关键词： 微塑料   菲   土壤-植物系统   小麦   细菌菌落  

摘要： 陆地生态系统中的微塑料(MPs)污染是一个亟待解决的环境问题。微塑料具有体积小、比表面积大、亲脂性等特点,这使其容易吸附土壤中的多环芳烃(PAHs)等疏水性有机污染物。然而,有关土壤-植物系统中微塑料自身及其与多环芳烃复合的生物效应尚有许多未明之处。为此,本文通过淋滤和盆栽试验,研究土壤中微塑料对菲纵向迁移的影响、聚乙烯微塑料(PE-MPs)单独及其与菲(Phe)共污染对农业土壤中小麦的毒性作用和土壤中微塑料对小麦根际土壤细菌菌群的影响,旨在为土壤中MPs对PAHs等疏水性有机物在土壤中的迁移和MPs单独及其与PAHs共同作用下的生物效应及其生态风险评价提供科学依据。论文主要结果如下:(1)通过土柱淋滤试验,研究了聚氯乙烯微塑料(PVC-MPs)、聚乙烯微塑料(PE-MPs)和聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)对土壤中PAHs纵向迁移的影响并评价了其生物有效性。三种MPs(PVC、PE、PS)对Phe的吸持作用由强到弱分别为:PS>PE>PVC。因土壤中MPs对Phe的吸附作用,含MPs土柱的淋滤液中菲浓度初期低于不含MPs的淋滤液,但后期高于不含MPs的淋滤液。土柱表层污染土壤和淋滤液分别培育的小麦根和叶中Phe含量差异趋势与其培育环境中Phe含量差异趋势一致。在淋滤试验后期,各处理组小麦体内根和叶中Phe含量由高到低为:PS+Phe>PE+Phe>PVC+Phe>Phe。(2)通过土壤培养试验,研究了0.5%、1%、2%、5%、8%(w/w)PE-MPs对小麦生长的影响。在PE-MPs单独作用及与菲联合作用下,观察了其生物量、株高和根长的剂量-毒性关系。高浓度PE-MPs刺激小麦根系伸长,但抑制小麦幼苗生长。与单一菲处理相比,PE-MPs和菲的复合污染减少了小麦根和叶中菲的积累。低浓度的PE-MPs提高了小麦根系抗氧化酶的活性,而菲和高浓度(8%)的PE-MPs都对小麦根系的抗氧化系统产生损伤。无论菲是否存在,PE-MPs处理小麦叶片光合色素含量表现出“低促高抑”的双重剂量浓度效应。PE-MPs的单一污染破坏了小麦叶片的光合系统,而PE-MPs和菲的复合污染加剧了这种破坏作用。因此,PE-MPs和菲的复合污染对小麦的生长危害较大。(3)运用高通量测序技术分析了三种MPs(PVC、PE、PS)对小麦根际土壤细菌菌落多样性和结构的影响,并结合Bugbase分析预测了小麦根际土壤细菌菌落功能表型的变化。三种MPs使小麦根际细菌菌群结构产生了不同的差异,每个处理组的优势细菌菌门均不同,这说明MPs对植物根际土壤微生物具有选择作用。三种MPs都对小麦根际土壤细菌的Alpha多样性产生了负面影响,且Beta多样性分析显示小麦根际土壤细菌菌群结构存在显著差异(P<0.05),这说明MPs会破坏植物根际土壤微生物的丰度、多样性和组成。三种MPs对小麦根际土壤细菌菌落功能的影响不同,且取决于它们的优势细菌菌门的差异性。MPs会通过自身性质对周围土壤环境产生影响,对小麦根际土壤细菌形成选择压力,进而导致其群落结构、丰度、多样性发生变化,最终表现出不同的功能表型。综上所述,MPs能够增加菲在土壤中的残留浓度,促进菲向更深层土壤的迁移。土壤中MPs与菲复合污染对小麦的毒性作用较大,且MPs会降低小麦根际土壤细菌的丰度、结构与多样性,进而影响菌群功能。

