Study on the occurrence characteristics of microplastics in Wudu Reservoir
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摘要:
为探讨水库水体与生物体的微塑料的赋存特征，以武都水库为研究区域，于2022年丰水期采样并分析水库内不同水域表层水和鱼体内的微塑料。结果表明：2022年9月武都水库表层水中的微塑料平均丰度为（63.61±16.26）个/L，库首、库中和库尾微塑料丰度无显著性差异；鱼体胃肠道微塑料平均丰度为（13.61±8.43）个/g，鱼鳃中微塑料平均丰度为（12.22±4.99）个/g；肌肉中微塑料平均丰度为（4.66±3.34）个/g，肌肉中微塑料的丰度显著低于胃肠道和鱼鳃（P<0.05）。微塑料组分和粒径分析结果显示，水体和鱼体微塑料均以聚氯乙烯占比最多，其次为聚酰胺，水体和鱼体中的微塑料均以小粒径（20~50 μm）的微塑料为主。相关性分析结果显示，水库水体与鱼体组织中的微塑料在化学组成和粒径组成上显著相关（P<0.05）。
Abstract:To explore the occurrence characteristics of microplastics in reservoir water and organisms, Wudu Reservoir was selected as the research area, and microplastics in surface water of different areas and fish in the reservoir were sampled and analyzed in the wet period in 2022. The results showed that the average abundance of microplastics in the surface water of Wudu Reservoir in September 2022 was (63.61±16.26)n/L, and there was no significant difference in the abundance of microplastics at the head, middle and end of the reservoir. Moreover, the average abundance of microplastics in the gastrointestinal tract, gills and muscle was (13.61±8.43), (12.22±4.99), and (4.66±3.34)n/g, respectively. In addition, the abundance of microplastics in muscle was significantly lower than that in the gastrointestinal tract and gills (P<0.05). The results of microplastic composition and size analysis showed that polyvinyl chloride (PVC) and polyamide (PA) accounted for the largest proportion of microplastics in both water and fish, and microplastics with small particle size (20-50 μm) were mainly in both water and fish. The results of correlation analysis showed that the chemical composition and particle size composition of microplastics in surface water were significantly correlated with those in fish (P<0.05). The research results could provide data support for the microplastic pollution control scheme of lake and reservoir.
