海洋中微塑料的來源、分布及生態(tài)環(huán)境影響研究進(jìn)展*

孫承君，蔣鳳華，李景喜，鄭 立,3

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所海洋生態(tài)中心，山東 青島 266237; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

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海洋中微塑料的來源、分布及生態(tài)環(huán)境影響研究進(jìn)展*

孫承君1,2，蔣鳳華1，李景喜1，鄭 立1,3

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所海洋生態(tài)中心，山東 青島 266237; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋藥物與生物制品功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

微塑料(粒徑<5 mm的塑料)作為海洋環(huán)境中一類新型污染物正受到越來越多的關(guān)注。我們從微塑料來源、分布和生態(tài)影響等方面總結(jié)分析了近年來海洋微塑料研究的進(jìn)展。結(jié)果表明，海洋中的微塑料主要來源于在陽光、風(fēng)浪和海流等作用下的海上塑料垃圾的分解，陸源塑料垃圾輸入、海上船只塑料垃圾的丟棄、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)漂浮裝置的廢棄等是海洋中塑料垃圾的主要來源。海洋微塑料分布呈全球化趨勢，近岸、大洋、深海和極地都有微塑料的存在，已有研究表明深海是微塑料的主要匯集區(qū)。微塑料不但會影響藻類的光合作用，還會影響一些海洋生物的產(chǎn)卵量和繁殖能力，甚至?xí)鹉承┖Ｑ笊锏臓I養(yǎng)不良甚至死亡；微塑料自身含有和表面富集的污染物會在水動(dòng)力作用下影響污染物的全球分布并對海洋生物產(chǎn)生復(fù)合毒性影響。為減少海洋塑料垃圾，控制海洋微塑料污染并為污染防治提供支撐，保護(hù)海洋環(huán)境安全和人類健康，今后的研究方向?qū)⒅饕ǎ翰煌轿⑺芰系目焖俜蛛x和在線鑒別方法的建立；水動(dòng)力對微塑料全球遷移變化的影響；微塑料復(fù)合毒性對海洋生態(tài)環(huán)境的污染效應(yīng)及機(jī)制；管理和技術(shù)體系以及相關(guān)政策法規(guī)的制定等。

微塑料；塑料污染；微塑料來源；生態(tài)影響；海洋污染；海洋垃圾

塑料是海洋垃圾的主要組成部分，約占海洋垃圾的60%～80%，在某些地區(qū)甚至達(dá)到90%～95%[1]，并且以每年遞增的趨勢增長。據(jù)報(bào)道全球每年生產(chǎn)的塑料超過3億t[2]，其中約有10%的塑料會進(jìn)入海洋[3]，而事實(shí)上我們所消耗的每一片塑料最終都有可能進(jìn)入大海。難以降解的塑料在環(huán)境中會存在百年以上，因而會對環(huán)境造成持久影響。世界綠色和平組織2016-08-25發(fā)表的報(bào)告顯示全世界每秒有超過200 kg塑料被倒入海洋[4]。盡管對進(jìn)入海洋的塑料的具體量估算存在差異，但是塑料作為海洋垃圾和污染的重要來源已經(jīng)是公認(rèn)的事實(shí)。隨著人們環(huán)保意識的提升和科技的進(jìn)步，可降解塑料的生產(chǎn)和使用都在增加，但其產(chǎn)量仍相對較少，使用時(shí)間也相對較短，并且目前還未見到海洋中塑料垃圾內(nèi)可降解塑料的報(bào)道，因此在本文我們將主要討論非可降解塑料，即普通塑料。

有關(guān)海洋塑料垃圾的最早報(bào)道在20世紀(jì)70年代[5-6]，目前在大西洋[7]、太平洋[8-9]、極地[10]和深海[11-12]都已發(fā)現(xiàn)存在塑料碎片污染，這些碎片主要來源于風(fēng)浪和海流等外力協(xié)同作用下的大片塑料的分解。海洋中的塑料在太陽輻射下可產(chǎn)生光降解和破碎，形成粒徑<1 cm甚至更小的碎片[13-14]，2004年Thompson和Russell[14]使用微塑料描述小尺寸的塑料，此后關(guān)于微塑料的研究開始引起越來越多的科研人員關(guān)注。

微塑料指粒徑<5 mm的塑料碎片，其化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，可在海洋環(huán)境中存在數(shù)百至數(shù)千年[13, 15]。海洋中漂浮的微塑料不僅能夠給各種微生物提供生存和繁殖場所[16]，還可以富集多種有毒化學(xué)物質(zhì)[17]。目前對微塑料潛在危害的研究剛剛起步，很多結(jié)果也僅僅限于實(shí)驗(yàn)室研究。因此，在全球塑料生產(chǎn)仍在逐年增加和微塑料污染逐步累積加重的形勢下，研究微塑料的環(huán)境行為、生態(tài)影響以及微塑料污染的控制手段等已經(jīng)成為海洋生態(tài)研究的重要內(nèi)容和發(fā)展趨勢。

