徐向榮 孫承君 季 榮 王菊英 吳辰熙 施華宏 駱永明
1 中國科學(xué)院南海海洋研究所 中國科學(xué)院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室 廣州 510301 2 國家海洋局第一海洋研究所 國家海洋局海洋活性物質(zhì)重點實驗室 青島 266061 3 南京大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 污染控制與資源化研究國家重點實驗室 南京 210023 4 國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心 海洋垃圾和微塑料研究中心 大連 116023 5 中國科學(xué)院水生生物研究所 淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點實驗室 武漢 430072 6 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室 上海 200062 7 中國科學(xué)院南京土壤研究所 中國科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點實驗室 南京 210008
2004 年,英國普利茅斯大學(xué) Thompson 教授[1]在 Science 上首次提出“微塑料”(microplastic)的概念,開啟了學(xué)術(shù)界對海洋微塑料的廣泛研究。目前,凡是尺寸小于 5 mm 的塑料纖維、顆?;虮∧ぜ纯杀徽J定為微塑料[2]。與大尺寸的海洋塑料垃圾相比,微塑料在海洋環(huán)境中豐度更高,分布更廣,可存在于海水、沉積物以及不同營養(yǎng)級生物體內(nèi),是一類新興環(huán)境污染物[3]。2011 年,海洋微塑料污染被聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)列為全球要面對的一個新的環(huán)境問題和挑戰(zhàn)[4]。
自 2008 年以來,海洋微塑料研究進入快速發(fā)展的時期,引起了國際社會的廣泛關(guān)注[5]。在建立微塑料分離和鑒定方法的基礎(chǔ)上,眾多研究證實了微塑料在海洋環(huán)境和生物體中的大量和廣泛存在[6],并直接推動了“禁止向化妝品中添加塑料微珠”等法規(guī)的出臺。然而,要促使國際社會對微塑料污染管控采取進一步的實質(zhì)性行動,還需要更充分的科學(xué)證據(jù)來表明微塑料具有生態(tài)和健康危害。
為此,本文分析了當(dāng)前海洋微塑料污染的生態(tài)效應(yīng),強調(diào)了開展海洋微塑料的生態(tài)與健康效應(yīng)研究的迫切性,闡述了未來研究方向和所面臨的挑戰(zhàn),提出了海洋微塑料污染的應(yīng)對舉措,并呼吁應(yīng)采取“預(yù)警性原則”的政策,提升海洋微塑料污染風(fēng)險管控能力。
微塑料粒徑小、密度輕,可通過風(fēng)力、潮流及洋流等外力作用進行遠距離、廣范圍的遷移[3],在海洋環(huán)境中的各個角落,從沿岸到大洋,從赤道到南北兩極,從海面水體到深海沉積物,甚至海雪和冰川等,都有微塑料的廣泛分布[6]。研究表明,河流徑流是陸地微塑料進入海洋環(huán)境的最主要途徑[7],據(jù)統(tǒng)計每年約有 115—241 萬噸塑料垃圾經(jīng)全球河流匯入海洋[8]。目前,海水中微塑料污染的平均豐度范圍約為 4.8×10?6—8.6×103個 /m3,已報道的最高豐度出現(xiàn)在瑞士沿岸水體中[9]。在全球海洋環(huán)境中,海面漂浮的微塑料主要聚集于北太平洋、南太平洋、北大西洋、南大西洋和印度洋的 5 個洋流環(huán)流帶[10,11]。根據(jù) 12 年(2001—2012 年)長期連續(xù)監(jiān)測顯示,微塑料在北太平洋洋流環(huán)流帶的含量(156 800 個/km2)顯著高于其他非洋流環(huán)流區(qū)域(1 864 個/km2)[12],而這些微塑料主要是由世界沿海國家排放的塑料污染物分解或降解形成[10-12]。盡管目前已開展了一些調(diào)查與研究工作,但關(guān)于微塑料在全球不同海域的分布與遷移特征等研究仍需要加強。進一步掌握海洋微塑料的污染特征,有助于開展基于環(huán)境特征和濃度的微塑料生態(tài)毒理學(xué)研究與生態(tài)風(fēng)險評估工作。