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Keywords:
- microplastics /
- reservoir /
- surface water /
- freshwater fish /
- occurrence
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1950年以来，全球塑料产量呈指数级增长，到2022年，全球塑料产量已达到4亿t[1]。由于塑料制品的广泛使用和塑料垃圾的管理不善，约有60%的塑料被随意丢弃到自然环境中[2]，给生态环境带来较大压力。在光辐射、机械磨损和降解等物理和化学因素的影响下，这些塑料逐渐分解成更小的碎片[3]，粒径小于5 mm的颗粒称为微塑料（microplastics，MPs）[4]。近年来，淡水环境中微塑料的污染状况备受关注。微塑料可以通过各种途径渗透到淡水生态系统中，包括污水处理厂、大气沉降、土壤径流和捕鱼活动等[5]。据调查，微塑料广泛分布在河流、湖泊和水库等淡水环境中[6]，由于半封闭结构及缓慢的水动力学作用，水库和湖泊已成为微塑料的潜在储库[7-8]。Bilal等[9]使用体视显微镜和傅里叶红外光谱方法对巴基斯坦Mahodand湖的表层水微塑料污染研究发现，微塑料丰度为（2.3±1.52）个/L，微塑料类型主要为低密度聚乙烯（LDPE）和聚氯乙烯（PVC）；何文宣等[10]使用体式显微镜和显微拉曼方法对中国密云水库表层水中的微塑料进行计数和识别，结果表明微塑料平均丰度为（6.83±1.87）个/L，其类型主要为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）。水体中的微塑料会对水生生物造成一定的影响。淡水生物可通过食物链或环境直接或间接摄入微塑料，并在鳃、胃肠道、肌肉等器官和组织中积累，引起体重减轻、神经毒性、遗传毒性、氧化应激、肠道损伤、食物摄入量减少和发育异常等不良反应[11-15]。关于水库淡水水体和生物体中微塑料污染的相关研究相对有限。
武都水库是位于长江二级支流涪江上的最大水利枢纽工程，被誉为“第二都江堰”。水库以防洪和灌溉为主，结合发电，兼顾城乡工业、生活及环境供水。长江重点流域10年禁捕，武都水库通过禁捕退捕和增殖放流等方式方法增强涪江流域水生生物多样性和稳定性。本研究以武都水库的表层水和鱼类为研究对象，采用激光红外（LDIR）成像系统对微塑料的丰度、粒径及聚合物的类型特征进行检测，探讨水库水体与生物体的微塑料的赋存特征并开展相关性分析，以期为了解水库微塑料污染的现状和建立污染管控方案提供数据支撑。
1. 材料与方法
1.1 研究区域和样品采集
武都水库位于四川省江油市武都镇上游4 km的涪江干流，库容为5.72×108 m3。样品采集于2022年9月，采样地点如图1所示，设置库首、库中和库尾3个采样点，使用不锈钢采水器采集0~5 m地表水，置于2 L玻璃广口瓶中，每个取样点采集3个平行样。鳙（Aristichys nobilis）是我国重要的经济鱼类之一，在我国长江流域广泛分布，多栖息于湖泊、水库等较大静水区域，其也是2022年武都水库增殖放流行动中主要投放的鱼苗之一（占比为54.20%）[16]。在库尾采样点捕捞3尾鳙，样品在处理前置于实验室中冷冻保存。
1.2 样品前处理
取2 L水样，使用玻璃过滤装置过滤至10 μm不锈钢滤膜上，在不锈钢膜上用30%过氧化氢（H2O2）消解24 h，以去除有机物。消解后，用甲酸钾饱和溶液（HCOOK，1.51 g/mL）对所得样品进行浮选。悬浮液再次通过10 μm不锈钢滤膜过滤。残留物转移到烧杯中，加50 mL H2O2进行二次消解24 h。样品再次通过不锈钢滤膜过滤后，放入玻璃试管中。在试管中加入无水乙醇（色谱纯）并超声30 min，滤膜用无水乙醇冲洗后取出，用氮气将试管中液体浓缩，转移至玻璃样品瓶中，定容至0.5 mL。
使用不锈钢剪刀解剖3条鳙样品，收集胃肠道、鱼鳃和肌肉。样品在250 mL烧杯中用10%的KOH溶液消解。H2O2的体积根据样品的重量（约30 mL/g）确定，并在65 ℃的摇床中放置24 h。随后，悬浮液通过10 μm的不锈钢滤膜过滤。在250 mL锥形瓶中加入50 mL H2O2溶液二次消解。随后的浮选和浓缩步骤与水样相同。
