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“看不见”的塑料污染 无处不在的纳米塑料污染正在危害地球环境

2018-08-22 08:24:46 来源: 前瞻网 作者:
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这是一个由三部分组成的系列文章的第一部分,这系列文章探讨了我们对微塑料污染范围和影响的日益加深的理解。
1971年秋天,海洋生物学家埃德·卡彭特(

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这是一个由三部分组成的系列文章的第一部分,这系列文章探讨了我们对微塑料污染范围和影响的日益加深的理解。

1971年秋天,海洋生物学家埃德·卡彭特(Ed Carpenter)在考察马尾藻海时,第一次注意到在棕色马尾藻中漂浮着一些奇怪的白色斑点。经过一些调查,他发现这些是很小的塑料碎片这让他惊呆了。他说,如果上千个破碎的塑料粒子出现在距离任何大陆550英里外的大西洋中央,“那我想它应该遍布了全世界。”

目前在旧金山州立大学工作的Carpenter于1972年3月17日在《科学》杂志上发表了他的观察。他们当年第一次暗示,塑料污染并不仅限于散布在海岸线上的塑料袋、饮料瓶和聚集在臭名昭著的“大太平洋垃圾带”(Great Pacific Garbage Patch,是一种漩涡状的洋流,会将垃圾聚集在太平洋)的可见垃圾。这些塑料制品在阳光的照射下变得很脆弱,被风和海浪侵蚀变得粉碎,碎裂成越来越小的碎片,还有从合成纤维中脱落的微小的所谓的微纤维,以及牙膏等产品中的微小粒子,这些碎片被称为塑料微粒。研究人员说,人类每年生产3亿吨塑料(大约相当于整个人类人口的重量),数以万亿计的降解塑料碎片可能潜伏在自然环境中,并且在很大程度上是看不见的。

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微型塑料的体积极小,直径不到5毫米(大约相当于一粒大米)——意味着它可以被更广泛的物种所吸收,从微小的海洋浮游生物到人类不等。在动物的身体里,这些塑料垃圾会对它们的器官造成物理损害,而且像小型特洛伊木马一样,携带有害化学物质,并帮助这些有害物质在食物链中累积。

追踪微型塑料的大量研究发现,不仅是在海洋中,而且在世界的河流、湖泊、农场,土壤以及大大小小的生物体内,都隐藏着大量的塑料。这些东西甚至漂浮在空气中,不论是在密集的城市地区还是在遥远的北冰洋。“它无处不在,”多伦多大学的微型塑料研究员切尔西·罗什曼说。

为了了解其影响,以及如何控制污染,科学家需要知道有多少微型塑料集中在哪些地方,它们来自哪里,以及它们如何移动。然而,由于微塑料中含有数万种令人眼花缭乱的聚合物,以及它们大小不一,从米粒大小到病毒大小都有,使得检测微塑料的工作十分复杂。“和探测海水中是否有汞或者铅污染不一样,这不是针对一个单一的个体,而是许多不同的个体,”普利茅斯大学(University of Plymouth)海洋生物学家理查德•汤普森(Richard Thompson)说,他帮助创造了“微塑料”(microplastic)一词。

寻找失踪的塑料

卡朋特的工作让人们注意到了海洋里的塑料汤,因此海洋就成为了科学家们试图确定到底有多少微型塑料在对环境造成破坏的第一个地方。尽管花了几十年的时间,汤普森在2004年领导的一项开创性研究发现,英国普利茅斯附近的海滩和海岸沉积物中充满了这种塑料微粒。这时,科学家们才真正开始关注这件事情。从那以后,他们发现了一些被认为主要来自一次性包装(占所有塑料制品的40%)的微纤维碎片漂浮在每个海洋盆地、海洋物种的腹部,甚至在北冰洋的海冰中也有存在。

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来自加拿大安大略省奥罗克里克流域的河床沉积物(与水混合)样本。下方的深色很可能是由有机物造成的,而白色斑点可能是微型塑料,尽管测试还没有证实这一点。

对微型塑料的观察正在改善,但仍然不够完整。2015年的一项研究得出结论,我们对海洋微型塑料调查发现的微型塑料,只占我们估计一年内从地方城市进入海洋的固体废物的1%。这意味着“我们不知道99%的塑料去了哪里,”梅勒妮·伯格曼(Melanie Bergmann)说,她是阿尔弗雷德·韦格纳极地和海洋研究所(Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research)的海洋生态学家。

部分问题是到目前为止所做的许多研究都并没有捕捉到最微小的塑料,而这种最微型的塑料恰恰被认为是数量最多的。伯格曼最近与他人合作了一项研究,这项研究不像其他许多研究那样通过视觉来识别微粒,而是使用机器来读取塑料的化学特征,这比先前研究的检测极限更低,研究发现在北极海冰中冷冻的塑料微粒数量是第一项此类研究的100到1000倍,其发现的三分之二的塑料微粒直径约为11微米(大约相当于人类红细胞的大小)。大多数研究取样都是在容易采样的地表海水中进行的,那里的微型塑料含量可能会受到洋流和天气状况的影响。这样的外界条件,再加上细菌薄膜和其他附着在塑料颗粒上的物质,会导致许多微型塑料沉入海底或沿着海岸线聚集。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋教育协会(Sea Education Association)的海洋学家卡拉·拉文德·劳(Kara Lavender Law)说,虽然研究人员可以观察现有的沉积物核心,但是海底依然很难进行采样。她还主张应该更好地取样“那些紧贴着海岸线的沉积物”,很多塑料可能通过河流和海滩进入海洋,特别是在接近人口中心的地方,密度更大的粒子可能很快下沉。

