| 题名 | 海岸环境微塑料分布规律、表面变化及生物膜形成作用研究 |
| 作者 | 周倩 |
| 答辩日期 | 2020-05-23 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 关键词 | 微塑料，海岸带，积累与分布，表面变化，生物膜 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 英文摘要 | 近年来，微塑料污染已成为深受全球生态环境科学领域关切的陆海环境问题。近海和海岸环境是环境中微塑料的重要聚集区域。目前，我国对海岸带微塑料调查范围较小，缺乏对全国海岸带土壤或沉积物微塑料总体污染状况的研究和认识，且对近岸海域微塑料源-径-汇关系研究不足。进入环境中的微塑料，在生态环境因素作用下其表面会发生风化，微塑料表面风化会伴随引起表面性质（包括形貌、基团、疏水性和比表面积等）和表面附着物（包括非生物/生物物质附着）等的变化；微塑料表面微生物附着会形成生物膜，生物膜的存在可能会对微塑料表面产生影响，但二者的相互作用缺乏研究，其作用机制不明。因此，加强海岸带近岸海域和土壤环境微塑料污染特征及其表面变化研究具有重要的科学与现实意义。本论文选取中国渤海和德国波罗的海两个半封闭型海域，分析调查了微塑料污染特征及其影响因素；以我国渤海为例，对渤海海域、周边河口、海岸带土壤和大气环境中微塑料进行了综合性调查，以阐明陆海微塑料的源-径-汇的关系；以全国海岸带土壤为研究对象，揭示不同滨海生态系统类型和土地利用方式下微塑料污染特征及其差异；进一步地，选取跨纬度多气候带海岸环境，进行土壤及海水的原位微塑料暴露试验，研究不同生物地理气候带环境下微塑料表面变化和生物膜特征，探明二者相互作用关系。为认识近海和海岸环境微塑料污染规律和保障海岸带生态环境安全提供系统的微塑料基础数据和科学依据。主要研究结果如下： 渤海和波罗的海两个半封闭型海域微塑料污染特征具有具有相似性和差异性。30个点位渤海水体微塑料主要类型有4种，即纤维、碎片、薄膜和颗粒，14个点位波罗的海海域只有3种，为纤维、碎片、薄膜；渤海水体微塑料平均丰度为6.11±7.2个L-1，波罗的海海域的平均丰度为5.8±5.0个L-1。在空间分布上，渤海微塑料主要聚集在辽东湾（6.2±6.0个L-1）、莱州湾（5.7±3.7个L-1）和渤海海峡（6.9±9.2个L-1）近岸区域；这种现象主要与海湾近岸和海峡航线（烟台-大连）的人类活动有关，也与渤海冬季海流和渤海海峡黄渤海海水交换有关。波罗的海微塑料主要聚集在南部海域，其平均丰度（7.0±3.2个L-1）高于海域中部（5.7±3.2个L-1）和北部（2.2±1.6个L-1），这是因南部距岸近且人口密度大，旅游等人类活动排放多。在海水垂向分布上，渤海水体中微塑料主要集中在表层（约0.2 m 以内），占渤海所有采样水柱中微塑料的一半以上（52.3%），主要受表面流影响；波罗的海水体中微塑料则主要聚集在表层（1~2 m）、底层（距底床约1~5 m）和盐跃层（多约100 m），主要受表面流、海水密度和底部湍流影响。 微塑料大量存在于环渤海周边土壤、河流和大气等不同环境介质中，并对渤海微塑料污染具有贡献作用。47个土壤中微塑料类型有8种，包括扁丝（占比83.9%）、纤维（占比5.8%）、发泡（占比5.5%）、碎片（占比3.0%）、薄膜（占比0.9%）、渔线（占比0.5%）、海绵（占比0.2%）和颗粒（占比0.1%）；微塑料丰度范围为15.3~14712.5个 kg-1，空间变异性大，主要来源于岸滩养殖、防浪堆坝等人为活动；5条主要河口水体微塑料类型主要有4种，包括纤维（占比57.0%）、碎片（占比34.8%）、薄膜（占比7.9%）和发泡（占比0.2%），平均丰度为4.5±4.9个 L-1；环渤海8个站点周边大气中微塑料类型主要有纤维（占比83.8%）、薄膜（占比8.3%）碎片（占比7.1%）和颗粒（占比0.8%）四种，平均沉降通量为42.9±30.8个 m-2 d-1。近海岸滩迁移、河流携带输入和大气沉降等是渤海近岸海域微塑料的重要来源，导致微塑料高丰度污染（水体6.11±7.2个L-1，沉积物12.8±5.5个 kg-1）；其中，河口、大气主要贡献纤维类，土壤主要贡献碎片类型。 我国海岸带土壤微塑料空间分布具有高异质性，且受到人为和自然多种因素影响。我国海岸带土壤微塑料形貌类型主要有8种，包括发泡、碎片、扁丝、薄膜、渔线、纤维、颗粒和海绵，其中发泡比例最高，为66.2%，其次是纤维，占22.3%。