关键词： 微塑料   盐度   污染物   吸附模型   氧化应激   光合作用  

摘要： 微塑料作为新兴污染物广泛存在于海洋环境中,其对海洋生态的影响受到全球关注。同时,近年来随着海水淡化厂的数量急剧增加,大量浓盐水进入环境,导致受纳海域水体盐度升高。然而,目前尚不明确微塑料对环境污染物的吸附性能及其生物学效应在高盐度条件下如何变化。本文以水体环境中广泛存在的四种微塑料聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚酰胺(PA)、聚氯乙烯(PVC)为研究对象,分析其在高盐度条件下对不同种类污染物的吸附性能变化及相关机制,同时选取海洋生态环境中具有重要作用的聚球藻作为受试物种,探究了高盐度下微塑料对海洋生物的毒性效应。主要研究结果如下:论文选取铅、4-氯苯酚和左氧氟沙星分别作为重金属、有机氯污染物和个人护理用品(PPCPs)的代表,研究了高盐条件下微塑料对三种污染物的吸附性能。结果表明四种微塑料对铅的吸附过程符合准二级动力学和Langmuir等温线模型,吸附的主要机制为静电作用力,高盐度条件下微塑料对铅的吸附能力降低。四种微塑料对4-氯苯酚的吸附过程符合准二级动力学和Freundlich等温线模型,吸附机制为疏水作用,高盐度增加了PS和PVC的平衡吸附量,降低了PE和PA的吸附量。四种微塑料对左氧氟沙星的吸附过程符合准二级动力学和Freundlich等温线模型,吸附机制为官能团间氢键作用,高盐度降低了四种微塑料对左氧氟沙星的平衡吸附量。其次,论文研究了微塑料及盐度对聚球藻的单一和复合毒性效应。结果表明不同浓度的PS、PE、PA(10 mg/L、50 mg/L、500 mg/L)均会影响聚球藻代谢酶的活性和叶绿素水平。微塑料浓度越高,抑制作用越明显。低浓度的PVC对聚球藻的生长抑制不明显,高浓度的PVC诱导聚球藻出现氧化应激。高盐度影响聚球藻细胞代谢水平和叶绿素含量,影响程度随盐度的增加而增大。在10 mg/L的PS和PE胁迫下,高盐度(6%)对聚球藻细胞代谢和光合效率的影响不显著。在10 mg/L的PA和PVC胁迫下,微塑料和高盐度的毒性效应表现为协同作用,聚球藻的细胞代谢和叶绿素水平受到显著抑制。在500 mg/L微塑料暴露条件下,高盐度降低了PS、PE和PA对聚球藻的毒性效应,但促进了PVC对聚球藻的毒性效应。本研究表明高盐度海水可以显著改变微塑料对其他污染物的吸附行为及其对生物的毒性效应。在海水淡化工程规划布局时应考虑高盐废水对近岸局部海域生态环境产生的影响,做好环境风险影响的评价工作,为海水淡化产业的可持续发展提供科学保障。

关键词： 微塑料   土壤   重金属   吸附机理   生态毒性  

摘要： 微塑料(Microplastics,MPs)是指粒径为0.1μm?5 mm的塑料碎片/颗粒,作为一种新型环境污染物,其广泛存在于世界范围内的土壤环境中。MPs具有粒径小、来源广、易迁移、难消除和可吸附/解吸附其它环境污染物等特点,产生的生态环境风险日渐受到全球学者的关注。土壤作为生态系统中重要组成部分,探明土壤中MPs污染特征是后期研究MPs潜在生态风险的基础。由于MPs复杂的表面特征及较大的比表面积,使其能够和其它环境污染物(比如重金属)相互作用并可能成为这些污染物的潜在的转运载体,从而带来更加复杂的生态风险。然而,关于土壤中MPs污染程度数据较少,导致后期进行生态毒性试验时缺乏土壤受MPs污染程度的实际值。研究MPs对重金属吸附/解吸附行为和机理,以及MPs和重金属协同污染对土壤动物的生态毒性,能够为评估土壤MPs潜在生态危害提供理论数据支撑。但是目前有关MPs对重金属吸附/解吸附机理的系统研究较少,并且大部分有关MPs生态毒性的研究是针对水生生物的。因此,本研究首先以长江沿岸湿地土壤为典型代表,再以典型城郊林地、菜地和荒地为研究对象进行土壤MPs污染特征调查。接着分析比较MPs对重金属的吸附机理及其对重金属的解吸现象,并研究MPs及MPs和重金属镉对土壤动物蚯蚓的复合毒性效应。主要研究结果如下:(1)长江沿岸湿地土壤可能普遍存在微塑料污染,MPs丰度均值达3877.4±2356.6 p/kg。亚表层土(10?15 cm)的MPs丰度(4005.1±2472.8 p/kg)高于表层土(10?15 cm)中的MPs丰度(3748.5±2301.2 p/kg)。聚酰胺(32.2%)为最常见的聚合物类型,小粒径MPs颗粒(<200μm)约占总MPs颗粒的70%。微碎片(34%)为最常见的形状,其次是微纤维(30.3%)。MPs粒径对其在土壤环境分布的影响比聚合物类型造成的影响更为显著。研究区域人口密度及海拔高度与MPs污染的程度具有相关性,高人口密度的城市地区的土壤MPs污染更重,表明人口等因素能间接影响MPs污染程度。(2)典型城郊土壤MPs丰度均值为(2.2±0.6)×10～4?(6.9±0.9)×10～5 p/kg,其中81.7%的微塑料颗粒大小在10?100μm。林地中MPs的丰度((4.1±0.8)×10～5 p/kg)显著高于菜地((1.6±0.4)×10～5 p/kg)和空地((1.2±0.5)×10～5 p/kg)。微碎片(53.4%)和微纤维(15.2%)为最常见形状,聚丙烯和聚苯乙烯在每个样点都被发现。土壤MPs表面Cd、Pb、Mn和Hg的含量与土壤中Cd、Pb、Mn和Hg浓度密切相关,说明MPs颗粒表面重金属含量可能与土壤环境中重金属污染程度有相关性且可能具有吸附重金属的能力。(3)通过分析比较5种不同类型MPs对重金属镉(Cd(Ⅱ))的吸附能力,探讨MPs表面特性与其吸附性能的关系。结果发现聚酰胺对Cd(Ⅱ)的吸附能力最高,为1.7±0.04 mg/g,其次是聚氯乙烯(1.0±0.03 mg/g)、聚苯乙烯(0.8±0.02 mg/g)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(0.7±0.02 mg/g)和聚对苯二甲酸乙二酯(0.3±0.01 mg/g)。MPs的比表面积与总孔量与MPs吸附能力密切相关,π-π相互作用、静电相互作用和含氧官能团对Cd(Ⅱ)的吸附起着至关重要的作用。随着溶液p H值从2.0增加到9.0,MPs对Cd(Ⅱ)的吸附能力先增大后减小。此外,铅离子(20–80 mg/L)的存在能抑制MPs颗粒对Cd(Ⅱ)的吸附。腐殖酸的存在能促进模拟蚯蚓肠道和常规环境中MPs对镉Cd(Ⅱ)的解吸附能力。在模拟的蚯蚓肠道环境中观察到较高的解吸率,表明吸附了Cd(Ⅱ)后的MPs能再次把Cd(Ⅱ)解吸出来,可能具有相对较高的生态风险。(4)土壤动物蚯蚓(Eisenia foetida)单独暴露MPs或复合暴露MPs+Cd(Ⅱ)42 d后,蚯蚓生长速率下降,死亡率增加(MPs浓度>300 mg/kg),共同暴露MPs和Cd(Ⅱ)对蚯蚓的生长有较大的负面影响。MPs蚯蚓的氧化损伤,导致脂质过氧化氢(LPO)和谷胱甘肽(GSH)含量增加,且Cd(Ⅱ)的存在增加了这种负面影响。此外,MPs颗粒在蚯蚓体内保留量达4.3±0.9?67.2±8.2 p/g蚯蚓(干重),并可使蚯蚓体内镉的积累量增加。MPs和Cd(Ⅱ)的联合暴露对受试蚯蚓有较高的毒性效应,表明土壤环境中的MPs有可能可以提高土壤环境中重金属离子的负面影响,两者相互作用后使MPs可能具有更复杂的生态风险。

