海州湾潮间带沙蚕对沉积物微塑料的指示作用

　　摘要：2018年7月于海州湾潮滩设置3个断面共9个站位，通过对海州湾潮滩沉积物中以及沙蚕体内微塑料的丰度和形态特征的研究，探讨了沙蚕体内微塑料的来源，以及沙蚕对潮滩沉积物微塑料的指示作用。结果表明，潮滩沉积物中微塑料的平均丰度为(0.49±0.17)n·g-1，处于国内近岸环境研究的较高水平。所有检测到的微塑料中，最为丰富的形态和颜色类型分别为纤维和黑灰色，材质以聚乙烯(polyethylene，PE)、聚酯纤维(polyester，PET)和聚苯乙烯(polystyrene，PS)为主。沙蚕中微塑料检出率为77.78%~86.67%，平均丰度为(6.68±2.21)n·ind-1，其丰度与个体质量显著正相关(r=0.42，P=0.002)，个体质量1.5g以上的沙蚕中微塑料丰度显著高于<0.5g和0.5~1g两个组别(F3=141.029,P=0.000)，微塑料形态以黑色或蓝色小纤维为主，主要材质同样为聚乙烯和聚酯纤维。通过对0~3mm范围内的微塑料各项特征分析发现，沉积物与沙蚕中的微塑料丰度强相关(r=0.79，P=0.01)，其主要形态组成(r=0.90，P=0.035)和材质组成(r=0.73,P=0.024)同样显著相关，表明沙蚕会摄取沉积环境中的微塑料，存在与沉积物之间的微塑料交换，沙蚕作为沉积物中微塑料污染指示生物物种是可行的。

　　关键词：微塑料;沙蚕;潮滩沉积物;海州湾;指示生物

　　塑料自从被发明以来，就在各行各业得到了广泛应用，据报道，每年塑料增长量约9%，2018年年产量达到了3.59亿t[1]。由于处理不当，随之而来的污染问题也不可忽视。Eriksen等[2]的研究表明，超过5.25万亿颗粒，重达268940t的塑料碎片进入海洋环境。这些塑料垃圾在太阳能、风能、海洋物理化学和生物降解作用下形成更小的塑料碎片，其中粒径小于5mm的塑料碎片被称为微塑料[2~6]。微塑料具有更小的粒径，能够随着洋流、波浪和潮汐运动在海洋中进行转移，因此广泛分布于海水[7~10]、入海河流[11]、海岸带[12,13]和沉积物[7,14]中，包括两极[15]和深海[16]等极端环境，被科学家称为海洋中的PM2.5。

　　环境介质中微塑料会被许多海洋生物主动或被动摄食。有研究表明，鱼类和蟹类的鳃和消化道中都发现微塑料的聚集[17~19]，在海胆的生殖腺和体腔液中同样发现较高丰度的微塑料累积[20]。海洋生物对微塑料的摄食行为不仅会造成胃肠道的物理损伤和堵塞，减少营养物质摄取[21,22]。室内毒理实验表明，微塑料还会产生包括抑制生长，能量下降，死亡率升高，幼体存活率下降，生殖能力下降等不利影响[23]。环节动物门多毛纲游走目的沙蚕科，在海洋无脊椎动物中占据重要地位，其种类达80余种，数目巨大，是潮滩沉积物中最为常见的生物类群之一[24]。由于生长速度快，生产成本低和营养丰富等特征，沙蚕是众多甲壳类动物、鱼类和鸟类等海洋生物的重要食物来源[25]。

　　尽管沙蚕在海洋生态系统中起到重要作用，但是目前国内关于沙蚕的微塑料污染研究却鲜见报道。本文以海州湾地区沙蚕和潮滩沉积物为研究对象，探究其微塑料的分布和污染特征，进一步分析沙蚕中微塑料的来源，考察沙蚕作为微塑料污染指示生物的可能性。

　　1材料与方法

　　1.1站位设置与样品采集

　　海州湾是黄海的一个半开阔性海湾，也是中国重要的养殖海湾之一。由于地理位置处于基岩-砂质海岸和淤泥质海岸的交汇地带，海州湾拥有较长的海岸线和丰富的潮间带生物资源[26]。本研究选择柘汪镇、海头镇和西墅村临海区域这3个海水养殖区作为研究对象，共设置3个断面(断面1~3)和9个采样站位(S1~S9)。

