泰山大气降水中微塑料的特征与来源解析_徐鑫淼.pdf

山东大学学报（理学版）年 月 第 卷 第 期：（），：山东大学科技期刊社版权所有：收稿日期：；网络出版时间：网络出版地址：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；山东省自然科学基金资助项目（）第一作者简介：徐鑫淼（），男，硕士研究生，研究方向为高山湿沉降的组分特征及来源：通信作者简介：王艳（），女，教授，博士生导师，研究方向为大气环境化学和环境影响健康评估：文章编号：（）：泰山大气降水中微塑料的特征与来源解析徐鑫淼，甄洁博，姜雨倩，杜萍，袁宪正，吴迪，尹祥坤，王艳（山东大学环境科学与工程学院，山东 青岛；山东省泰山气象站，山东 泰安）摘要：为了探究高山湿沉降中微塑料颗粒的分布特征，于 年夏季在泰山采集降水样品，通过体视显微镜，结合傅立叶红外光谱和拉曼光谱，观察微塑料颗粒的形貌和组分特征，并运用后向气流轨迹分析和浓度权重轨迹模型分析传输和来源。结果表明，泰山采集降水样品中微塑料颗粒的丰度范围为 ，其中碎片、纤维和薄膜的数量分别占、和，大多数粒径小于 ，聚合物成分主要为聚乙烯（）、聚苯乙烯（）、聚丙烯（）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（）、聚酰胺（）。泰山降水样品中微塑料颗粒主要受山东境内和西南方向的气流影响，潜在源区主要在山东、江苏、河南省境内。关键词：微塑料；湿沉降；潜在源；泰山中图分类号：文献标志码：引用格式：徐鑫淼，甄洁博，姜雨倩，等泰山大气降水中微塑料的特征与来源解析 山东大学学报（理学版），（）：，（，；，）：，（），（），（），（）（），：；引言塑料是广泛使用的有机合成高分子材料，其中直径小于 的塑料被定义为微塑料，由于其质量轻，可以通过气流、洋流、降雨和降雪等进行长距离传输，目前在青藏高原和极地地区也检 山 东 大 学 学 报（理 学 版）第 卷测到了微塑料，微塑料的污染已成为全球性问题。此外，微塑料颗粒可能在大气中成为冰凝结核，进而影响大气。为了尽可能全面量化大气中的微塑料通量，需要考虑完整的大气输运过程。高山对流层可展示垂直高度上的微塑料分布差异，反映高海拔大气中微塑料的情况。等研究发现在海拔 的地区也有微塑料的存在，同时粒子模型显示了微塑料颗粒洲际和跨海洋的传输潜力。近年国内对大气微塑料颗粒的研究集中在近地面的城市大气沉降方面，但在高山地区的研究还不多见。泰山作为华北地区最高山，受人为活动影响较小，可作为大气污染研究的背景站点，反映高海拔大气沉降中微塑料颗粒的特征。本研究于 年夏季在泰山采集降水样品，通过显微傅立叶红外光谱、拉曼光谱，检测了降水中的微塑料颗粒，分析了微塑料的丰度、微观形态和化学性质，并与其他介质中的微塑料进行对比；其次，解析了微塑料的传输过程和潜在来源。材料与方法 样品采集及空白对照采样地点设置在海拔 的泰山气象站（，），站内除固定工作人员外无人到访，受人为活动影响较小。使用直径 、距地面高 的大气被动采样器收集降水，从降水开始直至结束，保留整场降水样品并称重，充分混匀后取一定量样品进行真空过滤，将滤膜冷冻保存直至实验室分析。采样时间为 年 月 日至 年 月 日，期间记录降水的起始时间、气温、气压、风速和风向等信息。微塑料提取步骤将载有样品的滤膜置于 （）中，密封容器以防止污染。在 下消解 后，将消解液过滤，用 水分 次洗涤滤膜；再用 的乙醇（）洗涤滤膜，干燥后进行标记并放置于干燥器中。实验使用的器皿均为玻璃或不锈钢，并在使用前用 水冲洗。所有实验操作均在通风橱中进行，穿棉质实验服并佩戴丁腈手套以减少污染。