关键词： 微塑料污染   土壤动物   土壤微生物   土壤碳排放   生态效应  

摘要： 微塑料是当前广受关注的一类新兴污染物。微塑料污染的生态环境效应研究多针对水生系统,许多研究已证实微塑料污染会威胁水生境中生物的生存。相比之下我们对于微塑料是否以及如何影响土壤生物及其功能的认识还存在很大的不足。本研究一方面,通过野外原位添加不同浓度（0、+5、+10、+15 g/m2）的低密度聚乙烯微塑料碎片来研究土壤节肢动物、线虫、微生物及土壤酶活性对微塑料添加的响应。另一方面,在实验室条件下研究几种常见微塑料（聚乙烯颗粒、聚氯乙烯颗粒、聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒、聚丙烯腈颗粒、聚丙烯颗粒、聚酰胺66颗粒、聚苯乙烯颗粒、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、聚丙烯腈纤维和聚丙烯纤维）的添加对土壤呼吸、微生物群落及土壤酶活性的影响。主要结果如下:1与对照组相比,添加15 g/m2的微塑料处理显著降低了表层土壤（0～3 cm）中甲螨、双翅目幼虫、鳞翅目幼虫及膜翅目昆虫的多度;但添加5和10 g/m2的微塑料处理对这些类群的影响不显著。不同水平的微塑料添加对其他螨类及弹尾类动物的多度均无显著影响。此外,不同水平的微塑料添加均显著降低了土壤线虫的总多度;但不同营养类群的线虫对微塑料添加的响应存在差异,其中杂食性线虫的多度显著降低,而食真菌和食细菌线虫无明显变化。2与对照组相比,微塑料添加处理对土壤微生物生物量碳和氮、磷脂脂肪酸（PLFAs）总量、细菌和真菌PLFAs以及真菌与细菌PLFAs的比值均无显著影响。但添加微塑料后几种与土壤碳、氮和磷循环相关的酶的活性显著增加,其中添加5 g/m2的微塑料处理显著促进α-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶及酸性磷酸酶的活性;添加10和15 g/m2的微塑料处理显著促进β-葡萄糖苷酶的活性。3微塑料添加对土壤节肢动物的群落结构和线虫群落的营养结构有显著影响;但对土壤微生物群落结构无显著影响。结构方程模型分析表明,微塑料添加直接改变了土壤节肢动物的群落结构并导致其多度降低;微塑料还直接改变或间接地通过改变节肢动物的群落结构或其多度进而影响线虫的营养结构;同时,微塑料的添加直接或间接的通过影响节肢动物群落结构和线虫营养结构进而影响微生物的功能。4实验室微塑料添加实验发现,与对照组相比,不同微塑料的添加均显著促进土壤CO2的排放,且不同聚合物类型微塑料的促进作用存在差异;但同类型微塑料的颗粒状与纤维状形态对土壤CO2排放的促进作用无显著差异。同时,不同类型微塑料的添加对参与土壤碳、氮和磷循环的酶的活性影响存在差异。高通量测序结果显示,不同类型微塑料的添加导致土壤真菌群落的多样性及群落结构显著发生变化,其中所有微塑料处理组的担子菌门（Basidiomycota）的相对多度较对照组上升,而子囊菌门（Ascomycota）的相对多度则较对照组下降。但不同类型微塑料的添加对土壤细菌及原生生物群落的结构及多样性特征均无显著影响。本研究表明不同土壤生物类群对微塑料添加的响应存在差异,且微塑料污染对土壤生物的影响可能通过食物链产生营养级联效应;一些土壤生物类群可以作为监测土壤中微塑料污染的生物指标;微塑料污染可能会导致土壤的碳排放量增加。

