環境微塑料污染的研究進展*

（曲阜師范大學生命科學學院，山東曲阜 273165）

1 微塑料現象及定義

以合成樹脂為主要原料的塑料產品大量投入生產，給人們的生活帶來極大的便利，但同時也帶來了嚴重的微塑料污染。微塑料（microplastic）一般是指半徑小于5mm的微小型塑料顆粒或碎片，該顆粒微小到用肉眼難以發現，被形象的比作海洋中的PM2.5，在海洋中的數量可累計達3.54萬噸[1]。微塑料在環境中無處不在，日常使用的牙膏、面部磨砂膏等就廣泛含有，全球每年約有2.8億噸的塑料被當成廢品處置[2]。在自然環境中（淡水、海洋以及陸地）微塑料積累問題日益突出，目前在海洋中、偏遠的淡水湖咸水湖等水域，甚至像南北極這種人跡罕至的地方，都發現了高濃度的微塑料垃圾。

2 微塑料的形態及組成

微塑料是一種高分子化合物，疏水性和抗生物降解能力都很強，密度多變且顏色繁多，形狀各異。

2.1 微塑料的形態

微塑料類型復雜，形態各異，外形多為圓柱、圓形和圓盤狀，其色彩以透明、結晶、白色和灰色較常見。微塑料的形態結老化痕跡構復雜，有明顯的裂縫孔隙，其孔隙較發達且比表面積大。微塑料長期暴露，其自身極性會大幅度增強，再經過破碎，熱降解，風化等作用后，致使其表面積進一步增大[3]。

各具差異的微塑料其概況特點也不盡相同。聚乙烯（PE）類微塑料顆粒輪廓較平滑而聚酰氨（PA）顆粒的概況為毛糙多孔形態，聚氯乙烯（PVC）類和聚丙烯（PP）類微塑料外觀都具有較多的微孔，但后者內部橫截面上還可觀察到球形凸起，聚苯乙烯（PS）微塑料的外貌形態則為網狀結構。微塑料容易在水環境中遷移，漂浮和沉降，能使一些浮游生物誤食，從而為其傳播提供途徑。

2.2 微塑料的分類及組成成分

歐盟海洋戰略框架指令指出，大型塑料的尺寸大于25mm，中型塑料尺寸在5mm～25mm之間，微塑料的尺寸則小于5mm，當塑料碎片的尺寸小至1nm～100nm時則稱為納米級微塑料[4]。

海洋中存有初生和次生微塑料，初生微塑料側重于人工制造，是人類工商業生產生活直接產生的，而次生微塑料則是由體積較大的塑料經海洋旋流運動，長時間海水浸泡和紫外線照射后，退化裂解，進而成為細碎的微塑料[]。

從微塑料的起源上，有生活消費品和工業原料生產碎片之分；按照微塑料的侵蝕水平可分為新穎的、未被風化的和初始轉變的；按其組成成分有聚乙烯微塑料，聚苯乙烯和聚丙烯微塑料[5]。

3 微塑料的分布

微塑料在全球的海洋中聚集，有的甚至出現在兩極附近海域。0世紀70年代，紅海首次發現有微小塑料碎片；此后非洲、亞洲、東南亞、印度、南美洲、北美洲和歐洲都有發現大量的微塑料顆粒，并且受紫外光（UV）照射在相對較低溫度的環境中分解為更小的碎片。

海岸線、海床沉淀物、表層水體、海灘、冰凍水層以及各種海洋生物中，都發現有微塑料的存在。沿海地區水產養殖使用的發泡塑料浮筒是微塑料污染的重要來源；海洋中的塑料碎片在洋流等作用力下遷移至北大西洋、太平洋表層等海洋地區；細小的微塑料容易被海洋生物（海鳥、魚類、雙殼類、哺乳動物等），吸食，易在組織、循環系統和大腦中堆積 。

海水中存在的微塑料可能會對海洋產品造成污染 并且可能會向人類轉移。Yang等人研究發現胡海鹽和食鹽中存有聚乙烯，玻璃紙和等微塑料[6]。微塑料光降能力弱，致使其在泥土介質中不停的富集。大氣、廢水排放物、生活飲用水和陸地生物體內也都發現有微塑料的存在。

微塑料的粒徑大小決定了其隱藏的生物圈影響和物理傳送途徑；來源不同、降解程度不同、不同的環境因素，其聚合物種類等都會影響微塑料的顆粒大小分布；粒子密度，源位置及洋流和海浪輸送會影響海洋中微塑料的散布。

