從海洋球到塑料微粒

彭 博 王繼龍

很多孩子都喜歡游樂場的海洋館，尤其是其中五顏六色的海洋球。每次由家長陪著去游樂場玩的時(shí)候，他們都會一遍又一遍地把海洋球扔來扔去，樂此不疲！我們作為地質(zhì)工作者，每當(dāng)坐在游樂場外看著子女用這些色彩斑斕的塑料玩具玩鬧時(shí)，都會想起自己在海邊開展海岸帶地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作時(shí)的情景。然而，當(dāng)腦海中出現(xiàn)藍(lán)色海洋被這些塑料占領(lǐng)的景象時(shí)，我們卻怎么也笑不出來了。

在世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)所公布的致癌物清單中，聚乙烯單體名列3類致癌物中。一些常見的塑料添加劑如阻燃劑、增塑劑、熱穩(wěn)定劑和抗氧化劑都會對水生生物和人類造成危害。

水生生物攝食塑料微粒，會對生物本身造成物理性損傷。塑料微粒、碎片、纖維等通過纏繞和磨損機(jī)制傷害或阻塞攝食它們的水生生物的消化系統(tǒng)，減少水生生物的食物攝取量，使吞吃塑料的生物產(chǎn)生偽飽腹感等，最終導(dǎo)致其饑餓甚至死亡。

此外，作為污染物的“坐騎”，塑料微粒不僅攜帶著自身的有毒物質(zhì)，更易從周邊環(huán)境吸附大量的化學(xué)污染物（如重金屬、有機(jī)污染物等）。當(dāng)塑料微粒攜帶污染物進(jìn)入生物體時(shí)，這些化學(xué)成分會對生物體造成一定的毒理效應(yīng)。另外，由于塑料微粒質(zhì)地輕、難降解，因此它很容易伴隨食物鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)移，讓更多動物暴露在有害物質(zhì)中，海洋中的塑料微粒會通過海洋食物鏈-人類食物鏈傳遞，最終對人體健康安全造成一定的危害。

塑料的誕生

你很難想象，作為污染的罪魁禍?zhǔn)椎乃芰?，它竟是為了拯救野生動物而出現(xiàn)的。在塑料發(fā)明之前，人們生活中的許多小物件，如紐扣、飾品甚至是鋼筆、琴鍵之類的原材料都取自動物（如用象牙、牛角等制作而成）。這些材料質(zhì)地堅(jiān)硬、性質(zhì)穩(wěn)定，能滿足當(dāng)時(shí)人們?nèi)粘Ｉ畹男枰ｋS著工業(yè)革命的開始，人口的大規(guī)模增長和人類對生活質(zhì)量的追求，讓自然產(chǎn)出的動物材料難以滿足人類的需求。于是在19世紀(jì)中葉，紐約的一家臺球公司開出1萬美元獎金，用來獎勵找到代替象牙來制作臺球的材料的獲勝者。最終，一位叫約翰·海厄特的美國印刷工人發(fā)現(xiàn)，將做火藥的原料硝化纖維加入樟腦，在熱壓下可做成各種形狀的制品，可以作為象牙的替代品，并將它命名為“賽璐珞”。這就是現(xiàn)代塑料的原型。

海厄特并沒有得到1萬美元的獎金，但在1872年，他于美國紐瓦克建立了一個(gè)生產(chǎn)賽璐珞的工廠，除用來生產(chǎn)臺球外，還用來做馬車和汽車的風(fēng)擋及電影膠片、假象牙和臺球等塑料制品，后來又用賽璐珞制造箱子、紐扣、直尺、乒乓球和眼鏡架等。但這一切只是一場巨大變革的開始。

塑料垃圾與人類世

塑料是一種神奇的材料，有著近乎無窮無盡的潛力，只需要改動一些化學(xué)鍵，你就有可能獲得一種新型材料。塑料的發(fā)明引起了一場造物革命，只用石油就可以獲取以前千金難求的材料，象牙、牛角這些生物制品只剩下收藏意義。一個(gè)存在各種可能性的世界就這樣呈現(xiàn)出來。萬物可造，不僅可以被替代，而且變得更加便宜和穩(wěn)定，人類在這一刻找到了造物主的感覺。