关键词： 海水污染   微塑料   表层水体   沉积物   海洋鱼类  

摘要： 海洋微塑料污染是全球社会面临的巨大挑战。海洋环境中的微塑料广泛分布，但关于微塑料对海洋环境的影响风险仍未得到有效评估，因此受到国内外学者们的高度关注。海洋微塑料包括有原生微塑料和次生微塑料，其中原生微塑料主要来源于化妆品中添加的磨砂塑料颗粒和空气爆炸品中添加的微小塑料颗粒，仅占全部微塑料的一小部分;次生微塑料是指那些由塑料分解形成的塑料碎片。由于尺寸小，微塑料很容易被生物所误食，且其表面可能吸附有水溶性的有机污染物，从而成为有毒有害物质的载体。因此，海洋鱼类对微塑料的累积以及相关污染物通过食物网进行传递成为了海洋环境中的普遍现象。　　本研究评估了南海北部湾表层水体、沉积物和鱼类中微塑料的丰度、形貌分类和化学组成，探讨了不同环境介质中的微塑料污染现状及分布差异，并与不同国家和地区的研究结果进行了比较。研究结果表明，北部湾表层水体中微塑料的平均丰度为6.67±0.84个·m-3，沉积物的微中微塑料的平均丰度为0.40±0.07个·kg-1。两种环境介质中微塑料的物理特征较为相似:形状以纤维类为主、颜色以透明的数量占优、尺寸主要为0.02-1.00mm。水体中微塑料含量最多的聚合物是聚丙烯(54％)，而沉积物样品中聚酯(44％)是最丰富的类型。但据统计分析，北部湾水体和沉积物中的微塑性丰度无显着的相关关系(p＞0.05)。　　对于鱼类中的微量塑料积累，北部湾近岸的鱼类比外海的鱼类具有更高丰度的微塑料。来自北部湾近岸的32种鱼类中，按不同栖息水层可分为21种底层鱼类和11种上层鱼类，按不同摄食类型可分别8种杂食性的鱼类和24种食肉性的鱼类。在32种的近岸鱼类中有23种被检出微塑性，检出率为93.7％，微塑料含量为1.019±0.184个/个体。来自外海区的24种鱼类中，包括有16种底层鱼类和8种上层鱼类，鱼体内的微塑料检出率为49.1％，微塑料含量为0.228±0.080个/个体。根据统计分析，鱼类个体大小与微塑料累积丰度无显着的相关(p＞0.05)。纤维是主要的微塑料形状，其比例占各站点微塑料总数的95％以上;微塑料的主要尺寸范围在0.02-1.00mm;微塑料的主要颜色为透明色;微塑料成分主要有聚对苯二甲酸乙二酯(32％)、聚丙烯(21％)、聚酯(44％)和尼龙(38％)。　　北部湾水体和沉积物中的微塑料广泛分布，可能会增加微塑料的生物摄入风险和其他不良影响，因此有必要分析沉积物和水中与鱼类中微塑料积累的关系。统计结果得出，水体与鱼类中的微塑料丰度之间存在正相关关系(R2=0.0839，p＜0.05)，而沉积物中微塑料丰度与鱼类中微塑料积累无显着的相关性(p＞0.05)。　　即使塑料垃圾的环境排放能得到有效地控制，但环境中残留的塑料垃圾日益碎片化，使得海洋中的微塑料数量仍有望持续增加。由于微塑料污染不可避免也难以回收处理，因此提倡采取预防措施，优先考虑量化海洋环境的微塑料污染水平。虽然在过去的十年里有关海洋微塑料已开展了大量的研究，但其污染问题仍未得到解决。需要明确陆上和海洋环境中可能的塑料和微塑料污染热点，以建立未来的微塑料污染管控措施。因此，本研究的重要发现为科学评估海洋微塑料污染现状提供重要的数据支撑。