4 微塑料的來源及進入途徑

用于工業生產的初級微塑料可存在于洗面奶、牙膏、指甲油、驅蟲劑和防曬霜等化妝品，塑料微珠，服裝纖維，和藥物載體等塑料垃圾中。

二級微塑料的來源主要是大型塑料經過風化、紫外線等外力作用裂解而成的細小碎片，高分子聚合物在海洋中高鹽分、光熱以及微生物的作用下容易降解為微塑料 。

海洋中微塑料的首要來源是陸源的輸入。隨意丟棄的塑料制品通過海上涇流并經過洋流分散到海洋中；陸地上的海洋回收港口和垃圾填埋場是陸源輸入的主要入口；海岸線附近的垃圾堆放，工廠及生活污水排放等污染都會穿過污水處理系統進入水環境中；海洋中浮游生物攝食微塑料，微塑料被包裹在糞便中，其他生物可通過食用糞球間接攝取微塑料，從而進入海洋。

在陸地環境中，工業原料、各類食品和飲品的包裝、購物袋、生活用品、護膚品、洗滌產品中的塑料成分因其粒徑小、密度低，會在土壤中沉積，并通過熱、光分解、化學降解、機械降解等非生物降解和細菌的生物降解作用變成微塑料。

此外，污水處理廠的生活污水中會有部分塑料進入污泥中，人們常用污泥作為肥料或修復材料使用，在此過程中，大量的微塑料將會被帶入到陸地環境中。有研究報道指出，一些歐洲國家經污泥帶入農業土壤中的微塑料可高達1000～4000個／kg土[7]。

5 微塑料的危害

5.1 微塑料對動、植物和人類的危害

目前，微塑料主要對海洋生物造成影響，其次是淡水生物和土壤生物。

微塑料對陽光的遮擋和反射作用阻礙海洋中浮游植物光合作用，導致其群落發生變化。微塑料被動物吞食以后，容易在消化道內積累，造成動物進食和消化器官的堵塞，造成動物消化器官的機械損傷，導致動物攝取量降低，使動物營養不良，進而死亡；還有一小部分微塑料可以進入到組織中，造成潛在性的危害。

淡水環境中的微塑料與海洋中的類似，目前淡水微塑料研究而言多集中于魚類。野生淡水魚類體內的微塑料大多累積于腸道中[8]。地膜是塑料的一種，它分解為微塑料后，由于土殖生物的攜帶而進入土壤之中，附著于其表面的重金屬、污染物以及病原菌等也隨之進到土壤里邊，對土壤微生物區系、土壤的理化性質以及植物生理狀況都會產生不同程度的影響

人類是食物鏈頂端的生物，人類會因生物傳遞效應和生物富集效應，成為生物圈最大受害者。最新研究表明，在人類的糞便內檢測出多達9種微塑料，它們直徑在50μm到500μm之間[9]，并且小于150微米的聚苯乙烯和聚氯乙烯微粒可以通過人類的腸道移動到淋巴系統和循環系統中，微塑料對我們的危害不容小覷。

5.2 微塑料生態環境的危害

微塑料對生態系統中的生物產生作用，導致自身生理發生變化、生長發育繁殖產生影響，繼而降低了生態系統的多樣性，生物間的物質循環和能量流動也會因此遭到破壞，影響到整個生態系統[10]。進入土壤的微塑料使更多的微生物受到威脅[11]，土壤的物質降解和能量循環會因土壤物種多樣性被破壞而遭到嚴重危害。

5.3 微塑料的其他危害

微塑料不僅能攜帶微生物、植物的種子和藻類等，還可以富集有害有毒物質。微塑料能富集濃度高且持久的有機污染物，如雙酚-A、鄰苯二甲酸鹽、重金屬、DDT等[12]。Avio等[13]研究發現貽貝受微塑料富集的多環芳烴影響，使其血淋巴、腮和消化道組織出現多環芳烴的明顯積累，細胞效應包含免疫響應、溶酶體、抗氧化系統的改變、神經毒性效應、基因表達改變等。一些有害生物就會附著在微塑料上，成為了有害生物的載體工具，導致外來物種入侵。

人們致力于研究這種廣泛存在的微塑料污染是如何影響動植物、生態環境以及人類健康的，但隨著研究的積累和數據的不斷增多，人們認識到不過是危害冰山一角，對于微塑料危害的認識還需要不斷的提高。

