意大利海岸微小垃圾大揭秘：夏日冒险，沿海表层水中的隐藏之旅

為了你我愿給 · 发表于海洋技术专业 2024-4-5 11:07:10

文|地渊质

编辑|地渊质

前言

沿海地区极易受到垃圾污染的影响。在这项工作中，我们评估了北拉齐奥沿海地区（意大利地中海泰伦尼亚海）水柱和表层水中微小垃圾的丰度和分布，以及它们夏季的传输轨迹。

通过目测分选和光学显微镜检查，将微小垃圾分类为不同的形状（碎片、薄膜和丝状）、尺寸、颜色和类型；通过光谱（拉曼和傅里叶变换红外）显微分析，确定了它们的组成。

在所有水样中，微塑料（MPs）丰度都很高；鉴定出了聚丙烯、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯。结果显示，水柱中微小垃圾的浓度较高（平均浓度为5.9 ± 1.38个/m³），而表层水中的浓度较低（平均浓度为0.16 ± 0.03个/m³）。

这些丰度与地中海和洋流水域中的发现相似。距离海岸较近的取样点水柱中颗粒物的丰度较高，尤其是丝状颗粒，与远离海岸的区域相比。

这一特征可以通过附近的陆源污染源、浴场以及底部微小垃圾颗粒的再悬浮来解释。对表面轨迹的分析指出了微小垃圾总体上向北运输，并且沿海可能存在富集点。

人类活动不断威胁着海洋生态系统；其中之一就是海洋垃圾的产生，这已成为海岸和海洋的全球性迅速增长的问题。它实际上已被纳入海洋战略框架指令的十一项描述符之一，并被视为“人类世”时代的重要指标。

海洋垃圾被定义为“任何人为制造或加工的固体材料（无论大小），被丢弃、处理或在环境中遗弃，包括所有被丢弃到海洋、海岸或间接被河流、污水、暴雨、海浪或风带入海洋的材料”。

塑料是海洋污染物中最为丰富的，其中微塑料（MPs；直径小于5毫米的颗粒）被认为是海洋塑料废物中有害的部分，因为它们对海洋生物具有生物可利用性，可能被误认为是食物，并具有携带病原体的潜在能力。

垃圾颗粒从陆地来源、海洋活动和大气尘埃中被输送到海洋中。一旦进入海洋，垃圾颗粒会表现出不同的行为，这取决于它们的物理特性（如形状、密度和大小），并受到海洋环境的水动力特征的影响。

数值模拟在理解海洋垃圾分布方面提供了有价值的帮助，尤其是对浮游大垃圾的分布。通常，这些结果用于解释小塑料碎片的分布以及沿海水域可能的传输过程。

然而，通过数值模拟在海洋环境中再现微小垃圾过程仍然是一个挑战，因为微小垃圾的物理和组成特性极其异质，并且在环境条件和颗粒物在海洋环境中停留时间的影响下会发生变化。

地中海被称为海洋垃圾积累区，密度可与亚热带环流区相媲美。地中海盆地的许多研究专注于这个问题，特别是关于海滩上的塑料、沉积物以及表面海水中的塑料。

尽管在地中海和其他地区对这个主题进行了大量研究，但关于水柱中海洋垃圾的浓度和分布仍然存在显著的知识缺口。实际上，海洋的水柱是海洋垃圾的储存库。

颗粒物的垂直分布仍然不清楚，现有数据往往难以比较，因为采样方法不够协调，这使得评估这些人为污染物对生物体影响的可靠性变得复杂。

在这里报告了意大利北部泰伦尼亚海北拉齐奥沿海地区水柱和表层水的微小垃圾丰度和分布结果，包括其类型和鉴定的研究。我们还通过考虑研究区域内的水动力特征，模拟了夏季微小垃圾的表面传输轨迹。

研究区域与采样活动

研究区域位于意大利北部拉齐奥沿海（意大利北部泰伦尼亚海），从卡波利纳罗角到塔尔奎尼亚海滩延伸。该地区的地质和地貌特征已被多位作者研究过。

研究区域沿岸径流动态主要受到Mignone河的调节，偶尔受到小溪流的影响，这些影响在当地和强降雨时会影响海洋沉积。平均顺岸流向西北方向，这个趋势也被Mignone河的末段所证实，该段末端是朝北的。