预计对旧金山湾的研究将很快提供更多的信息。在环保组织和废水工业的资助下,旧金山河口研究所(San Francisco Estuary Institute)从海湾水域和沉积物中收集了数千份样本,并收集了流入河口的废水和雨水,以及附近海洋保护区的样本,以了解不同类型的微塑料的来源和去向。样品分析应该在秋季结束前完成。然后,这些信息将被输入一个计算机模型,以预测不同来源的微型塑料是如何通过该地区的河流流入海湾,再流入海洋的。预计这将揭示微型塑料在何处聚集,更有可能会解释它们是如何影响植物和动物的生活。这一研究结果将有助于研究人员建议如何采取针对性措施从源头阻止微型塑料的排放——通过政策,如塑料袋禁令,或通过技术,如在洗衣机中采集纤维的装置。项目经理丽贝卡•萨顿(Rebecca Sutton)表示:“我们非常希望能从这一切中获得一些强而有力的成果。”

接近源头

从一开始,科学家就认为海洋中的微塑料主要来自陆地,通过河流进入海洋。这意味着这些微型塑料应该也存在于淡水系统中。但直到2013年,才有人在湖中发现并确定了微型塑料的身份。从那以后,研究人员在世界各地的湖泊、河流和淡水滩中都发现了微型塑料碎片,甚至在一些看似原始、偏远的水体中也能找到它们的踪迹,比如蒙古的山地湖泊。在许多这种地方,研究人员还在各种淡水物种的胃里发现了微型塑料的存在。五大湖一直是一个特别的研究中心。那里的微型塑料水平至少与填满垃圾的海洋环流中的水平一样高,而环流本身仅包含全球海洋中塑料颗粒的一部分,总量估计有15万亿到51万亿。由于河流和湖泊更接近塑料污染的来源,特别是污水处理厂和城市,纽约州立大学弗雷多尼亚分校的化学教授雪莉梅森(Sherri Mason)曾经预计陆地上的塑料粒子比海洋中的要更大,因为它们降解的时间更少。但事实并非如此,她认为“陆地上也有许多种降解方式。”研究人员仍在试图将湖泊和溪流中发现的微型塑料与它们的来源联系起来,以证实这一点,并绘制它们在水系中的运动轨迹。

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马林角(Malin Head)是爱尔兰最北端的地方,朱利安·埃赫内(Julian Aherne)从国家气象局(Met Eireann)的一个降水收集器那里采集了样本,以寻找从空气中掉落的微塑料。

安大略西部大学的沉积地质学家Patricia Corcoran也在做着相关的工作,安大略泰晤士河,这条流入位于休伦湖和伊利湖之间的圣克莱尔湖的河流,通过检查它的沉积物,Corcoran发现的大部分微型塑料都是微纤维,这些微纤维很可能来自废水处理厂,其次是用于一次性包装的聚合物的微型塑料碎片。城市附近的微型塑料水平通常较高,并且可以被水流引导到特定区域。

因为她最初的检查只有一张快照,所以Corcoran今年夏天打算对泰晤士河进行重新采样。而这一次,她打算收集更小的颗粒,直径减少到20微米。她还想知道春季的洪水是如何影响沉积物中的微型塑料物质浓度,鉴于今年3月发表的一项研究发现,冬季洪水从英格兰河床中冲走了数百亿计的微塑性颗粒,它们很可能都被冲进了大海。Corcoran还将研究流入伊利湖的格兰德河,看看这两条河的对比情况,她希望继续对它们进行采样,以观察浓度随着时间的变化。“微型塑料的积累是一个非常动态的的过程,”Corcoran说,所以需要持续的监控来获得完整的情况。

闪闪发光的土壤

微型塑料的藏身之处可不仅仅只有水域,在农民种植粮食的土壤中微型塑料也并不罕见。为了给农田施肥,一些农民使用处理过的污水污泥,这些污水污泥富含营养物质,但也含有从废水中提取的微纤维。据欧洲和北美的研究估计表明,这些国家每年可能会向农田中添加数万到数十万吨的微纤维,而且它们在使用后可以在土壤中持续数年。“基本上有一座山那么多,”挪威水研究所的研究员Luca Nizzetto说。

其他来源也增加了地面上的塑料数量,包括农民用来保持土壤湿度和防止杂草生长的降解塑料膜,生物废料堆肥和所谓的混合废料——由食物残渣和不可回收材料混合而成的地面混合物。2014年在中国进行的一项研究显示,降解塑料膜的塑料碎片每公顷土地中就已经高达260公斤。新南威尔士大学专门研究微型塑料的生态学家马克•布朗说,澳大利亚的一个农场使用了太多的混合废料,“实际上整个表层土壤都在闪闪发光”。

