武 帆 张 峰# 刘晓琎 解立国 崔建国

(1.太原理工大学环境科学与工程学院，山西 太原 030024；2.太原市环境科学研究院，山西 太原 030002；3.太原市排水管理中心，山西 太原 030006)

微塑料是指粒径小于5 mm的塑料，是环境中的一种新型污染物。存在于水生生态系统的微塑料可通过直接和间接途径进入食物链，并发生转移和富集，进而对生物构成潜在威胁[1]9175。为全面评价微塑料的生态环境风险，需对其丰度、分布和潜在来源进行表征。

对于微塑料的研究开始于海洋[2]，关于内陆水体环境中微塑料的研究相对较少，但近年来增长速度较快。加拿大劳伦斯大湖[3]、南温带城市河流[4]、德国莱茵河[5]6070以及葡萄牙安图亚河[6]等地调查发现，微塑料同样广泛存在于世界各地的内陆水环境中[7]。中国幅员辽阔，内陆水域众多，现有内陆水体微塑料的研究主要集中在东南部地区，包括三峡水库[8]1620、丹江[9]、长江[10]、苏州河和黄浦江[11]等。研究结果显示，环境中微塑料污染影响因素非常复杂，人类活动和排放对微塑料分布有重要影响；人类活动相似情况下，河道水文和水力等特性对微塑料也会产生重要影响[12]。

近年来，为改善水体环境质量，我国多地内陆河道都进行了综合整治，河道特性发生明显改变[13]。河道整治工程可能对微塑料分布产生影响。目前，关于城市内河中微塑料的研究包括武汉[14]1369和珠江广州段[15]375，其河道多保持天然河道特征。作为黄河第二大支流的汾河，其流经太原城区的河段是我国河道综合治理的典范工程之一。1998—2019年，汾河太原城区段历经先后3期综合治理工程后，水质大幅改善。在水生态空间严格管控背景下，其微塑料污染的特征非常值得考察。

本研究对汾河太原城区段沉积物中微塑料污染的分布和特征进行了研究分析，可对我国淡水河流中微塑料污染数据形成完善补充，有利于进一步了解不同经济发展水平、产业分工及河道治理模式对微塑料分布的影响，对汾河流域生态环境建设具有重要意义。

1 研究方法

1.1 研究区域和采样点

山西省会太原位于山西中部太原盆地北端，是华北地区重要城市之一。本研究在汾河水库下游的上兰村至温南社之间根据河道的不同特征布置了10个采样点，采样点分布详见图1。未经治理的河道上游取1个采样点(S1)，下游取3个采样点(S8～S10)，其余采样点根据不同的河道整治方式布置，S2～S7位于驳岸处理、截污纳管工程段。重点考察了流经太原城区及清徐县的城区段沉积物中微塑料的分布情况。

图1 研究区域及采样点分布

汾河太原城区段先后3期综合整治工程包括截污纳管、清淤疏浚等物理治理和驳岸处理、湿地营建、滨河景观建设等景观治理，总长约60 km的汾河太原城区段呈现不同的河道特征。S1前河水在未经治理的天然河槽中，沿岸有很多支流，S2～S7河道东西两岸沿河均设有地下式排水暗涵，截纳两岸所有支流或排洪渠水量，全线无支流汇入，S2～S7之间为全长约32 km的景观河道，经驳岸处理工程后两岸均为立式混凝土或格网石笼驳岸，河道宽度350～450 m，其中S2、S3建设有人工湿地，S4、S7处建有滨河景观公园，从S8(刘家堡)上游约6 km起至出太原境，河道恢复为天然河道，宽度200～300 m；汾河东西排水暗涵所收纳的水量重新排入干流，同时干流也收纳了两岸支流和太原城区南部的两座污水处理厂(W5和W6)处理后出水。

1.2 样品采集

采样时间为2020年6月，研究范围地理坐标为东经112.380°～112.540°、北纬37.558°～38.007°。采用不锈钢采样铲在干流两岸水流顺直处随机均匀采集表面约0～2 cm深度的沉积物样品，用全球定位系统确定该点位置并记录。每个站点采取5 kg沉积物样品，随后密封储存在铝箔袋中，统一标号，运往实验室，4 ℃下保存。

