CN111257315A - 一种海洋环境中微塑料来源的判定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋环境中微塑料来源的判定方法，属于环境监测技术领域，采集特征源介质中微塑料代表性的样品分析其颜色、形状、成分等关键参数；构建不同生产、使用和排放途径的微塑料指纹信息库；通过对比海水样品与可能来源的微塑料样品形态和化学特征，筛选出可以指示微塑料来源的关键区别性指标及特征指示物；最后利用统计学软件SPSS18.0，对海水微塑料样品和常见塑料源稳定特征指纹信息库中的参数进行系统分析，用于判定海水微塑料样品的可能来源。本发明可以为我国海洋环境微塑料污染的监管提供技术支持，对海洋微塑料污染的治理具有重要意义。

Description

一种海洋环境中微塑料来源的判定方法
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种海洋环境中微塑料来源的判定方法。
背景技术
塑料及其制品由于其轻便、弹性好和耐用等特性已广泛应用在工业、农业及日常生活中。2014年全世界塑料的产量已达到3亿吨。其中我国是世界上最大的塑料生产国和消费国，并且是产生海洋塑料垃圾最多的国家。塑料产品的广泛使用势必会造成大量的塑料垃圾进入到海洋中。2015年《Science》报道有超过900万t塑料垃圾排入到海洋中。联合国环境规划署发布的报告中指出，海洋里大量的塑料垃圾给海洋生态系统造成的经济损失每年高达130亿美元。所以，海洋塑料污染已成为与全球气候变化，臭氧耗竭，海洋酸化并列的重大全球环境问题，而其中直径小于5mm的微塑料更是倍受国际关注的新型环境污染物。由于微塑料的持久性和普遍性，具有很高的迁移性，微塑料已经在海洋中普遍存在，包括北大西洋，太平洋，地中海，北极海域以及深海中均发现较高浓度的微塑料。我国关于微塑料的监测更多集中于海滩和河口，近海和海湾中微塑料监测数据还很匮乏。所以，构建微塑料的海洋环境监测体系，开展微塑料的源解析研究对于保护海洋环境的健康和可持续发展具有重要的意义。
海洋中的微塑料污染来源非常复杂，既有河流，排污，垃圾堆放等陆源的输入，也有海上船舶运输，井台作业以及养殖活动等海源的输入。在陆源输入中，人类日常生活产生的大量塑料垃圾除部分填埋焚烧外，还有一部分会排入环境中，最终会进入到海洋环境中。较大的塑料碎片在长期的物理(波浪，潮汐)和化学(光降解)作用下会降解成微塑料。日常衣物的洗涤也会产生大量的塑料纤维进入到废水中，单位面积废水中的纤维数量可达100个/L以上。一些洗涤剂，化妆品和工业原料等产品中含有大量的微塑料成分，由于其粒径小、密度低等原因，不易从污水中分离去除，从而随污水一起排入到海洋环境中。此外，河流输入是微塑料进入海洋的一个重要途径。已有发现，长江口，闽江口，椒江口和瓯江口微塑料丰度分别达到4137.3±2461.5个/m3，1245.8±531.5个/m3，955.6±848.7个/m3和680.0±284.6个/m3，但进入到近海海域后，微塑料的含量急剧下降，为0.167±0.138个/m3。这显示出微塑料明显的陆源特征。在海源输入中，海上作业的运输船只本身塑料船体、装置的破损，装有工业树脂原料的船只在海上运输过程中发生泄漏以及海上养殖活动等，都会导致塑料污染。美国、巴拿马、澳大利亚等沿海地区的浮架和水产养殖设施在遭损害后可形成数以千计的微塑料，成为当地海域微塑料污染的一个重要来源。有研究表明，挪威龙虾肠胃中的塑料纤维丝主要来源于渔网。解析海洋环境中微塑料的来源是揭示海洋中微塑料时空分布规律的重要基础。但是，目前关于海洋中微塑料的来源还没有明确的认识和成熟的方法。我们拟建立海洋中微塑料指纹信息库，通过聚类分析的方法对海洋中微塑料的来源进行识别。