1 微塑料的來源和分布

1.1 海洋微塑料污染形勢嚴(yán)峻

海洋中的塑料垃圾近40 a增加了上百倍[18]。據(jù)估算在2010年來自沿海國家的約800萬t塑料垃圾最終會進(jìn)入海洋[19]。2004—2014年，全球塑料產(chǎn)量增加了38%。綠色和平組織專家估計(jì)，到2020年塑料廢棄物的生產(chǎn)速度將達(dá)到1980年的9倍[20]，每年的產(chǎn)量將達(dá)到5 000萬t。如果處理不當(dāng)，這些塑料垃圾會破碎分解成為更小的塑料顆粒，進(jìn)入海洋之后將貽害無窮。目前，東亞海域已經(jīng)是塑料污染的重災(zāi)區(qū)，日本海塑料污染密度是世界其他地方的27倍[21]，我國近海雖然僅有少量微塑料的相關(guān)數(shù)據(jù)，但已有數(shù)據(jù)顯示我國近海微塑料污染已經(jīng)不容忽視[22-25]。

1.2 海洋微塑料污染源多元化

目前已知的微塑料來源包括陸源輸入、濱海旅游業(yè)、船舶運(yùn)輸業(yè)和海上養(yǎng)殖捕撈業(yè)等。

陸源塑料垃圾的輸入是海洋中塑料污染的主要來源之一，主要是人類生活中有意或者無意丟棄的塑料廢棄物、被暴風(fēng)雨沖刷到海洋的陸地上掩埋的塑料垃圾等；常用的一些洗滌劑、生活護(hù)膚品[26]以及工業(yè)原料等均含有大量微塑料成分，這些微塑料顆粒在污水處理過程中由于顆粒小而難以去除，從而會隨陸源垃圾輸入進(jìn)入海洋。研究表明，日常清洗衣物過程中，每次清洗可產(chǎn)生1 900多個(gè)纖維顆粒進(jìn)入廢水中，廢水中的纖維數(shù)量可達(dá)到100 個(gè)/L以上[27]。這些塑料垃圾進(jìn)入到海洋后逐漸發(fā)生光降解或破碎，形成不同形貌的微塑料。塑料制品在加工、成型和儲運(yùn)過程中也會造成微塑料顆粒泄露。

游客在海灘上或海洋里隨意丟棄的塑料產(chǎn)品(塑料袋、塑料瓶等)以及海上過往船舶向海洋丟棄塑料廢棄物是導(dǎo)致海洋塑料污染增加的另一主要原因。近年來，水產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展導(dǎo)致泡沫聚苯乙烯漂浮裝置的大量使用，而漂浮裝置的老化或者使用過程中發(fā)生的破損、破裂等都會導(dǎo)致這些塑料產(chǎn)品進(jìn)入海洋而成為塑料漂浮垃圾的一個(gè)重要來源[28]。其次，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量飼料垃圾袋的丟棄也增加了海洋環(huán)境中的塑料量及其潛在污染危害。越來越多的漁船采用塑料漁網(wǎng)進(jìn)行捕魚，漁具更新導(dǎo)致大量的破舊塑料漁網(wǎng)被遺棄在海洋中。據(jù)美國方面統(tǒng)計(jì)，漁船和商船每年要向海洋傾倒高達(dá)29 800多萬磅塑料捕魚用具(包括繩索、漁網(wǎng)等)，并丟棄5 200多萬磅的塑料包裝材料[18]。此外，突發(fā)的海上航運(yùn)事故有時(shí)也會造成大量的塑料產(chǎn)品進(jìn)入海洋。