1.3 样品预处理

采用NaCl浮选与H2O2消解相结合进行样品预处理。实验室中，将各沉积物样品分置于玻璃培养皿中，铝箔覆盖，在鼓风干燥箱中60 ℃下干燥24 h。样品完全干燥后混合均匀，以5 mm不锈钢筛初筛，初筛后每个样品称取100 g，并取3组平行样，分别加入饱和NaCl溶液充分搅拌2 min，铝箔覆盖静置24 h后，采用0.45 μm尼龙膜过滤上清液(过滤负压不超过40 kPa)。剩余沉积物继续加入饱和NaCl溶液，重复两次上述过程，以便最大程度获取微塑料[16]。浮选结束后将尼龙膜上物质全部转移至烧杯中，加入过量30%(质量分数)H2O2溶液，在65 ℃、80 r/min摇床中振荡24 h进行消解。消解后溶液再次通过0.45 μm尼龙膜过滤，过滤后尼龙膜快速、平稳放置于洁净干燥的培养皿中室温干燥，干燥后对尼龙膜上微塑料进行观察和处理。

为避免实验中可能存在的人为或环境中的塑料污染，实验人员身着无塑料纤维实验服；整个过程中所有的仪器和容器都用超纯水仔细冲洗，实验中所用溶液均使用0.45 μm尼龙膜过滤处理，同时进行的空白对照组中未发现微塑料。

1.4 观察、计数和成分鉴定

借助电子显微镜(WET200S)用无齿不锈钢镊子和解剖针对微塑料进行观察、挑选、拍照，根据照片中物体的颜色、形状、硬度、透明度、表面结构和光滑度等特性挑选可疑微塑料，按照颜色、形状等进行统计。将挑选出疑似微塑料放置在洁净的尼龙膜上，采用傅立叶变换红外光谱仪(赛默飞iN10)对微塑料成分进行精确鉴定。鉴定过程采用透射模式，对疑似微塑料进行成分鉴定和官能团表征，将所得图谱通过OMNIC软件(Thermo Fisher Scientific)在图库(HR Nicolet Sample Library)中进行匹配，匹配度在70%以上视为鉴定成功，最后根据鉴定结果确定微塑料丰度和成分。

2 结果与讨论

2.1 微塑料丰度分布特征分析

S1～S10中微塑料丰度分别为732、329、230、492、385、108、360、183、343、172 个/kg，平均值为333 个/kg。与类似的城市内河微塑料分布调查相比，汾河太原城区段沉积物中微塑料丰度比大辽河沉积物((66.67±79.73) 个/kg)[17]1655高，与长江重庆段沉积物(224 个/kg)[18]、上海河流沉积物(53～723 个/kg)[19]相近，比西北渭河沉积物(360～1 320 个/kg)[20]427、珠江广州段沉积物(80～9 597 个/kg)[15]375低，远低于泰晤士河沉积物(660 个/kg)[21]，属于中等偏低水平。

微塑料丰度最高点出现在上游起点S1。该采样点位于汾河水库出水河道由蜿蜒峡谷转入太原城区后顺直段的起端，上游河道为天然河道，分布较多的农业、水产养殖和人口密集城镇的集中排放口，对水中微塑料含量影响较大。

S2～S7河道经截污纳管、驳岸处理治理后，沉积物中微塑料丰度较起点大幅降低，其中S2～S3之间的湿地营建工程进一步降低了微塑料丰度。S4、S7处为城区综合治理段内相对较高点，可能是由于河道治理工程中的汾河公园景区工程使人流量增大。现有研究一般认为，微塑料丰度与人口密度呈正相关性[22]，如西北地区渭河沉积物中微塑料丰度较高的地点几乎全部位于人口稠密区[20]430，武汉靠近市区点位丰度远高于郊区[14]1371。另外，现状汾河综合治理工程中东、西暗涵收纳边山支流的汇入口处，设置了溢流或水泵强排的措施以缓解雨季城市内涝，不排除这也对S4、S5、S7等处微塑料丰度产生影响。但正在筹划建设的支流上中游缓洪设施，可能在未来会减小雨季对于干流微塑料丰度的影响。

