目前海洋中塑料監測的內容及相關挑戰

國家海洋局三沙海洋環境監測中心站 許宇江，許宇山

隨著社會的不斷進步，進入海洋的塑料垃圾數量不斷增加。塑料帶來的污染同氣候變化、海洋酸化和石油泄漏一樣，嚴重危及了海洋生態系統和生物多樣性。塑料碎片會對海洋生物造成纏繞和窒息，此外攝入的塑料會導致海洋生物饑餓致死，并將有害化學物質引入生物體內從而危害整個生物鏈。漂浮的塑料碎片也極大可能成為非本土入侵物種的載體，并將病原體傳播到整個海洋。因此對海洋塑料的監測具有重大意義，所監測的數據可以為相關部門制定政策提供重要的指導意義，但監測手段所面臨的挑戰也尤為巨大。監測最終通過鑒定和分析識別獲得塑料類型、物質成分、宏觀和微觀形貌特征、豐度、粒徑等一系列特征指標，因此通常會使用紅外或拉曼光譜、熱重/差熱分析、掃描電鏡-能譜法、裂解氣相色譜-質譜法等現代分析手段。

一、海洋塑料污染的定義

“海洋塑料污染”包含的內容非常廣泛，包括塑料相關的任何化學物質，即只要包含任何塑料類型、物體和顆粒，從巨型網等到納米顆粒都可以看作海洋塑料污染（見圖1）。因此，海洋塑料可以定義為任何合成或半合成的有機聚合物，可以塑造成許多不同的形式?；谒鼈兇笮　⑿螤詈臀锢砗突瘜W性質方面的多樣性，這些污染物的采樣、識別和量化需要不同的方法學方法以及特定的技術。

圖1 海洋環境污染

二、海洋塑料監測的重要意義

如前所述，塑料污染現在被普遍認為是對海洋環境的嚴重威脅。盡管公眾的環保意識越來越強，但進入海洋的塑料垃圾數量仍在以驚人的速度上升。當前應對新冠（COVID-19）的大流行，個人防護和一次性產品有了極大的需求，這也可能引起進入海洋環境的塑料數量的大大增加。而海洋為人類提供的生態循環提供重要的支撐，例如調節氣候和二氧化碳水平，以及為全球超過10億人提供生計和食物。為了了解海洋中塑料垃圾對海洋生物的風險，也需要獲得這些塑料對生態系統的影響數據，這一切基于我們所需要的數據是否有效、可靠以及可比較，這樣才可以準確獲得海洋塑料污染物的類型和數量以及它們在海洋中的分布情況。這些監測數據的獲得，可以進一步讓研究者們深入剖析海洋塑料污染對海洋生物鏈構成的風險。基于這些監測數據，還可以為相關人員進一步管理和控制潛在的污染源提供必要的信息?？傊?，監測海洋塑料污染對于制定管理和減少海洋塑料污染的國際和地方戰略至關重要。

三、海洋塑料的監測

（一）采樣技術

大塑料(25-1000mm)和巨型塑料(>1m)可以直接在海灘、船上、浮潛或潛水進行掃描。然而，較小的塑料：細觀(5-25mm)、微米(<5mm) 和納米(<1μm)樣品必須在實驗室收集和檢查，需要光學儀器或光譜學。拖網是收集單位海面面積上漂浮的微型或中型物質的最常用方法。采樣粒子的大小取決于網的網格大小，通常為330μm。樣品采集后，需要進一步處理獲得相關信息。海水、沉積物和生物樣品，通常需要不同的降解方案來消除生物殘留物并提取塑料顆粒。降解方案包括酸處理（硝酸）、堿處理（氫氧化鉀和氫氧化鈉）、氧化處理（H2O2）以及酶處理（蛋白酶）。另外可以基于密度不同進行分離獲取不同密度的塑料顆粒。

（二）識別、分類和量化

在尺寸分類之后，大型塑料碎片通常根據材料情況和整體性狀（例如瓶子、繩索、杯子、袋子）進行描述，并且經常按來源或主要用途（例如漁具、聚合物工業、包裝）進行分類。而較小的顆粒則可以通過其大小、顏色和形狀（例如碎片、泡沫、薄膜和顆粒）來描述，但將較小塑料顆粒識別則需要借助其他的檢測手段。為了識別聚合物類型，一般使用光譜方法，如FTIR 或拉曼光譜，以及顯微鏡檢測。除了塑料的尺寸外，研究者們也要將塑料的物理化學性質（聚合物組成、形態、溶解度）統一一個標準，另外塑料的尺寸、形狀、顏色和來源也可以將塑料進行分類。此外，為鑒別相關塑料的類型，我們也可以在環境樣品中檢測塑料相關化學物質（如鄰苯二甲酸酯、雙酚、壬基酚等），通過定量、萃取等程序，然后再進行氣相/液相色譜和質譜分析。各種形式的塑料污染數量以采樣基質（例如海水、沉積物、生物組織）中污染物的濃度報告。濃度可以報告為每個體積/面積、每個干/濕重量或每個生物體的項目數/總重量。

