滨海地下水含水层中微塑料运移机制及环境效应研究综述.pdf

130 海洋科学/2023 年/第 47 卷/第 6 期 滨海地下水含水层中微塑料运移机制及环境效应研究综述 邹寅俏1,2,陈广泉1,2,于洪军1,2,宋 凡3,王延诚1,2,赵文卿1,2(1.自然资源部 第一海洋研究所 自然资源部海岸带科学与综合管理重点实验室,山东 青岛 266061;2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室,山东 青岛 266237;3.水利部信息中心(水利部水文水资源监测预报中心),北京 100053)摘要:微塑料是现代化社会经济活动的产物,于近海岸富集会导致海水、地下水与近岸土壤环境的污染。微塑料具有多样化的物理化学性质,运移机制复杂。伴随人类活动加剧与水动力条件变化,微塑料在滨海地区广泛迁移并形成差异分布。微塑料能够释放自身有毒物质、吸附重金属离子与有机污染物、使海岸带区域水环境污染加剧、严重危害滨海地区动植物的生长发育,威胁人类健康及滨海生态安全。因此,探究微塑料在滨海地下水含水层中的转运机制,对于分析其对生态环境的潜在危害、采取有效手段应对微塑料污染具有重要意义。关键词:滨海地下水含水层;微塑料;运移机制;环境效应 中图分类号:P7 文献标识码:A 文章编号:1000-3096(2023)6-0130-14 DOI:10.11759/hykx20220921004 微塑料是直径小于 5 mm 的塑料颗粒1,具有尺寸小、比表面积大等物理化学性质,能够通过生物摄食、吸附、络合等方式对生态环境产生严重威胁。2015 年,微塑料问题被列为环境与生态科学领域亟待研究的第二大科学问题2。在联合国环境大会的号召之下,中国积极致力于海洋微塑料的研究和治理。迄今,已有 30 多个科研机构开展了海洋微塑料研究,20 多个国家级微塑料项目得到了国家经费支持3。研究区域涉及河口、海滩、海岸带、近海、深海、极地等区域,微塑料的研究内容涉及微塑料的理化性质4、分布富集5、迁移特征6、食物链累积7、分析方法学8、生态毒理学9、污染治理10等方面。截止到 2022 年 7 月 13 日,基于 Web of Science 数据库,以“microplastic”为关键词搜索到的相关文献有7 979 篇,以“marine microplastic”为关键词搜索到的相关文献有 3 991 篇,并呈现出逐年递增的趋势,间接表明微塑料污染所囊括的问题亟待解决。为应对微塑料污染,2019年,中华人民共和国国家发展和改革委员会出台政策,禁止在个人护理用品中添加并销售微塑料颗粒的产品11。海岸带是海陆交互的重要区域,在天然水利梯度下,海底地下水排泄(submarine groundwater discharge,SGD)过程会对近岸海水环境产生影响12-14。而在人类活动和气候变化的共同影响下,也可能发生海水入侵地下水含水层的现象,导致淡水含水层咸化。地下水与海水相互作用机制十分复杂,近岸海水与地下水处于不断更新的状态,并存在离子、有机物以及微生物的广泛迁移15。微塑料作为污染物或其载体形式留存于海岸带水域当中,随水动力条件变化,在地下水与近岸海水间不断运移,小部分微塑料滞留于海岸带介质空隙,造成孔隙水污染;部分微塑料随水流迁移发生远距离运输,或结合路径中的离子与污染物,发生吸附、络合、化合等作用,对途经水域造成不同程度的危害16-19。同时海岸带水体间的相互作用能够推动微塑料在滨海介质通道中的运移,加快微塑料在不同水域内的更新速度,造成不同程度的水质污染。