S8～S10两岸工业和农业种植分布较广，汾河东西暗渠出水、潇河支流以及两岸污水处理厂排水的直接汇入却未明显提升沉积物中微塑料丰度。这可能与该段断面实际过流槽宽由中游的300～500 m缩小到50 m以下，水量增加、过流断面减小导致的流速提升有直接关系。

2.2 微塑料颜色特征分析

汾河太原城区段沉积物中微塑料颜色主要包括白色(35%(数量占比，下同))、黄色(32%)、无色(11%)、蓝色(5%)、黑色(5%)、红色(5%)、绿色(2%)，其他无法准确描述的颜色也占到5%。白色和黄色占比最大(总和67%)，与大辽河沉积物中黄色(41.25%)和白色(23.75%)微塑料总占比[17]1653、珠江广州段河流沉积物中黄色(36.2%)和白色(26.8%)微塑料总占比[15]378相似。微塑料颜色分布特征因其来源不同有所差异。进入自然环境后的微塑料，受环境因素影响，颜色也会发生变化。塑料中添加的酚类抗氧化剂自身会发生反应，形成具有引起微塑料变黄的醌类结构的副产物[23]。一般来说，黄色微塑料的占比大，一定程度可间接表明此处微塑料在沉积物中存在时间较长[24]。

各采样点沉积物中微塑料颜色分布见表1。S1～S3黄色微塑料占比逐渐增多，特别是周边建有湿地的S3，其黄色微塑料占比达到55%，可能是河道治理中的湿地截留作用[25]，使微塑料在此长时间累积所致。

表1 汾河太原城区段各采样点沉积物中微塑料颜色分布

2.3 微塑料形状特征分析

全段沉积物中微塑料形状统计分析表明，占比由高到低依次为纤维状(61%)、薄膜状(24%)、碎片状(6%)、颗粒状(5%)、泡沫状(4%)，纤维状和薄膜状微塑料丰度远高于其他形状。西北渭河沉积物中微塑料以纤维状(42.25%～53.20%)和薄膜状(23.9%～31.8%)[20]433为主，珠江广州段沉积物中纤维状微塑料占比为54.7%[15]378，这些结果都与太原城区段微塑料形状分布占比相似，而长沙市域河道沉积物中的微塑料主要为碎片状[26]418，普埃布拉市扎瓦潘河沉积物中的微塑料主要为薄膜状[27]。

本研究采集的纤维状微塑料呈线状或卷曲状，不易断裂，较大可能是衣物纤维直接或经过污水管网、污水处理系统后间接排入所致。各采样点沉积物中微塑料形状分布见表2。S8～S10纤维状微塑料占比明显递增，可能与河道综合治理后太原市区污水处理厂在汾河太原城区段下游的集中排放有重要关联。污水处理厂被认为是内陆微塑料污染不可忽视的重要来源，尽管污水处理厂处理工艺可截留大部分的塑料，但微塑料极小的粒径和污水处理厂巨大的日排放量都明显增加了微塑料进入淡水环境的可能。

表2 汾河太原城区段各采样点沉积物中微塑料形状分布

2.4 微塑料粒径特征分析

汾河太原城区段微塑料粒径的整体分布占比由高到低依次为500～<1 000 μm(36%)、0～<500 μm(27%)、1 000～<2 000 μm(23%)、2 000～<3 000 μm(11%)、3 000～<5 000 μm(3%)。大部分微塑料粒径均较小，<1 000 μm的微塑料占所有微塑料的63%。随着粒径的增大，微塑料的比例总体逐渐降低。这一趋势与德国Garda湖[28]、西北渭河[20]432、三峡[8]1625和中国青海湖[29]的特征相似，与沉积物中微塑料粒径越小含量越高[15]379这一结论基本相符。本研究所采集的0～<500 μm微塑料占比少于500～<1 000 μm，不排除是所用显微镜放大倍数限制及实验过程中小粒径微塑料易丢失等原因造成的。自然条件下，微塑料在各种理化作用下会不断破碎为粒径更小的塑料，同时粒径越小越容易随降雨进入水体，这可能也是汾河太原城区段小粒径微塑料占比更高的原因之一。各采样点沉积物中微塑料粒径分布见表3。经过河道治理后，S2～S7中<1 000 μm微塑料占比明显比S1高。

