大氣環(huán)境中微塑料的產(chǎn)生及其環(huán)境危害

張沐旭，賀文智，李光明，朱昊辰，黃菊文

(1.同濟大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092)

在全球范圍內(nèi)，無論是從個人護理品到食品包裝，還是從家具到服飾，塑料制品已經(jīng)滲入到人類日常生活的各個方面。伴隨著需求的不斷擴大，塑料制品的生產(chǎn)量和使用量呈指數(shù)級增長。據(jù)歐洲塑料制造商協(xié)會統(tǒng)計，自1950年以來全球塑料生產(chǎn)量已超過80億t[1]，到2050年地球上的塑料制品還會增加330億t[2]。塑料制品使用而產(chǎn)生的塑料垃圾在物理、化學(xué)和生物因素作用下，可以分化形成粒徑小于5 mm的塑料碎片、顆粒及纖維等微塑料并進入環(huán)境[3]。微塑料作為一種新興污染物，因難生物降解、在環(huán)境和生物體中容易積累，且可長距離遷移而影響范圍廣，其對生態(tài)環(huán)境和人體健康的影響受到了科技界的廣泛關(guān)注。

研究顯示，微塑料不僅存在于陸地[4]和海洋[5]，也賦存于大氣環(huán)境中[6-8]，并在空氣中以不同形式進行傳播[9]。目前有關(guān)的研究方向主要集中于微塑料在淡水、海洋和土壤介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化過程，而對大氣中微塑料的認知相對較少。鑒于空氣對人類生存的重要性，今后該領(lǐng)域的研究必然會逐漸增多。本文基于最新研究成果，對大氣環(huán)境中微塑料的形態(tài)與材質(zhì)種類、來源途徑、遷移過程及其對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康影響等方面進行綜述，展望了該領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢，以期為大氣環(huán)境中微塑料污染的研究和治理提供參考。

1 大氣環(huán)境中微塑料的形態(tài)與材質(zhì)種類

大氣中微塑料的形態(tài)種類多樣，按形態(tài)可分為纖維、薄膜、碎片、顆粒、泡沫和微球等不同類型。在大多數(shù)地區(qū)，例如中國煙臺[10]、英國倫敦[6]和法國巴黎等[11]，纖維是最主要的形態(tài)，分別占比約為95%,92%和100%；碎片在部分地區(qū)也較為普遍，例如中國上海[12]、德國漢堡[13]和西太平洋[9]，分別占比約為30%,95%和31%，主要來自較大塑料產(chǎn)品的分解(如包裝材料)。另外薄膜、顆粒和泡沫也是非纖維微塑料的常見形態(tài)，薄膜可能來自一次性的薄塑料產(chǎn)品(如塑料袋、食品包裝和農(nóng)用薄膜)；顆粒主要來自于交通粉塵(如輪胎顆粒)；泡沫則是由于發(fā)泡制品(如聚苯乙烯)的釋放，質(zhì)地軟易破碎。微塑料的形狀類型可能與地區(qū)發(fā)展程度(城市化和工業(yè)化)有關(guān)[14]，例如市區(qū)和工業(yè)區(qū)上空的微塑料種類差異較大，市區(qū)主要以纖維類為主，而工業(yè)區(qū)則是以薄膜、碎片、顆粒和微球為主[15]。

按材質(zhì)劃分，大氣中的微塑料由天然聚合物和合成聚合物組成。天然聚合物主要是指纖維素和蛋白質(zhì)等，主要來自植物纖維和棉花等；合成聚合物是由許多單體和多種材料等混合物聚合而成。目前大氣中檢測出的合成聚合物包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)等20多種類型。其中PET是最主要的大氣聚合物，例如在中國煙臺等[16]地，PET在大氣微塑料聚合物中占比較高。而其他聚合物類型在日常生活中也有廣泛的應(yīng)用，PE是一種常見的薄膜塑料，由于其密度低常用于塑料袋等材料中；PS隔熱效果好，常用于包裝和制造行業(yè)；PVC通常用于管道、地板和門窗等建筑內(nèi)部；PP常用于汽車行業(yè)和食品包裝。正是由于來源豐富，所以大氣微塑料中含有的聚合物成分較復(fù)雜。

