洪湖周邊養殖池塘微塑料污染特征研究

陳玉玲 熊 雄 周炳升 吳辰熙

(1. 中國科學院水生生物研究所淡水生態和生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

微塑料通常是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒,由于它們的負面影響和廣泛分布, 微塑料污染已經成為一種全球性的環境污染問題[1]。相比于自然環境, 水產養殖環境由于與人類活動關系密切, 養殖水體和水產品可能面臨更高的微塑料暴露風險。當前集約化養殖的趨勢也將導致水產養殖環境中污染物的增加。水產養殖區附近的塑料垃圾經過長期的自然風化和機械破碎逐漸形成微塑料顆粒,這些微塑料通過大氣沉積、雨水沖刷和地表徑流等方式遷移到養殖環境[2,3]。養殖活動中使用的塑料產品也會不可避免地將微塑料引入養殖環境。漁網、繩索、浮球和衣服等在長期浸泡、侵蝕、磨損、碰撞和紫外線照射的作用下會產生微塑料[4]。水生動物的活動也可能導致水產養殖環境中微塑料的增加[5,6]。此外, 天然餌料和飼料的投喂也是養殖水體微塑料的重要來源。例如, 魚粉和蝦粉是水產養殖中的高蛋白飼料原料, 這些原料主要由野生捕撈的魚和蝦制成, 野生魚蝦體內的微塑料可能會通過飼料投喂被帶入養殖環境[7—9]。

一旦進入水產養殖環境, 微塑料可能會長期存在并影響水的透明度。一些含氯的微塑料如聚氯乙烯(Polyvinyl chloride, PVC)在光催化分解過程中可能釋放鹽酸, 導致水環境的酸化[10]。由于微塑料有較大的比表面積和較強的疏水性, 微塑料往往會吸附環境中的有機污染物, 如多環芳烴、有機氯農藥和多氯聯苯等[11]。微塑料添加劑和吸附污染物的再釋放可能會增加水產品攝入毒素的風險, 同時也對人類健康構成威脅[12]。微塑料不僅會影響到水生動物的生長和健康[13,14], 還可通過動物-人類食物鏈傳遞給人類。食用水產品是人類接觸微塑料的一個關鍵途徑。研究報道, 通過食用貽貝人均可攝入7.4和5.0個微塑料[15,16], 每食用300 g魚可攝入169—555個微塑料[17]。

調查研究表明, 海灣、人工魚礁、沿海地區、河流、湖泊、池塘、養魚場和稻魚共養系統等水產養殖環境的水產品體內普遍含有微塑料顆粒[18]。例如, 中國沿海17個水產養殖基地的牡蠣中的微塑料豐度平均為2.93 items/ind.[19]。上海稻田養魚生態系統中的鰻、小龍蝦和泥鰍的微塑料豐度平均為(1.7±0.5) items/ind.[20]。珠江河口海水養殖區的石斑魚體內微塑料平均豐度為35.36 items/ind.[21]。相比于野生的河豚, 養殖河豚會通過攝食暴露更多的微塑料[22]。此外, 不同的養殖模式下同種水產品可能具有不同程度的微塑料暴露風險[23]。隨著人類對水產品需求的日益增加, 了解水產養殖活動的微塑料污染狀況對于實施環境微塑料污染管控和評估人類接觸微塑料風險至關重要。

淡水水產養殖貢獻了全球77%的水產品, 在水產養殖業中占有重要地位[24]。作為世界上水產養殖第一大國, 我國在2021年的淡水養殖產量為3183.27萬噸, 占水產養殖總產量的59.01%[25]。洪湖是我國第七大淡水湖泊, 為當地的水產養殖、生物多樣性保護和生態旅游提供了重要的水資源和生物棲息地。洪湖周邊圍繞著多種類型的水產養殖池溏。通過調查洪湖周邊養殖塘的養殖水體和水產品微塑料污染現狀, 可以為了解我國淡水養殖環境中的微塑料污染狀況提供有力參考。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