发明内容
对于陆源输入来说，污水的大量排放和垃圾堆放等是微塑料的主要来源之一。塑料是人类日常生活中必不可缺少的物质。各种工业原料、食品包装袋、购物袋、洗涤剂、生活护肤品等塑料垃圾比比皆是，部分被填埋或污水处理厂处理，还有一部分排入到环境中，最终进入海洋。较大的塑料碎片通过后期环境作用裂解成微塑料。对于海源输入来说，一方面是船舶运输和海上作业等活动带来的塑料污染。除了陆源和海源外，海岸带自身的人类活动密集地区诸如浴场、养殖场、港口、盐场等也会产生塑料或微塑料污染。采集特征源介质中微塑料代表性的样品分析其颜色、形状、成分等关键参数；构建不同生产、使用和排放途径的微塑料指纹信息库；通过比对海水样品与可能来源的微塑料样品化学特征，筛选出可以指示微塑料来源的关键区别性指标及特征指示物；最后利用统计学软件SPSS18.0，对海水微塑料样品和常见塑料源稳定特征指纹信息库中的参数进行系统分析，用于判定海水微塑料样品的可能来源。本发明可以为我国海洋环境微塑料污染的监管提供技术支持，对海洋微塑料污染的治理具有重要意义。
本发明的目的是由如下技术方案实现的：
一种海洋环境中微塑料来源的判定方法，所述方法的具体步骤如下：
1)特征源水样的采集
采集包括生活污水排放口、工业废水排放孔、浴场、养殖场、港口和远海在内的典型特征源的水样装入玻璃瓶中，带回实验室进行处理分析；
2)水样的处理
①采用湿法筛分，现将≥100L的水样品通过为粒径5mm的筛绢过滤，将粒径大于5mm的颗粒物丢弃掉；然后将过滤后的水样通过0.03mm的不锈钢滤膜；②标记并称重一个干净且干燥的玻璃容器，精确到0.1mg；将0.03mm不锈钢滤膜上的固体全部转移至玻璃容器中，用蒸馏水冲洗网筛；将容器完全干燥；③湿式过氧化氢氧化法：往步骤②完全干燥后的容器中加入20mL 30％H2O2，静置5min；放入搅拌子并盖上表面皿；加热；若能够观察到有机物，再加入30％H2O2；重复以上步骤直至有机物全部消化；然后将消化过后的剩余的固体置于饱和氯化钠液体中；④密度分离：将步骤③的饱和氯化钠溶液全部转移至分液漏斗中；沉降24h；上层的液体使用0.03mm不锈钢滤膜过滤并且使用蒸馏水冲洗钢筛至少五次用于洗净氯化钠，最后，在进一步显微镜观察之前，将钢筛置于玻璃培养皿中干燥一夜；
3)显微镜实验：
采用体视显微镜(SZX-10，Olpmpus，Japan)对钢筛上的疑似微塑料进行识别、拍照和计数；依据形貌特征，将疑似微塑料分为4类：纤维、碎片、薄膜和颗粒；根据微塑料的颜色差异，将其分为黑色、白色、红色、黄色和蓝色5类；
4)微塑料定性分析
①成分：将收集的微塑料转移到0.03mm不锈钢滤膜上，使用拉曼光谱或傅里叶光谱给微塑料定性，获得微塑料的成分特征；②颜色：分为包括白色、黑色、透明色、红色、黄色和蓝色；③形状：分为包括颗粒、薄膜、碎片和纤维
5)根据不同特征来源微塑料的颜色、形状和成分，构架构建不同特征源的微塑料指纹信息库；
6)海水中微塑料来源的判定方法