另外,微塑料的比表面積大、疏水性強等特征增強了其表面吸附微生物、有機污染物和重金屬等物質(zhì)的能力[13]。微塑料自身在環(huán)境中的強吸附性和易遷移性,使其成為環(huán)境中毒害污染物遷移與傳播的載體。已有研究表明,微塑料不但對重金屬及持久性有機污染物具有較高的富集能力,同時對污染物的環(huán)境遷移及生物體內(nèi)累積與傳遞等具有明顯的傳輸作用[14,15]。因此,海洋微塑料及其負載的污染物已成為環(huán)境科學(xué)研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點。
海岸帶是陸海相互作用的地帶,微塑料易在此處聚集。在海岸帶,通過陸源排污、河流輸送、地表徑流等作用可將微塑料輸入到河口和海洋,又可通過洋流、潮汐、風(fēng)生流等動力將微塑料推送到潮灘,同時還有在海岸旅游、曬鹽、養(yǎng)殖等人類活動中產(chǎn)生、殘留或帶入到潮灘和近海的微塑料。因此,海岸帶的潮灘、近海水體和沉積物普遍受到微塑料污染,尤以濱海養(yǎng)殖區(qū)、旅游景點、漁港等處微塑料污染最為嚴重,并以纖維、發(fā)泡或碎片類微塑料為主[16]。海岸帶沉積物中微塑料平均含量約為 25—47 897 個/m2,潮下帶沉積物中微塑料的平均豐度介于15—3 320 個/kg(干重計)[6]。此外,海岸帶不同生態(tài)系統(tǒng)類型的潮灘中微塑料豐度差異明顯,主要受河口輸入、植物(如鹽沼、紅樹林等)攔截作用等因素的影響。
海岸帶來源的微塑料表面形貌多樣而復(fù)雜,如潮灘的微塑料,因受海水、鹽分、氧氣等化學(xué)作用,顆粒摩擦、光、風(fēng)等物理作用,以及微型生物的侵蝕和降解等生物作用的影響,微塑料表面發(fā)生龜裂或破碎,形成新的官能團,其孔隙中可附著顆粒物或攜帶鐵氧化物[16-18],從而擴大其比表面積和電荷,以利于吸附環(huán)境中的有機污染物[19],形成微塑料-內(nèi)源性污染物(如添加劑)-外源性污染物(如持久性有機污染物等)的復(fù)合體,在海洋和海岸環(huán)境中殘留或向海陸區(qū)域遷移,對近岸海域和濱海陸地生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。
本文采用雙對數(shù)模型來分析中國乳制品的需求價格彈性。雙對數(shù)模型的優(yōu)點是可以使數(shù)據(jù)更為平穩(wěn)且消除異方差。價格因素用中國乳制品的進口價格來表示。將影響乳制品進口的因素代入彈性公式中,為了簡單起見,我們可將Q=f(P)表達為對數(shù)形式:
生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,微塑料對海洋生物生存造成的負面影響會威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定。微塑料污染的生態(tài)效應(yīng)主要包括生物攝入的影響、微塑料及其復(fù)合污染物的毒性效應(yīng)、微塑料作為入侵物種載體的影響[20]。
3.1.1 微塑料攝入對海洋生物的影響
微塑料進入海洋生物體內(nèi)的一個重要途徑是通過生物體的吞噬或攝食行為。由于微塑料粒徑較小,海洋生物尤其是幼小生物在攝食過程中很難將其與其他食物顆粒區(qū)分開來,容易造成微塑料的誤食。研究表明,在海洋生態(tài)系統(tǒng)的各個生態(tài)位上均存在生物“攝食”微塑料的現(xiàn)象,包括海洋浮游動物[21]、底棲動物[22,23]、魚類[24]、鳥類[25]乃至大型哺乳動物[26]等。此外,微塑料還可通過黏附或呼吸等行為進入生物體內(nèi)[27]。