1.3 海洋環(huán)境中微塑料的分布特征

1.3.1 微塑料在全球水域分布廣泛

環(huán)境中的塑料殘?bào)w可以通過風(fēng)力、河流、洋流等外力進(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移[29]，污染地球上的偏遠(yuǎn)角落[13]，上到高山湖泊，下到深海沉積物，到處都有塑料污染的存在。在大洋，尤其是北大西洋和太平洋表面以及深海均存在著塑料碎片污染[30-31]。大洋上的塑料碎片主要分布在大洋的環(huán)流區(qū)(圖1)。西班牙國家研究委員會馬拉斯皮納(Malaspina)海洋考察隊(duì)發(fā)現(xiàn)，全球海洋中存在的五大塑料碎片聚集地基本與海洋表面的五大環(huán)流所在地重合[13]。在北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)，塑料顆粒含量達(dá)到3 276 個(gè)/m3和250 mg/m3[32]。Cózar等[13]的研究結(jié)果顯示微塑料在這些渦旋區(qū)的分布呈外低內(nèi)高的趨勢：渦旋外緣的微塑料含量通常小于50 g/km2，接近渦旋中心區(qū)域的微塑料含量一般大于500 g/km2，而渦旋中心區(qū)域微塑料含量通常高達(dá)1 500～2 500 g/km2，是渦旋外緣的30倍以上(圖1)。因此，微塑料在海洋中的空間分布變化受到海流影響較大，呈現(xiàn)分布廣泛、區(qū)域高度集中的現(xiàn)象。Eriksen等在美國五大湖的21個(gè)站點(diǎn)采集樣品并分析了其中的塑料碎片，發(fā)現(xiàn)其中20個(gè)站點(diǎn)樣品微塑料含量達(dá)43 000 個(gè)/km2[8]。法國和比利時(shí)研究人員對法國、意大利北部及西班牙的地中海海域表層10～15 cm海水取樣分析，結(jié)果顯示90%的樣品均含有塑料垃圾碎片，由此推測在整個(gè)地中海海域約有2 500億個(gè)微塑料垃圾碎片[33]。英國自然歷史博物館與倫敦大學(xué)的科學(xué)家沿泰晤士河口上游的河床進(jìn)行調(diào)查，對7個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了為期3個(gè)月的塑料垃圾采樣研究，結(jié)果共捕撈到8 490件垃圾，主要包括香煙塑料包裝、食品包裝和塑料杯等[34]，這些河流和湖泊中的微塑料最終都有可能進(jìn)入海洋，加重海洋中的微塑料污染。

圖1 全球海洋表層水中塑料碎片分布示意圖(g·km-2)[13]Fig.1 The distribution of plastic debris concentrations in the surface waters of global oceans(g·km-2)[13]

1.3.2 微塑料在近海環(huán)境分布相對集中

近海海洋環(huán)境中的微塑料主要分布在表層海水、海灘與岸灘以及近海沉積物中；通過分析近海、海灣、海峽、海島周邊等[22,35-42]不同區(qū)域海面漂浮微塑料的顆粒粒徑及分布特征，可以發(fā)現(xiàn)近岸海域海面漂浮的微塑料污染已相當(dāng)普遍；中國長江口的微塑料含量較高[22]，僅次于加拿大夏洛特皇后灣[40]。從微塑料顆粒大小來看，粒徑為0.5～1 mm的微塑料較為普遍[30]，也有些海岸以粒徑<50 μm的微塑料為主[39]。

有關(guān)海岸及近海沉積物中微塑料調(diào)查研究主要集中在休閑海灘、島嶼周邊海域沉積物、港灣、自然潮灘濕地等方面[11,27,43-48]。結(jié)果表明：海岸沉積物中微塑料含量要高于深海沉積物中的，其范圍為0.21～77 000 個(gè)/m2[49]，并且存在較大的空間分異，這可能與潮灘地理位置和季節(jié)差異有關(guān)。例如香港地區(qū)濱海潮灘潮上帶沉積物中微塑料含量要遠(yuǎn)高于潮間帶沉積物中的[48]，韓國洛東江河口沉積物中雨季后的微塑料含量要高于雨季前的[50]。在微塑料顆粒粒徑分布方面，沉積物中的微塑料顆粒大小多集中在1 mm以下，有的甚至小于幾十微米。

我國近海也有大量的塑料垃圾存在，目前的報(bào)道主要集中在長江和東海近岸、南海海灘、渤海海灘、椒江、甌江和岷江江口、香港島近岸海面及沙灘等開展的微塑料調(diào)查研究[22-25,51]。其中，長江口和東海海岸0.5～5 mm塑料顆粒含量分別約為4 137 個(gè)/m3和0.167 個(gè)/m3，椒江、甌江和閩江塑料顆粒(333 μm～5 mm)含量分別達(dá)到956 個(gè)/m3，680 個(gè)/m3和1 246 個(gè)/m3。目前，中國海洋環(huán)境狀況公報(bào)每年都有海洋塑料垃圾的相關(guān)數(shù)據(jù)，但尚未見到有關(guān)微塑料方面的公報(bào)，因此，海洋中微塑料的數(shù)量和總量及分布特征也將是今后海洋環(huán)境監(jiān)測的重要內(nèi)容。值得注意的是由于調(diào)查方法和計(jì)算方法的不同，其計(jì)算結(jié)果可比性不高，如目前文獻(xiàn)報(bào)道的單位有 個(gè)/m3、個(gè)/m2、g/km2、g/m3等。