受海岸带地区人类活动的影响,微塑料在近海地区各个空间区域的分布反映出其对生态环境的潜在隐患,微塑料污染已成为海岸带环境保护与生态 收稿日期:2022-09-21;修回日期:2023-05-25 基金项目:国家自然科学基金委员会联合基金项目(U22A20580);国家自然科学基金青年项目(41706067)Foundation:National Natural Science Foundation of China-Shandong Joint Fund,No.U22A20580;National Natural Science Foundation of China,No.41706067 作者简介:邹寅俏(1998),女,安徽淮北人,在读研究生,主要从事海水与地下水相互作用研究,E-mail:;陈广泉(1984),男,通信作者,山东青岛人,博士,正高级工程师,主要从事海水与地下水相互作用研究,E-mail: Marine Sciences/Vol.47,No.6/2023 131 治理修复的重要问题。目前学术界对海岸带微塑料的相关研究还处于初级阶段,未来有关微塑料的研究应致力于了解海洋微塑料的理化性质、掌握新型海洋微塑料采样与分析处理方法、探究微塑料在海洋环境与海岸带地下水含水层介质中的迁移规律,对海岸带微塑料进行综合性分析将成为今后微塑料污染研究等方面的重要方向。本文将论述微塑料的基本物理化学特征,探究微塑料在滨海地下水含水层中的迁移机制及其环境效应,从而为微塑料污染预防与治理提供有力的理论依据。1 滨海含水层微塑料来源与分布滨海含水层微塑料来源与分布 1.1 滨海含水层微塑料来源滨海含水层微塑料来源 滨海地下水含水层中的微塑料主要来自于海洋、土壤、大气这几大环境领域(图 1),根据生成条件的不同可以分为原生微塑料与次生微塑料20,21,根据来源地的不同可分为陆源微塑料与海源微塑料22两种。原生微塑料是指工业生产过程中直接排放的微观尺寸介于微塑料定义范围之内的塑料微珠,多生成于塑料生产阶段,且广泛应用于陆上人类洗化用品,包括化妆品微珠、工业清洁产品中的磨砂微珠以及工业生产的原生树脂颗粒等11,23;次生微塑料是占据主导性地位的微塑料类型24,主要指塑料垃圾经光化学降解、机械磨蚀及生物转化等作用后,聚合物发生光解、脆化并最终分解而成的微塑料,原生微塑料受温度、机械磨损、生物干扰、紫外线辐射、氧化作用等影响后会发生老化现象,形成次生微塑料25,26。陆源微塑料多为陆上农业、工业、纺织业、商旅业活动残留,包括日化产品使用后产生的市政污水、雨雪天气空气中微塑料的沉降、工农业废水直接性排放、垃圾填埋区渗滤、工业活动制造等27-31,其输入到地下水含水层的过程当中可能涉及的具体途径包括风力推动、地表水流经陆地的裹挟作用、淡水补给过程、土壤渗滤作用等;海源微塑料多为海上渔业、养殖业、运输业等过程所生成,包括海产品捕捞遗留、养殖业生产、船只行驶残留、海上作业平台生产勘探、科研设备磨损等,其输入到地下水含水层的过程当中可能涉及的具体途径包括区域性海水交换、生物携带、微生物运载、海水入侵、海水再循环与孔隙水交换等过程16,32。图 1 海岸带地下水含水层中微塑料主要来源 Fig.1 Main source of microplastics in coastal groundwater aquifers 132 海洋科学/2023 年/第 47 卷/第 6 期 海洋-地下水、土壤-地下水、大气-地下水、陆表或陆表水系-地下水这 4 种过程是滨海含水层微塑料来源的主要动力机制。海洋系统能够通过海底地下水排泄(Sbumarine groundwater discharge,SGD)以及海水入侵带入微塑料16;土壤中微塑料能够借助土壤裂隙、土壤介质孔隙、生物活动或植物根系进行垂向迁移33,34;大气中的微塑料能够在井口处发生自然沉降或由雨雪作用被动沉降35;陆表淡水水系如河流、湖泊等能够在地下水补给过程中转移体系内的微塑料34,36,37,并在微塑料自身性质与环境的双重作用下形成差异性分布。1.2 滨海含水层微塑料分布与富集滨海含水层微塑料分布与富集 海岸带微塑料分布范围极广,从繁华喧嚣的城市地区到人迹罕至的深海海沟38,甚至是两极地区都存在它的踪迹。目前研究证明,微塑料的空间范围分布囊括近海陆地与近岸陆域39,40、河口41、河流42、湖泊43、海湾44、潮滩45、近海海域水域46、大洋和极地47等区域,其迁移与分布因素受自身理化性质如粒径、尺寸、形状、密度、成分、聚合物类型;水环境参数如盐度、温度和生物量;气候因素如降雨、风和湍流;介质环境类型如空气、沉积物、水体;施加于微塑料的各种物理、化学、生物作用的强度等。