四、海洋塑料污染監測的主要挑戰

（一）海洋塑料污染缺少全球化的標準化方法

迄今為止，關于海洋環境中塑料污染的大多數數據來自個人調查或當地研究項目。在過去十年中，科學家們為了解這些污染物做了很多努力，雖然，最近歐盟委員會海洋戰略框架指令 (MSFD) 和聯合國環境規劃署 (UNEP) 的海洋環境保護科學方面聯合專家組的技術報告（GESAMP) 兩個相關文件已經出臺，但仍然缺乏用于收集、識別、分類和量化塑料污染的全球標準化方法。塑料碎片缺乏統一的定義和類別，以及各種塑料和塑料相關污染物的采樣和處理協議、報告單位和術語的不一致，阻礙了全球數據的可比性。

（二）塑料樣品采集過程中的污染無法避免

在海洋塑料污染研究的早期，人們沒有充分認識到在采樣和加工過程中盡量減少樣品污染，并實現對環境樣品中微塑料、納米塑料和塑料相關化學物質的可靠測量。采集過程中人為污染物也可以引入塑料成分：實驗室、我們的衣服、我們的工具，甚至人類環境，都是這些污染物的來源。所以塑料采集過程中需要對此類污染進行嚴格控制，特別在于某些痕量濃度的樣品分析，分析過程可能帶入的影響顯得尤為巨大。不僅要對采集過程中進行控制，也要考慮空氣、試劑、設備和可能的設備污染給分析帶來不良影響。在這些階段，空白實驗的引入就很關鍵，這樣可以排除環境等因素的影響。

（三）生物有機體對監測過程以及結果的影響無法避免

生物有機物存在會對塑料顆粒的研究結果產生的影響不可避免，基于這種情況，如何鑒定塑料是否存在及類別是另一個巨大挑戰。含高比例生物有機物的樣品處理過程相對困難，這也對塑料材料的提取、識別和量化的技術上提出了更為嚴格的要求。生物殘留物可以在視覺觀察中掩蓋塑料碎片，并會造成傅里葉變換紅外(FT-IR) 和拉曼光譜所采集的信號失真。目前針對這個問題，研究者們也已經針對各種生物有機物的影響做了大量工作，一方面通過降解實驗消除生物有機物的影響；另一方面則是針對生物有機物樣品中提取塑料材料的方式進行探索。但許多工作都很難體現這些含有生物有機物中塑料的回收率，此外降解過程會對一些聚合物類型產生破壞，導致這些塑料的識別和分類發生偏差，從而造成塑料材料的鑒別失真。具體來說，理想的塑料監測方式是能夠在不改變塑料特性的情況下去除足夠的生物有機物，從而不會對塑料聚合物的辨別產生影響，此外這些監測方式最好能夠適用不同的環境且成本合適。

（四）塑料本身降解產生的變化無法界定

和上述所提及的方面一樣，塑料污染不好監測很大一部分因素是塑料本身會發生不斷變化造成的。塑料在漂浮海洋的過程中，風化（即光、熱和機械降解）顯著改變塑料顆粒的大小、顏色、形狀甚至化學成分等物理化學特性，導致海洋中塑料的監測和識別出現明顯誤差。Fernández-González (2021) 研究發現從海洋環境中收集的風化塑料與其原始塑料相比，他們之間的物理和化學性質出現明顯差異，最直觀簡單的FT-IR信號就顯示出兩者的區別。

（五）微塑料的監測具有很大的難度

微塑料的尺寸極小，常規的監測手段很難實現對微塑料的監測。微塑料的監測問題不僅僅具有上述挑戰，并且監測方法的選擇取決于樣品的介質（即沉積物、海水和生物體）、生物物質負載和所需的聚合物類型，并針對這些角度的不同，更要制定不同的監測方式比較相關研究結果的異同。關于如何識別和量化微塑料，并總結獲得微塑料的來源、總量、分類對于了解整個海洋環境具有重大的意義。通過基于不同的收集方法獲得微塑料濃度數據會有不同，這樣進一步導致相關數據的可靠性和可比性較差，很難獲得均一性的結論。

（六）塑料所造成的危害存在空白區

目前塑料相關的一些知識還存在空白區，如何填補當前的知識空白也是具有很大的挑戰性。塑料相關的化學物質如何傳輸到生物組織、水體中溶解和未溶解污染物之間的關系、它們可能的代謝物以及這些污染物在生物體和其他環境區室中的駐留時間等等都還沒用明確的定論，如果能夠將這些問題解決，塑料的危害會引起大家的廣泛關注。此外塑料相關的各種化學品（即鄰苯二甲酸酯增塑劑、雙酚和溴化阻燃劑）的分析成本巨大，也需要極其專業的知識，這對科學界如何構建統一的海洋塑料污染評估指南方面構成了進一步的挑戰。

五、結語

目前塑料的污染引起的一系列問題引起了人類的廣泛關注，海洋塑料的監測顯得尤為重要，但塑料本身的特性引起其監測、鑒別、定性的難度增加，同時生物有機物的影響以及采樣、處理、分析等過程中的污染也很難避免，全球化的塑料監測標準化方法缺少使得海洋塑料污染尤為舉步維艱。因此，海洋塑料的監測需要最大限度地減少外部的污染，從而達到監測數據的準確度和精確度，確保海洋塑料監測結果的可靠性，為相關部門提供可靠的數據來源，從而有助于相關政策的制定和執行。