淺析海洋中微塑料的污染及其危害

汪沁玥

摘要：塑料制品已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、國(guó)防、日常生活等領(lǐng)域。塑料的廣泛使用不僅帶來(lái)了嚴(yán)重的白色污染，也引發(fā)了微塑料污染問(wèn)題。本文首先研究了微塑料的分類及進(jìn)入海洋的途徑，并闡述了微塑料在國(guó)內(nèi)外重要海域的污染情況;然后比較了微塑料的檢測(cè)與表征方法;最后闡明了微塑料的三種毒性效應(yīng)，即直接毒性效應(yīng)、降解產(chǎn)物的毒性效應(yīng)和作為載體產(chǎn)生的聯(lián)合毒性。

關(guān)鍵詞：微塑料;海洋生態(tài);污染現(xiàn)狀;檢測(cè)表征;毒性效應(yīng)

1 引言

一位名叫亞歷山大·帕斯克的攝影師在制作膠片時(shí)，偶然將膠棉與樟腦混合，產(chǎn)生了一種可彎曲的硬材料，塑料便就此誕生。1909年，美籍比利時(shí)人貝克蘭首次人工合成了酚醛塑料，被稱作“塑料之父”。歷經(jīng)百年的歷史，塑料制品已經(jīng)隨處可見(jiàn)，并且隨著市場(chǎng)需要其產(chǎn)量和種類正不斷擴(kuò)大。塑料已被廣泛應(yīng)用于日常生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、國(guó)防尖端工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。例如，在農(nóng)業(yè)上，大量塑料被用于制造地膜、大棚膜、排灌管道、魚(yú)網(wǎng)和養(yǎng)殖浮標(biāo)等;在日常生活中，塑料的應(yīng)用更加廣泛，觸手可及。1950年，全球塑料產(chǎn)量就已經(jīng)高達(dá)200萬(wàn)噸。而到目前為止，人類總共制造了近90億噸塑料，其中60多億噸已成為廢棄物，只有9%被回收[1]。由于廢塑料是一類難降解的高分子有機(jī)物，其進(jìn)入環(huán)境中造成了嚴(yán)重的白色污染。而一些粒徑很小的塑料顆粒及紡織纖維漸漸形成了另一個(gè)大難題——微塑料污染。微塑料是根據(jù)塑料的尺寸劃分得來(lái)，學(xué)術(shù)界通常把粒徑小于5 mm的塑料制品統(tǒng)稱為微塑料[2]。微塑料可分為初生微塑料和次生微塑料，如經(jīng)過(guò)河流、污水處理廠等排入水環(huán)境中的塑料顆粒稱為初生微塑料;而經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)、生物過(guò)程使大型塑料體積減小形成的則稱為次生微塑料[2]。2004年，英國(guó)科研人員在《科學(xué)》上發(fā)表了論文，首次提出了微塑料的概念。近幾年來(lái)，微塑料在環(huán)境領(lǐng)域已經(jīng)成為最受關(guān)注的微污染物之一。

2 微塑料的污染現(xiàn)狀

2.1 微塑料進(jìn)入海洋的途徑

微塑料按照化學(xué)成分可分為聚乙烯、聚苯烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、尼龍等;按照其來(lái)源可分為一次來(lái)源的工業(yè)原料和二次來(lái)源的成品塑料;按照其外觀可分為顆粒狀、纖維狀、薄膜狀、碎片狀等;微塑料也有不同的顏色，如透明、乳白色、藍(lán)色、黃色等。微塑料進(jìn)入海洋的途徑主要有三個(gè)：一是陸源輸入，其中工業(yè)污水、生活污水及垃圾堆放是其主要來(lái)源。Browne等人[3]的研究表明，日常生活中每次清洗衣物時(shí)可有高達(dá)1900多個(gè)微塑料纖維產(chǎn)生。此外，污水和垃圾中一些較大的塑料碎片會(huì)分解成微塑料，由于其粒徑小、密度低不易被污水廠和垃圾處理廠處理從而隨污水進(jìn)入到海洋環(huán)境中;二是海邊輸入，養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)及娛樂(lè)活動(dòng)引入的塑料經(jīng)降解成為微塑料會(huì)進(jìn)入海洋;三是海源輸入，海洋中捕魚(yú)、船只運(yùn)輸及海上作業(yè)等活動(dòng)會(huì)將微塑料帶入海洋。