所有这些微型塑料都可能通过改变土壤保持水分的方式或者令土壤吸附其他污染物(如杀虫剂)来影响土壤的健康。如果塑料渗透得足够深,它们就能进入地下水系统;如果它们足够小,农作物就能吸收它们。如果蚯蚓和其他小生物吞食了这些物质,微型塑料就可以通过陆地食物链向上传播。

第一个专门研究土壤中的塑料微粒的研究才刚刚开始。安大略省温莎大学的水生生物地质化学家Jill Crossman和Nizzetto是一项国际合作的一部分,该国际合作由欧洲委员会资助,目的在于在加拿大和西班牙测量农业土壤在应用混合废料之前和之后的塑料微粒浓度,以及检查微型塑料进入到水系统中的数量,和微型塑料渗透到地下的深度。他们的目标是将这些数据放入计算机模型中,以观察减少微型塑料负载的不同策略(比如禁止使用混合废料)可能会有多大效果。

从天而降

微塑料的另一个来源就在我们头顶。长期以来,科学家们一直在试图限制实验室里的污染,但是被风从地面吹起或衣服脱落的微纤维一直困扰着他们。因此,巴黎州立大学的Rachid Dris和他的同事们决定测量从空中飘落下来的微型塑料。在2014年的3个月里,他们收集了掉进大学屋顶烟囱里的东西。他们发现大部分是微型纤维,因为微型纤维的形状和重量使得它们更容易漂浮在空中,而且它们的数量比预期还要多。他们平均每天每平方米能收集到118个粒子,长度从5毫米到100微米,或者有一张纸的厚度,都不等。但是“我们不知道这个数字的确切含义,因为它是第一个研究结果得出的数字,”Dris说,他现在是德国拜罗伊特大学的生态学家。

几个偏远地区也在进行相似的研究,在这些地区,大气被认为是唯一的微型塑料来源。安大略省特伦特大学(Trent University)的污染建模师朱利安·埃赫内(Julian Aherne)对他家乡爱尔兰西海岸气象站收集的雨水进行了采样,值得一提的是当地的风是从海上吹往陆地的,他的初步结果显示,微型纤维的数量与Dris的结果大概一致。今年夏天,他正在对加拿大北极地区的湖泊沉积物进行采样。而其他研究人员正在对北极海冰上的积雪进行采样(与冰面里的冰不同,冰面里的冰来自下面的海洋)。掉落的雪“携带了所有在大气中的东西,在我们的研究中则是旨在微型塑料纤维,”尔弗雷德·韦格纳极地和海洋研究所的伯格曼说。

因为大气科学家对烟尘和二氧化硫(导致酸雨)等污染物在大气中如何移动已经有了比较成熟的观察,Aherne认为,估计大小和形状都不同的塑料微粒可能被风带多远以及它们可能在空中停留多久都是有可能实现的。随着越来越多的测量结果陆续出炉,他设想创造出一种类似降雨图的东西,识别出微型塑料沉降物的全球热点区域。

下一个大问题

随着科学家们对微塑料进行梳理,并且从视觉识别微塑料转向使用机器传感器识别,他们发现微塑料的尺寸越来越小。大多数研究人员认为,微塑料正在进一步降解成他们所谓的纳米塑料。这些无限小的杂质会引起更大的关注,因为如果这些纳米塑料被人体摄入,它们更有可能穿透肠道进入血液,或者被人体吸入,深入积累在肺部。这种纳米大小的塑料碎片已经在实验室实验中被证明可以形成了,所以大多数研究人员相信它们在环境中是存在的。但汤普森表示,目前“我们还没有任何方法来分离纳米塑料”。有几个研究小组正在研究揭示这种潜在威胁的方法,其中包括AWI公司的研究人员,他们目前已经展示了一种在样品中识别已知纳米塑料的方法。当这些方法实现时,伯格曼预计:“我们会发现海洋污染比我们想象的要严重得多”。其他环境也会是如此。

研究界还在努力淘汰那些可能低估或高估微型塑料数量的方法,并对方法进行标准化,以便能够比较不同研究的结果。但也正如梅森所说,“在了解所有这些不同系统的来源、途径和丰富程度方面仍有很多工作要做”,但越来越清楚的是,微塑料,尤其是微纤维,是无处不在的,他们聚集的一些热点靠近人口密集地区。专家们都感到非常兴奋。萨顿说:“科学发展日新月异,我认为我们在5到10年内将会了解到更多的信息。”这样,他们就能更好地了解哪些生物和生态系统受到了最严重的威胁,并可能就在何处进行干预、防止塑料进入环境等源头方面向政策制定者提出建议。

尽管定位微塑料的工作仍在继续,但科学家们仍不失时机地追踪它可能对生物和生态系统造成的危害,这也包括人类,通过关注我们种植食物的土壤的健康,我们饮用水的质量,甚至更直接地,我们摄入和呼吸的空气的质量。正如梅森所说:“这是每个人都想回答的问题。”

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