一种海洋沉积物微塑料污染水平的评估方法与流程

[0001]
本发明属于海洋污染物的风险评估领域，具体涉及一种海洋沉积物微塑料污染水平的评估方法。


背景技术：

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近几十年来，随着塑料的大量生产和使用，每年有大量塑料垃圾进入海洋。塑料垃圾经过长期风化、高温氧化和光照等裂解成微塑料。微塑料通常指的是直径或长度小于5mm的塑料颗粒或者纤维，它具有密度小、比表面积大和疏水性强等特性。目前，调查显示微塑料已经遍布全球海洋，从赤道到极地，从近海到大洋，从表层海水到深海沉积物，而且其丰度仍在逐年增长。海洋微塑料一方面通过被海洋生物摄食，对海洋生物产生危害，另一方面通过释放自身有毒化学物质或表面富集病原性微生物和持久性有机污染物等，作为污染物载体给海洋生态环境带来严重危害。第二届联合国环境大会上，海洋微塑料污染被列为与全球气候变化、臭氧耗竭、海洋酸化并列的重大全球环境问题。研究结果显示微塑料的丰度和种类是影响其生态毒理效应的关键因素。目前全球塑料生产种类繁多，但是由于受技术限制，调查初始研究者鉴定出来的微塑料十分有限。随着鉴定技术的提升，海洋环境中鉴定出来的微塑料丰度和种类在逐年增加，微塑料的种类从调查初始的几种到现在的几十种，将来可能会达到几百种。
[0003]
微塑料的丰度和种类数可以通过镜鉴和傅立叶红外分析技术来确定。多样性可以借助香浓指数来分析，该指数被广泛应用于生态、经济和机械等领域的多样性计算中，它是分析多样性的重要指数。微塑料进入海洋环境后会在海水-生物-沉积圈中进行复杂的迁移转化，最终进入海洋沉积环境中，对海洋生态系统构成威胁。
[0004]
目前关于微塑料的研究主要集中在其环境丰度和成分分析上，而微塑料的多样性分析方面，目前还没有相关报道，关于微塑料的污染水平更是无人进行评价和比较。鉴于全球塑料生产量的逐年增加和塑料垃圾管控的不均衡现状，海洋微塑料的含量在逐年升高，海洋环境微塑料的污染现状堪忧。因而，构建包含微塑料丰度、种类和多样性的海洋微塑料污染综合评价体系显得十分迫切，这有助于更好的促进海洋塑料垃圾的管控。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题是提供一种海洋沉积物微塑料污染水平的评估方法。海洋沉积环境是微塑料最终的汇，因而本发明把研究目标定位到近岸海洋沉积物上。
[0006]
本发明以海区沉积物为实验对象，同时，将评价体系由单一性的丰度/成分的一维分析推进到多维(丰度、种类和多样性)综合评价，提高微塑料污染风险评估的准确性。
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本发明是由如下技术方案实现的：
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一种海洋沉积物微塑料污染水平的评估方法，具体步骤包括如下：
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(1)采集待评估海区的沉积物，然后在室内提取微塑料；
[0010]
(2)微塑料的丰度：筛选规格在53μm-0.5mm类塑料颗粒；
[0011]
(3)微塑料的种类：将步骤(2)所述筛选出来的类塑料颗粒，进行成分鉴定，明确待评估海区微塑料的种类数s；同时，确定微塑料的数量，即为微塑料的总丰度n；
[0012]
(4)微塑料多样性分析：
[0013]
shannon多样性指数:
[0014]
式中：p
i
为总样本中第i种微塑料的比例，n为同一样品中的微塑料的总丰度；n
i
为第i种微塑料的丰度；
[0015]