歷史一再證明：福禍相依。人類在追求材料的各種特性的過程中，一直希望這些材料更加耐用、堅(jiān)固和穩(wěn)定，然而未曾想到為自己制造出來一個(gè)大麻煩：塑料垃圾。塑料垃圾繼承了塑料所有的“優(yōu)良品質(zhì)”，包括性質(zhì)穩(wěn)定、難以降解。當(dāng)然，塑料的問題不僅僅因?yàn)樽陨?，還因?yàn)樗皇菃为?dú)存在的，而是同其他垃圾共存。在這一過程中，增加了多種固液廢棄物處理的問題。

塑料的大規(guī)模生產(chǎn)大約在70～80年前開始，今天它的使用數(shù)量呈指數(shù)增長，相應(yīng)地，它的浪費(fèi)也隨之增加。從陸地到海岸再到深海，塑料無處不在。2015年，美國佐治亞大學(xué)工程教授珍娜·杰貝克（Janna Jambeck）建立了一個(gè)大致的模型，并估算出：在2010年，192個(gè)沿海國家和地區(qū)產(chǎn)生的2.75億噸塑料垃圾中，有480萬噸到1270萬噸進(jìn)入到海洋。由于塑料垃圾需要很長時(shí)間才能降解，所以大量塑料已經(jīng)積聚在海洋中，未來還會繼續(xù)增加。人類對地球的改變和影響也將越來越深遠(yuǎn)。

塑料材料的類型和用途

2000年，為了強(qiáng)調(diào)人類在地質(zhì)學(xué)與生態(tài)學(xué)中的核心作用，諾貝爾化學(xué)獎獲得者、荷蘭大氣化學(xué)家保羅·克魯岑（Paul Crutzen）建議使用人類世（Anthropocene）這一概念來表示當(dāng)前的地質(zhì)年代。這一術(shù)語的提出標(biāo)志著人們開始意識到人類活動的重要性。人類活動在改變地球，其中的一些改變現(xiàn)在看來是持久性的。

大西洋東北部塑料微粒采樣及變化情況

“人類世”這一術(shù)語起初并非正式術(shù)語。在2008年的倫敦地質(zhì)學(xué)會大會上，地層委員會通過大多數(shù)委員表決，將該術(shù)語“正式化”，但這并不等同于將該詞作為術(shù)語正式投入使用。要想定義一個(gè)新的地質(zhì)年代，相關(guān)的標(biāo)志物必須已經(jīng)造成了全球范圍影響，而且將被并入沉積物，存在于未來的地質(zhì)記錄中。這些塑料垃圾與人造放射性塵埃（核武器爆炸后產(chǎn)生）一同被作為新地質(zhì)年代標(biāo)志物的候選者的第一梯隊(duì)，被人類世工作組所考慮。象牙替代物的發(fā)明者不會想到，自己當(dāng)年只是想做出更便宜的臺球，但最終這種小小的人造材料卻和人類制造過的最強(qiáng)大的武器有了同樣的影響力和效果。人類自己也未曾預(yù)料，僅靠自己“勤勞”的雙手，只用了短短不到一百年，我們就給地球加了一層穩(wěn)定的外殼。