根據(jù)室內(nèi)暴露實驗,攝入體內(nèi)的微塑料對部分海洋生物造成毒性效應(yīng),主要包括生長發(fā)育不良、繁殖能力降低、行為活動異常、基因表達異常和存活率降低等[28]。當(dāng)粒徑進一步減小,微塑料可經(jīng)由海洋生物消化道轉(zhuǎn)移到循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)乃至組織細胞中,引發(fā)機體免疫系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)等[29,30]。此外,除了對生物個體產(chǎn)生影響,攝入或黏附的微塑料也可通過食物鏈傳遞過程從低營養(yǎng)級生物轉(zhuǎn)移到高營養(yǎng)級生物甚至人體中,對海洋生物及人體健康構(gòu)成潛在的威脅[20,31]。
3.1.2 微塑料及其復(fù)合污染物的毒性效應(yīng)
微塑料具有顆粒小、比表面積大和疏水性強等特點,易與環(huán)境污染物特別是有機污染物相互作用,這些作用主要包括吸收、吸附和釋放 3 個方面。微塑料對污染物的吸收源自于微塑料表面-液體界面存在污染物濃度差,污染物可擴散穿過微塑料表層進入內(nèi)部[32]。有研究認為,微塑料吸附污染物屬于物理過程,吸附能力的大小更多取決于微塑料表面的物理化學(xué)性質(zhì),如疏水性和平滑度等[33];非極性單體聚合而成的微塑料(如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯)能從周圍受污染的海洋環(huán)境中吸附有機污染物,并在表面富集高達百萬倍于環(huán)境的濃度[34]。
長時間暴露在海洋環(huán)境中的微塑料經(jīng)海洋生物攝入體內(nèi),在一定條件下會從消化道中釋放出之前吸收和吸附的污染物,并且在生物腸道條件下微塑料吸附的污染物解吸速度比在單獨的海水中高 30 多倍[35],解吸的污染物轉(zhuǎn)而會被生物組織吸收從而引發(fā)毒性效應(yīng)[36]。不僅如此,塑料生產(chǎn)過程中為了提高其特種性能而添加的化學(xué)試劑,在經(jīng)過海水浸泡和風(fēng)化作用后會重新釋放到環(huán)境當(dāng)中,造成污染區(qū)域的污染物濃度顯著高于原環(huán)境背景濃度,進而對水生生物的健康產(chǎn)生不利影響[37]。由此可見,海洋環(huán)境中微塑料與污染物的復(fù)合污染將對海洋生物造成更為復(fù)雜的影響,相關(guān)的生物毒理效應(yīng)和作用機理亟待進一步研究。
3.1.3 微塑料成為入侵物質(zhì)的載體
當(dāng)微塑料進入海洋環(huán)境后,環(huán)境中的微生物會迅速附著到微塑料表面,1 周左右即可形成較為穩(wěn)定的生物膜。由于微塑料數(shù)量龐大,科學(xué)家曾預(yù)估海洋中微塑料表面的微生物量高達 1 000—15 000 噸[38]。在洋流和潮汐等作用下,一方面,微生物可通過這些“浮筏”進行長距離跨海區(qū)的遷移,從而增加了海洋微生物遷移與傳播的機會,造成外來物種入侵[39];另一方面,病原體也可通過微塑料這一載體被生物攝入或直接接觸而引發(fā)生物毒理效應(yīng)[40,41],甚至危害人體健康。最新研究表明,海洋微塑料攜帶而來的有害物質(zhì)能引起珊瑚礁疾病的增加,如骨骼侵蝕帶病增加 24%,白化病上升 17%,黑帶病上升 5%[42]。
導(dǎo)致微塑料生態(tài)效應(yīng)研究陷入目前這一瓶頸期的主要原因在于微塑料是一種復(fù)雜的新型污染物,我們對其認識還遠遠不足。但環(huán)境中微塑料的數(shù)量持續(xù)快速增長和普遍存在已成為不爭的事實,對這一問題缺乏認識將導(dǎo)致我們對潛在的風(fēng)險無法預(yù)測,在海洋微塑料的管控上無法進一步推進強有力的政策。因此,當(dāng)前迫切需要加強海洋微塑料的生態(tài)和健康風(fēng)險研究,為有效的管控政策制定提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