(5)将多样性指数、种类数和总丰度的值进行logdet取值进行整合，标记为微塑料污染整体响应值，用i
mp
表示，i
mp
＝log
10
h
′
+log
10
s+log
10
n；
[0016]
(6)将不同待评估海区的微塑料污染整体响应值进行比较，微塑料污染整体响应值越高的地区微塑料的污染水平越高。
[0017]
本发明与现有技术相比的有益效果：
[0018]
本发明首次建立在以现场采集微塑料为研究对象，以海区不同站位微塑料的种类数、多样性和丰度平均值为研究指标的基础之上，将各个指标平均值进行logdet取值，然后将各个指标log值相加，获取调查海区的微塑料污染整体响应值。这对深入分析和比较不同调查区域微塑料的污染水平起到一个很好的指示作用，对海洋微塑料污染评价和治理工作的开展具有重要科学指导意义。
[0019]
本发明技术方案选用现场采集为实验对象，以微塑料的种类数、多样性和丰度为研究指标，在本着综合反映微塑料污染水平的基础上，提出将各项指标进行整合，克服了以往研究中以不同海区微塑料单个指标进行单一化对比，而无法确定研究海区整体污染水平的缺点；同时提出了采集样本的分析范围，选取的检测对象为同一批次、相近时间点的表层沉积物微塑料样品，具有样本采集对象尺寸一致，采集时间一致和采集层次一致等优势。
[0020]
本发明在监测指标上，选择微塑料的3个指标(种类数、多样性和丰度)进行响应值的计算，使研究结果更为准确、可靠；目前，微塑料的鉴定和分析方法已经成熟，可以运用傅立叶红外技术和显微技术进行规范化操作，测定结果稳定性好、可重复性高、可比性强。
[0021]
本发明方法在估算和比较不同近岸海区沉积物微塑料污染水平中的具有良好性能。
具体实施方式
[0022]
以下仅示例性描述本发明，以明确该发明能够重复实现并可达到突出的实质性效果，但不构成对本发明的限制。
[0023]
实施例1
[0024]
一种海洋沉积物微塑料污染水平的评估方法，所述方法包括如下步骤：
[0025]
(1)微塑料采集:所有样品都是从每个站点沉积物中的上10cm中采集。使用抓斗采泥器收集沉积物，转移至铝箔采样袋中，立即保存在装有冰块的保冷箱中以待进行进一步分析。每个站点取样之前，用乙醇和海水彻底冲洗抓斗和相关的取样工具。每个站点随机收集三个重复样品，每个样品的质量约为3kg。
[0026]
(2)微塑料的分离：将所有沉积物样品置于干净的玻璃器皿下仔细均质，并在60℃下干燥至少72h，得到恒定重量。因此根据沉积物样品的干重确定微塑料的丰度。将800ml饱和nacl溶液与50g干燥的样品搅拌3分钟。沉降约24h后，将上清液转移至干净的玻璃烧杯
中。将饱和溶液添加到样品中，收集三次上清液以从沉积物中回收更多的微塑料。加入30％h2o2溶液消解有机物，并重复上述步骤，直至溶液中没有天然有机物为止。沉降24h后，将上清液通过53μm钢筛真空下过滤，并用蒸馏水反复洗涤以去除nacl。最后将滤膜上物质转移至玻璃皿中进行进一步分析。
[0027]
(3)微塑料的鉴定：使用傅里叶变换红外光谱仪鉴定微塑料的成分。通过32个共同扫描以8cm-1
的分辨率在650-4000cm-1
范围内记录每个微塑料的ftir光谱。将所有光谱与数据库进行对比，以验证塑料颗粒的成分仅将与标准数据库匹配大于70％的光谱鉴定为微塑料。同时记录每个样本微塑料的种类数为s，微塑料的数量即丰度为n。
[0028]
(4)微塑料多样性计算：利用多样性指数(shannon weaver指数)来计算4个调查区域中每个站点的微塑料的多样性。公式如下：
[0029][0030]
p
i
为总样本中第i种微塑料的比例；n为同一样品中的微塑料的总丰度；n
i
为第i种微塑料的丰度。
[0031]
(5)微塑料污染整体响应值：首先，根据微塑料样本各项指标数据计算每个监测站位微塑料样品3次重复样的种类数(s)、多样性(h