1.3.3 深海是微塑料的匯

Goldstein 等報(bào)道北太平洋副熱帶渦旋富集區(qū)的微塑料1999—2000年比1972—1987年在數(shù)量和總量上都增加了2個(gè)數(shù)量級[32]。但是在西北大西洋和加勒比海塑料富集區(qū)的調(diào)查結(jié)果顯示，1986—2008年表層水體中塑料沒有明顯的增加[7]，在東北太平洋海區(qū)的塑料調(diào)查研究中也未發(fā)現(xiàn)表層水體中塑料隨時(shí)間的變化趨勢[9，52]。鑒于海洋塑料垃圾的輸入逐年增加而表層水體中塑料并沒有發(fā)生明顯的變化，因此塑料垃圾很可能在被分解成微塑料后進(jìn)入海洋深處。此外還有研究表明，大洋表層水中漂浮的微塑料總量與實(shí)際的環(huán)境污染排放量也存在較大差異，其主要原因可能是表層水體中的微塑料在富集微生物或其他化合物后比重增加，最后導(dǎo)致微塑料沉降于海底[13]。2014年Woodall等[12]和Law等[52]的研究結(jié)果已經(jīng)表明深海是微塑料的主要匯集區(qū)[12,52]，海洋表層的微塑料最終會沉積到深海，深海微塑料還有待進(jìn)一步地深入研究。

2 微塑料對生態(tài)環(huán)境的影響

海洋微塑料的來源之一是大型塑料垃圾的分解。塑料垃圾進(jìn)入海洋后，在熱、光、化學(xué)等環(huán)境因素作用下逐漸發(fā)生光降解或破碎形成微塑料，其彈性強(qiáng)度、顏色、形狀、尺寸等方面均發(fā)生變化，從而容易被海洋環(huán)境中的浮游動(dòng)物、底棲生物、魚類等吞食而儲存在消化道，甚至直達(dá)組織和細(xì)胞內(nèi)，危害生物體生長。大型塑料垃圾(如合成纖維繩、塑料布、捆扎帶、漁網(wǎng)、拖網(wǎng)等廢棄漁具)對海洋生物的主要影響是纏繞生物、限制運(yùn)動(dòng)和攝食導(dǎo)致死亡[53]。有些海洋動(dòng)物誤食塑料垃圾后消化系統(tǒng)物理堵塞，營養(yǎng)吸收減少[54-58]，引起饑餓或者消化系統(tǒng)損傷，導(dǎo)致死亡[53]。發(fā)生在海鳥、海龜和海洋哺乳動(dòng)物身上的慘痛事件受到較多的關(guān)注[59-62]，而其他生物如魚類和無脊椎動(dòng)物遭受的纏繞和攝食影響事件也越來越多。目前海洋食物鏈中不同層次的生物體內(nèi)均已發(fā)現(xiàn)微塑料的存在[63-64]，調(diào)查結(jié)果顯示，在所調(diào)查的野生生物種類中，受塑料(包括微塑料)影響的海龜、海洋哺乳動(dòng)物和海鳥的種類分別從1997年的86%，43%和44%增加到2015年的100%，66%和50%[65]，因此海洋塑料垃圾和微塑料已經(jīng)成為海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要威脅[29,66-68]。

2.1 微塑料對生物的影響

微塑料會影響海洋中藻類的光合作用。海面上的微塑料對太陽光的遮擋與反射作用會阻礙藻類對陽光的吸收，納米級塑料顆?？梢越档驮寮?xì)胞Chl-a的量，并增加藻細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[69]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明1.8～6.5 mg/L的20 nm 聚苯乙烯顆?？梢砸种圃孱?Scenedesmusspp.)的光合作用，并被吸收進(jìn)入藻細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生氧化壓力[70]。