2 大氣環(huán)境中微塑料的來源及遷移

2.1 大氣中微塑料的來源

大氣中微塑料的來源廣泛，大致可分為4種途徑：其他環(huán)境介質(zhì)輸入、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程、日常使用過程以及垃圾末端處理過程，見圖1。

圖1 大氣微塑料的主要來源途徑Fig.1 The main source of airborne microplastics

2.1.1 其他環(huán)境介質(zhì)輸入 海洋和地表等其他生態(tài)系統(tǒng)是大氣微塑料的潛在來源，海洋環(huán)境輸入包括海水蒸發(fā)和海洋飛沫兩個過程，而地表灰塵可以攜帶大量微塑料進入大氣層。

作為污水處理的副產(chǎn)物，微塑料會隨著管網(wǎng)系統(tǒng)最終排入海洋環(huán)境，再通過海水蒸發(fā)作用釋放到大氣中。海洋飛沫是指海洋附近空氣中存在的海水滴，是在大氣邊界層中海洋與大氣相互作用下產(chǎn)生的，該過程會將表層海水中的微塑料傳輸?shù)酱髿庵小?/p>

在一定的外動力作用下，地表灰塵中的微塑料被搬運至不同的大氣圈層，而風(fēng)力和人類活動是灰塵在空間遷移的主要動力。Dehghani等[17]在10個街道灰塵樣品中發(fā)現(xiàn)每30 g干塵中含有88～605種微塑料，說明地表灰塵是大氣微塑料的潛在來源。

2.1.2 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程 工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的微米級塑料也是大氣環(huán)境中微塑料的來源之一，包括工業(yè)煙塵的排放、對合成材料的切碎及磨削等加工過程均會產(chǎn)生超細微塑料顆粒、紡織印染廠衣服制造和印刷過程中產(chǎn)生的微纖維、以及制造行業(yè)的噴漆維修等過程也會產(chǎn)生漆片類微塑料。

農(nóng)用薄膜(包括地膜和溫室薄膜)大量應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，據(jù)預(yù)測2021年全球農(nóng)用薄膜將達到750萬t[18]。其主要成分是PE(質(zhì)量輕、透光性好)和PVC(保溫性好、透光性差)，具有回收率低、易老化和碎片化嚴重的特點。然而大量廢棄的薄膜在環(huán)境因素(如風(fēng)化、降雨、光照、高溫條件)的作用下，大塊的塑料殘渣逐漸破碎成不同尺寸的微塑料，易隨風(fēng)懸浮在空氣中。

2.1.3 日常使用過程 主要涉及生活、交通和建筑等方面，例如紡織品的釋放、道路涂料和輪胎磨損以及管道設(shè)備等均會產(chǎn)生次生微塑料，從而擴散至大氣環(huán)境。

空氣中的微塑料大多是紡織纖維，這與人類日常生活息息相關(guān)。主要來自口罩、衣物[19]和人造家具中的塑料碎片(如PET和PP)[20]。當紡織品受到機械磨碎或者紫外線照射，就會分解出大量微塑料[21]。該類微塑料年產(chǎn)生量以高于6%的速率增長，約占世界塑料產(chǎn)量的16%[22]。2020年新冠疫情爆發(fā)導(dǎo)致一次性防護口罩的需求激增，隨之帶來的則是口罩廢棄物的處置等問題，陳賢川等[23]對一次性防護口罩微塑料釋放情況的研究發(fā)現(xiàn)，口罩雖然可以攔截部分空氣中的微塑料，但由于機械磨損導(dǎo)致微塑料直接從無紡布中脫落，直接通過呼吸進入人體。另外纖維類也是一種室內(nèi)空氣污染源，通過對家用洗衣機廢水采樣結(jié)果顯示，單件衣服每次洗滌時可以產(chǎn)生多達1 900根纖維[24]，所以在洗衣過程中這些纖維也有可能遷移至大氣中，同時服裝纖維釋放的種類和數(shù)量易受季節(jié)和潮流趨勢的影響[25]。當人們在穿戴衣物或是依靠在由合成紡織品制成的家具時，這些易脫落纖維不僅可以轉(zhuǎn)移到頭發(fā)皮膚上[26]，也會直接或間接地擴散到周圍空氣中。

