关键词： 微塑料   污染特征   影响因素   土地利用   景观格局  

摘要： 微塑料引起的环境问题日益严峻。由于尺寸小、密度低,很容易随着风或雨水迁移到其他地方并造成污染。近年来,针对土壤中微塑料的研究大多集中在覆膜或污灌农田、设施农业、温室大棚等污染较重的典型区域,土地类型单一。有研究表明不同的土地利用和景观格局与微塑料污染存在很强的关系,然而,土地利用和景观格局对微塑料污染的影响机制尚不明确。因此,本文以北京市的昌平区和顺义区为研究区域,采集不同土地类型土壤,利用体视显微镜和显微傅里叶变换红外光谱进行分析,明确土壤中微塑料的空间分布及形态特征,进一步探究了土地利用和景观格局对土壤微塑料的影响。研究的主要结果如下: （1）对北京市顺义区和昌平区96个采样点进行样品采集,在对样品进行密度分离、过滤、消解、干燥后,利用体视显微镜和显微傅里叶变换红外光谱对微塑料进行检测和统计。统计结果显示,所有的土壤样品中均存在微塑料污染,丰度范围为100.00～5400.00 item·kg-1,平均丰度为1121.88±998.86 item·kg-1。土壤微塑料中的颜色以白色（36.8%）、黑色（19.1%）和绿色（18.3%）为主,其余颜色占比均低于10%。纤维是土壤微塑料的主要形状,占所有样品的40.7%,其次是碎片（28.6%）和薄膜（26.7%）。微塑料粒径分布以0-1000μm为主（65.6%）,且表现出粒径越大,占比越低的趋势。聚合物成分以人造丝（rayon,RY,23.77%）和聚丙烯（polypropylene,PP,21.82%）为主。归一化植被指数（NDVI）和海拔高度与微塑料丰度呈显著负相关,人口密度（POP）、国内生产总值（GDP）以及所有类型的POI均与微塑料的丰度呈显著正相关。 （2）将采集的样品按照土地利用类型分为耕地、林地、草地和建设用地四种类型,四种土地类型微塑料的平均丰度分别为:耕地(1125.00±816.85 item·kg-1),林地(890.74±754.18 item·kg-1),草地(1678.57±1615.87 item·kg-1),建设用地土壤(1700.00±1077.03 item·kg-1),单因素方差分析结果表明仅草地与林地之间存在显著性差异。不同土地利用方式下微塑料的形态特征差异性较小,颜色均以白色、黑色和蓝色为主,形状均以纤维、薄膜和碎片为主,小尺寸微塑料（0-1000μm）在不同土壤中均占据主导地位,RY和PP是所有类型土壤中比较常见的两种聚合物。 （3）以采样点为圆心,以250 m、500 m、750 m和1000 m为半径,利用Arc GIS10.3软件建立梯度缓冲区,利用Fragstats4.2计算缓冲区内景观指数。不同半径缓冲区内的景观指数有所不同,其中斑块密度（PD）随着缓冲区半径的增大持续减小,平均斑块面积（AREA＿MN）随着缓冲区半径的增大持续增大,最大斑块指数（LPI）、景观形状指数（LSI）和香农多样性指数（SHDI）波动性变化,聚集度（AI）变化不大。250 m、500 m和750 m缓冲区内景观指数与微塑料丰度无明显相关性,1000 m缓冲区内斑块密度（PD）、景观形状指数（LSI）与微塑料丰度呈正相关,平均斑块面积（AREA＿MN）、聚集度（AI）与微塑料丰度呈明显负相关,最大斑块指数（LPI）和香农多样性指数（SHDI）与微塑料丰度不相关。

