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浮游生物泵在海洋微塑料垂直运移研究中的应用

发布时间: 2021-08-16  点击次数: 306次

近年来微塑料污染问题受到众多学者的关注,在过去的十年里,大洋垃圾带的大小增加了10倍,这表明海洋表面的塑料碎片数量在迅速增加。经过众多学者研究已经证明微塑料广泛存在于海洋的各个水层,但是人们对微塑料在大洋中的垂直运输过程知之甚少。同样,目前传统的采样方式是用CTD采水器来获取微塑料样品,然而CTD采水器所获得的水量有限,用这种方法来估算水层中微塑料的含量会造成浓度值的异常偏高或者偏低。李道季教授课题组成员刘凯博士在2019年经研究发现,至少需要8m3的水量,才能有效的估计水体中微塑料的含量(Liu,Kai et al. 2019)。

2018年11月到2019年4月李道季教授课题组成员在西太平洋、东印度洋用一种新型的原位大体积过滤技术(丹麦KC-Denmark公司生产的深水浮游生物泵)进行了大量采样工作(Daoji Li et al.2020),来对微塑料垂直运移等相关规律进行研究(见图1)。

图1西太平洋与东印度洋采样点。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)

根据Sprintall et al.等人的研究,其将海水分为表层海水(0-200m)、盐跃层水(200 - 600米,位于盐跃层内)、中层水(盐跃层以下600 - 1500米)、深层水(1500 - 4000米)。李道季教授课题组成员结合这些信息在西太平洋与东印度洋分别了布置了3组相对应采样站位,其每次过滤水样为10000L,具体采样计划见图2。

图2 每个采样站的采样深度(引自,Daoji Li et al.2020)

采样结束后,经过严格后处理与统计后得到结果,SK-1、SK-2、SK-3微塑料的丰度为1.2-2、0.3-1.5、0.2-1.5 n/m3,平均值分别为1.48、0.84和0.53 n/m3。SY-1、SY2和SY-3微塑料的丰度分别为1.0 - 3.5、0.5 - 2.3和0.2 - 1.3 n/m3。(见图3图4)。

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

PO站位表层水的平均值(±SD)为1.20±0.57 n/m3;卤跃层水平均值为0.88±0.45 n/m3;中层水平均值为0.84±0.52 n/m3,深层水平均值为0.43±0.22 n/m3。IO站位表层水的平均值(±SD)为1.37±0.58 n/m3;中层水水为1.28±1.04 n/m3;卤跃层水为1.27±0.38 n/m3。在两个采样区域的表层水中检测到最高丰度的微塑料。

图4 各水层微塑料的丰度(引自,Daoji Li et al.2020)

通过进一步分析其发现,在PO和IO站位微塑料具有相同的分布趋势。另外在这两个区域中微塑料的丰度没有明显差异,但在PO站位中,这种垂直分布模式在不同采样点有很大的不同。通常认为,微塑料的丰度随着深度的增加呈指数级下降,但是只在SK-2、SY-2和SY-3发现了这种趋势(见图5),同时发现,水温和微塑料丰度之间存在弱对数关系。

图5 随采样深度的变化MPs丰度垂直剖面图(引自,Daoji Li et al.2020)

在两个站位中,共采集到367个微塑料(PO站位173个、IO站位194个),碎片和纤维分别占61%和25%。碎片类微塑料在这两个位点的样品中占主导地位,分别占PO和IO站位收集到的微塑料碎片的57和64%。总体而言,在这两个地区,纤维类微塑料丰度从地表水到盐跃水层,随着深度的增加而降低,但随后在中间水层有所增加。

在粒径方面,PO站位中微塑料颗粒的粒径范围为30.12 - 4559.73μm,平均粒径为668.36μm。在IO站位,粒径的范围为38 - 6330μm,平均大小为645.14μm。总体而言,微塑料的大小随着采样深度的增加而显著减小,通常在表层水中检测到较大的微塑料颗粒(见图5)。

图6 随采样深度变化各站位平均粒径变化图(引自,Daoji Li et al.2020)

在微塑料成分上,共检测出25种聚合物,其中PET、PTFE、PMMA、PP、PVC占到了72%(见图7)。

图7 聚合物在各个水层的含量(引自,Daoji Li et al.2020)

此次研究中共发现了25种不同的聚合物。尽管PP的密度低于海水的密度,但在所有的取样水层中仍能识别出这些颗粒。密度较大的粒子(PET、PMMA、PTFE和PVC)也观察到类似的趋势,因此微塑料垂直分布似乎与聚合物密度没有什么联系。在PO区域的所有深度都发现了大量PET塑料,在IO区域也发现了类似的趋势。

同时发现,微塑料的大小随采样深度的增加而减小,较大的微塑料颗粒在表层水被发现。这一现象可能是由水力条件、生物淤积和微塑料特性共同作用的结果。在水层中微塑料颗粒不仅包括从表面向下沉积的,还包括水下环流横向转移的微塑料颗粒。

李道季教授团队认为,海洋密度层可能是影响微塑料颗粒垂直分布的重要因素,因为大多数微塑料会在这一层被截留。较小的微塑料颗粒受到水动力的作用,更容易穿透温盐变化的密度层。此次研究中,SK-2、SK-3、SY-1、SY-2、SY-3这5个水层的数据证实了这一理论,其中盐跃层上方微塑料的丰度高于表层,在波罗的海同样也发现类似的结论。

此次调查*使用了一种新颖的技术来调查海水中的微塑料,采样深度达到了4000m。共采集了350m3的水样(每个点位约10m3的水量),是所有调查中采样量最大的一次。鉴于水体中微塑料丰度的高可变性,本研究预估的微塑料丰度至少比先前报道的低1-2个数量级。本研究有望提供一个关于微塑料丰度的可靠数据集,以协助全球政策制定者进行与海洋环境中微塑料相关的生态风险评估。

参考文献来源:

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

丹麦KC-Denmark公司所生产的浮游生物泵是原位定点采样设备,该设备用来采集水体中的浮游生物、微塑料,泵速最高可达26000L/h,根据耐压深度的不同,有150m和6000m两种型号,其经过长时间抽滤,样品被收集在网底管中。

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


项目

技术参数

耐压深度

150m

6000m

泵速

26000L/h

13500L/h

高度

147cm

151cm

重量

34kg

100kg

电源

230VAC

24VDC

标配目径

60μm(可定制)

60μm(可定制)

操作

在线操作

离线操作,压力触发,时间序列触发



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