　　选择退潮时段采集样品，每一断面的高、中和低这3个潮区分别布设取样点。每一站位使用沉积生物定量采样框(25cm×25cm×30cm)采集生物样品，每个取样点各采集3个样方。同时用于分析潮滩沉积物中微塑料，全部样品在同一天采集完毕。以孔径1mm的筛子筛出生物样品并挑选沙蚕。沙蚕样品用PE材质的密封储物袋密封，放入冷冻箱中暂存，并迅速转移至实验室，在−20℃的冰箱中储存。沉积物样品采用PE材质的密封储物袋密封保存，在转移至实验室后于避光阴凉处存放。此外，现场调查同时收集研究区域内的绳索、养殖网帘、泡沫球和塑料材质的废弃物等物品，用于微塑料的来源解析。

　　1.2微塑料分离与鉴定

　　为减少实验误差，蒸馏水与所有试剂均通过3μm玻璃纤维滤膜抽滤后使用;实验台和实验仪器使用前用蒸馏水冲洗;实验人员全程着纯棉实验服，佩戴丁腈手套;设置空白对照，以减少实验过程中的微塑料污染。样品解冻后，用已过滤的蒸馏水将沙蚕表面冲洗干净，用吸水纸吸干表面水分，随后使用精密电子天平测量质量。生物样品的消解参考Karami等[27]的研究：使用10%KOH溶液对样品进行消解，并在40℃的电热恒温振荡水槽恒温水浴24h，直至消解液清澈透明。称取300~400g的沉积物(湿重)于玻璃烧杯中，用铝箔纸封口以避免污染。样品在70℃的烘箱中烘干，以获得准确干重(精确到1mg)。

　　每一样品中加入800mL饱和氯化钠(NaCl)溶液用以浮选，自然沉降24h后，取上清液进行抽滤，抽滤过程与生物样品相同。使用玻璃纤维滤膜(孔径3μm，直径47mm，海宁金正)对消解液进行抽滤，滤膜保存在干净的培养皿中。将滤膜置于Nikon体视镜下观察、测量并拍照，记录微塑料的形态、颜色和粒径特征以便后续统计分析。粒径统计中按照每500μm一个梯度将其分为10组进行统计[28,29]。随机挑选微塑料，使用傅里叶变换红外光谱仪(μ-FT-IR,NicoletiN10,ThermoFisherScientific,USA)对微塑料材质进行鉴别。本研究中站位使用Surfer16绘制，其它使用Origin2018绘制，实验结果使用SPSS2020进行统计分析。

　　2结果与分析

　　2.1沉积物中的微塑料

　　2.1.1沉积物中微塑料的丰度特征

　　海州湾潮滩沉积物中共分离微塑料1392个，9个采样站位丰度介于0.27~0.75n·g-1之间[平均丰度为(0.49±0.24)n·g-1]。所有站位中，S7站位[(0.75±0.33)n·g-1]沉积物中微塑料丰度最高，并显著高于S3[(0.27±0.12)n·g-1]、S5[(0.35±0.14)n·g-1]和S6[(0.31±0.15)n·g-1]这3个站位[独立样本t检验，P<0.05。

　　但单因素方差分析表明，各站位之间微塑料丰度无显著性差异(F8=1.860，P=0.131)。对不同断面和潮带进行双因素方差分析发现，不同潮带沉积物样品中的微塑料在存在丰度差异(F2,4=5.902，P=0.011)，高潮带([0.68±0.24)n·g-1]显著高于中潮带[(0.46±0.22)n·g-1]和低潮带[(0.33±0.13)n·g-1]，但中潮和低潮之间微塑料丰度并无显著性差异。断面1的潮滩沉积物中微塑料丰度最高，为(0.58±0.26)n·g-1，断面2最低，为(0.42±0.22)n·g-1，3个断面之间并无显著性差异[F2,4=1.312，P=0.294。不同断面和潮带对沉积物中微塑料丰度不存在交互作用(F2,4=0.112，P=0.977)。

　　2.1.2沉积物中微塑料的形态特征

　　海州湾潮滩沉积物中的微塑料可以分为纤维、碎片、泡沫、薄膜和微珠等5个类别，其中，占比最多的是纤维类([43.69±10.92)%]，随后依次为碎片类(28.45%±11.07%)、发泡类[(14.76±9.23)%]、薄膜类[(10.09±6.23)%]和微珠[(3.02±4.02)%]，不同形态类型出现频率具有显著性差异(F4=90.121，P=0.000)。