′
)和丰度(n)平均值，然后再将检测海区每个站位的微塑料样品取平均值；为了降低数值差异性，进一步对数据进行log化处理，将所有值相加即为微塑料污染整体响应值(i
mp
)，i
mp
＝log
10
h
′
+log
10
n+log
10
s。
[0032]
实施例2
[0033]
在本实施例中，采用山东半岛附近的两个沿海海湾(莱州湾、靖海湾)进行微塑料污染水平调查。莱州湾位于中国山东半岛北部，是一个较大的海湾，水域面积约6000km2。包括中国第二大河流黄河在内的十多条河流的流入，周围人类活动较为频繁，包括水产养殖、工业和旅游业等。靖海湾位于山东半岛东部，是一个较小的相对封闭的海湾，水域面积约140km2。靖海湾承担着威海市周围村镇的生活和工业污水排放，其人口和人类活动类型比莱州湾周围城市的小很多。
[0034]
以下做详细描述。
[0035]
一种海洋沉积物微塑料污染水平的评估方法，具体步骤如下：
[0036]
对莱州湾和靖海湾2个调查区域20个站点沉积物中的微塑料进行了采样，采样时间为2019年8月。调查站点分别位于莱州湾14个，靖海湾6个。所有样品都是从每个站点沉积物中的上10cm中采集。使用抓斗采泥器收集沉积物，转移至铝箔采样袋中，立即保存在装有冰块的保冷箱中以待进行进一步分析。每个站点取样之前，用乙醇和海水彻底冲洗抓斗和相关的取样工具。每个站点随机收集三个重复样品，每个样品的质量约为3kg。
[0037]
将所有沉积物样品置于干净的玻璃器皿下仔细均质，并在60℃下干燥至少72h，得到恒定重量。因此根据沉积物样品的干重确定微塑料的丰度。将800ml饱和nacl溶液与50g干燥的样品搅拌3分钟。沉降约24h后，将上清液转移至干净的玻璃烧杯中。将饱和溶液添加到样品中，收集三次上清液以从沉积物中回收更多的微塑料。加入30％h2o2溶液消解有机物，并重复上述步骤，直至溶液中没有天然有机物为止。沉降24h后，将上清液通过53μm钢筛通过真空下过滤，并用蒸馏水反复洗涤以去除nacl。最后将滤膜上物质转移至玻璃皿中进行进一步分析。
[0038]
使用傅里叶变换红外光谱仪鉴定微塑料的成分。通过32个共同扫描以8cm-1
的分辨
率在650-4000cm-1
范围内记录每个微塑料的ftir光谱。将所有光谱与数据库进行对比，以验证塑料颗粒的成分。仅将与标准数据库匹配大于70％的光谱鉴定为微塑料。同时记录每个样本微塑料的种类数为s，微塑料的数量即丰度为n。
[0039]
对实验结果进行统计处理，不同海区不同站位的数据平均值见表1，使用spss统计软件进行分析。采用方差分析法(anova)对组间数据进行差异性显著分析，p＜0.05表明差异显著，p＜0.01表明差异极显著。应用整合生物指标法对微塑料的种类数、多样性和丰度指标进行整合，获得的i
mp
值(表2和3)，估算两个调查区域微塑料的污染水平，其中莱州湾的i
mp
＝4.21
±
0.03，靖海湾的i
mp
＝4.30
±
0.01，这两个海区的i
mp
之间存在显著差异(p＝0.01<0.05)。可见，靖海湾的微塑料污染水平要显著高于莱州湾，这一数据将为近岸海洋沉积物微塑料污染评价工作提供参考依据。因此，利用本发明以为塑料的种类数、多样性和丰度为指标参数，通过整合各项指标获取微塑料污染水平的整合值i
mp
，本发明可以作为一种近岸海洋沉积物微塑料污染水平评价的参考方法。
[0040]
表1 莱州湾和靖海湾微塑料种类数(s)、多样性(h
′
)和丰度(n)
[0041][0042]
表2.莱州湾微塑料种类数(s)、多样性(h
′
)和丰度(n)数值进行log化处理后的整合值
[0043][0044]
表3.靖海湾微塑料种类数(s)、多样性(h
′
)和丰度(n)数值进行log化处理后的值
[0045]