微塑料对近海有机污染物的携带机制研究

As an emerging pollutant, microplastic has been detected from multiple samples along the Chinese coast. Compared to the hazard of microplastic itself, its pollutant-transport effect could cause more complicated pollution process. Due to the few study on microplastic’s transport mechanism and its interfacial chemistry with organic pollutants, it is currently difficult to evaluate the pollutant-transport effect of microplastics in the Chinese offshore. This project will conduct a systematic investigation of microplastics in both the Hangzhou Bay and the Pearl River Estuary. The observation data will be combined with the regional ocean model system (ROMS) and the models for describing the terrestrial input and long-distance transportation of microplastics will be provided. Through the techniques including adsorption experiment, molecular simulation and passive sampling etc., the mechanism involved in the interfacial process between microplastics and typical organic pollutants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) will be clarified. The interfacial models will be coupled with the ROMS simulation and the pollutant-transport effect will be elucidated. The results of this project can provide the basis for further studies of microplastic’s impacts on the Chinese ocean ecosystem safety.

新型污染物微塑料已在我国近海的多种环境样品中被检出，相比微塑料自身对海洋生物的危害，其对海水中存在的各种有机污染物的携带可能引发更复杂的污染过程。由于缺乏对微塑料的迁移规律及其与有机污染物的界面化学研究，目前还难以有效评价微塑料对我国近海有机污染物的携带效应。本项目拟对杭州湾和珠江口近海环境样品中的微塑料进行系统分析，并基于区域海洋模拟系统（ROMS）建立一套适用于微塑料近岸输送和远距离迁移的模型；通过吸附实验、分子模拟和被动采样等手段，揭示微塑料与典型有机污染物——多环芳烃（PAHs）和多氯联苯（PCBs）的界面化学机制；以ROMS系统嵌套界面化学模型，解析微塑料的污染携带特征。研究结果可为进一步研究微塑料对我国海洋生态安全的影响提供依据。

微塑料对近海有机污染物的携带机制是微塑料环境行为中的重要组成部分，项目实施四年来围绕近海微塑料分布、微塑料理论吸附行为、真实环境下微塑料的污染物载体行为和微塑料在近海的迁移输送模型等重点内容开展研究工作。以象山港为代表的近海水域受人类活动影响分布有大量微塑料，水体和沉积物中可达8.9 ± 4.7 items/m3和1739 ± 2153 items/kg，溯源分析表明海产养殖和河流输送是近海水体中微塑料的主要来源。东海中微塑料组成呈现更加多样化的趋势，主要为聚乙烯蜡（PE-Wax，44%）、聚酯（PE，28%）、聚丙烯（PP，9%）和醇酸树脂(Alkyd，6%)等。在对近海微塑料种类数据获取基础之上，进行了典型微塑料聚乙烯的吸附实验。结果表明微塑料作为一种疏水性材料，其对有机物的吸附机制为分配型的疏水性吸附，影响微塑料理论吸附能力的因素包括粒径、表面粗糙度和塑料单体中的亲水基团等。微塑料在真实环境中的污染物携带行为受诸多因素影响，采用原位实验能够最好地反映这一过程，因此在象山港海水中进行了聚乙烯微塑料的原位吸附实验。通过生物膜定量表征（OD595）和高通量测序（16S rRNA）的方法，发现夏季的高水温（31.4 ± 1.07 ℃）比冬季（13.3 ± 2.49 ℃）更适宜于细菌的繁殖增长，使得微塑料上生物膜菌群具有更大的生物量、更高的活性和更强的降解能力。由此，一些已吸附的PAHs在夏季出现下降过程。然而，在冬季的实验中，大多数污染物在为期8周的实验中吸附量持续增加。生物膜中发现大量PAHs降解菌，其中Rhodobacteraceae（18.6 ± 0.5%）和Sphingomicrobium（22.4 ± 3.6%）两个高丰度菌分别与低环PAHs（45.2 ± 0.4%）和中环PAHs（66.0 ± 2.5%）的吸附量骤降正相关。此外，生物膜对PAHs的降解作用也被重要降解产物水杨酸的浓度变化证实。最后，基于区域海洋模拟系统（ROMS）建立一套适用于微塑料近岸输送和远距离迁移的模型。该模型模拟了长江口近海区域微塑料的输送扩散过程，揭示了风在微塑料近海扩散中具有关键作用。本研究揭示了生物膜与有机污染物在微塑料表面的共同作用过程，为评价微塑料对近海有机物携带能力提供了数据支撑，而基于ROMS的微塑料迁移模型为预测微塑料由陆到海的迁移路线提供了有力手段。