表3 汾河太原城区段各采样点沉积物中微塑料粒径分布

2.5 微塑料成分特征分析

汾河太原城区段沉积物中微塑料各种成分类型、占比和主要用途见表4。各类微塑料中，成分占比最大的为人造丝(23%)和聚酯纤维(22%)，且这两种成分颜色丰富；其次为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯和聚乙烯，占比均达到10%以上；其余的各类成分占比相对较少。人造丝和石油基有机聚合物(如聚酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯等)是纺织行业大量使用的原材料[1]9177，其在汾河太原城区段沉积物中的高占比也表明纺织品生产、使用过程产生的塑料纤维可能是该地微塑料的重要来源之一，与纤维状微塑料占比较高的结论吻合。此外，聚丙烯(12%)、聚乙烯(11%)、聚酰胺(7%)的广泛检出，与其在世界范围内各行业的广泛应用有直接关系。

表4 微塑料成分、占比及主要用途

现有研究中，上海城市河道沉积物[30]、墨尔本周围河道[31]中聚酯类微塑料占据主导地位，与本研究结果相似；珠江广州段的沉积物中微塑料类型占比则与汾河太原城区段差异明显，以聚乙烯(47.6%)和聚丙烯(26.2%)为主要类型。此外，受许多轻工业和个人护理品的影响，长沙市域河道[26]421和莱茵河某自然保护区河段[5]6075沉积物中还发现了聚苯乙烯。

由表5可见，各点位微塑料成分类型差异较大。丰度最高的S1处，以聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯和聚酯纤维为主。S4、S7处微塑料成分类型丰富，可能与其位于汾河景区公园，游客活动影响有关。S9处微塑料成分类型丰富，与其地处清徐县城周边受居民活动影响较大有关，而两岸工、农业较为发达的潇河支流在S9上游的汇入可能也对该处微塑料成分影响较大。S10处只检出人造丝，与其纤维状占比高达70%吻合。≥1 000 μm微塑料中聚对苯二甲酸乙二醇酯占比最高(78%)，这与聚对苯二甲酸乙二醇酯拉伸强度高(可达高密度聚乙烯的9倍)、耐候性优良有关。作为高分子聚合物的聚酯纤维，在≥1 000 μm微塑料中占比也高于纤维素为主要成分的人造丝。薄膜状微塑料的主要成分是聚乙烯，聚乙烯是世界上产量最大的一种塑料产品[32]，常用于制造塑料袋和塑料管道等。碎片状微塑料主要成分是聚丙烯、聚乙烯，与大辽河沉积物中碎片类微塑料成分组成特征[17]1654结果类似，推测其来源于日常生活中塑料制品的破碎碎裂，如塑料瓶、食品薄膜包装袋等。

表5 汾河太原城区段各采样点沉积物中微塑料成分分布

3 结 论

(1) 汾河太原城区段沉积物中微塑料丰度平均值为333 个/kg，属于中等偏低水平。

(2) 受综合截污纳管、驳岸处理整治工程影响，微塑料丰度降低但受工业、生活污水排放影响较小，而整治工程中景观治理工程带来的人流量增多可能使微塑料丰度增加。

(3) 白色(35%)、黄色(32%)、无色(11%)微塑料占比居前。湿地营建工程的截留作用使得黄色微塑料占比明显增加。

(4) 微塑料成分主要包括人造丝(23%)、聚酯纤维(22%)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(14%)。微塑料的丰度、形状、成分等特征受到汾河太原城区段河道综合治理方式的较大影响。