本研究于2020年10月份對洪湖周邊水產養殖池塘進行采樣, 我們隨機調查了其中的5個龍蝦塘(克氏原螯蝦Procambarus clarkia, 俗稱淡水小龍蝦)、5個河蟹塘(中華絨螯蟹Eriocheir sinensis)和5個鯽塘(鯽Carassius auratus)(圖1)。使用對角線混合法采集水樣, 即在養殖塘對角線的兩端和中心位置各收集20 L表層水, 每個池塘共取60 L表層水。在采樣現場將水樣通過20 μm的不銹鋼篩進行過濾, 篩網上的殘留物用超純水沖洗到玻璃瓶中,殘留物冷藏保存并及時轉移到實驗室中待測分析。養殖塘生物樣與水樣在同一時間進行采集。使用地籠誘捕的方式采集龍蝦和河蟹。鯽使用捕網進行采集。每個采樣點隨機捕獲大小一致的水產品各6只。將采集到的生物放入液氮罐中速凍死亡, 之后用錫紙包裹全身并裝袋, 及時送到實驗室中冷凍保存。

圖1 洪湖養殖塘微塑料污染調查采樣位點圖Fig. 1 Sampling site of microplastics survey in aquaculture ponds around Honghu Lake

1.2 樣品前處理與鑒定

將玻璃瓶中的水樣放置于烘箱中65℃烘干。烘干后加入20 mL 30%的過氧化氫(分析純), 于60℃下消解72h以去除有機物質。使用密度分離方法提取消解液中的微塑料顆粒, 即在消解完成后將消解液倒入分液漏斗中并加入飽和氯化鈉溶液(ρ=1.2 g/cm3), 靜置過夜。之后將上清液過濾到1.2 μm的白色網格濾膜上。然后將濾膜放置在50 mm×50 mm的玻璃片上, 放入帶蓋培養皿中保存。生物樣品采集回來后用解剖工具分別取出龍蝦的腸道和鰓部、鯽的腸道和鰓部、河蟹的消化系統和鰓部, 將各部分樣品分別單獨放入100 mL藍蓋瓶中,并加入3倍樣品體積30%的H2O2溶液, 于烘箱中65℃消解3d。在消解完成后, 將消解液趁熱抽濾至1.2 μm的白色網格濾膜上。消解瓶內壁用超純水沖洗3次同時抽濾至濾膜上, 以避免微塑料殘留。

使用體式顯微鏡統計濾膜上疑似微塑料顆粒的數量和形態特征, 統計的微塑料粒徑在20—5000 μm。使用顯微紅外光譜儀(Micro-IR, Nicolet iN10, Thermo Scientific, America)對疑似微塑料的多聚物組分進行鑒定, 記錄400—4000波段的紅外光譜, 并將樣品的紅外光譜與聚合物光譜庫進行比較, 以驗證樣品的聚合物類型。

為了避免整個實驗過程中的污染, 所有用于采樣和實驗室分析的設備都要用超純水預沖洗, 并在使用前后用鋁箔覆蓋。在取樣和分析時穿棉質實驗室外套和清潔手套。桌子和手的表面用黏性滾輪滾動, 以去除上面的顆粒。實驗過程中所有溶液和水均通過孔徑為1.2 μm的GF/C濾膜過濾后使用。解剖工具在使用前和取完單只生物樣品后均用超純水清洗3遍, 以防止交叉污染?？瞻讓φ諛悠凡捎门c現場采樣相同的方法進行采集, 即在現場用去離子水沖洗預洗過的不銹鋼篩子, 然后將篩網上的殘留物用水沖洗至玻璃瓶中?？瞻讟悠钒凑窄h境樣品的前處理方法進行處理。在解剖生物樣品和抽濾消解液的過程中, 設置程序空白。測定樣品的微塑料豐度用空白樣本中具有與之形態相似的微塑料平均豐度進行校正。

1.3 數據分析

采 用ArcGIS (10.6版)繪 制 采 樣 點 圖, 使 用Excel軟件對數據進行統計分析和作圖。首先對數據進行正態性和方差齊性檢驗, 使用單因素方差分析比較不同水體之間微塑料豐度的差異顯著性, 顯著性水平為0.05。使用獨立樣本t檢驗比較同一生物不同器官之間微塑料豐度的差異顯著性。利用斯皮爾曼相關性分析比較生物微塑料豐度和水體微塑料豐度之間的相關性?；谖⑺芰系男螒B特征(粒徑和形狀占比), 使用相似性分析(ANOSIM)比較水體和生物之間, 以及不同生物之間的微塑料群落差異。

