浮游生物泵在海洋微塑料垂直運移研究中的應用

近年來微塑料污染問題受到眾多學者的關注，在過去的十年里，大洋垃圾帶的大小增加了10倍，這表明海洋表面的塑料碎片數量在迅速增加。經過眾多學者研究已經證明微塑料廣泛存在于海洋的各個水層，但是人們對微塑料在大洋中的垂直運輸過程知之甚少。同樣，目前傳統的采樣方式是用CTD采水器來獲取微塑料樣品，然而CTD采水器所獲得的水量有限，用這種方法來估算水層中微塑料的含量會造成濃度值的異常偏高或者偏低。李道季教授課題組成員劉凱博士在2019年經研究發現，至少需要8m3的水量，才能有效的估計水體中微塑料的含量（Liu，Kai et al. 2019）。
 

2018年11月到2019年4月李道季教授課題組成員在西太平洋、東印度洋用一種新型的原位大體積過濾技術（丹麥KC-Denmark公司生產的深水浮游生物泵）進行了大量采樣工作(Daoji Li et al.2020），來對微塑料垂直運移等相關規律進行研究（見圖1）。
 

圖1西太平洋與東印度洋采樣點。NEC、NECC、SEC、KC、ITF代表北赤道海流、北赤道逆流、南赤道流、黑潮和印尼通流（引自，Daoji Li et al.2020）
 

根據Sprintall et al.等人的研究，其將海水分為表層海水（0-200m）、鹽躍層水(200 - 600米，位于鹽躍層內)、中層水(鹽躍層以下600 - 1500米)、深層水(1500 - 4000米)。李道季教授課題組成員結合這些信息在西太平洋與東印度洋分別了布置了3組相對應采樣站位，其每次過濾水樣為10000L，具體采樣計劃見圖2。
 

圖2 每個采樣站的采樣深度（引自，Daoji Li et al.2020）

采樣結束后，經過嚴格后處理與統計后得到結果，SK-1、SK-2、SK-3微塑料的豐度為1.2-2、0.3-1.5、0.2-1.5 n/m3，平均值分別為1.48、0.84和0.53 n/m3。SY-1、SY2和SY-3微塑料的豐度分別為1.0 - 3.5、0.5 - 2.3和0.2 - 1.3 n/m3。（見圖3圖4）。

圖3  PO 站位(SK-1、SK-2、SK-3)和IO站位 (SY-1、SY-2、SY-3)水體中MPs的垂直分布。（引自，Daoji Li et al.2020）

PO站位表層水的平均值(±SD)為1.20±0.57 n/m3;鹵躍層水平均值為0.88±0.45 n/m3;中層水平均值為0.84±0.52 n/m3，深層水平均值為0.43±0.22 n/m3。IO站位表層水的平均值(±SD)為1.37±0.58 n/m3;中層水水為1.28±1.04 n/m3;鹵躍層水為1.27±0.38 n/m3。在兩個采樣區域的表層水中檢測到最高豐度的微塑料。
 

圖4 各水層微塑料的豐度（引自，Daoji Li et al.2020）

通過進一步分析其發現，在PO和IO站位微塑料具有相同的分布趨勢。另外在這兩個區域中微塑料的豐度沒有明顯差異，但在PO站位中，這種垂直分布模式在不同采樣點有很大的不同。通常認為，微塑料的豐度隨著深度的增加呈指數級下降，但是只在SK-2、SY-2和SY-3發現了這種趨勢（見圖5），同時發現，水溫和微塑料豐度之間存在弱對數關系。
 

圖5 隨采樣深度的變化MPs豐度垂直剖面圖（引自，Daoji Li et al.2020）

在兩個站位中，共采集到367個微塑料（PO站位173個、IO站位194個），碎片和纖維分別占61%和25%。碎片類微塑料在這兩個位點的樣品中占主導地位，分別占PO和IO站位收集到的微塑料碎片的57和64%。總體而言，在這兩個地區，纖維類微塑料豐度從地表水到鹽躍水層，隨著深度的增加而降低，但隨后在中間水層有所增加。

在粒徑方面，PO站位中微塑料顆粒的粒徑范圍為30.12 - 4559.73μm，平均粒徑為668.36μm。在IO站位，粒徑的范圍為38 - 6330μm，平均大小為645.14μm。總體而言，微塑料的大小隨著采樣深度的增加而顯著減小，通常在表層水中檢測到較大的微塑料顆粒(見圖5)。

圖6 隨采樣深度變化各站位平均粒徑變化圖（引自，Daoji Li et al.2020）

在微塑料成分上，共檢測出25種聚合物，其中PET、PTFE、PMMA、PP、PVC占到了72%（見圖7）。

圖7 聚合物在各個水層的含量（引自，Daoji Li et al.2020）

此次研究中共發現了25種不同的聚合物。盡管PP的密度低于海水的密度，但在所有的取樣水層中仍能識別出這些顆粒。密度較大的粒子(PET、PMMA、PTFE和PVC)也觀察到類似的趨勢，因此微塑料垂直分布似乎與聚合物密度沒有什么聯系。在PO區域的所有深度都發現了大量PET塑料，在IO區域也發現了類似的趨勢。
 

同時發現，微塑料的大小隨采樣深度的增加而減小，較大的微塑料顆粒在表層水被發現。這一現象可能是由水力條件、生物淤積和微塑料特性共同作用的結果。在水層中微塑料顆粒不僅包括從表面向下沉積的，還包括水下環流橫向轉移的微塑料顆粒。
 

李道季教授團隊認為，海洋密度層可能是影響微塑料顆粒垂直分布的重要因素，因為大多數微塑料會在這一層被截留。較小的微塑料顆粒受到水動力的作用，更容易穿透溫鹽變化的密度層。此次研究中，SK-2、SK-3、SY-1、SY-2、SY-3這5個水層的數據證實了這一理論，其中鹽躍層上方微塑料的豐度高于表層，在波羅的海同樣也發現類似的結論。
 

此次調查率先使用了一種新穎的技術來調查海水中的微塑料，采樣深度達到了4000m。共采集了350m3的水樣（每個點位約10m3的水量），是所有調查中采樣量最大的一次。鑒于水體中微塑料豐度的高可變性，本研究預估的微塑料豐度至少比先前報道的低1-2個數量級。本研究有望提供一個關于微塑料豐度的可靠數據集，以協助全球政策制定者進行與海洋環境中微塑料相關的生態風險評估。
 

參考文獻來源：

Daoji Li ,Kai Liu et al .  Profiling the Vertical Transport of Microplastics in the West Pacific Ocean and the East Indian Ocean with a Novel in Situ Filtration Technique[J].Environment Science & Technology,2020,54,12979-12988
 

Kai Liu, Feng Zhang, Daoji Li，et al. A novel method enabling the accurate quantification of microplastics in the water column of deep ocean[J]. Marine Pollution Bulletin,2019,146:462-465

丹麥KC-Denmark公司所生產的浮游生物泵是原位定點采樣設備，該設備用來采集水體中的浮游生物、微塑料，泵速最高可達26000L/h，根據耐壓深度的不同，有150m和6000m兩種型號，其經過長時間抽濾，樣品被收集在網底管中。
 

150m浮游生物泵                                                       6000m浮游生物泵