微塑料會影響暴露在其中的海洋生物的產(chǎn)卵量和繁殖能力[32]。在北太平洋亞熱帶環(huán)流區(qū)，微塑料含量的增加為海黽(Halobatessericeus)提供了更多的產(chǎn)卵載體，產(chǎn)卵密度增加與微塑料多寡之間呈正相關(guān)關(guān)系，而卵和仔黽的捕食可以加速不同生物群落之間的能量傳遞，從而影響到遠(yuǎn)洋生物群落結(jié)構(gòu)和組成[32]。然而微塑料對有些生物的卵和幼蟲則表現(xiàn)出明顯的毒性效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，氨基酸修飾過的聚苯乙烯納米顆粒對海膽(Paracentrouslividus)受精卵的24 h和48 h EC50值分別為3.85和2.61 mg/L[71]。傳代慢性毒性實(shí)驗(yàn)中，將橈足類(Tigriopusjaponicus)暴露于50 nm 的聚苯乙烯顆粒，其F0和F2 代無節(jié)幼體的致死質(zhì)量濃度分別為12.5和1.25 mg/L[72]。當(dāng)暴露在環(huán)境相當(dāng)質(zhì)量濃度的聚苯乙烯微塑料顆粒(90 μm)中時(shí)，歐洲鱸魚的孵化率會受到抑制，生長速度減慢，幼魚的進(jìn)食偏好改變，并且對捕食威脅的提示也無法做出回應(yīng)，從而增加被捕食的危險(xiǎn)[73]。Rossi等[74]采用分子模擬實(shí)驗(yàn)方法評估了納米尺寸的聚苯乙烯對于生物膜性質(zhì)的影響，結(jié)果表明納米顆?？梢院苋菀椎卮┻^脂質(zhì)膜，改變細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、膜蛋白活性，從而改變細(xì)胞功能。

微塑料容易在海底沉積物中富集，因此，微塑料會極大地影響具有沉積物濾食特征的底棲生物，而捕捉和攝食是這些生物的主要暴露方式[75]。實(shí)驗(yàn)室暴露實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明底層無脊椎動(dòng)物會直接濾食微塑料顆粒，底棲海參甚至直接攝食微塑料顆粒[29,76-77]，海蚯蚓、海參、海鞘等的消化道中都會不同程度地出現(xiàn)微塑料。而在貽貝和螃蟹中，微塑料不僅會在消化道中出現(xiàn)，還可以通過消化道上皮細(xì)胞進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到血淋巴和組織中[78]。我國近海貽貝體內(nèi)小于250 μm微塑料顆粒占微塑料總量的17%～79%[79]。暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在100 mg/L的30 nm 聚苯乙烯暴露下環(huán)境下，貽貝濾食速率會顯著降低[80]；而貽貝(Mytilusedulis)和牡蠣(Crasspstreavirginica)對分散的100 nm 聚苯乙烯微球的生物利用率低于聚合形態(tài)的聚苯乙烯納米微球[75]。Sussarellu等將牡蠣(Crassostreagigas)暴露于不同粒徑(2和6 μm)的聚苯乙烯顆粒溶液中，發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生卵細(xì)胞數(shù)量和大小、精子的運(yùn)動(dòng)速度、D-幼體產(chǎn)量和幼蟲數(shù)量均顯著低于對照組，表明聚苯乙烯微塑料顆粒對牡蠣的攝食和繁殖產(chǎn)生干擾[81]。此外，沉積物中微塑料的分布會增加沉積物的滲透性，降低熱擴(kuò)散性能，這會影響到跟溫度有關(guān)的生物發(fā)育和生長過程。如海龜孵化過程中，溫度的改變會影響到海龜卵的性別比例[82]。

由于海鳥從海洋中攝取食物，因而也受到微塑料的影響。研究表明，海鳥的消化道中會不同程度地含有微塑料。海鳥所攝食的塑料顆粒與海鳥的天然食物相似度密切相關(guān)，形狀、大小以及顏色與天然食物相似度越高的微塑料在海鳥體內(nèi)含量越高[83-84]。同時(shí)，生物對塑料的誤食與攝食方式和生物的年齡等也有關(guān)系，如年齡小的短尾剪嘴鷗由于食物的判斷和選擇能力相對弱，其體內(nèi)塑料較年齡大的個(gè)體體內(nèi)塑料多[85-86]；魚類、糠蝦、海豚等多種游泳動(dòng)物的攝食器和消化道中都能檢測到微塑料，其多寡與動(dòng)物的年齡和體型等因素相關(guān)[87]。由此可見，體內(nèi)塑料的積累正在威脅越來越多的生物的生存。