将收集不同海域的海水样品按照2)中的方法进行处理，统计其成分、颜色和形状等信息；利用统计学软件SPSS18.0，对海水微塑料样品和常见塑料源稳定特征指纹信息库中的参数进行系统分析，用于判定海水微塑料样品的可能来源。
本发明与现有技术相比的有益效果：
虽然已有学者在微塑料的样品采集、预处理、定性和定量分析方面做了广泛研究，但本发明旨在前人研究方法的基础上建立生活中常见塑料的稳定特征指纹信息库，然后采集不同海域中的海水，收集微塑料获得其稳定特征，与常见塑料的稳定特征指纹信息库进行比对。这样可以方便高效的追溯不同海域微塑料的主要来源，从而从源头上控制微塑料的污染，对海洋微塑料污染的治理提供有效的方法。
附图说明
图1桑沟湾养殖区采样站位图(2015年11月、2016年3月、6月、8月)。
图2桑沟湾沉积物微塑料的主要来源
图3不同塑料的显微镜表征和傅里叶变换红外光谱图。
具体实施方式：
以下仅示例性描述本发明，以明确该发明能够重复实现并可达到突出的实质性效果，但不构成对本发明的限制。
实施例1
采集生活污水排放口(生活污水处理厂排放口)、工业废水排放孔(化工厂排污口、食品厂排污口、电子厂排污口)、浴场(第一海水浴场)、养殖场(桑沟湾养殖区)、港口(青岛港海域)的水样装入玻璃瓶中，带回实验室进行处理分析；
2)水样的处理
①采用湿法筛分，现将100L水样品通过为粒径5mm的筛绢过滤，者保留5mm以上的材料；然后将过滤后的水样通过0.03mm的不锈钢滤膜；
②标记并称重一个干净、干燥的500ml烧杯，精确到0.1mg；将0.03mm不锈钢滤膜中的固体完全转移至烧杯中，用尽量少的蒸馏水冲洗网筛；将烧杯置于90℃干燥箱中烘干24h以上直至完全干燥；
③过氧化氢氧化法：往步骤②完全干燥的容器中加入20mL 30％H2O2，静置5min；放入搅拌子并盖上表面皿；75℃加热30min；若能够观察到有机物，再加入30％H2O2；重复以上步骤直至观察不到有机物；然后将消化过后的剩余的固体置于饱和氯化钠液体中。
④密度分离：将步骤③的饱和氯化钠溶液全部转移至分液漏斗中；沉降24h；上层的液体过滤使用0.03mm不锈钢滤膜过滤并且使用蒸馏水冲洗钢筛至少五次用于洗净氯化钠。最后，在进一步显微镜观察之前，将钢筛置于玻璃培养皿中干燥一夜。
⑤显微镜实验：
采用体视显微镜(SZX-10，Olpmpus，Japan)对钢筛上的疑似微塑料进行识别、拍照和计数。在识别过程中，钢筛在显微镜下以从左到右的Z字形镜检，以便于观察整个钢筛，减小误差。为避免错误镜检，按照以下标准进行微塑料识别：无细胞、组织或有机结构；颜色均匀且不易被镊子夹断；其中，纤维状厚度应该均一，末端未有分叉或变细现象(Norén等，2007；Hidalgo-Ruz等，2012)。依据形貌特征，将疑似微塑料分为4类：纤维、碎片、薄膜和颗粒；根据微塑料的颜色差异，将其分为黑色、白色、红色、黄色和蓝色5类。
⑥微塑料定性分析
a、成分：将收集的微塑料转移到0.03mm不锈钢滤膜上，使用拉曼光谱或傅里叶光谱给微塑料定性，获得微塑料的成分特征。聚乙烯(Polyethylene,PE)；聚丙烯(Polypropylene,PP)；聚苯乙烯(Polystyrene,PS)；聚氯乙烯(Polyvinyl Chloride,PVC)；聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate,PET)；聚酰胺(Polyamide,PA)；苯乙烯-丁二烯-丙烯共聚物(Acrylonitrile Butadiene Styrene,ABS)；聚碳酸酯(Polycarbonates,PC)；聚氨基甲酸乙酯(polyurethanes,PU)；聚甲基丙烯酸(PolymethylMethacrylate,PMMA)等。