什么是塑料微粒

越來越多的人發(fā)現(xiàn)塑料是環(huán)境中的主要污染物，特別是當(dāng)它們降解成尺寸小于5mm的更小顆粒時(shí)。這種顆粒被正式定義為塑料微粒（Microplastics，簡稱MPs），其中較大的粒徑為1～5mm，較小的粒徑為1μm～1mm。最早提出塑料微粒概念的是英國普利茅斯大學(xué)（University of Plymouth）的科學(xué)家理查德·湯普森（Richard Thompson）及其研究團(tuán)隊(duì)。他們于2004年在美國《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了題為“海上迷蹤：塑料到哪里去了？（Lost at sea: Where does all the plastic go?）”的文章，引起了全世界的廣泛關(guān)注。為了研究垃圾在海洋中的擴(kuò)散情況，他們從蘇格蘭亞伯丁到蘭德群島長約315公里（CPR1）、蘇格蘭北部蘇爾礁（Sule Skerry）到冰島長約850公里（CPR2）的調(diào)查線路上進(jìn)行采樣，對沉積物中的塑料碎片進(jìn)行量化分析，發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯塑料碎片這種污染物的含量在沉積物中快速積累，而且這些碎片已經(jīng)不同程度地被底棲性、濾食性的動物所吸收。他們通過簡單的實(shí)驗(yàn)，就得到了“塑料微粒會對環(huán)境和多種生物產(chǎn)生較大的影響”的結(jié)論。

海洋中的塑料微粒

美國斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的學(xué)者研究了圣巴巴拉沿岸的海底沉積物巖心。對在約580米深海域下有相對靜止的水流、幾乎完全缺氧的沉積條件下形成的巖心進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)：1945年之前，哪怕在那時(shí)塑料產(chǎn)品還未被大量生產(chǎn)和廣泛使用，在相應(yīng)的沉積層中就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了塑料微粒的身影，且當(dāng)時(shí)的塑料微粒沉積率為780個(gè)/平方米/年。這一數(shù)字在1945年后呈指數(shù)性增長，每20年左右就會翻一番，在2010年就已經(jīng)達(dá)到了4000個(gè)/平方米/年，這與世界塑料產(chǎn)量的增加速率有著高度的一致性。

在沉積物巖心中，研究人員發(fā)現(xiàn)的塑料大部分都是合成纖維織物中的纖維，占比高達(dá)77%。根據(jù)沉積物觀察結(jié)果，二戰(zhàn)后的塑料種類變得更加多樣化，除了纖維，還有塑料袋的材料碎片、塑料顆粒等。這表明我們的生活廢水并沒有經(jīng)過充分的處理就流入了海洋，我們對塑料的喜愛已經(jīng)深深地刻進(jìn)了石頭里。

雖然塑料的研發(fā)和生產(chǎn)歷史并不算短，但真正大規(guī)模生產(chǎn)還是從1950年才開始的。因此，我們現(xiàn)在“只”有92億噸的塑料制品需要應(yīng)付。其中，超過69億噸已成為垃圾，而且，其中的63億噸從來都沒有被放進(jìn)過回收再利用垃圾箱。

到底有多少未回收的塑料廢物進(jìn)入到地球最后的“水槽”——海洋？確切的數(shù)字很難估計(jì)。但目前確定的是，包括瀕危物種在內(nèi)的近700種動物已經(jīng)受到了塑料的影響，有些傷害是顯而易見的：被破漁網(wǎng)或扔掉的玩具六連環(huán)（six-packed rings）勒死。更多的傷害是看不到的。不同大小的海洋生物，從浮游動物到鯨魚現(xiàn)在都會吃進(jìn)塑料微粒，而這些塑料微粒一般小于五分之一英寸（約0.5厘米）。海洋塑料是與氣候變化并存的、正在逼近的災(zāi)難。在2017年12月內(nèi)羅畢全球峰會上，聯(lián)合國環(huán)境項(xiàng)目負(fù)責(zé)人將此喻為“海洋大決戰(zhàn)”（“an ocean Armageddon”）。

沉積的塑料與全球塑料產(chǎn)量的關(guān)系

干凈的海洋還會回來嗎

塑料很難被分解。假如塑料在中國古代就已經(jīng)被發(fā)明出來，而且在鄭和下西洋的時(shí)候就用塑料袋裝載淡水和食物，那么當(dāng)時(shí)使用后的塑料垃圾直到今天都不會被完全分解，很可能還躺在東南沿海和東南亞的某些小島上。

