导读
滨海与深海生态环境研究中心团队在Journal of Hazardous Materials上发表了题为：“Exploring carbon content variation in microplastics sequestrated from seawater to sediment in the Haima cold seep area”的研究论文。该研究揭示了海马冷泉区微塑料碳含量从海洋表层到沉积物的变化规律，旨在更好地理解微塑料碳含量在深海冷泉环境对碳封存的影响。
摘要
本研究通过解释海马冷泉区ROV1（冷泉甲烷强渗漏发展中期），ROV2（冷泉甲烷弱渗漏发展中期），ROV3（冷泉甲烷渗漏早期）以及ROV4（冷泉无甲烷渗漏区）等四个冷泉发育不同阶段及不同渗漏程度代表性站位的微塑料理论碳含量及其从海洋表层到深海沉积物的分布特征，揭示了海马冷泉区微塑料碳含量在空间上的变化规律。主要结论如下：（1）对于强活跃区的水柱和沉积物，微塑料质量丰度随着甲烷渗漏强度增强而增加。其它站位的沉积物岩心中的微塑料质量丰度则随甲烷渗流强度增加而降低。（2）对于非渗漏区，微塑料碳含量与水柱的深度有正相关关系。（3）在ROV1的水柱和沉积物岩心中部，微塑料表面粗糙度更大。在高压和贫营养的冷泉，微塑料碳被微生物利用的数量和方式值得被更多的关注。
引言
作为新兴污染物，微塑料（尺寸小于5mm，MPs）逐渐汇集到海洋环境，甚至深海区域，比如冷泉。冷泉被公认为是清洁能源天然气甲烷的标志，提供了丰富的甲烷，其孕育了丰富的化能合成系统。一方面，微塑料作为新兴污染物吸引了更多的关注，另一方面，微塑料是微塑料是富碳聚合物，对碳循环有重要的意义。因此，阐明微塑料污染对环境的影响和对冷泉碳循环的作用是值得被关注的。
近些年，很多研究聚焦到深海区的微塑料，主要有以下三个方面：第一，深海微塑料的赋存特征。通过实验操作检测的塑料丰度远小于进入海洋的塑料通量。塑料通过水柱向下迁移，以及沉积到沉积物，伴随着碎片化的过程，在一定程度上可以解释海洋中丢失的塑料。第二，微塑料的命运受多种因素综合影响。全球海洋微塑料的数量丰度具有空间异质性以及塑料在海洋中的分布受颗粒的密度和大小，来源地，海浪和海流的影响。冷泉区的水力条件是复杂的，它们对微塑料的影响是值得更多的关注。第三，微塑料对微生物有多方面的影响，转而微塑料也会受微生物影响。塑料是富碳的有机材料，是溶解有机质（DOM）的重要来源。微塑料为微生物提供碳源和附着位点，进而通过生物降解增加微塑料的表面粗糙度。
这项研究的目的是通过解释海马冷泉区冷泉发育不同阶段及不同渗漏程度下的微塑料理论碳含量及其从海洋表层到深海沉积物的分布特征，以获得微塑料碳含量在海马冷泉区的空间变化规律。该研究主要包括以下三部分：（1）量化从海洋表层到深海沉积物的微塑料碳含量；（2）从垂直和水平方向分析微塑料碳含量的分布特征；（3）阐明冷泉强渗漏区微塑料表面粗糙度的变化规律。
成果简介
01 海马冷泉区微塑料的垂向变化
深海沉积物是微塑料重要的沉积汇。沉积物岩心的不同深度中的微塑料质量丰度（MA）明显高于海水水柱（Kruskal-Wallis test，H = 65.805， p < 0.001）。沉积物岩心中的微塑料质量丰度高海水水柱中36-124倍。甲烷渗漏促进微塑料在水柱中富集。在活跃区的水柱中，微塑料的平均质量丰度随着甲烷渗漏强度的增加而增大。从质量丰度的角度分析，海水中微塑料污染水平如下：ROV1 > ROV2 > ROV4 > ROV3 （Fig. 1a）。冷泉渗漏中期发展阶段比冷泉渗漏早期发展阶段和无渗漏阶段要高出1.059-2.700倍。四个站位的沉积物中的微塑料平均质量丰度与海水水柱存在差异。微塑料污染水平如下：ROV1 > ROV4 > ROV3 > ROV2 （Fig. 3b）。
Figure 1. Average MA and average MPC. (a) Average MA in seawater columns, (b) average MA in sediment cores, (c) average MPC in seawater columns, (4) average MPC in sediment cores.