关键词： 海洋微塑料   空间聚集   幂数律   二阶结构函数  

摘要： 微塑料是塑料在进入环境之后,经过生物降解或者太阳暴晒、风化等非生物作用分解形成的很小的塑料碎片。人们一般把粒径小于5mm的塑料碎片定义为微塑料。因其对生态环境的潜在危害,引起人们越来越多的重视,是当前海洋生态环境研究中的热点之一。随着塑料制品的产生和使用越来越多,微塑料的数量也越来越庞大,通过地表径流等方式进入海洋,对海洋生态造成严重危害。因微塑料个体较小,采样与检测相对较为困难,目前公开数据较少。本文作者通过研读和收集各大期刊上已发表的海洋微塑料数据,构建海洋微塑料空间分布数据集。随后作者从流体力学角度出发,对微塑料在流体中的运动的点颗粒模型和连续介质模型展开讨论,得到微塑料与流体相互作用会在小尺度和大尺度上形成聚集这一结论,并进一步给出其空间分布服从距离的幂数律的理论预测。本文将二阶结构函数S2(r)=<|C(i+r)-C(i)|2>应用于整理的数据集,观察到海洋微塑料的空间分布满足距离的幂数律,证实了上述理论预测。基于海洋微塑料主要来源于陆地这一事实,借鉴边界层理论,认为微塑料浓度和其到海岸的距离之间存在对应关系,定性上随着距离的增加,微塑料浓度也在不断降低。通过对微塑料的实测数据的分析,发现随离岸距离幂数律衰减规律。上述结果的发现,支持微塑料作为被动标量,跟随海洋洋流运动的观点。

关键词： 河流沉积物   重金属   微塑料   古菌群落   污染特征  

摘要： 巢湖是我国五大淡水湖之一，拥有丰富的生态功能，是合肥生活饮用水的主要来源，同时也聚集了合肥市工业废水、生活污水以及农业面源排污等污染物。而沉积物又作为城市河流生态系统的重要组成成分，是该流域陆源污染物的“汇”，也是各种水体污染物的“源”和“汇”，入湖河段的河流沉积物物质组成和特征直接影响巢湖水体的生态环境质量。为了研究巢湖入湖河段沉积物的物质组成特征，本论文以巢湖入湖河流之一—十五里河为研究对象，对不同河段沉积物重金属、微塑料污染水平以及不同重金属元素和微塑料丰度、形状、成分等因素对古菌群落结构的影响进行研究，以期丰富河流沉积物重金属和微塑料污染特征及其对古菌影响的认识，为城市河流环境保护提供参考。主要结果如下：　　（1）十五里河沉积物粘粒呈现由上游至下游递增的趋势，而粉沙在下游和上游河段呈现递减的趋势，在中游河段递增;与粉沙相反，砂粒在下游和上游则为递增的趋势，在中游河段递减;十五里河沉积物主量元素含量大小依次表现为：SiO2（60.97～68.89g/kg）gt;Al2O3（10.82～13.16g/kg）gt;Fe2O3（3.96～5.50g/kg）gt;CaO（1.08～5.34g/kg）gt;K2O（1.67～1.94g/kg）gt;MgO（0.92～1.35g/kg）gt;Na2O（0.90～1.09g/kg）并且分布不均匀，尤其是CaO（Ca是活泼元素）。表明十五里河不同河段沉积物物理化学性质存在差异。　　（2）十五里河不同河段沉积物大多数重金属含量超标（Mn除外），各重金属元素污染水平整体上呈现出上游gt;中游gt;下游（Zn除外）。各重金属元素主要以残渣态形式存在（Pb、Zn和Mn元素除外），非残渣态在不同河段中又各有不同的分布规律，其中Cr和Zn元素自下游至上游递减趋势，Cu和Mn元素自下游至上游递增的趋势，Fe和Ni元素为中游gt;上游gt;下游，Pb和Co元素则是中游gt;下游gt;上游。地累积指数法污染评价结果：Cr、Mn、Fe、Ni、Pb元素整体上未受到污染，而Co和Cu元素轻度污染，Zn元素偏中度污染到偏重污染;次生相与原生相比值法污染评价结果：Mn、Zn、Pb三种重金属元素重度污染外，其余五种重金属元素属于无污染至轻度污染程度;潜在生态风险评价法污染评价结果：Cugt;Zn≈Cogt;Ni≈Pbgt;Crgt;Mn（均属于低风险危害），且三种评价方法中，不同河段污染程度均存在差异：整体上地累积指数法污染评价与潜在生态风险评价法评价结果相同，上游河段污染最严重，中游次之，下游最低;而次生相与原生相比值污染评价法则显示下游河段污染最严重，中游次之，上游最低。　　（3）十五里河沉积物微塑料污染属于中等偏上水平。丰度特征表现为上游河段丰度gt;下游河段gt;中游河段。形状特征为下游以碎片和薄膜为主，而中游和上游以纤维和碎片为主。颜色特征为下游以绿色和黑色为主，而中游则以绿色为主，上游则以绿色、红色为主。粒径特征为下游粒径主要分布在0～0.5mm，而中游和上游粒径分布相似，粒径以0.5～3mm为主。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）是四种主要成分。微塑料表面及内部破损严重，凹凸感明显，并伴有裂痕，且不同类型破损程度存在差别，尤其是纤维类，孔隙数量多且密，且表面附着外来杂质。沉积物微塑料来源主要与农用地膜、制药生产等人类活动有关。　　（4）十五里河不同河段沉积物古菌群落丰富度没有显著差异，但下游沉积物古菌群落多样性显著高于上游和中游。广古菌门是河流沉积物优势菌门，奇古菌门和深古菌门为次优势菌门。相关性分析表明，十五里河沉积物绝大多数古菌门与Zn、Pb元素呈极显著或者显著相关关系（奥丁古菌门除外）;薄膜状微塑料与绝大多数古菌门呈极显著相关性关系，聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）与大部分古菌门呈极显著相关关系。冗余分析表明，Zn和Ni是影响十五里河沉积物古菌门群落结构组成的主要重金属元素;薄膜状、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚苯乙烯（PS）是影响十五里河沉积物古菌门群落结构组成的主因素。