當(dāng)然，大部分塑料并不是被船舶拋棄的，而是被隨便地拋棄在陸地上和河流中（特別是在亞洲地區(qū)），隨后被帶入海洋。以杰貝克教授研究中估算的每年進(jìn)入海洋中塑料垃圾量為例，取中位數(shù)800萬噸即相當(dāng)于全世界海岸線上平均每1英尺（約30厘米）就有5個(gè)裝滿塑料垃圾的食品雜貨袋！目前還不清楚這些垃圾需要多長時(shí)間才能被充分地生物降解成塑料分子，初步估計(jì)這需要450年以上，甚至可能永遠(yuǎn)也不會充分降解。

當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)可能更加殘酷。我們面對的是一個(gè)塑料產(chǎn)量和廢棄量不斷增加的地球。人類每一天生產(chǎn)、消費(fèi)和丟棄的塑料都在增多，而人類對塑料的需求還在增大，海洋中塑料微粒的含量依然在增高，未來海洋會變成什么樣子還很難說。不幸中的萬幸是，石化能源是一種不可再生資源，隨著人類的開采，開發(fā)成本越來越高。出于資源和環(huán)境保護(hù)的考慮，全世界對海洋塑料微粒污染的管控逐漸升級。干凈的海洋，未來依然可期。

塑料的生物降解

塑料污染不斷增加的現(xiàn)狀是塑料材料科學(xué)科研人員關(guān)注的主要問題。傳統(tǒng)的塑料降解技術(shù)（即焚燒和填埋）會產(chǎn)生大量有害物質(zhì)，因此，它在遏制塑料污染方面顯得力不從心。塑料循環(huán)再生處理技術(shù)又主要局限于塑料的回收利用。所以基于生物技術(shù)的塑料降解和回收技術(shù)能耗低、效率高、環(huán)境友好，在不少人眼中有非常好的前景。

德國格賴夫斯瓦爾德大學(xué)的博恩舒爾（Uwe T. Bornscheuer）和亞琛工業(yè)大學(xué)的布蘭克（Lars M. Blank）等研究者指出，高分子材料中的主鏈化學(xué)鍵類型對生物降解能力有很大影響。一般情況下，主鏈含酯鍵或酰胺鍵等可水解鍵的少數(shù)幾類塑料可以通過酶法轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)確定的低聚物或單體，可被重復(fù)再利用于塑料生產(chǎn)或升級為價(jià)值更高的產(chǎn)品。比如，聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）通過酶水解作用在原則上可以得到對苯二甲酸和乙二醇和合成聚酰胺（PA），可以被酶水解為二胺/二酸或ω-氨基羧酸。而對于聚氨酯（PUR），由于其化學(xué)成分更加復(fù)雜，只有少數(shù)幾種類型才能回收。迄今為止，還沒有具有顯著PA和PUR解聚活性的酶見諸報(bào)道。而對于只含有飽和碳碳鍵主鏈的材料，通常需要借助紫外線或者強(qiáng)氧化劑的輔助，在高分子中引入雙鍵或者氧原子，才便于生物降解。

通過基因工程的手段將降解塑料的能力引入現(xiàn)有微生物，一直是塑料降解領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。但是將轉(zhuǎn)基因生物（GMO）故意釋放到開放環(huán)境中以降解塑料，一直是被世界各國嚴(yán)令禁止的。畢竟這些轉(zhuǎn)基因生物不僅會降解污染環(huán)境的塑料，還會影響人們正在使用的塑料，最終會帶來什么結(jié)果仍然無法估量。

目前，塑料生物降解技術(shù)仍舊是一大難題。在取得突破性進(jìn)展之前，大家更應(yīng)該減少一次性塑料制品的使用，降低不可降解塑料材料的生產(chǎn)與使用，做好垃圾分類，用實(shí)際行動積極肩負(fù)起解決環(huán)境污染問題的責(zé)任，保護(hù)我們賴以生存的環(huán)境。