在交通行業(yè)中，道路涂料和輪胎磨損會產(chǎn)生涂料碎片和橡膠類微塑料。輪胎和路面接觸時，由于機械剪切力或揮發(fā)作用產(chǎn)生粒徑大小不一的輪胎和路面材料混合顆粒物。而輪胎磨損顆粒能在環(huán)境中持久分布，全球年均釋放量約在500萬t[27]，是一類容易被忽視的微塑料來源。據(jù)統(tǒng)計，車輛每行駛100 km，丁苯橡膠輪胎就會因磨損而釋放出超過20 g 的塑料飛塵。Grigoratos等[28]估算約有0.1%～10%輪胎磨損顆粒通過揮發(fā)和再懸浮作用進入大氣環(huán)境，停留時間在幾分鐘到數(shù)天不等，尺寸越小停留時間越長，遷移路徑更遠。

在建筑行業(yè)中，由塑料制成的管道或其他公共設(shè)備(如地板、門窗等)在安裝或使用過程中，因為磨損也會產(chǎn)生少量微塑料。

2.1.4 垃圾末端處理過程 城市生活垃圾的末端處理方式有三種，分別是衛(wèi)生填埋、高溫堆肥和焚燒，而這三個過程都會或多或少向空氣中釋放出微塑料。在一些發(fā)展中國家，部分塑料垃圾被傾倒于露天填埋場進行回收，暴露于紫外線和微生物環(huán)境中，從而增加了微塑料碎裂的機會，最終通過外界動力懸浮在空氣中。同時垃圾填埋也會使長期積累于土壤環(huán)境中的塑料垃圾經(jīng)風(fēng)化降解成粒徑更小的微塑料，長期風(fēng)化作用會增強微塑料向空氣中擴散的遷移性。高溫堆肥和焚燒會使生活垃圾中的污染物顆粒變小，相對于體積較大的污染物更容易擴散至大氣中。

2.2 大氣中微塑料的遷移過程

影響微塑料在大氣環(huán)境中的遷移方式，主要可分為氣象條件和人類活動兩種[29]，其中受到氣象條件的高度控制[30]。

一是氣象條件，例如風(fēng)(風(fēng)速和風(fēng)向)、降水等。微塑料在風(fēng)的作用下以不同方式進行搬運，其中長期懸浮在空氣中的微塑料成為大氣氣溶膠的組成部分。通常風(fēng)速越大越有利于大氣微塑料的稀釋與擴散，長時間的微風(fēng)或靜風(fēng)則會使近地面的濃度增加；而風(fēng)向則決定了不同區(qū)域空氣中微塑料的濃度大小，一般來說上風(fēng)向地區(qū)要比下風(fēng)向的濃度低。地表起塵是指在一定的動力作用下進入空氣環(huán)境的顆粒物，大氣降塵是指依靠重力自然沉降于地面的粉塵。并且因微塑料質(zhì)量輕、尺寸小的特點，因此陸地表面的微塑料可能在風(fēng)的作用下遷移，賦存于大氣降塵中。而地表起塵和大氣降塵是大氣、陸地表面和水體環(huán)境進行物質(zhì)交換的主要途徑，因此大氣沉降對陸地生態(tài)系統(tǒng)和海洋生態(tài)系存在隱蔽的、持續(xù)的影響。另外Dris等[6]在2016年的研究中發(fā)現(xiàn)，雖然降雨與大氣微塑料的濃度沒有顯著相關(guān)性，但是在潮濕空氣中微塑料的含量總是要多于干燥環(huán)境。