2.2 微塑料在海洋中的污染現(xiàn)狀

近幾年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)全球不同海域的微塑料污染現(xiàn)狀進(jìn)行了研究?？傮w來(lái)看，近海和各類海洋中均檢測(cè)出了不同程度的微塑料污染。且由于風(fēng)力、洋流、渦流等原因，微塑料進(jìn)一步在海洋中遷移、重新分布，造成海岸和其支流的微塑料污染。已有研究表明，在北太平洋和北大西洋的亞熱帶環(huán)流區(qū)均有大面積的微塑料富集。Desforges等人[4]調(diào)查了加拿大部分海域微塑料污染情況，其豐度最高可達(dá)7600 n/m3。Zhao等人[5]調(diào)查了我國(guó)椒江、甌江、閩江等的微塑料豐度，其值也高達(dá)近千n/m3。我國(guó)的劉啟明等人[6]對(duì)廈門灣海灘的微塑料污染進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其主要是以碎片和發(fā)泡類為主，最高濃度可達(dá)幾百n/kg，且經(jīng)分析得陸源污染為其主要來(lái)源。

微塑料由于具有比表面積大、疏水性強(qiáng)等特征，可作為其他污染物的載體在環(huán)境中進(jìn)行遷移。實(shí)驗(yàn)室研究表明，微塑料可吸附各類有機(jī)污染物[7]。研究人員也發(fā)現(xiàn)，環(huán)境中的微塑料常常結(jié)合了多氯聯(lián)苯、有機(jī)農(nóng)藥、多環(huán)芳烴等難降解的有機(jī)物和一些重金屬污染物，甚至能富集一些納米顆粒材料。Ashton等人[8]調(diào)查發(fā)現(xiàn)微塑料表面有鐵、鋁、鉛、銅、銀等金屬存在。Fries等人[9]發(fā)現(xiàn)了微塑料表面有納米TiO2的分布。

3 微塑料的檢測(cè)與表征

形貌特征是研究微塑料的重要指標(biāo)，它可以為微塑料的鑒別及其在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化提供重要線索。目前對(duì)微塑料的檢測(cè)和表征方法主要分為目測(cè)法和儀器檢測(cè)法。儀器法主要有拉曼光譜儀、掃描電子顯微鏡、環(huán)境掃描電子顯微鏡、傅立葉變換紅外光譜儀、熱裂解-氣相液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀等。

3.1 目視法

目視法不需要儀器，操作簡(jiǎn)便，通常研究人員只需用鑷子取樣觀察即可。但這種方法要求物質(zhì)尺寸大，且判斷結(jié)果往往是粗略的。環(huán)境中的微塑料成分復(fù)雜，雜質(zhì)多，目視法往往不適用。且目視法要求技術(shù)人員的熟練程度也較高。

3.2 掃描電子顯微鏡法

掃描電子顯微鏡可以將微塑料與一些有機(jī)物雜質(zhì)分辨開(kāi)。通過(guò)對(duì)顆粒的元素進(jìn)行分析，能有效地辨別碳骨架物質(zhì)與無(wú)機(jī)顆粒。由于各種塑料結(jié)晶度存在差異，塑料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)光的傳播造成影響，故該方法不適用于不透光的樣品。且這種方法耗時(shí)耗力多且儀器昂貴，還需樣品的薄度達(dá)到一定要求，限制了學(xué)者研究的樣品數(shù)量。

3.3 傅里葉變換紅外光譜法

傅里葉變換紅外光譜是一種能保證原有分辨率觀察樣品的技術(shù)，能夠避免對(duì)非塑料的誤判。研究人員開(kāi)啟半自動(dòng)掃描模式即可進(jìn)行觀察，避免過(guò)多人力消耗。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜觀測(cè)，可以知道聚合物成分和微塑料數(shù)量的信息，利用這些信息可以在一定程度上對(duì)微塑料對(duì)產(chǎn)地、來(lái)源進(jìn)行推理分析。該方法具有觀察精確度較高、人力資源消耗少等優(yōu)點(diǎn)，在石油的勘探、地質(zhì)研究等工作中也得到應(yīng)用。但該方法的單次掃描運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，且易將多個(gè)聚集在一起微塑料顆粒識(shí)別為一個(gè)微塑料顆粒，導(dǎo)致反射模式難以得到較為清晰的譜圖。因此，這項(xiàng)技術(shù)運(yùn)用到常規(guī)的微塑料檢測(cè)中還需進(jìn)一步提升和優(yōu)化。

3.4 拉曼光譜分析法

拉曼光譜分析類同于紅外光譜分析，但拉曼光譜能檢測(cè)到幾微米的微塑料，且它的無(wú)接觸式測(cè)量可保證樣品的完整性。然而，拉曼光譜對(duì)微塑料中的化學(xué)成分和添加劑比較敏感，可能會(huì)干擾聚合物類型的判斷。研究人員認(rèn)為拉曼光譜和紅外光譜可以在功能上進(jìn)行互補(bǔ)。