1.3 微塑料测定
微塑料测试方法采用激光红外（LDIR）成像法，样品瓶中溶液超声5 min，使液体中颗粒物充分混匀，用玻璃滴管取0.1 mL液体滴至洁净的玻璃窗片上，静置待无水乙醇完全挥发后，将玻璃窗片送入Agilent 8700 LDIR激光红外成像系统中进行检测，将与标准谱图75%以上匹配度为阈值输出检测结果。仪器对待测颗粒物的最低检测尺寸为20 μm。每个样品的测定设置3个重复（n=3）。
1.4 统计分析
使用ArcGIS 10.8软件绘制武都水库采样点地图，使用SPSS 25软件对样品的微塑料丰度差异进行单因素方差分析（one-way ANOVA），利用Pearson相关性分析检验地表水和鱼组织中微塑料丰度之间的相关性，使用卡方检验（Chi-Squared Test）分析地表水中微塑料的化学组成和粒径组成的差异（P<0.05，具有显著性）。相关图表使用Origin Pro 2021软件制作完成。水样中的微塑料丰度单位为个/L，鱼组织中的微塑料的丰度单位为个/g。
1.5 质量控制
在整个样品采集、保存、前处理和测定过程中均不使用塑料制品，试验用水在使用前用0.22 μm玻璃纤维滤膜过滤，玻璃器皿在使用前均先后用纯水和超纯水润洗3次。样品的前处理过程在通风橱进行，试验人员全程穿着纯棉实验服进行试验，以避免环境中微塑料的污染。试验时设置3组过程空白，均未检测到微塑料污染。
2. 结果与分析
2.1 武都水库地表水中微塑料赋存特征
武都水库各采样点表层水的微塑料丰度分布如图2（a）所示。表层水中微塑料丰度为52.50~69.17个/L，平均丰度为（63.61±16.26）个/L，3个采样点微塑料丰度无显著差异，水库库中的微塑料丰度略低于库首和库尾。
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图 2 武都水库各采样点微塑料的赋存特征Figure 2. Occurrence characteristics of microplastics at each sampling site in Wudu Reservoir激光红外的分析结果显示，在武都水库的水样中共检测出7种微塑料类型，分别为PVC、聚酰胺（PA）、PET、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS）、PP和PE。图2（b）显示各采样点微塑料的化学组成占比，其中库尾采样点的微塑料的化学组成与库首和库中均存在显著差异（P<0.05），库首和库中采样点中PA占比最高（25.32%和38.24%），库尾中PVC占比最高（56.96%）。
按粒径大小将微塑料分为20~50、50~100、100~200、200~500 μm 4个级别。在不同粒径微塑料中〔图2（c）〕，库尾采样点的小粒径微塑料占比高于库首和库中（P<0.05）。整体上，每个采样点中微塑料的丰度均随粒径减小而增加，20~50 μm的微塑料最多，占所有检测到的微塑料的72.57%，其次分别为50~100 μm（18.14%）、100~200 μm（7.18%）和200~500 μm（2.11%）的微塑料。
2.2 武都水库鱼类中微塑料的赋存特征
本研究中3条鳙的胃肠道、鱼鳃和肌肉中微塑料的丰度如图3（a）所示，胃肠道的样本中微塑料丰度为4.95~29.09个/g，平均丰度为（13.61±8.43）个/g；鱼鳃中微塑料的丰度为3.34~20.91个/g，平均丰度为（12.22±4.99）个/g；肌肉中微塑料的丰度为1.03~11.48个/g，平均丰度为（4.66±3.34）个/g。分析结果显示，肌肉中微塑料的丰度显著低于胃肠道和鱼鳃。在鱼体样品中同样检测到了与水体相同的7种塑料，化学组成上〔图3（b）〕，PVC占比最多，其次为PA。粒径组成上〔图3（c）〕，同样以小粒径（20~50 μm）的微塑料为主，占比达66.09%，其次分别为50~100 μm（20.00%）、100~200 μm（8.26%）和200~500 μm（5.65%）的微塑料。
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图 3 鳙组织中微塑料的赋存特征Figure 3. Occurrence characteristics of microplastics in tissues of Aristichys nobilis2.3 相关性分析
