海洋微塑料污染现状及调查研究解决方案

  • 海洋微塑料污染现状
从1907年贝克兰发明酚醛树脂开始,人类使用塑料已有百余年的历史。塑料给人类生活带来了极大便利,但由于其难以分解处理也产生了严重的环境问题。不仅陆地上大量的废弃塑料污染山川河流,海洋同样是塑料污染的重灾区。专家研究估计,每年约有八百万吨的塑料废物从陆地进入海洋,严重威胁海洋生态系统。这些塑料垃圾会分解成无数的微塑料颗粒。 有一项研究揭示了英国曼彻斯特的一条河流中记录到的微型塑料污染水平,并显示在短短一年内,该地区河流中有数十亿粒子被淹入海中。相信绝大多数有人类活动的河流最终都会将数以百万吨计的塑料废弃物排入海中。
 
  1. 年,英国科学家在《SCIENCE》杂志上发表了关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的论文,首次提出微塑料的概念。此后,许多科研人员都投入到微塑料的研究中,并发表了许多重要的成果,使得微塑料污染引起全球的重视。2014年,首届联合国环境大会上,海洋塑料垃圾污染被列为 “十大紧迫环境问题之一”,并对微塑料进行特别关注。2015年召开的第二届联合国环境大会上,微塑料污染被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题,成为与全球气候变化、臭氧耗竭等并列的重大全球环境问题,由此也可见微塑料污染之严重。
目前学术界对微塑料还没准确的定义,但通常认为粒径小于5毫米的塑料纤维、颗粒或者薄膜即为微塑料,实际上很多微塑料可达微米乃至纳米级,肉眼是不可见的,因此也被形象地比作海洋中的“PM2.5”。 微塑料通常存在于表层海水、海床、沉积物和海滩,甚至出现在最偏远的极地冰川和深海沉积物中。日本东京农工大学教授高田秀重等人研究发现东京湾沉积物中的微塑料浓度远高于海水。目前除南北太平洋、北大西洋、印度洋等大洋沿海大量分布外,南极和北极都发现微塑料的踪迹。科学杂志《地球的未来》上曾刊登文章,研究发现每立方米的北极海冰中含有多达240个微塑料颗粒。可以说,微塑料已经遍布了整个海洋系统。
 
  • 微塑料的危害
微塑料本身可能会释放有毒有害物质,对海洋环境造成直接危害。微塑料表面也容易吸附海洋中的重金属、持久性有机污染物,如农药、阻燃剂、多氯联苯等,随洋流运动对生态环境产生化学危害。 微塑料容易被海洋生物吞噬,在海洋生物体内蓄积,危害海洋生物安全。科学研究已经证实,海洋中的微塑料污染对海洋生物的生长、发育、躲避天敌和繁殖的能力皆有不同程度的影响。此外,微塑料作为载体,可能携带外来物种及潜在病原菌危害海洋生态系统的稳定。
微塑料通常通过摄入或呼吸而嵌入动物组织中。经研究表明各种环状动物物种,例如沉积饲养蚯蚓(Arenicola marina)的胃肠道中含有微塑料。许多甲壳类动物,如岸蟹Carcinus maenas已被发现其呼吸道和消化道中含有微塑料。不仅鱼和自由生物有机体可以摄取微塑料。在实验室条件下,已证实作为主要珊瑚礁建造者的石珊瑚珊瑚也能摄取微塑料。
由于鱼是人类近五分之一的蛋白质的主要来源。由鱼和甲壳类摄入的微塑料可以随后被人类消耗,作为食物链的终点。在纽约州立大学进行的一项研究中,对18种鱼类进行了采样,所有物种在其系统中都显示出一定程度的塑料。许多研究人员已经发现这些纤维在水中与金属,多氯联苯和其他有毒污染物发生化学结合的证据。微弹性金属复合物可以通过食物链进入人体。
 
  • 海洋微塑料的调查与研究方法
  1. 海洋微塑料的采样方法
    1. 海水表层微塑料采样: 分布于海洋中的微塑料很大一部分是浮动于表层海水的浮动微塑料,对于这些微塑料,通常采用漂浮拖网可获得最佳的采样效果。
NQS-45系列Manta 漂浮拖网是由美国Oceaninstruments公司生产的表层海水微塑料专业采样网。标准尺寸为60和70 CM。刚性框架及浮力板结构确保网体一直浮于水体表面,最深入水15CM。平准翼板设计,加上非平衡的支架控制结构确保其稳定拖曳,不会受到船体的行进流及航迹的影响。采样网孔径可根据需求定制。
 
产品配置:
l  一个轻质铝框架
l  两块浮力板
l  一个不锈钢网衣固定带
l  一个刚性框架
l  两个紧固卸扣
 
  1. 海水悬浮微塑料采样: 除去漂浮在海水表面的微塑料,有一部分微塑料也悬浮于海水中。因此采集不同海洋深度的微塑料样品变得尤为重要。
  2. 大体积过滤采样系统是由美国Mclane公司生产的一款单次大体积、高容量采样器。它可以采集水体中的悬浮颗粒(微塑料)和溶解性颗粒物。该采样器采用直径为142mm过滤膜双层并行过滤,每层都是独立的。采集目标包括微塑料,微量金属微粒,浮游植物和其他的悬浮颗粒。该设备最高可连续过滤45000L水体。
  3. 大体积过滤采样系统主体采用不锈钢以及钛合金制成,最大可承受5500米的压力。WTS-LV的采样流量是根据用户设定的总体积,流速和采样时间等值来调节的。采样开始时间可以设定或者倒计时延迟开始。通过搭载CTD以及其他传感器可获得精确的采样深度以及采样环境参数。
 