　　本研究中，潮滩沉积物中微塑料的颜色类型有10种以上，为便于统计，将其简单归类为5个色系，分别为黑灰色、白色透明、蓝绿色、橙黄色和红紫色。出现频率最高的为黑灰色[(37.93±19.30)%]和白色透明[(31.83±14.08)%]两类微塑料，并显著高于其它3类(F4=44.738，P=0.000)。而对于不同的断面、潮带以及站位，微塑料的形态和颜色均未表现出显著性差异。随着粒径增加，每组的微塑料检出个数逐渐减少，0~500μm的微塑料个数占比22.76%，而4500~5000μm的微塑料仅有2.27%。

　　2.2沙蚕中微塑料污染特征

　　2.2.1沙蚕中微塑料丰度

　　本研究共捕获52只沙蚕，每一站位采集到4~8只。3个潮带中，高潮带平均每个站位4.33只，显著低于中潮带(平均7只)和低潮带(平均6只)(F2=12.250，P=0.008)，体重范围为0.12~2.63g。按照质量将沙蚕分为<0.50.5111.5>1.5g4个组别，每组9~17只。其中，43只沙蚕体内发现微塑料，检出率为77.78%~86.67%，最高检出率出现在0.5~1g质量组，最低则为>1.5g质量组。本研究发现，沙蚕中微塑料的丰度差异较大，最低时未检出，最高可达20n·ind-1。

　　按照质量分组进行统计，沙蚕中微塑料丰度为3.82~10.78n·ind-1，质量组之间存在显著性差异(F3=141.029，P=0.000)。最高质量组(>1.5g)沙蚕中微塑料丰度显著高于最低的两个质量组(<0.5g和0.5~1g，P<0.05)，且随着质量增加，每组沙蚕中微塑料的平均丰度同样出现增长。数据分析表明，沙蚕摄入微塑料个数与其个体质量显著正相关[Pearson相关分析，r=0.42，P=0.002。

　　2.2.2沙蚕中微塑料污染特征

　　本研究发现，沙蚕中微塑料的形态以纤维为主，4组沙蚕中纤维状微塑料占比达88.10%~91.75%，随后依次为薄膜和碎片。在较低的两个质量分组(<0.5g0.51g7.146.062.383.0311.5g>1.5g)中恰恰相反。此外，两个较高的质量组中还发现了一定比例的微珠(1~1.5g：微珠占比2.38%;>1.5g：微珠占比1.03%)，但两个低质量沙蚕组中并无发现。而颜色的对比中，不同质量的沙蚕之间并未发现较明显的差异，整体以黑色、蓝色和红色塑料为主。在1~1.5g和>1.5g两组沙蚕中发现了白色微塑料，另外两组则没有发现。这表明低质量和高质量沙蚕之间存在差异性。

　　3讨论

　　3.1海州湾海滩沉积物中微塑料污染水平

　　本研究中，海州湾沉积物中微塑料形态主要为纤维类(53.90%)，其中又以黑色和蓝色为主，成分主要为PE和PET，这一发现与李征等[30]对海州湾近海水域和沉积物中的研究结果相似，同样以蓝色和黑色纤维(58.3%)为主。根据调查发现，海州湾海滩上遗落有较多的养殖垃圾，多为蓝色渔具，如塑料容器碎片，蓝色网帘和鱼线等，经红外分析多为PE、PET或PP制品。

　　此外，还有许多碎裂的白色泡沫垃圾被丢弃在海滩上，为PS材质，与本研究中分离出的许多白色发泡类形态类似。由此可以推测，潮滩沉积物中微塑料与近岸海域环境存在关联。海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度为(0.49±0.17)n·g-1，与近岸沉积物中微塑料的丰度[(0.33±0.26)n·g-1]相似。通过查阅国内外对沿海滩涂沉积物中微塑料的相关研究，以同样的粒径<5mm计数、以n·g-1为单位计量，与海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度进行比较。