对水库水体与鱼体组织中的微塑料化学组成和粒径的相关性进行分析，化学组成分析结果显示，武都水库水体中的微塑料与鳙的鳃和肌肉有显著的相关性，鱼鳃与肌肉及鱼鳃与胃肠道中的微塑料也具有显著的相关性〔图4（a）〕；粒径组成分析结果显示，武都水库水体中的微塑料与鳙的胃肠道、鱼鳃和肌肉均具有显著的相关性，肌肉与胃肠道及肌肉与鱼鳃中的微塑料也具有显著的相关性〔图4（b）〕。可见，武都水库与鳙组织中的微塑料之间具有显著的相关性，表明鱼体可能通过摄食和呼吸累积水体中的微塑料。
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图 4 鳙组织与地表水中微塑料特征的相关性分析注：*表示P<0.05。Figure 4. Correlation analysis of microplastic characteristics in surface water and tissues of Aristichys nobilis3. 讨论
3.1 湖库微塑料污染特征分析
目前国内外针对水库中微塑料的研究较为有限，表1汇总了国内外部分湖库的微塑料研究结果。由表1可见，刘家峡水库[17]和泰国Ubolratana水库[18]的微塑料丰度较低，我国内陆湖泊乌梁素海[19]的丰度远高于其他研究及本次研究结果。密云水库[10]、大房郢水库[20]和丹江口水库[21]微塑料丰度相似，高于巢湖[22]、岳阳南湖[23]和巴基斯坦Mahodand湖[9]。由于水库的坝体阻拦了微塑料迁移，微塑料聚集在水库坝前，这可能是导致多数研究水库中微塑料丰度高于湖泊的原因[24-25]。检测方法也可能是导致湖库研究结果差异性较大的原因。目前多数研究采用傅里叶显微红外光谱和拉曼光谱，但这2种方法检测微塑料均需要在显微镜下肉眼挑选疑似塑料颗粒进行鉴定，分析结果受人为干扰大，而且傅里叶显微红外光谱粒径检测下限较高（>100 µm）[26]。本研究使用的激光红外成像方法能够自动计数并检测样品中的全部微塑料颗粒，因无需对颗粒进行目视挑选，有效避免了人为干扰，并且检测下限低（10~20 µm），显著提高了分析的灵敏度。因此，激光红外成像方法确定的微塑料丰度可能较传统的显微镜检查确定的丰度高[14]。总之，由于传统检测技术的局限性，小粒径的微塑料可能被大大忽略，从而低估了地表水中微塑料的丰度。
表 1 国内外湖库表层水体中微塑料赋存特征Table 1. Occurrence characteristics of microplastics in surface water of lakes and reservoirs in China and abroad研究区域 丰度/（个/L） 类型 粒径 检测方法 国内 密云水库[10] 6.83±1.87 PET、PP、PE ≤0.5 mm 体视显微镜、显微拉曼光谱 刘家峡水库[17] （0.52±0.21）×10−3（2021年）
（0.58±0.17）×10−3（2022年）PET、PP、PE、PS、PVC 光学显微镜、傅里叶红外光谱仪、显微拉曼光谱仪 大房郢水库[20] 18.62±7.12 PE、PP、PS 50 μm~1 mm 体视显微镜、拉曼光谱仪 丹江口水库[21] 7.25 Nylon、PE、PP 75~4 703 μm 体视显微镜 乌梁素海[19] 621±62.8~1 224±185 PP、PE 0.5~2 mm 体视显微镜、拉曼光谱仪、傅里叶光谱仪 巢湖[22] 1.80（枯水期）
2.09（丰水期）PET、PP <1 mm 电子显微镜、傅里叶红外光谱仪 岳阳南湖[23] 4.66±1.74 PE、PA、PET <0.5 mm 体视显微镜、显微红外光谱仪 武都水库（本研究） 63.61±16.26 PVC、PA 20~50 μm 激光红外成像（LDIR） 国内 泰国Ubolratana水库[18] 0.23±0.71 PP、PE 40~4 950 μm 体视显微镜、傅里叶红外光谱仪 巴基斯坦Mahodand 湖[9] 2.3±1.52 LDPE、PVC 50~500 μm 体视显微镜、傅里叶红外光谱仪 水体中微塑料的丰度、化学组成和粒径分布受到地表径流、水体流速及人类活动等因素的影响[27-29]，本研究中武都水库3个采样点的微塑料丰度无显著差异，可能与水库水体流速平缓有关，但位于水库坝前的库尾采样点的微塑料在化学组成上与库首和库中存在显著差异，可能与坝前的武都水库管理中心人类活动和船舶活动有关。坝前库尾采样点的小粒径微塑料占比显著高于库中和库首，可能是微塑料随着水体迁移过程中被水坝阻断而进一步破碎导致，且小粒径的微塑料更易于悬浮在水体表层[30]。