微塑料也可以在大氣環(huán)境中進行長距離輸送，大氣傳輸和沉降等作用是偏遠地區(qū)和人跡罕至區(qū)域(包括極地、青藏高原等)沉積的重要途徑，甚至也是微塑料在全球傳播的一種可能性方式。有研究表明，盡管地處偏遠的地區(qū)，青藏高原等地的湖泊并沒有擺脫微塑料的污染，微塑料可能通過大氣傳輸和干濕沉降進入該區(qū)域[31]。其中風(fēng)能是運輸微塑料到邊遠地區(qū)的主要媒介[32]，輸送距離可超過1 000 km[33]。 另外大氣中的微塑料還可以先通過大氣傳輸?shù)礁呖眨僖越涤杲笛┑确绞浇德湓谄渌麉^(qū)域，例如有學(xué)者曾在北極海冰樣本中發(fā)現(xiàn)每升含有12 000個微塑料。

除了天氣因素，人類活動(如人口密度和熱島效應(yīng)等)也對微塑料在大氣中的遷移起到重要作用。Liu等[9]發(fā)現(xiàn)上海普陀區(qū)空氣中微塑料的豐度明顯高于閔行區(qū)，可能是由于普陀區(qū)的人口密度要遠大于閔行區(qū)，密度大就意味著人類活動的頻繁，從而導(dǎo)致微塑料豐度的增加。另外Dris等[6]通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)市區(qū)和郊區(qū)的大氣中微塑料沉降量存在顯著差異，原因之一可能是受人口密度的影響。同時熱島效應(yīng)也是人類活動對城市大氣污染造成影響的直接體現(xiàn)，由于城市化的發(fā)展導(dǎo)致城中的溫度明顯高于外圍，所以城市和郊區(qū)之間形成了局部環(huán)流，加劇了城市大氣微塑料的污染。

3 大氣中微塑料的危害

大氣中的微塑料通過改變生物體的生理特性以及對其生殖發(fā)育繁殖產(chǎn)生影響，進而降低生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，對物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程造成破壞，從而影響到整個生態(tài)環(huán)境的平衡。除了給生態(tài)系統(tǒng)帶來較大的壓力外，也勢必會對人類健康造成潛在的威脅。

人體暴露途徑分為三方面：呼吸吸入、飲食攝入以及皮膚接觸，其中呼吸吸入是最直接的方式。人需要吸入空氣來維持身體系統(tǒng)的運作，而身處于室外和室內(nèi)環(huán)境，人類在呼吸的同時也在不斷地吸入微塑料，但是空氣中的微塑料能否進入人體的呼吸系統(tǒng)取決于尺寸大小。尺寸較小的塑料顆粒最終能沉積于肺部，而較大顆粒則會被鼻腔中的粘毛和粘液清除，從而轉(zhuǎn)變成胃腸道的暴露，并且人體吸入微塑料的風(fēng)險隨著微粒尺寸的不斷減小而增加。

早在1998年研究人員通過對新鮮肺組織標本的反復(fù)觀察，推測肺部出現(xiàn)的微塑料纖維可能來自大氣環(huán)境。而人體肺部每天接觸的空氣微塑料平均在26～130個[34]，同時Dehghani等[17]估計兒童吸入的微塑料數(shù)量是成人的3～5倍。有學(xué)者指出室內(nèi)空氣吸入的微塑料量要遠高于其他暴露途徑，據(jù)估算成人每年在室內(nèi)和室外吸入微塑料含量分別為1.9×103～1.0×105和0～3.0×107[35]。由于稀釋作用人體基本暴露于更低濃度微塑料的室外環(huán)境中[36]，但是在不利的天氣條件下(如低風(fēng)速等)，暴露濃度將會更高。某丹麥研究小組利用呼吸人體模型在公寓中連續(xù)吸入24 h室內(nèi)空氣，實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)公寓空氣總量中多達4%的空氣被微塑料污染，這意味著處于室內(nèi)環(huán)境每一次呼吸都會吸入或多或少的微塑料。