尋找微塑料危害的野外證據(jù)和獲取有效的室內(nèi)毒理學(xué)數(shù)據(jù)將是今后微塑料研究面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)。要解決這一難題需要我們進一步深入認識微塑料污染物的本質(zhì)特征,并在此基礎(chǔ)上建立適合于微塑料毒理學(xué)研究的方法體系。
首先,微塑料獨特的理化特性(如大小、形狀和密度等)決定了其在環(huán)境中的不均勻分布,而且多種環(huán)境條件的不斷變化導(dǎo)致環(huán)境中的微塑料也處于一種動態(tài)變化之中。因此,可以認為環(huán)境中的微塑料本質(zhì)上是一種具有多種動態(tài)變化特征的、空間分布不均一的復(fù)合污染物。
其次,由于目前樣品采集、分離和鑒定方法的局限性,獲取的只是環(huán)境中一部分微塑料的信息。國內(nèi)外對小粒級的微塑料(如粒徑 < 20 μm)進行報道的文獻極少,對環(huán)境中納米級微塑料的分離和鑒定則一直尚未突破[43]。同時,對環(huán)境中微塑料的表征指標主要是豐度,而大小、形狀和顏色等往往通過粗略的范圍或比例來表征。在水相中,僅參照化學(xué)污染物濃度的表征方法對于微塑料并不可行,建立“微塑料的特征譜”可能是更全面表征環(huán)境中微塑料的有效方法。
最后,在野外調(diào)查中,尋找微塑料與野外生態(tài)效應(yīng)指標之間的關(guān)聯(lián)性,需考慮和運用微塑料環(huán)境特征譜的概念,且主要是尋找種群及以上水平的證據(jù);在室內(nèi)暴露實驗中,制備和使用“環(huán)境特征的微塑料”,才能更準確地揭示環(huán)境中的微塑料可能的生態(tài)毒性和風(fēng)險??傊?,如果說過去 10 年的海洋微塑料研究證明了其“普遍存在”,那么今后 10 年的主要目標之一則是闡明其“生態(tài)與健康危害”。
為了應(yīng)對日益嚴重的微塑料污染,聯(lián)合國(UN)、國際海事組織(IMO)、東北大西洋海洋環(huán)境保護組織(OSPAR)、歐洲委員會(EC)、赫爾辛基委員會(HELCOM)等國際組織相繼制定了相關(guān)法律條例。歐盟海洋戰(zhàn)略框架指令(MSFD)利用 11 個指標對海洋環(huán)境中微塑料的數(shù)量、性質(zhì)和潛在影響進行了相關(guān)描述,并制定了調(diào)查監(jiān)測報告[44]。隨著 2013 年歐洲委員會綠皮書的發(fā)布,全球關(guān)注微塑料污染的呼聲日益高漲。歐洲國際海洋開發(fā)委員會(ICES)2015 年 3 月起草了一份監(jiān)測海洋魚類胃部微塑料污染的規(guī)范,作為對 OSPAR 組織 2015 年 1 月提出的“建立貝類和魚類胃部微塑料監(jiān)測標準”的回應(yīng)[45]。2014 年 12 月,荷蘭、奧地利、盧森堡、比利時和瑞典發(fā)表聯(lián)合公告,呼吁歐盟禁止向個人化妝品中添加微塑料的行為[46]。2015 年 12 月,奧巴馬簽署《無微珠水法案》,該法案要求 2019 年前在美國境內(nèi)取締和停止銷售所有含有“刻意添加塑料微珠”的個人洗護產(chǎn)品。美國成為全球第一個全面禁止添加塑料微珠進入化妝品的國家。此外,加拿大、印度、澳大利亞和英國等也先后立法禁止銷售含有微塑料顆粒的個人化妝品。