6 微塑料的分離方法

微塑料尺寸小、不易發現和研究，因此微塑料的分離采集是開展對微塑料研究的重要基礎，找到精準高效的鑒別檢測方法是微塑料研究的前提。

6.1 微塑料的分離和采集方法

分離水體樣品中的微塑料，可直接采用拖網式或將采集的水樣進行過濾來收集微塑料，其中采集表層海水中的微塑料時使用較多的是MANTA網采集法。分離沉積物中的微塑料，通常是采用密度分離的方法，可以采用飽和氯化鈉溶液[14]、多鎢酸鈉溶液[15]，或海水[16]等對沉積物中微塑料進行浸泡分離。分離土壤中的微塑料的方法有：篩分-分選-移除土壤成分-收集微塑料，其中篩分是讓土壤樣品經過篩子，粒徑小于篩孔的透過篩面，粒徑大于篩孔的截留在篩面上，使粗、細粒物料得以分離。篩分后，通過密度分離法移除土壤礦質相[17]。環境樣品中微塑料的采集方法有直接挑選法、大樣本法和濃縮樣本法。

6.2 微塑料的鑒定方法

傳統的微塑料鑒定方法是通過目測或利用顯微鏡觀測，這些方法主觀性較強, 容易產生較大誤差。還可通過樣品燃燒現象、有機溶劑溶解后的數據來推測聚合物的組成，這類方法具有一定的破壞性。目前較為普遍的是傅立葉變換紅外光譜、拉曼光譜、掃描電鏡-能量色散 X 射線聯用、環境掃描電子顯微鏡-能量色散X射線聯用等進行微塑料成分的鑒定。采用全反射傅立葉變換顯微紅外光譜[18]來鑒定沉積物中的微塑料, 可提高查找和鑒定的效率，還需加大研究力度提高其準確性。

7 微塑料的處理方法

微塑料的粒徑很小，成本和處理效率限制了降解微量物質和微塑料的方法的推廣。微塑料的降解可以考慮通過酶（如漆酶）的作用，從而達到高效、快速處理微塑料的結果[19]。漆酶在沒有物理條件的作用下，可以利用可生物降解塑料生產蘑菇[20]。微塑料本身在會在太陽紫外線輻射下發生光降解，但微塑料的降解非常緩慢。通過紫外光預氧化來對低密度聚乙烯(LDPE)進行結構修飾，可以促進其在土壤中的降解，在30℃下降解28天，降解率由3.5%提高到了6%[21]。

7.1 避免其進一步形成微塑料

由于微塑料粒徑的局限性，對其直接進行處理，比處理大塑料要難的多，因此需要盡可能地形成微塑料之前將大塑料降解。

一般來說，微塑料可以通過熱降解、催化降解、生物降解等途徑進行，其中生物降解由于其環境友好性值得進行深入的研究。有研究證明，微塑料處于自然環境下，常常會風化發生化學作用，塑料在空氣中被降解的效果最好[22]。

堆肥也可作為塑料處理途徑的一種，但并非所有的塑料都可通過堆肥來處理。塑料本身是否具有可堆肥的特性取決于其實際的化學結構和化學鍵以及它們對于處理環境的要求。

7.2 污染源頭截留處理塑料

目前從根本上解決微塑料問題比較遙遠，有必要對微塑料的各個污染源進行控制處理。污水處理廠作為水體中微塑料的主要來源之一，在污水處理過程中盡可能地去除微塑料是有必要的。研究發現采用膜生物反應器、分濾、快速砂濾、溶氣浮選等可使微塑料的減少量達到95%以上[23]。

紡織工業廢水也是微塑料的主要來源，其中聚丙烯醇（PVA）作為施膠劑被大量使用，因此若減少PVA的使用就需要尋找替代品（且最好是可生物降解的），已有研究人員PVA作為環保上漿劑，可以被經過一系列改良的大豆蛋白代替，活性污泥中也容易降解大豆蛋白[15]。

7.3 其他

開發利用可生物降解的以及可堆肥的塑料，具有很大的環保效益，可根據生物和石油化學基礎這兩種來源劃分。但由于對其成本、適用范圍、效益獨特性等方面的要求，目前僅占石化塑料的0.2%，所以不能在大范圍內被使用[25]。

8 微塑料研究存在的問題及解決辦法

8.1 關于微塑料的認識以及相關研究數據不足

關于微型塑料的定義還有值得商榷的地方目前的研究中，例如：目前主要以豐度作為環境中微塑料的表征指標，而在某些情況下（如在水相中）這種表征方法對于微塑料并不完全成立[26]，故可以考慮建立“微塑料的特征譜”[27]，來實現更加準確的表征。

盡管室內模擬實驗能獲得一定的數據，但由于實驗室模擬的環境與實際環境相差甚遠，故這些數據并不能完全應用于微塑料對環境產生危害方面的評估。因此在今后的研究過程中，獲取微塑料對環境造成危害的驗證性數據將成為亟待解決的問題，可以采用對采樣點進行常規標準化檢測的方式來獲取長期而可靠的數據。

