关键词:
微塑料
雾霾天气
污水处理厂
微藻
代谢组学
健康风险
摘要:
微塑料因其体积小、比表面积大在环境中广泛分布,由于微塑料难降解、易于吸附有毒物质,对生物及人类健康安全存在极大风险,近年来受到广泛关注。空气中微塑料通过自然沉降、降雨降雪等作用汇聚到城市道路,经雨水冲刷汇入水体。承接生活污水的污水处理厂既是城市环境中微塑料的汇,又是微塑料流向江河湖海等水体的源。目前对微塑料的赋存特征研究大多数集中在沿海城市,而对中国寒区内陆城市环境中微塑料污染特征的研究较少。特别是雾霾天气下空气中微塑料的污染情况尚未明晰。为了提高对微塑料在水环境中迁移规律的认识,加深对微塑料与空气微生物和人类活动相关性的理解,进一步探索微塑料对微藻的毒性效应机制,本文选取寒区城市哈尔滨市市内典型区域探究微塑料的时空分布特征,分析了微塑料的污水处理厂中的迁移特征,探讨了空气中微塑料浓度及环境因子与空气微生物浓度间的相互关系,并评估微塑料对人类健康的潜在风险。另外以模式生物小球藻为实验对象,借助代谢组学手段深入探究微塑料对微藻生长的影响,为微塑料在城市污水处理厂和空气中的赋存特征及其对微藻的毒性效应提供理论依据。
通过安德森六级生物采样器,同时收集雾霾天气条件下空气中的微塑料和微生物,发现行人通行量(13.2人/min)更多的中学采样点空气中微塑料平均浓度(162.6±44.6个/m3)高于大学(63.2±21.8个/m3)和公园(12.8±5.5个/m3)。空气中有超过70%的微塑料是纤维状,还有部分碎片状和球形微塑料;0-100μm的空气微塑料占总微塑料的69.06%;聚酯、聚乙烯和聚苯乙烯(Polystyrene,PS)等是空气微塑料的主要类型。在微塑料和微生物样本中均观察到时间变化,晚间空气中微塑料及微生物浓度高于早间和午间。采集器中粒径>7.0μm的空气样本中检测到平均细菌浓度最高,微生物浓度整体上随着粒径减小而降低,2.1-3.3μm和1.1-2.1μm样本中微生物浓度略有升高。空气中微塑料浓度与风速和O3浓度成负相关,与温度、PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2、细菌浓度和真菌浓度成正相关。在空气中检出肠杆菌属、沙雷氏菌属、苍白杆菌属及马尔尼菲篮状菌等机会致病菌。人体通过吸入空气摄入的微塑料和微生物对儿童造成的健康风险大于成年人,晚间吸入风险高于日间。
污水处理厂是城市环境中微塑料的汇,微塑料在污水处理厂各处理单元中的浓度分布不同,在污水处理厂的进水中检测到微塑料的平均浓度为126.0±14.0个/L,沉砂池、初沉池、生化池、二沉池及最终出水中微塑料的平均浓度分别为86.9±13.4个/L、72.6±4.5个/L、51.3±5.6个/L、37.9±8.5个/L和30.6±7.8个/L;纤维是污水样品中微塑料的主要形状。固体样品格栅栅渣和沉砂池砂粒中微塑料浓度分别为24.2±2.9个/g和5.8±1.2个/g,回流污泥和污泥滤饼中微塑料浓度分别为36.3±5.7和46.3±5.2个/g,粒径尺寸0.1-0.5mm和碎片是污泥和沉砂池样品中微塑料的主要粒径和形状。聚酯是最常见的微塑料类型(29.5%),其次是尼龙(20.5%),聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene glycol terephthalate,PET)(14.3%)和聚乙烯(11.6%),表明污水处理厂中微塑料主要来自合成服装和食品包装及个人洗漱用品等。污水处理厂进水中微塑料浓度受到季节影响,同年内1、2、7、8、11和12月进水中的微塑料浓度显著高于其他月份的微塑料浓度。污水中微塑料经污水处理厂处理后流向格栅栅渣、沉砂池砂粒及污泥。各处理单元对微塑料的去除率受到季节变化影响,呈现夏季高,春冬低的趋势。
空气中微塑料沉降后汇入水体环境,污水处理厂中微塑料也随着出水排放再次进入到水体环境中。在空气和污水中均检测到橡胶的存在,在橡胶渗滤液中检测到含有较高浓度的金属Zn。小球藻是水生生态重要生产者,也是常用来进行毒性测试的模式生物。PET和PS微塑料是污水处理厂和空气中微塑料的主要类型,选取42–170μm PET和0.1μm PS微塑料对小球藻进行单一暴露实验,并选用毒性效应更显著的PS微塑料和金属Zn开展联合毒性研究。PET、PS、Zn和Zn-PS均抑制微藻生长,且抑制率随着时间和浓度增加增大,其中100 mg/L PET、100 mg/L PS、1.0 mg/L Zn和Zn-PS(1.0 mg/L Zn+100 mg/L PS)对微藻抑制率分别为18.43%、23.06%、35.77%和30.67%。PET、PS、Zn和Zn-PS降低了藻细胞对培养基中葡萄糖和NO3--N的利用率及藻细胞中色素、碳水化合物和蛋白质的积累。PET微塑料诱导Chlorella sp.油脂含量增加,PS微塑料诱导Chlorella sp.类胡萝卜素的积累来抵