这段海岸线包括了城市Civitavecchia，有几个国内和国际重要性的工业活动设在这里。它承载着一个大型能源生产基地，Torrevaldaliga Nord（TVN）燃煤电厂，以及地中海最重要的港口之一。

Civitavecchia港口占地1.62平方公里，平均深度15米，是地中海巡航中转的主要枢纽。2004年制定的新港口规划允许扩建工程，有助于增加商业和巡航交通。

沿海海洋环境中存在两个社区重点保护区（SCI；栖息地指令92/43/EEC；欧洲委员会，1992），其特点是Posidonia oceanica草甸以及Corallium rubrum和Pinna nobilis等优先物种的存在。

采样活动于2019年7月26日进行。在工作过程中，分别进行了水柱和表层水样品的采集，进行了垂直采样和沿三个不同横断面（T1、T2和T3）的水平拖网。

T1位于Santa Marinella市附近，T2位于Civitavecchia最城市化的地区附近，T3位于研究区域北部，靠近Mignone河口。在每个横断面中，红点表示水柱取样的位置，虚线表示表层水取样轨迹。

所有水样品都是使用装有流量计的WP2采样器（250微米网孔尺寸）采集的。通过从底部垂直拉动WP2采样器来取样，每个站点取两次水柱的副本。样品含有从几米深的水底到水面分散在水柱中的微小垃圾。通过在虚线轨迹上以2-3节的速度水平拖曳采样器20分钟，每个站点进行两次表层水样品采集。

采样器的装尾端的水转移到500毫升玻璃瓶中，并以4°C的温度运送到实验室。为了防止污染，采样网在进行任何新操作之前都会经过精心清洁和冲洗处理。

实验室分析

使用立体显微镜（Leica 8APO）对水样进行了目测分选分析。分散的颗粒根据颜色、尺寸和形状，按照海洋战略框架指令（MSFD）的指导原则分为五个尺寸类别：A（250 µm < x < 500 µm）、B（500 µm < x < 1000 µm）、C（1000 µm < x < 3000 µm）、D（3000 µm < x < 5000 µm）和E（x > 5000 µm），其中x为颗粒尺寸。

海水中微小垃圾的丰度（items/m3）根据总的过滤水体积（V）进行了标准化，使用以下公式：

其中N是由WP2采样器流量计测量的螺旋桨旋转次数；A是网口面积，C是每个流量计的常数，由制造商提供。

在目测分选后，通过结合微傅里叶变换红外（μFT-IR）和微拉曼（μRaman）光谱进行了微小垃圾的鉴定。这些技术允许区分塑料和非塑料物品，并识别聚合物的类型。

尽管傅里叶变换红外（FTIR）光谱在有机化学中传统上更常用，但在微小垃圾分析中使用时有时会有问题，因为从滤纸上提取的颗粒往往太厚，因此会饱和信号。

为了解决这个问题，我们在同一颗粒上收集了相应的拉曼光谱，以通过比较两组数据来获得材料的改进鉴定。从六个不同的滤纸中手动提取了20个样本进行分析。此次子样本的选择是为了代表提取颗粒的不同形状、颜色和尺寸。

μFT-IR分析以透射模式进行，使用配备氮冷却汞镉镓探测器（MCT）、宽带KBr分光镜和Globar红外源的Bruker Hyperion 3000 FTIR显微镜。

光束尺寸设置为40 × 40微米。拉曼测量在室温下进行，使用装备有二极管激光器（785 nm，输出功率180 mW）、边缘滤光片、1200行/毫米光栅和Peltier冷却的1024×256像素CCD探测器的inVia Renishaw光谱仪。

样品安装在Leica DM2700 M共聚焦显微镜的手动台上。为避免样品降解，使用中性滤光片将激光功率降低到1 mW。光谱采集（60秒，1次累积，在150–3100 cm-1范围内）采用50×物镜进行。