微塑料检测分析使用体视显微镜（，日本）对消解后膜上样品进行大致检查，对塑料颗粒的形态、形状、颜色进行记录并标记。因为傅里叶变换红外光谱的检测极限仅能确定粒径大于 的微塑料样品，所以粒径小于 的样品由拉曼光谱进行检测。使用微傅里叶变换红外系统（，美国）鉴定微塑料的成分，扫描波数范围设置为 ，分辨率为 。对每个点位进行 次扫描，期间用液氮保持冷却。使用 软件（，美国）对光谱进行匹配，以上的匹配度被认为是微塑料。在 倍物镜下使用 激光，在 波数范围内通过拉曼光谱仪（，美国）测试更小粒径的微塑料。采集时间 ，激光能量光谱下进行 次累积，并对每个样品进行 次精度测试。使用 软件和开放光谱源数据库对特征吸收峰进行比较。沉降通量计算采用每日每平方米微塑料的个数表示沉降通量，每升降水中微塑料的个数表示丰度。计算公式如下：微塑料的沉降通量，微塑料在降水中的丰度，式中：为样品中微塑料的数量；为收集口面积（）；为采样时间（）；为实验中使用的水量（）。后向气流轨迹分析使用混合单粒子拉格朗日积分轨迹（）模型，研究不同方向输送的气团对微塑料分布的影响。第 期徐鑫淼，等：泰山大气降水中微塑料的特征与来源解析 气流后推时间为，每 模拟一次反向轨迹。基于大气传输方向和传输高度，将其聚类为 簇进行分析，以探讨不同气流来源的微塑料成分。浓度加权轨迹（）模型基于 的 轨迹，使用浓度加权轨迹（）模型确定微塑料物种的潜在源区。可以计算轨迹的加权丰度并反映其污染程度，然后识别潜在的源区。计算方法如下：式中：表示第 单元中的平均加权浓度；为轨迹；为轨迹总数；为轨迹 到达时的观测浓度；为轨迹 停留在第 单元的时间。结果与讨论 泰山湿沉降中微塑料的丰度及沉降通量特征在本次研究中，共采集 场降水，其中占比的样品检测到了微塑料。观测期间，泰山降水中微塑料的丰度范围为 ，平均值为 。与国内外相关的研究结果比较，泰山降水是德拉克山湿沉降样品中微塑料丰度平均值的 倍（，平均值 ），并显著高于南极洲（，平均值）、青藏高原冰川（，平均值 ）等远离人类活动影响的偏远地区；泰山湿沉降通量为 ，平均值 ，低于高海拔站点比利牛斯山的干湿沉降结果（），低于国内外近地面干湿沉降样品，如上海（）、烟台（）、东莞（）、胡志明市（）和汉堡（）等城市（见表）。可能因海拔较高，气流稳定不易沉降且存在云清除作用，泰山降水中的结果偏低。上述结果表明，微塑料广泛分布于海拔 的高空。表 大气环境中微塑料相关研究结果比较 研究地区丰度 或沉降通量（）平均值粒径范围 主要粒径 环境样品参考文献泰山 高山降雨本研究上海 城市干湿沉降烟台 海岸干湿沉降胡志明市，越南 城市干湿沉降比利牛斯山，法国高山干湿沉降德拉克山，伊朗高山干湿沉降德木拉盆地 高山降雪纳木错冰川 高山冰川融雪南极 极地降雪 注：、表示该数据为丰度、沉降通量。微塑料形貌特征 形状图 展示了降水中不同形状的微塑料，即纤维、碎片、薄膜。其中碎片在微塑料总数中占比最高，为（见图（），与 等在高空航测中也发现了高比例碎片（）的结果一致。其次是纤维和薄膜，分别占微塑料总数的 和。其中纤维占比与其他近地面大气干湿沉降的结果（）相比较低，可见高山大气中的微塑料与近地面大气中的微塑料是存在差异的，这可能与微塑料 山 东 大 学 学 报（理 学 版）第 卷在空气中传输磨损和老化有关。图 泰山降水中的微塑料的主要形状 粒径泰山湿沉降中检测到的微塑料颗粒直径范围为 （中位径为 ），其中小于 的颗粒占总塑料数量的（图（），主要分布在 以下（占），小于东莞（）、上海（）和印度尼西亚（）城市大气干湿沉降样品的结果，但与高海拔样品中的德拉克山（）接近。