塑料在帶來物理污染的同時(shí)，還會帶來復(fù)合污染。塑料中的有機(jī)單體和有毒添加劑，如塑化劑、阻燃劑、抗菌劑等也會被釋放進(jìn)入海洋引起污染[52]。同時(shí)，微塑料在遷移過程中會從周圍環(huán)境富集持久性有機(jī)污染物及重金屬等[88]；富集的污染物與微塑料一起會對海洋生物產(chǎn)生復(fù)合污染毒性效應(yīng)，在生物體內(nèi)富集并進(jìn)一步隨食物鏈傳遞[89-93]，從而對海洋生物的生存以及人類健康造成嚴(yán)重威脅[76]。如，當(dāng)鰕虎魚暴露于含有微塑料顆粒的芘溶液時(shí)，微塑料的存在可以顯著降低鰕虎魚乙酰膽堿酯酶和異檸檬酸脫氫酶的活性，增加魚類的死亡率[94]；利用吸附了芘的聚乙烯、聚苯乙烯微塑料顆粒對貽貝進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)，可在貽貝血淋巴、鰓組織中發(fā)現(xiàn)微塑料顆粒，同時(shí)有顯著的芘富集[95]；而菲被微塑料吸附后可以顯著提高沙蠶對菲的富集量，表明微塑料對于疏水污染物進(jìn)入底棲生物體內(nèi)具有重要的增效作用[90]。日本青鳉魚(Oryziaslatipes)攝食結(jié)合多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚的聚乙烯顆粒后，引起吸附污染物的轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生肝臟毒性和異常[96]。此外一些細(xì)菌、病毒、微藻等也可以在微塑料表面產(chǎn)生生物膜并進(jìn)行棲息和聚集，這些表面富集微生物的微塑料還會進(jìn)入生物體，使生物體受到感染[97]。

2.2 微塑料對污染物富集和遷移的影響

微塑料的顆粒小、比表面積大、疏水性強(qiáng)、表面會附著微生物等特點(diǎn)使其富集持久性有機(jī)污染物和重金屬等污染物的能力增強(qiáng)，從而成為污染物的載體。微塑料材料和表面結(jié)構(gòu)是影響其表面結(jié)合污染物的重要因素。Guo等研究了4種有機(jī)污染物(菲、萘、林丹、1-萘酚)在聚乙烯、聚苯乙烯、聚苯醚三種微塑料顆粒上的吸附行為，結(jié)果顯示微塑料材料的分子結(jié)構(gòu)對有機(jī)物吸附起著關(guān)鍵作用[98]；聚乙烯型和聚丙烯型對多環(huán)芳烴和多氯聯(lián)苯的吸附能力要高于聚對苯二甲酸乙酯型和聚氯乙烯型[88,90]；聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯對全氟辛烷磺酰胺的分配系數(shù)(Kd)依次降低[99]。此外微塑料粒徑大小和環(huán)境條件(如pH、鹽度等)也會影響到其結(jié)合污染物的能力。Velzeboe等的研究表明，納米級聚苯乙烯塑料顆粒(直徑70 nm)對多氯聯(lián)苯的吸附量要比微米級聚苯乙烯塑料顆粒(直徑為10～180 μm)高1～2個(gè)數(shù)量級，且低pH和高鹽條件下吸附量增加[100]。但是，另有研究發(fā)現(xiàn)，微塑料與滴滴涕和菲的結(jié)合能力與水體中相應(yīng)污染物濃度有關(guān)，而與鹽度相關(guān)性較小[101]。同種塑料對不同有機(jī)污染物的吸附能力也有差異。如菲、萘、林丹、1-萘酚四種污染物在聚乙烯、聚苯乙烯、聚苯醚等每種塑料上的吸附系數(shù)均不同[98]；聚乙烯型微塑料對鄰苯二甲酸酯的吸附能力要強(qiáng)于對全氟辛酸銨[102]。

污染物被吸附到塑料上以后，可以在洋流作用下長距離遷移[103-104]，影響污染物的全球分布[92,105-107]。調(diào)查結(jié)果顯示，葡萄牙沿岸微塑料顆粒中多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴分別為273～307 ng/g和100～300 ng/g[107]，而北太平洋環(huán)流系統(tǒng)微塑料顆粒主要成分是聚丙烯和聚乙烯，吸附的多氯聯(lián)苯為1～223 ng/g[92]。不同國家和地區(qū)微塑料樣品中有機(jī)污染物存在差異，這些差異體現(xiàn)了多氯聯(lián)苯和有機(jī)氯農(nóng)藥的使用區(qū)域差異[17]。實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)表明，海灘來源的塑料顆粒結(jié)合重金屬量要高于原始塑料顆粒[106]。同時(shí)塑料表面附著細(xì)菌、病毒等生物后，比重增大，會經(jīng)重力作用沉降到海底，同時(shí)將污染物帶入沉積物。沉積物中污染物的釋放成為深海區(qū)域污染物的來源[105]。

圖2 2011—2015年我國近海海底垃圾中塑料垃圾的比例(根據(jù)文獻(xiàn)[111]數(shù)據(jù)計(jì)算整理)Fig.2 The ratio of plastic/marine litter in our coastal bottom area from 2011 to 2015(based on data from reference[111])