光谱采集和数据分析（基线校正以去除背景荧光）使用WIRE™和OriginPro软件完成。与国际文献中报告的微小垃圾鉴定光谱进行比较，以准确鉴定垃圾物品。

为避免在实验室分析过程中受到空气暴露而污染，使用了经过稀硝酸洗涤并用超纯水冲洗的玻璃器皿，而不是塑料器皿。此外，处理样本的人员穿着100％棉质实验服。使用空白测试来检查是否存在实验室污染。

统计分析

微小垃圾丰度被计算为海水体积中的颗粒数。它们的分布最初通过使用Shapiro-Wilk检验进行建模；这个初步测试表明数据不符合正态分布，因此在进一步的分析中使用了非参数模型，即Kruskal-Wallis检验。

后者是一种有效的统计工具，用于比较表征多个样本的特征，并测试它们是否适合相同的分布。具体而言，首先通过考虑微小垃圾总数来评估微小垃圾丰度中的显著差异，然后通过考虑由不同形状定义的每个组内的微小垃圾种群来评估差异。

为了比较水柱和表面海水的结果，使用主成分分析（PCA）。PCA是一种多变量技术，允许从数据集中提取信息，并将其表示为一组新的正交变量，称为主成分。从数据相似性和观测之间的差异的图中，可以直观地评估相似性和差异。

PCA应用于包括微小垃圾丰度、尺寸、形状以及采样点距离海岸的整个数据集中。对于所有的统计检验，选择了显著性水平为0.05。

表面微小垃圾轨迹分析

为了研究研究区域内表面微小垃圾的轨迹，考虑了采样活动后数天的气象海洋条件，包括位于Civitavecchia港口内的气象站提供的风速和风向，以及位于离岸区域50米深度处的波浪浮标（波高、峰值周期和平均方向）的数据。所有使用的数据来自CCEMS（Civitavecchia沿海环境监测系统）。

水动力场通过将DELFT3D-FLOW与SWAN模型集成来进行复制。两个模型使用相同的计算网格，该网格由有限差分曲线方法构建，在微小垃圾采样进行的沿海区域中可以获得高分辨率（约50米）。

在垂直方向上使用了由十个σ层组成的DELFT3D-FLOW模型，σ层的厚度均匀。模型在横岸边界上施加了诺伊曼条件，在海岸边缘施加了水位条件。

在我们的计算中，我们在整个模拟期间强制设置了0米的水位，并忽略了潮汐强迫对水动力场的影响，因为研究区域内的最大天文潮汐可以被认为是可以忽略的。

为了分析温度层化对水循环的影响，将夏季季节的典型温度和盐度垂直剖面指定为边界和初始条件。这些信息是通过对2019年8月沿水柱获取的数据平均值得到的。

对于表面边界条件，热通量是通过Gill（1982）和Lane（1989）的公式计算得出的，而风应力是通过考虑阻力系数来计算的，该系数被假设与风速成线性关系，从0 m/s到100 m/s变化。

计算热通量（相对湿度、气温和太阳辐射）和风应力（速度和风向）所需的输入变量来自位于Civitavecchia港口内的当地气象站。

水动力模拟持续了7天，使用60秒的时间步长。为了减少通过初始条件引入的所有噪音，采用了采样期前的三天作为预热时间。

这个时间段被认为是初始化沿海模型的最佳选择，可以在局部尺度上模拟活跃的轨迹和水动力场。水平背景涡粘度和扩散率设置为1 m2/s，湍流效应使用K–e模型来复制。

为了在水动力场中复制波浪效应，进行了SWAN与Delft3D-FLOW的在线耦合。SWAN模型解决了光谱行动平衡方程，其中包括底部摩擦、白冲击以及深度诱发的断裂在波能耗散项中的贡献。

底部摩擦使用JONSWAP公式进行参数化，系数为0.067 m2/s3，白冲击基于脉冲模型，深度诱发的断裂使用Battjes和Janssen（1978）模型进行计算，断裂参数为0.73。

在之前的研究中，已经给出了在Civitavecchia沿海区域再现水动力场（海流和波参数）方面的准确性水平，该研究使用了与本文相同的模型。

具体而言，DELFT3D-FLOW在模拟Civitavecchia港口防波堤附近海流的时间变化方面表现出良好的能力（相对平均绝对误差，RMAE < 0.2），而SWAN在模拟波高方面表现出准确性，主要是针对198°N和316°N之间的事件（RMAE < 0.01）。