微塑料被人體吸收后，首先是會對呼吸系統(tǒng)造成損傷，引發(fā)急慢性疾病，造成肺部的炎癥和DNA損傷，導(dǎo)致免疫力下降甚至可能誘導(dǎo)癌變。這是因為吸入的微塑料會導(dǎo)致氣管和肺組織的腫脹及損傷，引起人體輕微胸痛或呼吸短促，并且隨著時間的推移，它會在肺部積聚并破壞肺泡，從而增加患肺癌等肺部疾病的風(fēng)險。Law等[37]將聚丙烯和聚乙烯纖維在合成肺液中放置180 d后未出現(xiàn)溶解及變化，表明微塑料在呼吸道中具有潛在的持久性。在體外實驗中，聚苯乙烯微塑料會對人體肺上皮細胞產(chǎn)生細胞毒性和炎癥作用[38]。另外一些觀察性研究也報道了對于長期暴露于高濃度微塑料環(huán)境中的工人們，經(jīng)常會因為吸入塑料粉塵對呼吸道和皮膚的刺激體征而產(chǎn)生呼吸困難等問題，甚至在塑料行業(yè)中隨著工作時間增加患肺癌的風(fēng)險會隨之提高[39]。

其次尺寸非常小的微塑料甚至可以進入血液和淋巴循環(huán)，與其他污染物結(jié)合(如血液中的PM2.5)，導(dǎo)致動脈硬化阻塞，從而引起冠狀動脈疾病的發(fā)作。

大氣微塑料的毒性不僅來自材料本身，還有自身塑化劑(如鄰苯二甲酸酯)的釋放以及與環(huán)境中其他大氣污染物相互作用產(chǎn)生的危害。例如鄰苯二甲酸酯具有致癌的特性，對人類有極大的健康風(fēng)險。同時因為微塑料粒徑小、比表面積大，具有較強的吸附能力，作為病原體的載體容易將環(huán)境中的其他污染物轉(zhuǎn)移至人體內(nèi)，提高了暴露風(fēng)險。

4 總結(jié)與展望

微塑料在全球大氣環(huán)境中的廣泛分布和累積，已經(jīng)引起了人們對其形態(tài)種類、來源途徑與遷移過程，及其對生態(tài)系統(tǒng)和人體健康影響等方面的關(guān)注。但是由于起步較晚，仍處于不斷摸索的階段，尚未形成完整的理論體系，未來需從以下三方面開展研究：

(1)聚焦大氣微塑料的來源途徑和遷移傳輸?shù)葯C理研究。目前微塑料的研究熱點主要集中于淡水和海洋以及土壤環(huán)境中，但是對大氣環(huán)境中微塑料的認識尚處于起步階段。因此，有必要開展大氣微塑料的來源解析、分布特征、傳輸范圍和沉降通量等工作，為其賦存情況、遷移轉(zhuǎn)化以及歸趨等未來重點研究內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。

(2)重視大氣微塑料對人體健康風(fēng)險的研究。目前該方面主要基于體外實驗和動物模型，研究成果依然極其匱乏，且評價機制尚不明確，研究難度也非常高，想要證明人體通過呼吸吸入的微塑料與某種疾病有直接因果關(guān)系是十分困難的。所以應(yīng)當采取多種研究手段，從而能更加全面地評估人體在微塑料環(huán)境中的暴露效應(yīng)。

(3)加強大氣微塑料單體、添加劑及其攜帶污染物的復(fù)合毒性效應(yīng)與機制的研究。通常大氣微塑料無法單獨存在，可以吸附空氣中其他有害物質(zhì)(PM2.5、持久性有機污染物、重金屬和微生物等)。所以應(yīng)明確大氣微塑料的毒性效應(yīng)是來自其本身的物理損傷，還是自身釋放的添加劑，或者是吸附的污染物，探討大氣微塑料在復(fù)合毒性效應(yīng)中所起的作用，此外應(yīng)建立和完善大氣微塑料的生態(tài)風(fēng)險評估模型。