4 微塑料的毒性效應(yīng)

4.1 微塑料的直接毒性效應(yīng)

微塑料大小、顏色、形狀等類似于大部分海洋生物的食物，因此容易被一些海洋生物如浮游動(dòng)物、雙殼類、魚(yú)類、底棲無(wú)脊椎動(dòng)物甚至大型海洋哺乳動(dòng)物等誤食。微塑料本身具有棱角，進(jìn)入生物體內(nèi)也會(huì)造成生物內(nèi)臟的不同程度損傷。此外，微塑料經(jīng)食物通道進(jìn)入生物體內(nèi)無(wú)法排出體外，引起假的飽腹感，導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)攝入不足，或者引起食道堵塞，生理功能受損甚至死亡。且塑料是一種難降解高分子有機(jī)污染物，且含有鹵素等復(fù)雜基團(tuán)，對(duì)生物體存在潛在的生理危害。早在1972年，已有科學(xué)家的研究表明，幼魚(yú)和成魚(yú)體內(nèi)存在微塑料粒子[10]。Boerger等人[11]對(duì)北太平洋環(huán)流食浮游生物的中層魚(yú)類解剖發(fā)現(xiàn)，微塑料已占魚(yú)類胃含物的35%。一些實(shí)驗(yàn)室研究同樣也證實(shí)了多種海洋動(dòng)物對(duì)微塑料表現(xiàn)出主動(dòng)攝食行為[12]。

4.2 微塑料的降解產(chǎn)物

如上文所述，進(jìn)入到環(huán)境中的塑料廢棄物大多是商業(yè)成品，其中添加了很多助劑如塑化劑、熒光劑、潤(rùn)滑劑、催化劑、納米粒子等，這些助劑盡管含量很低、但易在塑料的降解過(guò)程中釋放到海洋中。這些助劑能夠滲透進(jìn)入到海洋生物的細(xì)胞膜內(nèi)，干擾新陳代謝，誘導(dǎo)出毒性效應(yīng)。

4.3 微塑料作為載體產(chǎn)生的聯(lián)合毒性

微塑料及其富集的多種污染物往往會(huì)產(chǎn)生聯(lián)合毒性，進(jìn)一步加深了對(duì)海洋生物的危害。Browne等人[13]用吸附了污染物和添加劑的塑料與沙子混合，將蠕蟲(chóng)暴露于其中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微塑料被蠕蟲(chóng)攝入體內(nèi)后，微塑料和添加劑在在腸道體壁累積。Avio等人[14]將紫貽貝吸附芘的微塑料水體中，微塑料進(jìn)入其體內(nèi)被轉(zhuǎn)移到血淋巴、鰓和消化道中，并在這些組織中累積。此外，微塑料還是其他微生物的載體。當(dāng)一些致病菌、病毒等吸附在其表面，進(jìn)而形成復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)后，往往對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生一定威脅。

5 總結(jié)與展望

由于近年來(lái)塑料的大量使用，微塑料污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，目前已發(fā)展成一個(gè)全球性環(huán)境問(wèn)題。微塑料在環(huán)境中積累，不僅影響了海陸生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)發(fā)展，最終還會(huì)進(jìn)入食物鏈，危及人類生命健康。要解決這個(gè)問(wèn)題還需從以下兩點(diǎn)入手：

1、微塑料本身的特性及其在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化途徑。這一研究有助于了解其可能產(chǎn)生的危害及作用機(jī)理及存在的風(fēng)險(xiǎn)，包括對(duì)生態(tài)環(huán)境和對(duì)人類身體健康的潛在威脅。

2、微塑料的治理與控制。一是從源頭上控制微塑料的產(chǎn)生和排入環(huán)境中。這需要廣大公民增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，減少使用塑料制品;生產(chǎn)企業(yè)改善改進(jìn)塑料生產(chǎn)方法，減少微塑料的產(chǎn)生，或采用新型可降解塑料或其他材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料;國(guó)家制定有關(guān)法律法規(guī)監(jiān)管與控制塑料的使用。事實(shí)上，我國(guó)早在2007年就下達(dá)了“限塑令”，雖然在一定程度上緩解了塑料污染形勢(shì)，但仍未能徹底的解決塑料污染問(wèn)題。二是污染后的治理，尤其在飲用水和污水處理的環(huán)節(jié)中，要對(duì)微塑料進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并采用高效又經(jīng)濟(jì)的方式處理微塑料污染。

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