微小垃圾的运输在研究区域内进行了复制，将沿海（A1和A3）和离岸站（C1和C3）作为起点。由于大多数垃圾物品（聚乙烯、聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯）比海水轻，它们被认为是中性浮力的。

此外，考虑到模拟周期非常短（7天），我们假设微小垃圾物品由于物理和化学降解不会改变其重量，因为生物附着过程通常在时间尺度上发生。因此，在数值模拟期间，微小垃圾被认为仅在表层层传输。

结果

实验室分析显示，水柱中的微小垃圾丰度与表面水相比普遍较高。这些不同的值在KW检验（p值<0.01）中显示出统计学上的显著性。

水柱中的微小垃圾浓度最高出现在A1站点（16.48 ± 1.52个/m³），而最低浓度出现在C3站点（0.81 ± 0.17个/m³）。最丰富的形状是纤维（77%），其次是碎片（11.6%）和薄膜（11.4%）。

大多数碎片是白色的（84%），薄膜是白色的（91%），纤维是蓝色的。碎片主要属于尺寸类别B，纤维和薄膜主要属于类别C。

显著差异（KW检验，p值=0.03）在微小垃圾分布似乎与不同的水深层次有关，即使只考虑纤维的浓度（KW检验，p值=0.01）。

表面水样品中，样品E显示出最高的微小垃圾浓度（0.29 ± 0.01个/m³），而样品B显示出最低的浓度。最丰富的类型是碎片（55.4%），其次是纤维（34.7%）和薄膜（9.9%）。

碎片和薄膜主要是白色的（分别为71%和97%）；纤维主要是蓝色的。碎片主要属于尺寸类别B，薄膜属于类别E，纤维属于类别C。KW检验结果没有显示出表面水微小垃圾分布方面的显著差异。

μRaman和μFTIR分析显示不同类型的材料，其中最丰富的包括聚丙烯、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯，纤维状物质中最多的是羊毛。

对所有数据进行的主成分分析（PCA）突出显示了基于微小垃圾丰度、大小、形状和距离海岸的两个主要成分：表面水样本显示出均一性，而水柱样本显示出显著差异；特别是A1和A3站点距离海岸最近，在图中相互远离，并且远离其他所有采样点。

为了帮助解释研究区域内的微小垃圾分布，通过DELFT3D模拟了平均表面水动力场；结果显示出向西北方向的速度流向，沿着沿海区域的值较高，并且暗示C3站点的样本区域的微小垃圾物品在表面上被输送到开放海域，A3站点的微小垃圾物品向西北方向输送，而A1和C1站点的浮动颗粒物则被输送到海岸，并最终在Riva di Traiano旅游港口附近、TVN电厂以及Mignone河口附近的海滩附近富集。

微小垃圾的存在以及其对生物和生态系统健康和功能的影响在全球范围内得到了广泛的记录。然而，关于表面水和水柱中微小垃圾含量和类型的差异，特别是在地中海盆地，仍然有很少的研究。

将本研究和文献报道的地中海海域和大洋水域的微小垃圾丰度进行比较，表面水方面虽然有很好的一致性，但水柱的数据虽然可比较，但变异性较大。

在拉齐奥北部的研究区域，水域中富集了具有不同形状、颜色和大小的微小垃圾和微塑料，水柱的浓度相对于表面水较高。

在波罗的海中报告了水柱中微小垃圾和微塑料的浓度较深的水层中较高，总体上比表面水域高。然而，必须考虑到由于使用不同的采样方法和测量单位，文献数据很难进行比较。

此外，海水中微小垃圾的浓度在相同的研究区域内也可能会有所不同，这取决于季节、气象海洋事件的强度以及诸如降雨和洪水事件等环境因素。

水柱样本在沿海采样点表现出比近海采样点更高的微小垃圾浓度，且薄膜和纤维是最丰富的微小垃圾形状；这与中国东南沿海水域的研究结果相符。

由于其形状，纤维比其他垃圾颗粒更容易悬浮在水柱中，地表径流和点源排放可能会导致这些颗粒大量输入海洋环境，从而增加水柱中它们的丰度。

在更靠近沿海的采样点，特别是A1和A3采样点，水柱中的高微小垃圾浓度，尤其是纤维，可归因于陆源污染源，如沿海的城市废水排放、Mignone河的存在以及Civitavecchia港口。