关键词： 微塑料   南海岛屿   污染特征   生物传递   鸟类  

摘要： 我国面临日趋严重的海洋微塑料污染。微塑料一旦进入海洋环境,很容易被处于食物链底端的生物,如贻贝和浮游动物等作为食物摄入体内,因为很难被消化,容易导致动物生病甚至死亡。目前尚未系统、全面开展南海海域微塑料的污染现状、生物传递研究。本论文以中国南海西沙群岛为研究区域,以沉积物、土壤、海水等环境介质以及鱼类和鸟类等生物为研究对象,以微塑料为目标污染物,研究南海岛屿环境介质和生物体内微塑料污染现状,分析鸟类食物链中微塑料从低营养级生物(鱼类)传输到高营养级生物(鸟类)的传递过程。主要结论如下: 1.南海岛屿沉积物、土壤、海水中均检出了微塑料,丰度分别为41.56±19.12个/kg、92.94±111.05个/kg、2.89±1.92个/L,微塑料在南海环境介质中普遍存在。三种环境介质中微塑料材质均以人造丝(rayon)为主,占比分别为41.3%、38.6%、50.6%;形状均以纤维为主,占比分别为47.6%、63.2%、81.5%;颜色分别以白色、黑色、黑色为主,占比分别为31.7%、29.8%、40.7%;粒径分别以0-0.5 mm、1-1.5mm、0.5-1 mm为主,占比分别为28.6%、26.3%、39.5%。环境样品中rayon材质和纤维形状的高检出率可能与南海沿海地区发达的渔业养殖活动有关,同时生活污水的排放也会产生大量的纤维。 2.南海岛屿鱼类样品中微塑料检出率为82.4%,单位个体丰度为2.57±2.12个/条;鸟类样品中微塑料检出率为68.1%,单位个体丰度为1.70±1.50个/只。与国内外其他海域生物样品相比,处于中等水平,表明塑料污染在南海生物体内普遍存在。两种生物样品体内检出的微塑料材质均以rayon为主,占比分别为46.3%和40.6%;形状均以纤维为主,占比分别为60.6%和68.8%;颜色分别以蓝色和黑色(白色)为主,占比分别为21.7%和32.8%;粒径分别以0.5-1 mm和1-1.5 mm为主,占比分别为33.7%和24.6%。生物体内rayon材质和纤维形状高检出率的原因可能是,相比与颗粒、碎片状的微塑料,纤维更容易积聚在生物体内,而rayon大多呈纤维状存在。此外,生物样品尤其是鸟类似乎对微塑料的形状存在一定的选择性,更容易摄入纤维状的微塑料。 3.除沉积物与海水中微塑料丰度存在极显著相关性以外,其余样品中微塑料丰度均不存在显著相关性。五种样品中仅沉积物和海水样品中检出了绿色的微塑料,本文猜测,沉积物中大部分微塑料可能来源于海水中微塑料的沉降。五种样品中除鸟样以外,其他样品中均检出了红色的微塑料,鸟类对微塑料的颜色可能存在一定的选择性,红色过于鲜艳不容易被鸟类误食。五种样品中土壤与鸟类体内检出的微塑料粒径分布基本一致,海水与鱼类体内检出的微塑料粒径分布基本一致,鸟类在捕食过程中会误食陆地生态系统中的微塑料,而鱼类体内微塑料的主要来源则是海水中的微塑料,因此鸟类与土壤,鱼类与海水的粒径分布存在一定的相似性。 4.就单位个体丰度而言,微塑料在从鱼到鸟的传递过程中生物放大系数(BMF)均<1,可能发生了生物稀释;就单位体重丰度而言,微塑料在从鱼到鸟的传递过程中,鹦嘴鱼和宽尾鳞鲀BMF均<1,可能发生了生物稀释,其余鱼样到鸟的传递过程中,BMF均>1,可能发生了生物放大。微塑料的单位体重丰度在鱼和鸟的传递过程中并未呈现出规律性,具体的生物传递规律有待进一步探究。