微塑料在海洋环境中的输送机制有波浪、潮汐、洋流48、海洋生物、人工活动、海水-地下水相互作用等;在地下水环境中的输送机制有对流、人类活动干扰、微生物作用、地下水-海水相互作用等。海岸带地区微塑料受人类活动、海水水动力变化以及海水地下水相互作用的影响,广泛分布于河口、海滩、近海、表层海水、沉积物以及滨海地下水含水层等区域49。处于水体当中的微塑料能够单独沉降或与其他物质结合成聚集颗粒后沉降,使海底地区成为微塑料重要的汇。一般条件下微塑料自然降解需要数百年甚至上千年,在海水环境中微塑料吸收紫外线能力加强,老化加速,降解速率变缓,使得海洋环境中的微塑料降解速率低于陆地,加剧了近海海水中微塑料的滞留50。近年来,学术界在微塑料领域的相关研究不断深入与发展,地下水含水层中微塑料污染的相关科研成果也有所更新,海岸带地区地下水环境中微塑料的存在已经成为不争的事实51。由于人类活动对塑料制品利用率的增加,地下水含水层中微塑料污染日益加剧,研究表明人类农业活动产生的微塑料能够通过土壤裂隙或生物活动等过程垂向迁移进入地下水含水层33,34;沿海地区商旅类塑料垃圾碎片能够伴随海水-地下水相互作用过程迁移至地下水16,52;河流中携带的微塑料能够在河流补给地下水的入口处向地下水含水层输入微塑料36,53,使得农业区、海岸带地区以及河流-地下水交接口区域成为地下水含水层微塑料污染的潜在多发领域。2 微塑料基本性质以及相关研究方法与技术微塑料基本性质以及相关研究方法与技术 2.1 微塑料基本特性微塑料基本特性 微塑料作为一种新型污染物,具有形状多样、尺寸小、密度低、表面疏水、比表面积大、吸附能力强、表面裂痕明显、来源广泛等物理性质;具有性质稳定、赋存时间长、难以自然降解、表面官能团复杂、环境持久性、迁移转化机制复杂、易于吸附有机污染物与重金属等化学特征。不同类型的微塑料具有不同的表面电荷、官能团以及酸碱特性,且微塑料的粒径越小比表面积越大,因此微米或纳米级微塑料颗粒具有更高的吸附比表面积。在外部环境因素如光照、温度、紫外线辐射等作用下微塑料会发生老化现象,颗粒形貌改变,表面形成新的含氧官能团,疏水性降低,引发更加显著的环境效应。物理性质方面,微塑料分为透明色和有色颗粒两种,透明微塑料在海洋环境中最为常见54,但由于透明色与浅色微塑料色彩不够鲜明难以辨别,使得其数量常被低估。微塑料类型丰富且形态各异,目前已经发现的微塑料类型包括发泡类、碎片类、纤维类、颗粒类、小球类等。海洋微塑料的形状包括颗粒、泡沫、碎片、薄膜、纤维、球体等55,56,不同形状对应不同来源,如颗粒和球体一般源自化妆品原料或工业原料,碎片多为硬塑料制品破碎形成,纤维多来源于纺织物、网、渔线和绳索,薄膜多源自塑料袋和包装材料等。化学性质方面,微塑料是由小分子单体聚合而成的高分子物质,具有分散性、多层次性、分子量大、结构不均一等复杂的化学结构28,其化学组成成分主要包括:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚酰胺(PA)、聚酯(PEst)、聚对苯二甲酸(PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、玻 Marine Sciences/Vol.47,No.6/2023 133 璃纸(CP)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙酸乙烯酯(PVAC)和聚苯醚(PPO)等57-59,丰度单位一般用“个/立方米(n/m3)海水”或“个/升(n/L)海水”来表示。微塑料具有疏水性,表面易黏附污染物60,吸附过程与两者自身性质、环境要素、两者间相互作用密切相关。例如:微塑料自身性质如类型、结晶度、表面形貌结构、粒径和比表面积等;污染物自身性质如污染物种类、电荷、络合特性等;粒子间相互作用力如氢键与范德华力、疏水作用、分配