b、颜色：分为白色、黑色、透明色、红色、黄色和蓝色
c、形状：分为颗粒、薄膜、碎片和纤维
实验注意事项：实验所用的器具均用超纯水冲洗三次后干燥。所有的塑料设备在可能的情况下用非塑料替代。如果不可能，则用Milli Q水冲洗3次，并检查是否没有产生塑料碎片。实验室外套和手套总是穿着，以便在实验过程中保持过程无菌。此外，我们始终避免穿聚酯衣服。实验室窗口在实验中保持关闭。
3)根据不同特征来源微塑料的颜色、形状和成分，构架构建不同特征源的微塑料指纹信息库。
实施例2
利用实施例1建立的微塑料指纹信息库判定海洋沉积物中微塑料来源，包括如下步骤：
(1)样品采集
采样地点：桑沟湾；采样时间为2015年11月(秋季)、2016年3月(冬季)、6月(春季)、8月(夏季)。共成功采样了8个站点的沉积物，如图1所示为8个站点。其中1、4、7站位于近岸海域，2、5、8站位于桑沟湾中心海域，3、6位于桑沟湾湾口海域。采用德国HYDRO-BIOS公司的Van Veen采泥器，获得表层约2cm的沉积物。然后，用不锈钢刮刀将沉积物样品转移到铝箔袋中，置于装满冰块的保温箱中保存至分析。根据我们的实地观察，筏式养殖是海水养殖的主要方式，因此还收集了桑沟湾海水养殖的主要塑料器具：PE浮标(黑色)、PE浮标(红色)、渔绳(蓝绿色)、PS泡沫塑料(白色)。
(2)沉积物中微塑料的分离
在实验室中，蒸馏水和溶液通过0.45μm滤膜过滤，所有器具用蒸馏水冲洗，以确保在实验过程中没有塑料污染。将每个沉积物样品称重约300g(湿重)置于在烘箱中干燥后，再次称重(干重)。然后，加入250ml饱和NaCl溶液并搅拌3分钟以确保悬浮微塑料。静置12小时后，使用真空抽吸装置将上清液通过0.03mm不锈钢滤膜膜过滤，并用蒸馏水反复洗涤以除去NaCl。将膜上的材料转移到玻璃烧杯中，加入30％H2O2以除去有机物，然后用饱和NaCl溶液悬浮。使用0.03mm不锈钢滤膜过滤上清液，并用蒸馏水洗涤以除去NaCl。最后，将膜置于玻璃培养皿中进行分析。
(3)观察和鉴定
计数微塑料并通过光学显微镜(Olympus BX-51，Japan)拍照。形状分为：薄膜，颗粒，纤维，球体；颜色分为：白色，黑色，颜色，透明。通过傅里叶变换红外显微镜(micro-FTIR；Thermo Fisher Nicolet iN10，USA)鉴定可疑塑料的组成。每个样品使用傅里叶变换红外光谱仪在4000和650cm-1之间，分辨率为8cm-1，使用3秒的收集，16次共扫描。将每个光谱与OMNIC标准光谱库进行比较。当匹配度高于70％时，可疑颗粒可被鉴定为微塑料。根据先前工作的次数重新计算微塑料的实际数量。通过将鉴定的微塑料的数量除以沉积物干重(个/kg dw)来确定微塑料的丰度。
(4)鉴定沉积物中的微塑料来源