2 結果

2.1 水體和水產品微塑料豐度

在3種養殖塘水體中均有檢出微塑料顆粒, 其中河蟹塘水體微塑料平均豐度為(992±558) items/m3,顯著高于龍蝦塘水體微塑料平均豐度(296±140) items/m3(P＜0.05)。魚塘水體微塑料平均豐度為(520±233)items/m3, 居于這兩者之間(圖2A)。3種生物體內微塑料檢出率具體為龍蝦96.67% (腸道80%, 鰓部70%)、鯽96.67% (腸道97%, 鰓部63%)和河蟹63.33% (腸道27%, 鰓部53%)。生物微塑料豐度為0—16 items/ind., 其中龍蝦體內的平均豐度為(4.30±3.83) items/ind., 河蟹體內的平均豐度為(1.20±1.49) items/ind.,鯽體內的平均豐度為(5.17±3.34) items/ind.。從微塑料的生物分布來看, 龍蝦和河蟹的腸道和鰓部微塑料豐度相當(P＞0.05), 鯽腸道內微塑料顯著高于鯽鰓部(P＜0.05; 圖2B)。通過對同一養殖塘水體和生物之間的微塑料豐度進行斯皮爾曼相關性分析,可以發現各養殖塘中水體和生物之間的微塑料豐度并不存在顯著相關性(P＞0.05; 圖2C)。

圖2 養殖塘水體和水產品微塑料豐度圖Fig. 2 Microplastic abundance of aquacultural ponds

2.2 水體和水產品微塑料形態特征

養殖塘水體中的微塑料從形狀上來看主要分為纖維、碎片和碎塊三種類型, 其中纖維狀微塑料最多, 占比56.70%—82.68%, 其次為碎片狀微塑料,占比13.92%—37.85%, 微塑料碎塊僅有少量存在,占比1.82%—5.45% (圖3A)。水產品體內超過80%為纖維狀微塑料, 剩余為少量微塑料碎片(圖3B)。我們將微塑料粒徑劃分為小粒徑(＜ 500 μm)和大粒徑(＞500 μm)兩個等級, 統計結果表明養殖塘水體中大粒徑微塑料占比在51.59%—58.53%, 略高于小粒徑微塑料(占比41.47%—48.41%; 圖3C), 而生物體內超過70%的微塑料為大粒徑微塑料(圖3D)。經顯微紅外鑒定, 水體微塑料的聚合物類型主要有7種: 聚丙烯(Polypropylene, PP)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate, PET)、聚乙烯(Polyethylene, PE)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、PVC、聚酰胺(Polyamide, PA)和聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate, PMMA; 圖3E)。水產品體內檢出的微塑料多聚物類型主要有纖維素(Cellulose),聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)、PET、PP和PE等5種(圖2—3F)。3種水產品體內的微塑料均以纖維素、PTFE和PET纖維為主, 其次為少量PP和PE碎片。

圖3 微塑料形狀、粒徑和組分在水體和生物體的占比Fig. 3 Shape, size and component distribution of microplastics in water and organism

考慮到微塑料在大小上對水產品的適口性, 我們基于微塑料的粒徑和形狀占比, 比較了水體和生物之間以及不同生物之間的微塑料群落差異。結果表明, 水體微塑料和水產品之間的微塑料形態差異程度較小, 其中水體微塑料的形態包含絕大多數水產品微塑料形態(圖4A)。3種水產品微塑料群落差異不顯著, 具有較高的相似度, 但組內差異稍大于組間差異(圖4B)。