8.2 相關的法律不夠完善，執行效果較差

國內目前還沒有關于塑料制品回收利用相關的法律規定，是塑料治理方面的一大漏洞。關于塑料制品生產的相關法律雖然存在，但是普遍存在這些不足：相關的規定大多是原則性或理論上的規定，較為抽象，對于違反規定的情況和具體的懲戒措施較少，在執行過程中可能會遇到難題；政府各部門的職責劃分不夠清晰，容易導致責任的相互推諉，監管責任難以落實。

8.3 微塑料的管控不夠完善

2017年生態環境部發布的《環境保護綜合名錄 (2017年) 》將有塑料微珠添加的化妝品、清潔用品和塑料微珠添加劑加入了“高污染、高環境危險”產品名錄[28]，但直接限制塑料微珠的條目仍未出現，個人護理物品類的使用和國外含有微塑料產品對國內的傾銷將加大微塑料管控的難度。

8.4 塑料垃圾回收體系不健全

微塑料的很大一部分來源于塑料垃圾，塑料垃圾的不合理處置在很大程度上會加重微塑料污染。回收成本高且回收效率低、政府在相關方面的政策激勵不足，導致企業在回收方面投入資金少，回收情況較差。塑料垃圾在被收集之后，大多是采用了集中填埋的方式，再利用的效率很低，而且采用填埋的方式，塑料的降解速率很慢[29]，降解過程中釋放的有害物質會進入水體和土壤，存在污染地下水的風險。

8.5 微塑料樣品的采樣代表性問題

采樣過程中，環境影響因素通常會有較大變化。以海洋環境為代表，由于潮汐、季節和厄爾尼諾等因素的影響，其環境要素會呈現變化，因此在采樣設計時應將上述時空變化考慮進去[30]，然而目前微塑料采樣過程中對于環境要素的季節、年際以及較小尺度上的時空[31]（米；小時，天）此類的變化考慮較少。由于研究目標不同，采取的采樣方法也會不同，數據分析方法的不同和數據分析時采用濃度單位的不同，都會導致數據的質量和分辨率等的差異，這在一定程度上會影響數據的可靠性以及可比性，也加大了不同時空下采樣得到的數據的對比難度[32]。

8.6 微塑料定量定性分析中的技術的應用問題

針對微塑料粒徑較小的問題，顯微技術的應用可以有效應對，如μ-FTIR（顯微傅里葉變換紅外光譜法）、μ-Raman（顯微拉曼光譜法）越來越占據主導的地位,。但對于大批量樣品的分析仍存在一些問題[33]: 如何測定所有的顆粒和如何評估所有的譜圖等等。用于μ-Raman測定的HORIBA Particle Finder（HORIBA粒子探測器）軟件以及此類的全自動商業軟件解決方案可以實現顆粒物的自動檢測，一個海水樣品中70%以上的微塑料大概僅需3h即可分析完成。

8.7 空氣中纖維的沾污問題

微纖維在環境中無處不在，實驗室的空氣和水中都有發現[34]，且其濃度較高[35]，除非采取嚴格的控制措施，否則很可能發生實驗樣品的污染，從而導致難以評估微塑料本身的污染水平。但若從實驗室分析結果中將纖維直接去除或者是扣除實驗室分析空白，都會導致部分微纖維的忽視，使得微塑料的研究走入盲區。

9 總結

微塑料已經成為一種新型污染物，對海洋生態環境、淡水生態環境產生了重要的影響。微塑料因生物附著效應可以成為微生物和藻類的生長載體，載其遠距離遷移，帶來生物入侵的潛在風險；微塑料與其他污染物復合，產生毒理效應，經過食物鏈效應在人體內蓄積，對人類的生命健康造成潛在威脅；還有微塑料在海底的富集沉積給生態環境帶來的風險等等都是急需人們加大重視和研究的問題。基于目前的相關研究，進行歸納分析可得，未來的研究方向可以從以下幾個方面開展：（1）加強對微塑料污染問題的宣傳，普及微塑料污染帶來的危害，制定完善國家相關的政策法規；（2）加大對海洋、淡水環境中微塑料污染現狀的全面系統化的調查分析（不同海洋生境）；（3）針對微塑料污染的監測和生物攝入后帶來的機體危害的研究；（4）針對微塑料與其他污染物之間的作用機制和復合毒性帶來的影響；（5）對微塑料在食物鏈傳遞效應、生態效應帶來的潛在危害的研究；（6）評估微塑料對人類生理健康產生的風險的標準建立以及對生態風險評估方法學的研究；（7）建立食品中微塑料的檢測標準體系；（8）微塑料源解析技術標準的建立和發展；（9）對微塑料的樣品采集、預處理、檢測、鑒定方法的優化以及方法的標準化、統一化；（10）完善對現有塑料的處理。