首先从实施例1建立的微塑料指纹信息库中提取海水养殖区塑料器具的指纹信息，然后将沉积物中的微塑料与四种类型的海水养殖器具塑料(黑色浮漂、红色浮漂、蓝色渔绳和白色泡沫)分两步进行比较：形态学和化学成分比较，以确定来源，微塑料来源判定标准见图3。首先，形态学比较，通过颜色，透明度和形状等特征比较。表1显示了沉积物中微塑料与黑色浮漂、红色浮漂、蓝色渔绳和白色泡沫的塑料颜色和形态。例如，来自黑色浮漂的小块塑料显示出一定的透明度，这可能是由于色素的分解导致的。红色浮子上的塑料碎片在形状和颜色上与沉积物中的塑料微粒非常相似。来自钓鱼线和白色漂浮物的小块塑料在颜色和形状上也与沉积物中发现的微塑料非常相似。其次进行化学成分的比较分析，发现沉积物中微塑料的化学成分与黑色浮漂、红色浮漂、蓝色渔绳和白色泡沫的成分非常相似。在沉积物中共检出8748个塑料，其中与黑色浮漂颜色、成分符合的共2754个，占总量的31.48％；与红色浮漂颜色、成分符合的共675个，占总量的7.72％；与蓝色渔绳颜色、成分符合的共513个，占总量的5.86％；与白色泡沫颜色、成分符合的共1107个，占总量的12.65％；加和后得出沉积物中约57.72％的微塑料来自于黑色浮漂、红色浮漂、蓝色渔绳和白色泡沫。其他来源的微塑料有3699个，占总量42.28％(见图2)。因此，桑沟湾沉积物中微塑料主要来自筏式养殖的黑色浮漂、红色浮漂、蓝色渔绳和白色泡沫。
表1为沉积物中微塑料的塑料颜色和形态
Figure BDA0002381242810000091

Claims (1)

1.一种海洋环境中微塑料来源的判定方法，其特征在于所述方法的具体步骤如下：
1)特征源水样的采集
采集包括生活污水排放口、工业废水排放孔、浴场、养殖场、港口和远海在内的典型特征源的水样装入玻璃瓶中，带回实验室进行处理分析；
2)水样的处理
①采用湿法筛分，现将≥100L以上的水样品通过为粒径5mm的筛绢过滤，将粒径大于5mm的颗粒物丢弃掉；然后将过滤后的水样通过0.03mm的不锈钢滤膜；②标记并称重一个干净且干燥的玻璃容器，精确到0.1mg；将0.03mm不锈钢滤膜上的固体全部转移至玻璃容器中，用蒸馏水冲洗网筛；将容器完全干燥；③湿式过氧化氢氧化法：往步骤②完全干燥后的容器中加入20mL 30％H2O2，静置5min；放入搅拌子并盖上表面皿；加热；若能够观察到有机物，再加入30％H2O2；重复以上步骤直至有机物全部消化；然后将消化过后的剩余的固体置于饱和氯化钠液体中；④密度分离：将步骤③的饱和氯化钠溶液全部转移至分液漏斗中；沉降24h；上层的液体使用0.03mm不锈钢滤膜过滤并且使用蒸馏水冲洗钢筛至少五次用于洗净氯化钠，最后，在进一步显微镜观察之前，将钢筛置于玻璃培养皿中干燥一夜；
3)显微镜实验：
采用体视显微镜对钢筛上的疑似微塑料进行识别、拍照和计数；依据形貌特征，将疑似微塑料分为4类：纤维、碎片、薄膜和颗粒；根据微塑料的颜色差异，将其分为黑色、白色、红色、黄色和蓝色5类；
4)微塑料定性分析
①成分：将收集的微塑料转移到0.03mm不锈钢滤膜上，使用拉曼光谱或傅里叶光谱给微塑料定性，获得微塑料的成分特征；②颜色：分为包括白色、黑色、透明色、红色、黄色和蓝色；③形状：分为包括颗粒、薄膜、碎片和纤维
5)根据不同特征来源微塑料的颜色、形状和成分，构架构建不同特征源的微塑料指纹信息库；
6)海水中微塑料来源的判定方法
将收集不同海域的海水样品按照2)中的方法进行处理，统计其成分、颜色和形状等信息；利用统计学软件SPSS18.0，对海水微塑料样品和常见塑料源稳定特征指纹信息库中的参数进行系统分析，用于判定海水微塑料样品的可能来源。
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