这是由于小粒径的微塑料颗粒更易向上传输，同时高空中剧烈的空气流动可促其进一步破碎；此外，液滴相较于颗粒物对小型微塑料颗粒可能有更好的去除效果。颜色研究发现蓝色（占比）、黑色（占比）和透明（占比）是主要的微塑料颜色（图（），与青藏高原等偏远地区的结果相似，但 等在上海的沉降样品中发现占比 是透明的，反映高层大气的来源可能更复杂。不同颜色的微塑料会影响辐射吸收和散射，使大气环境中存在负的辐射强迫，并在云、气溶胶等参与下使辐射影响复杂化。成分泰山湿沉降中微塑料的成分主要由聚乙烯（）、聚苯乙烯（）、聚丙烯（）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（）、聚酰胺（）组成，数量占比依次为、（图（）。微塑料密度（）较小，易于远距离传输。其中 和 以薄膜和碎片为主，与塑料包装袋的广泛使用有关。相较其他塑料硬度更低，对机械老化和光老化更敏感，更有可能发生破碎，容易成为吸附剂和污染物的载体。主要是纤维，可能是由合成纤维制成的毯子和衣服产生。同样以纤维为主，可能源于制药、家具、运输和服装行业。本研究未检出如醇酸树脂、橡胶等其他常见塑料成分。图 泰山降水中微塑料不同参数的数量占比 微塑料的传输及潜在来源根据降水时间，模拟 后向气流轨迹。如图 所示，气团分为 簇，即山东境内（）、西南（）、西北（）和东南（）。（）为山东境内的气团，传输距离最短，其中检测到的微塑料直径多为 以上，形状以纤维和薄膜为主，丰度为 。（）为途径河南和山东西南部的低空气流，其中直径 以下的碎片占比较多，丰度最高，为 。而（）以下沉气流为主，途径内蒙古和山西等地，微塑料鲜有检出。（）为起源于西太平洋的平流气团，主要为纤维状的 和，微塑 第 期徐鑫淼，等：泰山大气降水中微塑料的特征与来源解析 料丰度较低（）。微塑料 模型模拟结果（图）表明，泰山降水微塑料的潜在源主要分布在山东、江苏、河南等省，距离采样点 东南区域存在明显的潜在源。该区域有着密集的交通网络和人员流动，日常生活中生产的塑料、服装磨损释放的微纤维和包装袋等可能是泰山降水中微塑料的重要来源，同时农业应用的薄膜等也有一定的贡献。西南方向样品中发现了与微塑料同时出现的黑色碳质颗粒，可能与生活垃圾不完全燃烧有关。等发现，焚烧产生的底灰和飞灰也可成为大气微塑料的来源。来自东南方向的微塑料多为浅色，其中 呈现蓝色纤维的特点。等模拟得到海洋源沉降至陆地的塑料约占喷射量的，反映了气泡喷射、海雾等潜在的海洋贡献。图 观测期间泰山 后向气流聚类（）及潜在源区（）（）（）结论基于泰山降水的采集和分析，本文报道了中国高海拔环境中微塑料的丰度和湿沉降通量以及微塑料的来源。研究发现：（）泰山降水中微塑料的丰度为 ，平均值为；湿沉降通量为 ，平均值为 ；微塑料广泛分布于海拔 的高空。（）泰山降水中检测出纤维、碎片和薄膜共 种微塑料，粒径范围为 ，其中蓝色、黑色和透明是最主要的颜色；成分为聚乙烯（）、聚苯乙烯（）、聚丙烯（）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（）、聚酰胺（）。（）气团传输表明，不同来向的气流中微塑料的特征存在差异；结果显示泰山降水中微塑料的潜在源明显在山东、江苏、河南等地。参考文献：，：？，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：，（）：，山 东 大 学 学 报（理 学 版）第 卷 ，（）：，（）：，：，（）：，（）：，：周倩，田崇国，骆永明 滨海城市大气环境中发现多种微塑料及其沉降通量差异 科学通报，（）：，（）：，：，（，），：，（）：，（）：，：，：，：，：，：，：，：，（）：，：，？，：（编辑：于善清）