3.2 湖库水生生物体内微塑料赋存特征
研究结果显示，鱼的鳃和胃肠道以及肌肉中均能检测到微塑料，并且鱼体内的微塑料与水体之间存在相关性。其他研究也报告了湖库鱼体组织中的微塑料污染特征（表2），但主要关注于胃肠道，而相比于鳃和胃肠道，鱼类的肌肉是水产食品加工利用的主要部分，也是最主要的可食用部分。因此，肌肉中的微塑料更易被人类通过食物链摄入，更值得关注。Xu等[31]对滆湖鱼类中的微塑料调查发现，每条鱼的微塑料丰度为10.7个，鄱阳湖中采集到的鲫鱼胃肠道中的微塑料丰度为0~18个/条[32]。国外的研究结果显示，巴基斯坦Mahodand湖中褐鳟胃肠道的微塑料丰度为（1.70±1.05）个/条[9]，土耳其Surgu Dam水库中鱼类胃肠道中的微塑料丰度为0.41个/条[33]。湖库水体和生物中的微塑料主要来源于地表径流、渔业活动及大气沉降等[36-37]。本研究结果显示鱼组织中的微塑料与武都水库水体中的微塑料类型以PVC和PA为主，这2种微塑料的生产和使用非常普遍，PVC广泛用于建筑管材、船舶制造、包装材料和日用消费品等领域[38-39]，PA主要用于制作合成纤维及耐磨损件[40-41]。研究发现，水库表层水和生物体中均以小粒径微塑料为主。相关研究结果显示，小粒径微塑料对环境中重金属及有机物等其他环境污染物吸附量更大[42-44]，并且小粒径的微塑料流动性更强，易于迁移运输[45]，也更易于被包括鱼类在内的各种水生生物群摄入[46-47]。从生物效应影响来看，小粒径的微塑料在消化道中的停留时间更长[48]，而且小粒径的微塑料还能穿过消化道进入组织或血管[49]，因此，小粒径微塑料的潜在环境生态风险应引起关注。
表 2 国内外湖库淡水生物体内微塑料赋存特征Table 2. Occurrence characteristics of microplastics in freshwater organisms of lakes and reservoirs in China and abroad研究区域 样品 丰度 类型 粒径 国内 滆湖[31] 淡水鱼 10.7 个/条（胃肠道+鳃） PES、PP 0.1~0.5 mm 鄱阳湖[32] 鲫 0~18 个/条（胃肠道） PP、PE <0.5 mm 鄱阳湖饶河段[34] 淡水鱼 5.4 个/g（胃肠道），2.84 个/g（鳃） PE、LDPE、PP、PS 0.01~9.5 mm 武都水库（本研究） 鳙 （13.61±8.43）个/g（胃肠道），
（12.22±4.99）个/g（鳃），
（4.66±3.34）个/g（肌肉）PVC、PA 20~50 μm 国内 土耳其Surgu Dam水库[33] 淡水鱼 0.41 个/条（胃肠道） PET、PP 1~2 mm 巴基斯坦Mahodand湖[9] 褐鳟 （1.7±1.05）个/条（胃肠道） LDPE、PVC 300~500 μm 美国Ontario湖[35] 淡水鱼 （59±104）个/条（胃肠道） PET、PP、PE 美国Superior湖[35] 淡水鱼 （26±74）个/条（胃肠道） 4. 结论
（1）2022年9月武都水库表层水中的微塑料平均丰度为（63.61±16.26）个/L，且空间分布上无显著性差异，其丰度水平高于国内外湖库水体的丰度数据，微塑料检测方法可能是导致目前湖库微塑料丰度研究结果差异性较大的原因，亟待推进微塑料检测方法的标准化。
（2）相关性分析结果显示，水库水体与鱼体组织中的微塑料在化学组成和粒径组成上显著相关，水体可能是微塑料进入水生生物体的重要途径，人类可通过摄食鱼类等相关水产品增加微塑料暴露风险，当前淡水湖库微塑料污染赋存研究较少，亟待引起重视。
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图 2 武都水库各采样点微塑料的赋存特征