微塑料丰度上具有很大的空间变异性，总丰度范围为20.5~13200.5个 kg-1，平均为304.7±1321.2个 kg-1。从不同土地利用方式上，养殖滩中微塑料最高，微塑料丰度为1453.3个 kg-1；其次是旅游滩，为262.8个 kg-1；再者是未开发海滩，为245.9个 kg-1；港口和河口滩中微塑料丰度较低，分别为193.1个 kg-1和175.1个 kg-1；在盐沼、红树林和海草床湿地中微塑料丰度最低，为97.5个 kg-1。从不同生态系统类型上，有植被覆盖的湿地中，红树林湿地土壤中微塑料丰度最高，为129.4个 kg-1，其次为盐沼湿地，其土壤中微塑料丰度为83.4个 kg-1，海草床湿地土壤中微塑料丰度最低，为54.1个 kg-1，然而这三者均低于无植被覆盖的光滩中微塑料丰度（484.5个 kg-1）。海岸带土壤微塑料分布特征主要受养殖、旅游等人类活动影响，并与沿岸流和植被拦截等因素有关。 不同生物地理带土壤环境和近岸海水环境原位暴露微塑料表面形貌和性质变化具有差异。海水环境暴露下微塑料随着海水深度加深，微塑料老化程度（羰基指数）变低，微塑料样品表面羰基指数高于土壤环境下暴露的。不同生物地理气候带土壤环境中不同类型微塑料表面风化过程与程度存在差异。处于热带的三亚珊瑚海草海湾湿地土壤中微塑料表面老化程度最高，黄河三角洲碱蓬湿地和北部湾红树林湿地的土壤中较高，而长江口藨草湿地和闽江口茳芏湿地的土壤中较低。环境中微塑料风化过程变化与聚合物成分和形貌有关。在所有树脂颗粒中，聚丙烯树脂颗粒表面羰基指数最高，且羰基指数增长较快；与树脂颗粒相比，薄膜、扁丝和发泡在环境中更易老化，尤其是发泡和扁丝，二者的表面形貌变化亦最明显，出现明显的凹凸、褶皱和裂缝等，形貌粗糙度增加，比表面积增大。环境中微塑料表面风化程度提高，可引起表面疏水性降低，亲水性增强，表面附着环境物质增多。常见的表面附着物质有硅铝（原子量比Si:Al =3:2）、铁锰（原子量比Fe:Mn=1:3）等矿物，在黄河口潮下带、红树林等还原性较强的土壤环境中微塑料表面出现大量的硫铁矿物（FeS2）聚集体。 除了非生命物质的附着外，老化后的微塑料表面还通常易附着大量的微型生命体并形成包覆微塑料表面的生物膜，生物膜形成亦对微塑料表面产生影响。生物膜呈现不同菌体形貌与形态，主要菌体为球菌和杆菌，生物膜以单一菌型、多菌型和以胞外多聚物为主等形式存在，可形成簇状、片状或网状等形态。在亚热带闽江口茳芏滩上的微塑料表面生物膜总量最高，而热带的三亚珊瑚海草海湾微塑料表面生物膜总量较低；在时间上微塑料表面生物膜总量呈现出规律性的增减交替动态变化，即夏季高，冬季低的特点。在暴露12个月后表面生物膜厚度总体呈现为：黄河口碱蓬滩（1.0±0 μm）<长江口藨草滩（2.0±0 μm）<闽江口茳芏滩（2.4±0.7 μm）<北部湾红树林滩（3.8±2.7 μm）<珊瑚海草海滩（4.9±1.5 μm），体现了明显的地带性规律。在五种海岸带生物地理条件下，薄膜表面微生物群落均以变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）为主。微塑料表面生物膜的形成能改变微塑料表面形貌，如产生凹坑和小孔等，并能增强微塑料表面对铜等重金属离子的吸附能力。 综上，本研究通过对近岸海域、海岸带土壤以及环渤海周边土壤、河流和大气等环境微塑料的综合调查，以及海水、土壤环境原位暴露试验，揭示了我国海岸带土壤和北方半封闭型海域微塑料分布规律及其源汇关系，探明了不同生物地理海岸环境土壤中微塑料表面变化和生物膜特征及其相互关系。为我国海岸带微塑料污染评估与管控提供了丰富的基础数据和科学依据。未来应加强微塑料表面变化与生物膜相互作用机制和表面风化的微塑料与污染物复合机制及其效应研究。 |
| 语种 | 中文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24219]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 周倩. 海岸环境微塑料分布规律、表面变化及生物膜形成作用研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020. |
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