圖4 微塑料群落相似度分析Fig. 4 Similarity analysis of microplastics community

3 討論

3.1 微塑料污染水平

從調查結果來看, 洪湖養殖塘水體普遍受到微塑料污染。相比于國內外其他淡水養殖水體, 該地區水體微塑料豐度處于中等水平(表1)。研究表明,上海地區的水稻-魚養殖塘和鰻魚養殖站水體微塑料豐度較低[20,26], 除此之外, 國內的其他地區包括常州和廣州的魚塘、珠江河口的魚、蝦養殖區, 以及湖北監利地區的龍蝦養殖站和水稻-龍蝦養殖系統的水體微塑料豐度均高于洪湖養殖塘水體微塑料豐度1—3個數量級[27—29]。目前國外主要關注于海水或半咸水的養殖水體微塑料污染現狀, 針對淡水養殖水體的微塑料污染狀況還了解甚少。例如,歐洲喀爾巴阡盆地的魚塘水體微塑料污染水平要遠遠低于洪湖養殖塘水體微塑料污染水平[28]。然而需要注意的是, 由于目前還沒有統一的標準方法,不同研究所使用的微塑料采樣方法差異較大, 這也是導致不同研究結果之間存在較大差異的原因。

表1 淡水養殖水體微塑料污染特征Tab. 1 Characteristics of microplastics pollution in water column of freshwater aquaculture system

養殖活動可能是使養殖水體遭受微塑料污染的主要原因。養殖過程中的捕撈和投喂等行為可能會直接或間接地導致漁具和飼料等產品中的微塑料顆粒被釋放到水環境當中。結合前人的研究結果, 纖維狀微塑料是水體中出現最多的微塑料形態(表1)。水體中大量纖維的存在可能跟捕網等漁具的使用有關。養殖塘水體的輸入與排出過程也是影響水體微塑料豐度的重要原因。洪湖水體通過養殖塘附近的溝渠引入到養殖塘, 在養殖季節結束后又重新排放回溝渠中, 因此洪湖水體也是養殖塘微塑料的重要來源。本研究中3種養殖塘水體中大粒徑微塑料和小粒徑微塑料含量基本一致。這與國內外其他養殖系統和自然水體中發現小型尺寸微塑料占比較多的現象形成了鮮明對比(表1)[31—33]。我們分析可能是由于養殖塘的排水過程導致微塑料在水體的停留時間縮短, 減弱了微塑料在水體中的破碎化過程, 因此水體主要以大粒徑微塑料顆粒為主。此外, 排水過程還可能導致大粒徑塑料被滯留在池塘中, 進而增加了大粒徑微塑料顆粒的占比[6]。同時, 養殖塘水體高豐度的營養物質會促進微塑料表面形成微生物膜, 小型微塑料顆粒由于比表面積相對較大更易形成較多的微生物膜, 進而導致微塑料密度增大而沉降[34,35]。PET、PP和PE類微塑料在水體中占比較多。PET是纖維狀微塑料的主要聚合物類型, PP和PE主要為碎片和碎塊狀微塑料,這可能主要來自于漁業活動過程中使用的包裝材料和器皿等塑料用品。

3.2 水產品微塑料含量

通過對3種養殖塘中的水產品進行微塑料污染水平分析, 可以看出超過一半的生物體內含有微塑料顆粒。前人研究也表明, 商業水產品體內普遍受到微塑料污染[29,37,38]。在這3種生物當中, 96%以上的龍蝦和鯽體內都暴露到微塑料顆粒, 腸道中微塑料的檢出率稍高于鰓部。河蟹體內微塑料檢出率最低, 與前兩種生物相反的是, 河蟹鰓部的微塑料檢出率比腸道中微塑料檢出率高。3種生物微塑料豐度和微塑料檢出率具有一致性, 龍蝦和鯽體內微塑料總豐度略高于河蟹, 但整體來看, 3種生物體內微塑料豐度均處于較低水平。目前關于淡水類水產品微塑料污染現狀的報道還相當有限, 我國在這方面的關注相對較多。從前人的研究結果來看, 鱔魚、泥鰍、魚類和龍蝦等水產品的微塑料豐度也都在一個數量級以內, 與本研究調查結果較為一致(表2)[20,26,36,39]。

研究發現, 生物主要通過攝食和呼吸過程接觸水體中的微塑料顆粒, 在攝食過程中也會通過食物間接攝入微塑料顆粒。3種生物體內均以細長的纖維狀微塑料為主, 我們分析可能主要有2種原因: 一是水體中含有較多的纖維狀微塑料, 導致生物暴露纖維的概率更大; 二是由于纖維的易滯留性, 導致纖維狀微塑料更難被排泄或清除而滯留在生物體內[38]。以往的研究也表明纖維狀微塑料是生物體內占比最多的微塑料形態[41,42]。生物體內微塑料以大于500 μm的大粒徑微塑料為主, 這可能是由于較多的纖維狀微塑料增加了大粒徑微塑料的占比。