Figure 2. Occurrence characteristics of microplastics at each sampling site in Wudu Reservoir
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图 3 鳙组织中微塑料的赋存特征
Figure 3. Occurrence characteristics of microplastics in tissues of Aristichys nobilis
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图 4 鳙组织与地表水中微塑料特征的相关性分析
注：*表示P<0.05。
Figure 4. Correlation analysis of microplastic characteristics in surface water and tissues of Aristichys nobilis
表 1 国内外湖库表层水体中微塑料赋存特征
Table 1 Occurrence characteristics of microplastics in surface water of lakes and reservoirs in China and abroad
研究区域 丰度/（个/L） 类型 粒径 检测方法 国内 密云水库[10] 6.83±1.87 PET、PP、PE ≤0.5 mm 体视显微镜、显微拉曼光谱 刘家峡水库[17] （0.52±0.21）×10−3（2021年）
（0.58±0.17）×10−3（2022年）PET、PP、PE、PS、PVC 光学显微镜、傅里叶红外光谱仪、显微拉曼光谱仪 大房郢水库[20] 18.62±7.12 PE、PP、PS 50 μm~1 mm 体视显微镜、拉曼光谱仪 丹江口水库[21] 7.25 Nylon、PE、PP 75~4 703 μm 体视显微镜 乌梁素海[19] 621±62.8~1 224±185 PP、PE 0.5~2 mm 体视显微镜、拉曼光谱仪、傅里叶光谱仪 巢湖[22] 1.80（枯水期）
2.09（丰水期）PET、PP <1 mm 电子显微镜、傅里叶红外光谱仪 岳阳南湖[23] 4.66±1.74 PE、PA、PET <0.5 mm 体视显微镜、显微红外光谱仪 武都水库（本研究） 63.61±16.26 PVC、PA 20~50 μm 激光红外成像（LDIR） 国内 泰国Ubolratana水库[18] 0.23±0.71 PP、PE 40~4 950 μm 体视显微镜、傅里叶红外光谱仪 巴基斯坦Mahodand 湖[9] 2.3±1.52 LDPE、PVC 50~500 μm 体视显微镜、傅里叶红外光谱仪 
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表 2 国内外湖库淡水生物体内微塑料赋存特征
Table 2 Occurrence characteristics of microplastics in freshwater organisms of lakes and reservoirs in China and abroad
研究区域 样品 丰度 类型 粒径 国内 滆湖[31] 淡水鱼 10.7 个/条（胃肠道+鳃） PES、PP 0.1~0.5 mm 鄱阳湖[32] 鲫 0~18 个/条（胃肠道） PP、PE <0.5 mm 鄱阳湖饶河段[34] 淡水鱼 5.4 个/g（胃肠道），2.84 个/g（鳃） PE、LDPE、PP、PS 0.01~9.5 mm 武都水库（本研究） 鳙 （13.61±8.43）个/g（胃肠道），
（12.22±4.99）个/g（鳃），
（4.66±3.34）个/g（肌肉）PVC、PA 20~50 μm 国内 土耳其Surgu Dam水库[33] 淡水鱼 0.41 个/条（胃肠道） PET、PP 1~2 mm 巴基斯坦Mahodand湖[9] 褐鳟 （1.7±1.05）个/条（胃肠道） LDPE、PVC 300~500 μm 美国Ontario湖[35] 淡水鱼 （59±104）个/条（胃肠道） PET、PP、PE 美国Superior湖[35] 淡水鱼 （26±74）个/条（胃肠道）
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