02 微塑料碳含量随着冷泉发展阶段而变化
在不同站位的水柱伴随着不同强度的甲烷渗漏以及其微塑料碳含量（MPC）的垂向分布展现不同的模式 （Fig. 3）。四个站位间的微塑料碳含量的差异性相对较大，但是不具有统计学意义（ANOVA，p > 0.05）。四个站位的微塑料平均碳含量大小顺序如下：ROV1 > ROV2 > ROV4 > ROV3（Fig. 1c）。在所研究的四个站位中，海水中最高的微塑料碳含量出现在ROV2水柱的150 m处（1.806 mg/L），该点的微塑料碳含量对总有机碳（TOC）的贡献占46.274%（Fig. 2）。
Fig. 2 Ratio of MPC to TOC.
沉积物岩心表层是微塑料碳池。在沉积物岩心中，最容易捕获微塑料碳是在沉积物表层2 cm处。四个站位的微塑料平均碳含量大小顺序如下：ROV4 > ROV1 > ROV3 > ROV2（Fig. 1d）。ROV1，ROV2，ROV3，和ROV4的平均碳含量分别是0.289-1.542 mg/kg, 0.221-3.652 mg/kg, 0.190-104.339 mg/kg, and 0.049-2.529 mg/kg。在ROV3沉积物岩心深度为18 cm处，微塑料碳含量是极高的（高达104.339 mg/kg），这表明了可能有特别的环境因素影响着该层位的微塑料碳。
微塑料碳对海洋环境中总有机碳的贡献是很低的（Fig. 2）。沉积物岩心中，微塑料碳含量对总有机碳含量的贡献较大主要是表层。ROV1站位的变化是较小的，ROV2站位总体上是呈下降趋势，ROV3和ROV4站位波动变化。
海洋微塑料的形状和聚合物类型可能在迁移过程中影响微塑料碳含量的分布。在本研究中，为了研究微塑料碳含量，微塑料的形状被分成两种类型：纤维（fibers）和非纤维状颗粒（non-fibrous particles）。在冷泉环境中，主要是非纤维颗粒对微塑料碳含量的贡献更大。然而，很多研究表示在海洋环境中主要是纤维的塑料。本研究，有36种聚合物类型被检测到（Fig. 3）。除了ROV1站位沉积物岩心中有相对高比例的低密度聚合物，其它站位和其它研究是以高密度聚合物为主，低密度聚合物的占比容易被忽视。
Fig. 3 Variations in the size and chemical composition of the MPs with depth. (a)-(h) Contribution of the MPC of the non-fibrous particles and fibers in the environment, and (i)-(p) Contributions of MPC in 36 polymer types detected in the seawater columns and sediment cores.
03 微塑料的粗糙度随着深度的变化而变化
ROV1站位海洋表层到沉积物之间微塑料的表面粗糙度随深度的变化而变化（Fig. 4a-b）。在水柱中，微塑料表面粗糙度和水深呈显著正相关（Spearman，p < 0.05）。在海洋表面的微塑料粗糙度小于其它层位，只有0.940 %。在水柱中微塑料表面粗糙度峰值出现在400 m处。在甲烷强渗漏的环境条件下，水力条件更复杂，对微塑料表面的作用力更大，微塑料在沉积物中，微塑料表面粗糙度和深度无明显的相关性（Spearman，p > 0.05）。沉积物岩心的10-24 cm深度的微塑料粗糙度大于表层和底层。在甲烷强渗漏的环境条件下，对该环境的扰动更大，可能改变了微塑料原有的环境。
Fig. 4 The surface roughness of the MPs. Variation trend of the surface roughness of the MPs at ROV1 from the seawater to the sediments. (a) Roughness of MPs in seawater samples, and (b) roughness of MPs in sediment samples. The SEM images of the MPs at the active areas of methane seepage in the seawater (c) and in the sediments (d) and at the non- seepage areas in the seawater (e) and in the sediments (f).
总结与展望
在本研究中，我们通过从海马冷泉区海水和沉积物样品中提取微塑料进行系列分析，阐述了微塑料碳含量垂向上从海表到沉积物，水平上四个冷泉发展阶段站位的变化规律。我们认为微塑料碳含量对环境中总有机碳含量的贡献是小的，但对碳循环的潜在影响较大。
接下来拟通过长期实验培养，进一步研究微塑料老化与微塑料碳丢失，以及该环境下的微生物的关系，对研究环境中的微塑料参与地球环境碳循环的过程提供坚实的理论基础。
原文信息
Xiao-Nan Wu, Jing-Chun Feng, Xiao Chen, Can-Rong, Si Zhang. Exploring carbon content variation in microplastics sequestrated from seawater to sediment in the Haima cold seep area. Journal of Hazardous Materials 2023, 132742