关键词： 斑马鱼   行为响应规律   AChE与MDA   内在机制  

摘要： 本研究基于实验室研发的鱼类行为在线生物监测系统,探究微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下15 d内斑马鱼(Danio rerio)的行为响应,分析聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下斑马鱼的行为响应规律及其内在机制,通过分析聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下斑马鱼肠道及肝脏内脂质过氧化产物(MDA)和乙酰胆碱酯酶(ACh E)含量的变化趋势和行为强度的关系,来阐释微塑料对斑马鱼的行为响应的内在机制。实验采用斑马鱼的行为强度来反映胁迫下的行为变化,并对实验数据进行差异性分析、自相关分析(Autocorrelation)和自组织神经网络(Self Organization Map,SOM)分析,研究通过鱼类行为在线监测系统分析斑马鱼在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下的生理指标变化及行为响应规律,基于斑马鱼在两种类型、三种浓度的聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下的行为强度数据,总结了不同类型,不同浓度的两种微塑料胁迫下斑马鱼的行为强度变化规律,以及与其肠道及肝脏内ACh E和MDA含量是否存在相关性,以得到斑马鱼在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下的行为响应规律及内在机制,并得出以下结论: 1、微塑料胁迫15 d内斑马鱼行为活动受到抑制,且抑制程度随胁迫浓度升高而增加。微塑料胁迫实验组的行为强度均低于空白对照组的行为强度,行为强度数值为:空白对照组为0.80±0.09,0.02 mg/L、0.2 mg/L、2.0 mg/L聚苯乙烯胁迫组分别为0.72±0.08、0.69±0.07、0.64±0.05,0.1 mg/L、1.0 mg/L、10 mg/L聚乙烯胁迫组分别为0.77±0.08、0.75±0.11、0.70±0.07。根据行为强度数值可以得出,在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下,斑马鱼的行为强度持续下降,说明其行为受到抑制,同时根据抑制程度得出,在聚苯乙烯0.02-2.0 mg/L和聚乙烯0.1-10 mg/L的浓度范围内,随着微塑料的增加,斑马鱼行为受抑制程度越显著(P<0.001),其中,聚苯乙烯胁迫下对斑马鱼行为强度的抑制程度更加强烈。空白对照组的斑马鱼表现出规律的24 h周期昼夜节律现象,在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下斑马鱼同样出现规律的24 h周期昼夜节律现象,在行为强度的自相关和SOM分析中,证明斑马鱼行为在空白对照和微塑料胁迫下均存在24 h的昼夜节律现象,但在微塑料胁迫下,斑马鱼的行为在某些时间节点出现紊乱,自相关出现异常,这是由于聚苯乙烯和聚乙烯的胁迫出现明显的行为节律异常现象,且异常随胁迫浓度升高而更加明显。 2、微塑料胁迫下抑制斑马鱼肠道及肝脏的ACh E活性,同时导致MDA含量增加,出现明显的剂量-效应关系。微塑料胁迫下斑马鱼肠道及肝脏的ACh E活性均低于空白对照组,且都具有显著性差异。斑马鱼肠道及肝脏ACh E活性均随微塑料暴露浓度升高而下降,出现浓度效应。斑马鱼肝脏ACh E活性抑制受微塑料影响程度较肠道更大,且聚乙烯对斑马鱼肠道及肝脏的ACh E活性抑制更强烈;微塑料胁迫下斑马鱼肠道及肝脏的MDA含量均高于空白对照组,且都具有显著性差异。斑马鱼肠道及肝脏MDA含量随微塑料浓度的上升而升高,所有微塑料胁迫组MDA含量均高于空白对照组,且出现浓度效应。斑马鱼肠道及肝脏的ACh E和MDA含量在微塑料胁迫下出现不同程度的变化且具有浓度效应。 3、微塑料胁迫下斑马鱼的行为强度与斑马鱼肠道的ACh E活性、MDA含量和聚乙烯胁迫下斑马鱼肝脏的ACh E活性表现出显著相关性(P<0.05),行为强度与聚苯乙烯胁迫下斑马鱼肝脏的ACh E活性表现出极显著相关性(P<0.01),具有统计学意义。斑马鱼的行为强度与肠道及肝脏内ACh E和MDA含量均具有显著相关性,说明微塑料胁迫下会导致斑马鱼肠道及肝脏出现氧化应激和神经毒性损伤,因此斑马鱼行为强度的变化与肠道及肝脏内ACh E与MDA含量变化异常有关。说明微塑料胁迫导致的斑马鱼肠道及肝脏出现氧化应激和神经毒性是斑马鱼行为响应发生的内在机制。 综上所述,本研究结果表明,在基于鱼类行为在线生物监测系统的微塑料胁迫15 d内的实验中,通过对斑马鱼行为强度数据的分析,得出微塑料胁迫下斑马鱼行为活动强度受到抑制,且抑制程度随胁迫浓度升高而增加。斑马鱼行为强度与其肠道及肝脏内ACh E及MDA含量变化存在相关性,斑马鱼行为强度的变化可能与ACh E与MDA含量变化异常有关,得出斑马鱼在微塑料胁迫下的行为响应规律及其内在机制,达到在线监测的目的且为鱼类行为在线监测系统提供有力的数据支持,为后续微塑料胁迫实验提供对照依据,为微塑料渗透环境的潜在风险提供了证据,也对微塑料污染下的鱼类行为的毒理学数据库进行数据充实。