关键词： 土壤大孔隙流   土壤转换函数   蚯蚓大孔隙   CT扫描   土壤微塑料  

摘要： 土壤大孔隙和大孔隙流的普遍存在为农田土壤水分渗漏、溶质与污染物迁移提供了优先路径与动力,而植被类型、田间管理方式及土壤动物活跃度是影响土壤大孔隙发育的主要环境因素,因此探索不同植被覆盖下土壤大孔隙发育特征、水力特性变化、大孔隙流发生可能及新型固体污染物（微塑料）随大孔隙流的迁移风险,对提高农田土壤水分利用效率、大孔隙流发生概率预测与微塑料污染风险评估具有重要实践意义。目前关于土壤中大孔隙流发生预测及农田土壤微塑料迁移风险的相关研究较少。本研究以4种植被覆盖下耕作层土壤和蚯蚓形成的生物孔隙为主要研究对象,通过野外采样与室内试验相结合,利用CT扫描、图像分析和模型模拟等技术手段,定量分析了土壤大孔隙空间结构特征及其影响因素,构建了基于机器学习算法的预测土壤导水率的转换函数,初步探讨了蚯蚓活动对土壤微塑料颗粒的迁移、再分布和微塑料对大孔隙流和土壤水力参数的影响。得到的主要研究结果如下:（1）通过CT扫描和孔隙三维重构,对关中地区4种典型农林地(小麦耕地（WH）、苹果园地（AT）、七叶树林地（AC）和猕猴桃园地（KF）)耕作层土壤（0-37 cm）内的孔隙形态与类型有了直观的认识,并对大孔隙的二维、三维特征进行了定量研究。4种不同处理下,土壤大孔隙度均随土层深度增加而减少;大孔隙三维重构结果显示:小麦耕地土壤大孔隙呈点状分布且连通性明显低于苹果园地和猕猴桃园地;七叶树林地大孔隙率最低但连通性较好;苹果园地和猕猴桃园地大孔隙呈规则的圆管状且点状散布、连通性较好,基于孔隙形态学和分布特征可知,此类孔隙主要由蚯蚓活动导致。苹果园地土壤大孔隙总表面积、网络分布密度、长度密度及节点密度最高,七叶树最低。显著性分析表明,4种典型农林地的土壤大孔隙平均体积、平均曲率、倾斜度和分形维数均无显著差异,但总表面积、网络分布密度、长度密度和节点密度呈现显著差异（p<0.05）。（2）在实验室测定取自4种典型农林地土壤样品的水力特性参数（主要包括入渗率、累积入渗量、饱和导水率、水分特征曲线、水平扩散率、非饱和导水率等）,并对其进行分析。4种植被覆盖处理下,20-40 cm土层土壤水分运动参数和持水特性参数小于0-20 cm土层;AT处理（苹果园地）饱和导水率、土壤累积入渗量、入渗率、土壤扩散率等土壤水分运动参数最高;同一土层内相同吸力条件下,不同处理的土壤含水率与土壤大孔隙率的变化趋势一致;不同处理土壤容水度和非饱和导水率在不同吸力阶段的数量级不同,在吸力小于500 cm时,土壤容水度和非饱和导水率的变化规律与土壤容重的变化规律相反,与土壤水分特征曲线和扩散率的变化保持一致。（3）以土壤基本理化参数（容重、有机质含量、砂粒含量、粉粒含量及粘粒含量）为输入变量,利用机器学习算法高斯过程回归模型和自举法（n=100）构建了用于预测饱和导水率对数值和-10 cm水头下导水率对数值(Log（Ks）和Log(K10))的土壤转换函数。该转换函数模型可靠,预测精度较高、效果较好。在此基础上,引入参数Kj(Log（Kj）=Log(KS/K10))作为表征土壤大孔隙流发生可能性高低的参数,其变化趋势与4种处理下的土壤大孔隙率、水力特性参数的变化趋势一致,该参数可以作为预测土壤大孔隙流发生概率的指标。（4）通过室内土柱模拟试验,利用CT扫描技术,量化了蚯蚓数量和蚯蚓培养时间对动物大孔隙数量与分布特征的影响。相同蚯蚓数量下随着培养时间从7d增加至28d,土壤大孔隙率和连通性均逐渐上升;相同培养时间内,当蚯蚓数量从1只增加至4只时,大孔隙数量及孔隙网络分布密度逐步上升,具有直通土柱表面的孔隙数量增加。可知蚯蚓产生的生物扰动可以快速且稳定地产生土壤大孔隙网络结构系统,从而逐渐改变土壤结构与水分运移特征。（5）在室内土柱试验条件下,测定了蚯蚓大孔隙驱动下的微塑料的分布特征,并对土壤饱和导水率和穿透曲线进行研究。蚯蚓活动可以导致在较深土层（40-50 cm）中检测到微塑料颗粒;土壤表面的微塑料会伴随发生在饱和砂土中的大孔隙流被运移至较深土层土壤（50 cm）,增加地下水污染的潜在风险,而蚯蚓活动是导致该现象发生的主要原因;蚯蚓活动会影响微塑料颗粒分布特征,粒径<250μm的微塑料更易可迁移和淋溶至深层土壤;当土壤中没有蚯蚓活动时,即使土壤小孔隙结构本身较为发达,存在于土壤表面的微塑料也不能直接通过土壤基质被水流运移;低浓度的微塑料含量对土柱内大孔隙中的水流没有显著影响,示踪物质的5%相对到达时间与蚯蚓孔隙总体积呈显著正相关关系。蚯蚓活动是影响穿透曲线形态的主导因素,且低浓度的土壤微塑料对土壤饱和导水率没有显著影响。