2.3 微塑料污染對經(jīng)濟(jì)和社會影響

由于低成本和廣泛適用性，塑料在人類社會中的應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)估計(jì)，到2050年，地球上的塑料制品還會增加330億t[108]，大量塑料進(jìn)入到環(huán)境中必定會給環(huán)境帶來較大的壓力。塑料包裝、塑料容器甚至越來越多的醫(yī)用塑料輸液管極大地增加了人類與塑料的直接接觸，這種直接和持續(xù)接觸會通過攝入、皮膚和呼吸作用等增加人體內(nèi)與塑料相關(guān)的化學(xué)品的累積[108]，進(jìn)而對人類健康產(chǎn)生影響。2014-06在首屆聯(lián)合國環(huán)境大會上，UNEP發(fā)布的《UNEP Year Book 2014》[109]和《Valuing Plastic》[110]兩項(xiàng)報(bào)告中指出，海洋中大量塑料垃圾對海洋生物生存的威脅日益加劇，保守估計(jì)每年給海洋生態(tài)系統(tǒng)造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)130 億美元。

根據(jù)國家海洋局發(fā)布的中國海洋環(huán)境狀況公報(bào)[111]，2011—2015年我國近海包括漂浮垃圾和海灘垃圾在內(nèi)的海洋垃圾中塑料垃圾的比例一直在70%以上。由于塑料難以降解，所以海底垃圾中塑料垃圾的比例也在逐年升高，由2011年的57%上升到2015年的87% (圖2)，這一比例將隨著海底塑料垃圾的積累繼續(xù)呈上升趨勢，導(dǎo)致海底微塑料對海洋生態(tài)環(huán)境的影響逐漸加劇。

3 未來研究發(fā)展和展望

我們所消耗的每一片塑料，最終都有可能進(jìn)入大海。微塑料在海洋環(huán)境中經(jīng)過破碎、降解、沉降和遷移等過程，將影響到海洋生物的生存和海洋生態(tài)環(huán)境，并最終對人類造成影響(圖3)。

圖3 微塑料的來源、分布及生態(tài)影響示意圖Fig.3 The schematic illustration of the source, distribution, and ecological and environmental effects of microplastics

為應(yīng)對和減少微塑料的影響，未來應(yīng)加強(qiáng)5個(gè)方面的研究：

1)納米尺寸微塑料研究

最新研究表明毫米級微塑料在紫外光照射下很容易形成納米級塑料，而小于100 nm的微塑料在紫外光照射下還可以再次聚合形成大于100 nm 的微塑料[112]。但是目前對納米微塑料的研究較少，基于納米尺寸效應(yīng)、材料組成及其負(fù)載污染物等的單一和共同作用對環(huán)境和人類的影響還有待于深入研究。

2)針對不同粒徑微塑料的標(biāo)準(zhǔn)分離方法的研究

目前，微塑料樣品的分離方法主要包括密度分離、氧化消解、浮選等[113]，水體樣品微塑料的分離相對簡單，可以通過拖網(wǎng)或過濾的方法進(jìn)行分離，而沉積物和沙質(zhì)樣品中微塑料的分離相對復(fù)雜很多，因此亟待建立針對不同來源樣品的微塑料分離方法。同時(shí)目前微塑料的研究還主要集中在<5 mm的塑料，隨著人們對微塑料研究的深入，對微塑料進(jìn)行毫米級、微米級和納米級的分級需求愈顯突出，因此也需要建立針對不同介質(zhì)、不同尺寸的微塑料的快速分離方法并標(biāo)準(zhǔn)化，以便對不同來源的研究數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析。此外在分離方法標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上，應(yīng)該使用統(tǒng)一的濃度單位，從而增加不同來源數(shù)據(jù)的可比性。

3)微塑料鑒別方法的研究

目前微塑料鑒別較為通用的方法是傅立葉變換紅外光譜法[37,93,114-116]，這種方法需要在樣品分析前進(jìn)行干燥，不是特別適用于對沉積物和生物樣品的分析。高溫裂解氣相色譜/質(zhì)譜法[117]也可用于微塑料的分析，但這種方法還會受到塑料成分、添加劑及其他污染物的影響，并且會完全破壞樣品。拉曼光譜[11,37,118-119]可以滿足濕樣和納米級微塑料的檢測并提供樣品化學(xué)組成的空間分布圖，但拉曼光譜會受到塑料顏色、添加劑和其他污染成份的影響。因此需要建立適用于不同樣品中的微塑料的鑒別方法。在此基礎(chǔ)上，建立在線的結(jié)合單顆粒形貌觀察與微區(qū)成分和結(jié)構(gòu)分析聯(lián)用的技術(shù)，對微塑料的組分和負(fù)載污染物特征進(jìn)行分析，這對研究不同形貌和降解度的微塑料在成分、結(jié)構(gòu)以及負(fù)載污染物等方面的差異，促進(jìn)環(huán)境中微塑料的研究具有極為重要的意義。