技术参数:
l  工作深度: 0~5000m
l  滤水速度:2~50L/min
l  滤水容量:1500~45000L
l  数据通讯:RS232
l  供电电池: 30Ahr 电池组
l  操作温度: 0°~ 35°C
l  重量:50kg
l  尺寸:64*36*68cm(长宽高)
 
技术特点:
l  超大滤水容量(最高可达45000L)
l  超强耐压能力(最大可承受5500米水压)
l  多样品采集(微塑料,浮游生物,痕量金属等等)
l  采样速度可调(减少对样品的损伤)
 
 
  1. 海水中可沉降微塑料采样: 部分形成微塑料的聚合物密度大于海水,这部分微塑料在进入海洋中之后会向海底沉降,对于这部分微塑料,我们通常采用沉积物捕获器来进行采样。
Time-Series Sediment Trap 是美国Mclane ReasearchLaboratories ,Inc 公司专门为收集海洋和湖泊中的沉淀微粒(微塑料)而设计的一款时间序列的沉积物捕获器。该仪器可以在水下采样数天到数周或长达一年半。型号为PARFLUX Mark 78H-21 沉积物捕获器拥有21 个采样瓶子,PARFLUX Mark 78HW-13 沉积物捕获器拥有13 个采样瓶。
为了最有效防止水样遭受污染,锥体的内层和采样瓶是专门用天然聚乙烯材料制造。每次采样前后,每个样品均是瓶密封的,外部的水根本无法进入瓶内。Mark 78H 的构架是坚硬、没有污染性、持久耐磨的钛金属焊件。Mark 78H 沉积物捕获器是专门为深海采样设计的,布防一台仪器的工作只需两个人即可完成。该仪器不仅可以单机布放而且还能多台排列一起下放至1 万米水深处进行采样,在仪器上可以选加如罗盘/倾斜、压力和温度传感器(提供仪器在水下运行的一些信息如:位置倾斜、压力参数和温度等信息)。
用户友好的操作软件具有很强的程序灵活性,仪器通过串行数据电缆与电脑连接。布放前后,用户通过软件可以方便的设置仪器的工作模式或下载采样数据。在采样期间,沉积物捕获器的固件将记录仪器的一些状况等信息,包括样品收集的日期/时间、每次工作前后电子部件自检的结果、电池电压和温度、压力、倾斜等信息。
技术参数:
l  尺寸:高164cm;直接91cm
l  重量:70kg;水中35kg
l  孔径:80cm
l  孔面积:0.5平方米
l  蜂窝个数:368
l  蜂窝直径:2.5cm
l  样品瓶个数:13或21
l  样品瓶容量:500ml
l  电机驱动:步进电机齿轮传动
l  电池组:14 节 'C' 大小碱性电池
l  构架材料:钛合金, Ti-45A/G-2
l  连续工作最长时间:18个月
l  工作深度:标准7000米(10000米可选)
 
  1. 微塑料研究方法
海洋中微塑料的平均粒径一般小于5毫米,大部分甚至只有微米或纳米大小。由于肉眼很难观察微塑料的形态,通常我们使用显微镜来观察微塑料,进行计数以及形态学的研究。但是使用显微镜研究非常耗时费力,并且计数等结果的人工误差大。
  • 流式影像仪是美国Fluid Imaging公司生产的,采用先进的流体分析、显微成像、荧光监测、智能数据分析技术,实现水体中浮游植物的自动识别及分类、计数功能。通常FlowCam用来进行浮游生物研究,可以对任何水体进行实验室或现场分析。对于微塑料,FlowCam可进行快速自动计数以及浓度计算,而且能自动化地在线显示、存储流动液体中的微塑料的清晰数字图像,提供粒径分布、形态特征等一系列研究参数。
在高水准的流体分析和监测中,能直观地看到颗粒的形态,比仅做“颗粒计数”要重要的多。FlowCam不仅能捕捉流体中浮游动物/植物等其它颗粒的彩色数字图像,同时也记录每个颗粒的ESD、ABD、长度、宽度、长宽比和(或)荧光特性以及同性颗粒的数量和浓度等40多个形态学的数字特征信息。当用户建起有效的数据库之后,FlowCam可以实现对微塑料的自动计数、粒径分布、形态学分析等功能。
 
主要特性:
·  高速成像;实时显示/存储高分辨率、全彩色的数字图像, 每分钟可以捕获上万个粒子图像
·  自动对焦功能:仪器可以实现自动对焦,获取质量更高的图片数据
·  智能化的VisualSpreadsheet 分析软件;自动化计数和分类,有专利权的散点图特性,即刻显示框中区域内的所有颗粒物图像和特征数据,对其进行分析
·  每个颗粒物有42个不同的测量参数值;包括有效直径、长度、宽度、纵横比、色度等
·  广阔的适应性,采用不同放大倍数的显微物镜(4X,10X,20X),可以分析更多粒子(3μm~600μm),例如浮游植物、浮游动物以及其它粒子(微塑料等)
·  工作者自己建立物种图谱库;并利用建好的图谱库对新样品进行自动分类和计数。实现对样品的定性与定量分析
·  自动清洗功能;减少样品测定中的交叉污染问题
FlowCam相关颗粒物研究图片
 
检测结果报告
Visual Spreadsheet软件可输出Excel报告,包含:颗粒物个数;颗粒物浓度;按形态分类结果;粒径分布;形态学参数(面积,纵横比,ABD直径,ESD直径,长度,生物体积,面积(填充),Circle Fit,圆度,圆度(Hu),紧密度,凸面周长,凸率,延伸率,纤维卷曲度,纤维平直度,短程线纵横比,短程线长度,短程线厚度,周长,粗糙度,对称度等等)。