关键词： 上海内陆鱼类   微塑料污染   物理形态   化学成分  

摘要： 废弃塑料在外力作用下逐渐变为碎片,进而成为微塑料。进入水体的微塑料吸附其他污染物,被生物体吞食后会产生毒性效应。因此,水环境中的微塑料污染受到越来越多的关注。上海地处长江三角洲平原,江湖河网密布,被称为一座建立在湿地上的城市。上海市的河流大多属于太湖水系。发源于淀山湖的黄浦江及其支流苏州河是上海最主要的河流,是水生生物赖于生存的栖息场所。鱼类是当地居民日常食用的主要水产品,也是水域生态系统的重要组成部分。本文分析了上海市主要河流常见鱼类消化道内的微塑料丰度及其差异性,测定了微塑料的物理类型和化学成分,旨在为评价上海市水环境的微塑料污染状况提供基础资料。主要研究成果如下:(1)上海市主要河流鱼类消化道内微塑料的形态与成分分析。分析了8种、702尾上海常见淡水鱼类的消化道,在404尾鱼类中检出了微塑料,检出率为57.55%。粒径≤1mm的微塑料所占比例最高,且数量随着尺寸大小增加呈递减的趋势;纤维状的微塑料所占比例最高,其次为薄膜状、碎片状、颗粒状;微塑料的颜色以黑色和透明为主。采用傅里叶显微红外光谱方法,共检测104个微塑料,包含18种不同的聚合物类型。主要种类为赛璐酚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺和乙烯-醋酸乙烯酯共聚物。(2)不同生活习性鱼体内微塑料的差异性分析。在5种常见优势种鱼类中,似鳊体内的微塑料丰度显著高于其他鱼类的丰度(p<0.05)。总表现为似鳊>鲫>?>达氏鲌>光泽黄颡鱼。不同形状微塑料的占比情况总体上表现为:纤维状>薄膜状>碎片状>颗粒状,其中纤维状在五种鱼体内比例均最高。根据食性不同,鱼体内微塑料的检出率和丰度表现为植食性>杂食性>肉食性,而在苏州河下游,则表现为杂食性鱼类消化道内的微塑料丰度较高;根据栖息水层的不同,鱼体内微塑料的检出率和丰度表现为中下层>上层>中上层,在苏州河下游则上层鱼类微塑料丰度最高。这可能是由于苏州河下游地区的鱼类组成以及水质条件与其他水域有所差异有关。上海主要河流淡水鱼中检出的微塑料的形状、颜色、大小和聚合物类型等特征没有显示出明显的季节差异和空间差异,说明上海主要河流的塑料污染的组成和来源相对稳定。(3)不同季节鱼体内微塑料的差异性分析。在本研究中,秋季的鱼类微塑料检出率和丰度显著高于夏季(p<0.05)。这可能是由于汛期降水对微塑料的稀释作用导致的。而微塑料的形状、颜色、大小和聚合物类型等特征没有显示出明显的季节差异,说明上海主要河流的塑料污染的组成和来源相对稳定。(4)不同水域鱼体内微塑料的差异性分析。对不同水域的鱼类微塑料数据进行统计分析,发现鱼体内微塑料的检出率和丰度表现为苏州河下游>苏州河支流>苏州河上游>淀山湖>黄浦江上游。在苏州河下游的鱼类中,鲫的微塑料丰度最高,在其余四个水域中,似鳊的丰度最高。苏州河支流的似鳊的微塑料丰度显著高于黄浦江似鳊的微塑料丰度(p<0.05);植食性鱼类的微塑料丰度在苏州河上游、苏州河支流、黄浦江上游和淀山湖都均为最高,高于杂食性和肉食性鱼类,而在苏州河下游水域中,则表现为杂食性鱼类消化道内的微塑料丰度较高。