关键词： 微塑料   光老化反应   重金属   增塑剂   吸附  

摘要： 近年来,随着塑料制品的大量生产与使用,塑料碎片,特别是微塑料(粒径小于5 mm)在环境中的含量呈现不断增长的趋势。与塑料碎片相比,微塑料在环境中表现出更优秀的分散性和高反应活性,并且能够与其他污染物产生强烈的相互作用。因此,微塑料对生态系统以及人类健康构成了更大威胁,开展进行它们的环境行为研究具有极其重要的价值。一般情况下,微塑料往往被认为是一种稳定的物质,然而,环境中的微塑料处于变化之中,光老化是影响其稳定性的重要因素之一。光老化反应会改变微塑料的比表面积、基团组成和亲水性等理化性质,并显著影响其对环境污染物的吸附行为。微塑料和共存污染物复合暴露的环境行为已成为微塑料研究的热点问题。光老化反应会影响微塑料的理化性质,进而会影响微塑料对共存污染物的吸附行为。本论文选取聚苯乙烯微塑料(PS)作为研究对象,探究光老化对不同尺寸PS理化性质的影响和不同光老化时间对同一粒径PS理化性质的影响,进而通过吸附实验,明晰光老化反应对PS吸附重金属Cu和增塑剂DEP的吸附行为的影响。本文的主要结论如下: (1)紫外光老化使1、50和100μm PS均发生了脱氢加氧反应,氧化强度与微塑料的粒径呈反比,粒径越大,氧化强度越弱。紫外光老化150h后,1μm的PS表面变得粗糙,50μm的PS表面出现裂缝,而100μm的PS表面破裂。紫外光老化使这三种不同粒径PS的比表面积均有一定的增加。FTIR和XPS的结果均表明光老化反应使PS表面含氧基团增多,且不同粒径含氧基团增多的顺序为:1μm>50μm>100μm。 (2)相比于伪一阶动力学模型,伪二阶动力学模型能够更好的拟合PS对Cu(Ⅱ)的吸附。对于1μm、50μm和100μm的PS,随着PS粒径增大,其对Cu(Ⅱ)的吸附能力逐渐降低。老化PS对Cu(Ⅱ)的吸附能力大于原始PS。 (3)环境因子pH和盐度均会影响PS对Cu(Ⅱ)的吸附。当pH值上升时,PS表面的含氧基团会失去氢离子,导致其表面呈现出更强的负电荷特性,同时减少了其亲水性,这进一步提升了PS对于Cu(Ⅱ)的吸附力。此外,不同的pH水平会影响Cu自身的形态转变,这也可能间接地影响到PS与之的吸附关系。然而,随着Na Cl浓度提高,钠离子之间的竞争吸附及PS自身的聚集作用可能会削弱PS对Cu(Ⅱ)的吸附效果。本文的研究结果表明表面络合和静电吸附是PS吸附溶液中Cu(Ⅱ)的主要机制。 (4)随着老化时间的推移,PS表面的粗糙度、裂纹和孔隙都会有所增加。当老化时间达到180h以上,PS表面出现了大量的粒状凸起和凹陷,破损后呈片状,与原始微塑料相比,其表面裂纹和孔隙数量明显提升。对于老化时间为0h,60h,150h和180h的PS,它们的羰基指数值分别为0.081、0.14、0.23和0.45,说明PS的老化程度随着老化时间增长而增强。XPS的结果表明,老化180h的O/C为老化0h的1.15倍。 (5)伪二阶动力学模型很好的拟合了老化PS对DEP的吸附,说明老化PS对DEP的吸附存在多个吸附阶段,包括DEP吸附到PS上的不同位点,DEP扩散到PS的孔隙内和传质扩散等吸附过程。老化作用增强了PS对DEP的吸附,不同老化程度PS对DEP的吸附量的大小顺序为PS180>PS120>PS60>PS。PS对DEP的吸附在pH2-7范围内保持相对稳定。盐度越大,PS对DEP的吸附能力也越大。