　　发现海州湾潮滩沉积物中微塑料污染虽然低于南海的6个海滩[31](13.88n·g-1)，但对比渤海辽东湾[32](0.128n·g-1)和恰巴哈尔海湾[35](0.26±0.017)n·g-1等海湾而言，仍旧处于较高水平，并远高于厦门湾[33](0.028~0.31n·g-1)。与同样以养殖业和旅游业作为经济支柱产业的沿岸区域相比，海州湾略低于印度本地治里海岸[36]，但稍高于舟山海域[34]。在Dowarah等[36]的研究中提出，旅游活动与微塑料丰度之间存在弱相关(r=0.04,P=0.932)，而养殖活动则与其存在较强的相关性(r=0.92,P=0.0103)。

　　考虑到海州湾是一个传统养殖海湾，该区域较高的微塑料丰度可能受到大规模海水养殖的影响。王洪燕[34]在舟山附近的养殖海滩研究中发现，微塑料的丰度为(0.46±0.18)n·g-1，与本研究中的丰度结果类似，并且，该研究中微塑料的主要材质同样为PE、PET和PS等渔业常用器具的材质。海水养殖生产过程中，渔网、浮球、绳索和鱼线等塑料制品大量进入海洋环境并转化为微塑料[37,38]。在山东半岛潮滩沉积物的调查中已经证明，海水养殖活动会提高其周边潮滩沉积物中微塑料的丰度[39]。这表明密集的养殖活动是海州湾潮滩沉积物中微塑料水平较高的重要原因。此外，由于海州湾同时也是连云港港口所在区域，临洪河和善后河等河流从此处入海，来往船舶[40]、生活垃圾[41]和河流输入[42]同样可能是影响海州湾区域微塑料丰度的原因。

　　3.2海州湾沙蚕中微塑料污染水平

　　沙蚕中发现的塑料形态多为黑色或蓝色小纤维，与沉积物中相似，丰度为(6.68±2.21)n·ind-1或(9.57±9.32)n·g-1。Missawi等[43]在南地中海海岸的沉积物研究中发现，沙蚕会摄入一定量的微塑料,丰度仅为0.2~1.9n·g-1。而Bour等[44]在挪威奥斯陆峡湾的研究中发现，沙蚕中微塑料的丰度为2n·ind-1，孔雀缨鳃蚕中微塑料的丰度仅为1n·ind-1。本研究中沙蚕体内微塑料的含量处于较高水平。

　　在潮滩环境中，行动能力较弱、分布广泛的贝类通常被作为微塑料指示生物。由于沙蚕乃至于环节动物门的相关研究较少，本文选择了同一生境中经常被建议作为微塑料指示生物的其它物种进行比较。沙蚕中微塑料含量与中国沿海贻贝中的微塑料丰度(5~7.6n·ind-1)相近[45]，低于加拿大野生贻贝中微塑料的含量[48]，而远高于中国太湖和象山湾的双壳类研究[46,47]。

　　微生物论文范例：微生物检验中存在的问题及改进方法

　　4结论

　　(1)海州湾潮滩沉积物中微塑料丰度为(0.49±0.17)n·g-1，与国内外其它区域相比，这一微塑料丰度水平相对较高。经过比较，海州湾沙蚕中微塑料的丰度也高于其它区域的潮间带生物。考虑到采样区域均为养殖海滩，密集的海水养殖产业或为微塑料富集的原因之一，沙蚕特殊的摄食行为也有一定的贡献量。

　　(2)52个沙蚕个体中，43个检出微塑料，平均丰度为(6.68±2.21)n·ind-1。沙蚕中微塑料的丰度与其生物质量呈显著正相关。沙蚕中检出的微塑料以黑色和蓝色纤维为主，主要材质为PE、PET和Rayon。高质量组沙蚕和低质量组沙蚕之间存在形态和颜色上的区别。

　　(3)沙蚕与潮滩沉积物中0~3mm微塑料的丰度、形态和材质均呈现显著相关，本研究认为沙蚕会摄取沉积物中0~3mm的微塑料。考虑到沙蚕的生理特性和广泛分布等特征，建议将沙蚕作为微塑料污染的指示生物的考虑物种，并进一步开展微塑料污染指示生物的选择研究。

　　参考文献：

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　　[3]MooreCJ.Syntheticpolymersinthemarineenvironment:arapidlyincreasing,long-termthreat[J].EnvironmentalResearch,2008,108(2):131-139.

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　　作者：王嘉旋1，宋可心1，孙一鑫1，方涛1,2,3，李瑾祯1，张涛1,2,3，冯志华1,2,3*

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