4)動(dòng)力環(huán)境對微塑料遷移與分布的影響研究

大洋環(huán)流會直接影響到塑料在海洋中的遷移。密度低的塑料可以隨大洋表層環(huán)流移動(dòng)并可在大洋渦旋處匯集[7]，密度高的塑料在下沉過程中可以被海洋深層流運(yùn)輸移動(dòng)[104]，目前認(rèn)為深海是微塑料的最終匯集地[12]，因此海洋動(dòng)力過程將直接影響塑料和微塑料的遷移和沉降等環(huán)境過程和行為。海洋微塑料的研究需要與海洋動(dòng)力環(huán)境結(jié)合以更好地監(jiān)測其遷移分布及環(huán)境行為。

5)微塑料的復(fù)合毒性效應(yīng)研究

微塑料的環(huán)境效應(yīng)包括材料本身的效應(yīng)以及材料攜帶的化學(xué)物質(zhì)、小型生物和微生物的效應(yīng)。微塑料的環(huán)境效應(yīng)是一種復(fù)合的效應(yīng)，需要結(jié)合其分布區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)來進(jìn)行綜合研究，其中包括微塑料與環(huán)境污染物(微生物)的相互作用、遷移運(yùn)輸及轉(zhuǎn)化等。

在今后還應(yīng)加強(qiáng)政策法規(guī)的制定和監(jiān)管力度。由于海洋微塑料主要來源于陸源輸入，因此需要控制源頭輸入，例如減少難降解塑料的使用，鼓勵(lì)和支持可降解塑料的生產(chǎn)應(yīng)用，持續(xù)監(jiān)測海洋和海岸環(huán)境中的微塑料污染的分布與量的變化。我國作為塑料生產(chǎn)和使用的大國，更需要完善管理和技術(shù)體系，加強(qiáng)監(jiān)控，并將微塑料的相關(guān)研究成果匯總至相關(guān)管理部門，制定控制和減少微塑料污染的政策和法規(guī)，減少塑料垃圾向環(huán)境的輸入。

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Received: September 20, 2016

The Research Progress in Source, Distribution, Ecological and Environmental Effects of Marine Microplastics

SUN Cheng-jun1, 2, JIANG Feng-hua1, LI Jing-xi1, ZHENG Li1, 3

(1.MarineEcologyCenter,TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266237, China; 2.LaboratoryofMarineDrugsandBioproducts,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology, Qingdao 266237, China; 3.LaboratoryofMarineEcologyandEnvironmentalScience,QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology, Qingdao 266071, China)

As a new type of pollutant, microplastics (plastics with a size smaller than 5 mm) has received an increasing concern. This paper summarizes the research progress in microplastics from the aspects of the source, distribution, and ecological and environmental effects. Studies show that the microplastics in the ocean basically come from the fragmented or degraded plastic litter under the action of sunlight, wind, wave and ocean currents. Terrestrial input, plastic trash from the ship and abandoned aquaculture floating devices are the main sources of marine plastic litter. Marine microplastics are globally distributed and have been found in the coastal area, oceans, deep sea and polar regions. The deep sea is the sink for microplastics. Microplastics can affect both the photosynthesis of marine algae and the hatching and reproduction of certain marine organisms. They can lead to the malnutrition and even to the death of some marine organisms.The pollutants carried by the microplastics or attached on its surface can be brought into global distribution under the action of ocean currents, causing a complex toxicity to the marine organisms. In order to decrease marine plastic litter, control marine microplastics pollution, support pollution prevention and protect marine environmental safety and human health, the future research will focus on the following areas: the quick separation and fast on-line identification of microplastics, the effects of ocean currents on global transportation of microplastics, the effects and mechanism of complex toxicity of microplastics on marine environment, the establishment of management and technology system, and related policies and regulations.

microplastics; plastic pollution; microplastic source; ecological effect; marine pollution; marine litter

2016-09-20

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——海洋環(huán)境中微塑料分離鑒定技術(shù)及負(fù)載污染物特征研究(2016Q02);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃——超深淵生物群落及其與關(guān)鍵環(huán)境要素的相互作用機(jī)制研究(2015CB755904);泰山學(xué)者海外創(chuàng)新人才項(xiàng)目

孫承君(1972-)，女，山東榮成人，研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事海洋生物化學(xué)、生物材料、海洋環(huán)境科學(xué)方面的研究.E-mail：csun@fio.org.cn

X55

A

1671-6647(2016)04-0449-13

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.04.001