3.3 微塑料生物暴露因素分析

斯皮爾曼相關性結果表明, 同一養殖塘水體微塑料豐度與生物微塑料豐度之間無顯著相關性, 這說明生活環境微塑料豐度并不是影響生物暴露微塑料水平的直接原因。在以往的研究中我們也得到相似結果[43]。由于龍蝦和河蟹為典型的底棲類雜食性動物, 他們喜歡潛伏在水草或底泥中, 攝食底棲動物, 植物碎屑和動物尸體等, 因此可能會從底泥中攝入微塑料顆粒。沉積物作為水體環境微塑料的主要匯之一, 沉積物微塑料豐度可能會影響生物對微塑料的攝入程度。以往的研究發現水生動物微塑料豐度與養殖區土壤微塑料豐度呈正相關性, 而與水體微塑料豐度并沒有相關性[20]。由于本研究沒有調查沉積物微塑料污染現狀, 暫時無法判斷沉積物微塑料豐度與生物微塑料豐度之間的關系。

從生物不同器官的微塑料檢出率來看, 龍蝦和鯽魚主要通過攝食暴露微塑料, 而河蟹主要通過鰓呼吸暴露微塑料。生物的生活方式和不同器官對微塑料的清除排泄能力可能會影響微塑料的暴露途徑[44,45]。從微塑料豐度來看, 龍蝦和河蟹的腸道和鰓部微塑料豐度相當, 而鯽腸道中的微塑料豐度顯著高于鰓部(P＜0.05), 這可能跟生物的腸容量有關, 相比于龍蝦和河蟹, 鯽由于體型更大而具有更高的腸容量, 導致較多的微塑料顆粒隨攝入的食物累積在腸道中。通過比較水體和生物體微塑料群落相似性及3種生物微塑料群落之間的相似性可以發現, 和水體微塑料群落相比, 3種生物的微塑料群落較為單一且具有較高的一致性, 這可能因為3種生物體內的微塑料群落均是以細長的纖維狀微塑料為主。由此可以看出生物微塑料污染特征與生物種類無關, 而微塑料不同的形態特征所帶來的滯留性差異可能是影響生物暴露微塑料的內在原因。同時由于3種水產品微塑料群落的組內差異稍大于組間差異, 也間接說明了生物攝食微塑料的隨機性和空間異質性。

毒理試驗表明大量的微塑料存在會影響生物的生長與健康[13,46,47]。雖然當前水環境微塑料污染水平以及生物體內微塑料暴露劑量遠遠低于微塑料的生物有效應濃度, 由于微塑料(及塑料產品)在人類生活和各種環境當中無處不在, 微塑料的潛在影響還是需要人們的密切關注。同時, 部分類型水產品如龍蝦和蟹, 在食用前并對腸道和鰓部等部分未進行充分的處理, 由此可能導致人類在進食這些食物時誤食微塑料顆粒。水產品的微塑料污染水平密切關系到人類的健康風險, 因此, 建議嚴格防控養殖水體微塑料的輸入, 包括限制養殖活動中塑料產品的使用, 同時建議在進行水產品食物加工前, 處理掉水產品的外殼、腸道和鰓部等容易暴露微塑料的部位。

4 結論

本研究表明, 洪湖周邊養殖塘的水體和水產品普遍受到微塑料污染。水產品的鰓部和腸道均是遭受微塑料污染的暴露部位。纖維狀微塑料是養殖塘水體和水產品中主要的微塑料類型。與國內外其他淡水養殖水體相比, 該地養殖塘水體微塑料豐度處于中等水平。3種養殖塘的水產品微塑料豐度處于同一水平。統計分析表明, 水產品生活的水體微塑料豐度與水產品暴露的微塑料豐度無關。然而, 考慮到生物攝食的多樣性, 未來應當關注養殖塘環境中能夠為水產品提供食物來源的其他介質如底泥、飼料、植物碎屑、腐殖質等有機物質中的微塑料污染狀況。同時還應當探究不同形態特征的微塑料在生物體內的清除排泄過程, 以及微塑料對水產養殖生態系統的影響。