PCA结果也突显了A1和A3采样点的水柱样本与所有其他样本之间的差异。需要考虑到采样活动是在夏季进行的。在这个季节，Mignone河口通常是关闭的，对沿海微小垃圾污染的贡献很小且偶发性的。

A1和A3采样点靠近拥挤的浴场区域，游客可能会在夏季增加微小垃圾污染，A1采样点位于一个高能区域，底部水流强度比研究区域的其他所有点都要强。由更强的底部水流引发的微小垃圾再悬浮过程可能会在该点导致水柱中微小垃圾的更多积累。

夏季表面微小垃圾传输轨迹突显了夏季表面洋流的北向传输轨迹与该地区的沿岸运输方向一致。在采样活动后的夏季一周内，被表面洋流运输的微小垃圾也可能会到达海岸，暗示了可能存在的富集点。

尽管本研究使用的建模方法提供了该地区可能的微小垃圾传输轨迹的初步信息，但还有许多方面需要考虑，以改进在海洋环境中小尺度下的垃圾去向和沉积的认识。

还应考虑到结果代表了纯夏季的气象海洋条件，基本稳定且表面洋流较弱；在其他季节，强烈的气象海洋事件可能会强烈影响所讨论的海洋垃圾分布。

结论

本研究首次综合研究了意大利北部拉齐奥（东北提尔连海，意大利）沿海水域微小垃圾的丰度、分布和夏季传输轨迹。该研究的结果提供了有关微小垃圾浓度、分布以及夏季一周内可能的传输轨迹的新认识，这些都与区域内的陆源源和水动力特征有关。

微小垃圾和微塑料在水柱中的丰度高于表面水层。纤维形状在水柱中最为丰富，这与类似领域的研究结果一致。

靠近沿海的采样点的水柱中发现了更高的微小垃圾浓度，这是由于陆源源的影响、浴场区域的存在以及再悬浮过程所致。对采样的微小垃圾进行全面的光谱鉴定表明存在聚丙烯、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯。

本研究采用的建模方法使我们能够分析不同近海和沿海站点释放的微小垃圾的表面轨迹，即采样活动后的一个星期。表面运输路径提示，微小垃圾颗粒可能会到达海岸，可能的富集点也已被确认。

考虑到模拟结果中的表面洋流方向，我们还可以推断，至少部分在研究区域内发现的微小垃圾可能来自Capo Linaro以南的陆源源（如Tiber河），以及附近近海区域的海洋源。未来的研究将涉及区域尺度和不同季节的海洋垃圾分布状况，以更好地阐明这一环境问题在沿海海洋环境中的动态。

参考文献

S. 阿尔纳希安，M.R.J. 拉基布，S.M.B. 海德尔· 库马尔· 穆赫森，P. 夏尔马，M.U 坎达克孟加拉湾圣马丁岛地表水和沉积物中微塑料的发生、空间分布及风险评估（2022）C.阿洛马尔，F. 埃斯塔雷拉斯，S. 德德罗，地中海中的微塑料：在沿海浅层沉积物中的沉积、空间变化和优先粒度（2016）F.阿梅利诺· 邦尼特，O. 海茨，V. 莫特鲁，A.M.A. 哈丁，N。卡尔诺夫斯基· 沃库什，J. 福特，D. 格雷米勒，格陵兰海的微塑料污染：浮游性潜水海鸟的背景水平和选择性污染（2016）D. 奥雷利， A. 康塔尔迪，B. 贾乔· 莫德斯蒂，M.R. 帕伦坡，R. 罗齐，A. 斯波萨托，F. 特鲁科，拉蒂姆北部中更新世的直牙象：关于Ficoncella遗址（意大利中部塔尔奎尼亚）的初步报告（2012）