，远城区湖泊中所有样品RI值均属于高危等级，城乡结合区湖泊有37.5%的水样RI值属于高危等级，62.5%的水样属于危险等级，中心城区湖泊各有50%的水样RI值分别属于高危和危险等级。
长江流域武汉段典型湖泊中微塑料的的赋存特征及生态风险评估
Occurrence characteristics and ecological risk assessment of microplastics in surface water of Wuhan lakes in Yangtze River Basin
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摘要: 塑料污染在环境中具有普遍性，对生态系统具有潜在的风险性，为新兴的全球性环境问题。武汉境内江河纵横、百湖密布，是全球同纬度地区和长江中下游湖泊型湿地的典型代表。调查了武汉湖泊表层水体中微塑料的分布特征，并采用生态风险指数 (RI) 评估了微塑料的生态风险。结果表明，微塑料丰度为2 000~7 733 items·m−3，远城区湖泊表层水体微塑料丰度通常高于城乡结合区湖泊，中心城区微塑料丰度具有显著差异。湖泊中微塑料以纤维状为主，其次是碎片状，大小以<1 mm的小颗粒为主，主要颜色为透明和蓝色，主要成分为聚乙烯 (PE) 、聚丙烯 (PP) 和聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 。武汉市典型湖泊表层水体中MPs生态风险指数为601.5~8 954，均属于危险或高危等级，且PE、PP和PET的生态风险指数普遍较高。该研究结果可为城市湖泊中微塑料污染治理提供参考。Abstract: Microplastic pollution is widespread in the environment and has potential risks to the ecosystem. It is an emerging global environmental problem. Wuhan has typical lake wetland in the same latitude area of the world and the middle and lower reaches of the Yangtze River. In this study, the distribution characteristics of microplastics in the surface water of lakes in Wuhan were investigated, and the ecological risk of microplastics was assessed by using ecological risk index (RI). Results showed that the abundance of microplastics ranged from 2 000 to 7 733 items·m−3. The abundance of microplastics in the surface water of lakes in suburban areas was generally higher than that in lakes in urban fringe and the abundance of microplastics in lakes within the central urban area was significantly diverse. The detected microplastics were mainly fibrous, followed by fragmented, with small particles<1 mm in size, transparent and blue in color, and mainly composed of polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET). The MPs ecological risk index of typical lake surface water in Wuhan City ranged from 601.5 to 8 954.0, which all fall under the category of “danger” or “extreme danger”, and the ecological risk index of PE, PP and PET was generally elevated. These results provide a theoretical basis for the management of microplastic pollution in urban lakes.
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Key words:
- microplastics /
- spatial distribution /
- lakes /
- ecological risk assessment /
- Wuhan
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图 1 武汉湖泊表层水微塑料采样点分布示意
Figure 1. Distribution of microplastics sampling points in surface water of Wuhan lakes
图 2 不同湖泊表层水体微塑料丰度箱图
Figure 2. Abundance of microplastics in surface water of different lakes
图 3 武汉典型湖泊表层水体中微塑料的形状、大小和颜色分布
Figure 3. Distribution of shape, size and color of microplastics in surface water of Wuhan lakes
图 4 不同湖泊表层水体中微塑料组分
Figure 4. Microplastic components in surface water of different lakes
表 1 各类型聚合物危害评分[24]
Table 1. Hazard score of microplastic polymers detected in this study
聚合物种类 缩写 危害评分 $ {S}_{i} $ 聚氯乙烯 PVC 10 551 聚碳酸酯 PC 1 177 聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA 1 021 聚酰胺 (尼龙) PA 47 聚苯乙烯 PS 30 聚乙烯 PE 11 聚对苯二甲酸乙二醇酯 PET 4 聚丙烯 PP 1 
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表 2 研究区湖泊类型及微塑料丰度
Table 2. Lake types and microplastics abundance in Wuhan
编号 湖泊 分类 特点 丰度/(items·m−3) WHMP01 鲁湖 远城区湖泊 人口密度相对较小，水产养殖业相对发达，湖边生活垃圾相对较多 3 767 WHMP02 鲁湖 2 967 WHMP03 鲁湖 3 600 WHMP05 青菱湖 城乡结合区湖泊 人口密度相对居中，汤逊湖、黄家湖与污水处理厂相邻，
局部正在开展生态修复工程试点3 000 WHMP06 青菱湖 2 567 WHMP04 黄家湖 2 333 WHMP07 黄家湖 2 400 WHMP08 黄家湖 3 333 WHMP10 汤逊湖 2 400 WHMP11 汤逊湖 2 000 WHMP12 汤逊湖 3 133 WHMP09 南湖 中心城区湖泊 人口密度相对较大，多处正在开展生态修复工程试点 7 733 WHMP13 南湖 2 400 WHMP14 东湖 3 067 WHMP15 东湖 2 700
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表 3 研究区不同湖泊MPs生态风险指数
Table 3. MPs ecological risk index of different lakes in the study area
编号 湖泊 $ E_{\mathrm{r}}^i $ RI PE PET PP PA PS PC PMMA PVC WHMP01 鲁湖 774.17 755.29 434.29 151.06 18.88 — — — 2 133.69 WHMP02 鲁湖 223.08 461.04 327.19 — 282.57 14.87 — — 1 308.75 WHMP03 鲁湖 775.94 180.45 505.26 — — 108.27 — 378.95 1 948.87 WHMP05 青菱湖 751.88 195.49 360.90 — — 15.04 — 30.08 1 353.38 WHMP06 青菱湖 128.67 386.02 398.88 12.87 38.60 — 12.87 12.87 990.77 WHMP04 黄家湖 140.33 11.69 619.79 11.69 — 11.69 — 23.39 818.60 WHMP07 黄家湖 421.05 204.51 180.45 — 12.03 36.09 12.03 — 866.17 WHMP08 黄家湖 16.71 918.87 451.08 33.41 16.71 217.19 16.71 — 1 670.68 WHMP10 汤逊湖 348.87 36.09 360.90 12.03 36.09 — — 72.18 866.17 WHMP11 汤逊湖 110.28 10.03 60.15 10.03 20.05 100.25 290.73 — 601.50 WHMP12 汤逊湖 15.70 628.17 675.28 15.70 94.23 — 15.70 — 1 444.79 WHMP09 南湖 1 899.33 3 488.57 2 519.52 77.52 38.76 542.67 193.81 193.81 8 954.00 WHMP13 南湖 156.39 120.30 312.78 — 144.36 72.18 — — 806.02 WHMP14 东湖 215.23 476.58 338.22 138.36 230.60 15.37 — — 1 414.36 WHMP15 东湖 297.74 365.41 94.74 13.53 257.14 67.67 — — 1 096.24 注：生态风险指数划分阈值分5级。低风险为<150；中风险为150~300；较高风险为300~600；危险为600~1 200；高危>1 200。
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