关键词： 土壤污染   微塑料   空间分布   风险评价  

摘要： 微塑料通常是指直径或尺寸小于5mm的塑料碎片或颗粒，可通过风力、河流、洋流等自然因素及交通物流等人为因素长距离迁移，从而导致全球微塑料污染。微塑料作为一种新兴的持久性环境污染物，广泛分布在地球的每个角落，已被列为环境与生态科学领域的重大科学问题之一。迄今为止，已有大量研究揭示了微塑料在河流、沉积物、海洋以及海岸带中的分布特征及生态效应。值得注意的是，微塑料可以通过多种途径进入土壤环境，且陆地生态环境中微塑料的丰度远远高于海洋生态系统。　　随着土壤微塑料分析方法的不断完善，部分方法实现了微塑料从土壤中分离、鉴定和定量分析，促进了土壤微塑料时空分布及其生态环境风险评价研究的进度，但仍然缺乏描述土壤中微塑料污染水平和影响微塑料污染物分布因素的综合研究。因此本研究以华东地区六省市（浙江省、江苏省、安徽省、江西省、山东省和上海市）环境土壤作为研究对象，通过采集表层土壤，对土壤中微塑料进行浮选分离。借助显微镜、拉曼光谱仪等设备分析了不同环境土壤样品中微塑料的丰度、尺寸、形状、颜色及种类。在此基础上分析了土壤中微塑料空间分布特征及主要驱动因素。运用风险指数法、内梅罗污染指数法及风险描述比三种评价方法评估了其潜在的生态风险。主要研究结果和结论如下：　　⑴在所有的土壤样品中均检测出了微塑料，丰度范围为50~5600items/kg，其中丰度最大值出现在农田土壤中。在5种不同环境的土壤中（农田、河岸、路边绿化带、工厂附近、高速服务区附近），微塑料的平均丰度分别为1986.4items/kg、914.0items/kg、390.0items/kg、1057.1items/kg、988.9items/kg。微塑料的丰度存在着显著的差异（P＜0.0001）。农田土壤中微塑料的平均丰度最高，达到1986.4items/kg，远高于其他环境土壤中微塑料的平均丰度，这表明农田土壤中的微塑料污染相对最为严重。　　⑵在土壤中检测到的微塑料以尺寸小于1mm的为主，路边绿化带土壤中小尺寸微塑料的平均比例明显低于其他四种环境。微塑料的形貌特征共有四种，包括碎片、纤维、颗粒及薄膜，其中碎片状微塑料平均百分比最高（59.28%）。颜色则以白色（包括透明）和黑色为主，农田土壤样品中微塑料颜色的种类明显高于路边绿化带土壤样品，这表明微塑料颜色种类的丰富程度可能与土壤微塑料丰度呈正相关。在不同环境土壤中检测到的主要微塑料聚合物类型以PP和LDPE为主，平均占比分别为38.1%、19.1%，所以推测农用塑料地膜覆盖是其主要来源。在工厂周边、路边绿化带和高速服务区附近环境中，PVC类型的微塑料平均占比较高，可能是由于工业垃圾处置不合理及道路扬尘造成的。　　⑶从农田土壤中微塑料空间分布上来看，各省份微塑料污染程度相差较大（p＜0.05）。浙江省和江苏省采样点的微塑料丰度明显高于其他地区，可能与采样点工业化及城市化程度有关。采样点微塑料分布与降水量密切相关，总的来说，降水量越高，该地微塑料的丰度也越高。土壤微塑料的丰度还与农业产值和工业产值相关，但不起主导作用。当农业产值和工业产值较低时，微塑料丰度均集中在1000items/kg以下。土壤微塑料的丰度与人口数量之间并无显著的相关性规律。另外，在一些采样点的研究结果中发现，一些人口数量较少、农业产值和工业产值普遍较低的地区微塑料的丰度却较高，表明微塑料的分布和迁移率可能受多种环境和人为因素控制。　　⑷生态风险指数法反映了微塑料聚合物毒性的大小，在判定该地区风险等级中起主导作用。在全国范围内，华东地区土壤中微塑料污染水平较为严重。内梅罗污染指数法相比生态风险指数法，更侧重于点污染物浓度均值及最大值影响。其结果表明，并未出现部分区域数值较大的现象，各省污染程度排序依次为：江西（重度）＞浙江（中度）＞安徽（轻度）＞上海（轻度）＞江苏（轻度）＞山东（清洁）。风险描述比评价结果与上述方法类似，即华东地区整体微塑料污染较严重。此外，还发现不同地区的微塑料污染程度差异较大，分布不均，存在部分地区污染严重现象。高风险地区微塑料的来源、迁移转化等是后续研究重点。在全世界范围内进行微塑料污染程度对比，结果显示，华东地区土壤中微塑料污染处于中等水平。