我國政府及相關(guān)職能部門對海洋微塑料污染問題也表現(xiàn)出極大的關(guān)注,如 2015 年中美“保護海洋”首次特別會議上,“預(yù)防和減少海洋塑料垃圾污染”被列為此次戰(zhàn)略對話的重要內(nèi)容。在 2016 年科技部“十三五”國家重點研發(fā)計劃中,“海洋微塑料監(jiān)測和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估技術(shù)研究”項目成功立項。2017 年 12 月,國家海洋局發(fā)表《2016 年中國海洋環(huán)境狀況公報》,明確指出將微塑料納入環(huán)境監(jiān)測項目,在渤海、東海、南海三大海域開展斷面表層水體漂浮微塑料試點監(jiān)測工作,并初步掌握了我國海洋微塑料分布特征。2018 年 4 月,中國環(huán)境科學(xué)研究院召開西北太平洋行動計劃(NOWPAP)“海洋微塑料監(jiān)測方法與評價”特別項目建議書編制啟動會,旨在加強 NOWPAP 框架下成員國在海洋微塑料調(diào)查和評估方法研究領(lǐng)域的可比性。
盡管越來越多的國家開始意識到微塑料污染對環(huán)境影響深遠,然而微塑料禁令的立法過程實際上依然力不從心,微塑料污染的治理情況依然不容樂觀。原因在于,從早期的科學(xué)調(diào)查取證到法令的起草、通過和施行,中間需要耗費大量時間并遇到巨大阻力,這對迫在眉睫的微塑料污染而言毫無幫助。但如果通過宣傳教育活動正面引導(dǎo)公眾認知,進而推動相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)改革,這一現(xiàn)象或?qū)⒌玫綐O大改善。為了加速微塑料禁令的立法過程和提高微塑料污染的治理成效,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)起一項名為“化妝品:我們的個人護理品是否正在污染環(huán)境”的活動[47]。該活動通過一款手機應(yīng)用和名為“擊敗塑料微粒(Beat the Microbead)”的網(wǎng)站幫助消費者確認化妝品中是否含有微塑料,旨在提高公眾對水環(huán)境中微塑料污染的認知水平。
同時,非政府組織(NGOs)在積極保護海洋環(huán)境方面也起到了相當(dāng)重要的作用。比如,在提高公眾認知方面,美國阿爾加利特海洋研究中心(Algalita Marine Research Foundation)目前正考察微塑料和持久性有機污染物(POPs)在 5 個主要海洋環(huán)流的分布。世界非牟利團體海洋遠航研究機構(gòu)組織的“海星計劃”(Project Kaisei)與美國斯克里普斯海洋研究所合作,共同研究在北太平洋環(huán)流的塑料碎片。國際海洋保護協(xié)會組織每年一度的“凈灘行動”收集海灘上各種廢棄物;我國國內(nèi)藍絲帶海洋保護協(xié)會、上海仁渡海洋公益發(fā)展中心等民間環(huán)保組織通過建立岸灘海洋垃圾監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)等開展清理海洋塑料垃圾活動。在政府組織和社會組織的共同努力下,微塑料污染治理工作取得初步成效,并促使多個跨國公司(如聯(lián)合利華、強生等)宣布放棄在化妝品中使用微塑料。值得一提的是,遏制微塑料污染不能只依靠政策制定者和法律條例,更需要制造業(yè)、零售業(yè)、旅游業(yè)和漁業(yè)等多個行業(yè)的共同努力,才能最大限度地降低海洋環(huán)境微塑料污染。
微塑料作為一類新型的海洋環(huán)境污染物,目前相關(guān)的研究工作和監(jiān)管措施仍處于初級階段,主要體現(xiàn)在以下 3 個方面:① 政策制定方面仍缺乏生態(tài)和健康效應(yīng)方面的強有力證據(jù)。如前所述,由于海洋微塑料是新的復(fù)雜的環(huán)境問題,對其生態(tài)毒理的研究還嚴重不足,而對其健康效應(yīng)的研究幾乎是空白。② 當(dāng)前對海洋微塑料的管控重點不明確。目前國際上紛紛出臺的“對化妝品中微珠的控制”對于控制環(huán)境微塑料污染的作用十分有限,原因在于化妝品中添加的微塑料只占環(huán)境中微塑料來源的極小一部分。當(dāng)然,該法案對提升公眾認知具有十分積極的意義。③ 海洋環(huán)境中微塑料的就地治理難度巨大,且效果甚微。由于微塑料尺寸極小且分布極廣,在浩瀚的海洋中直接去除海洋微塑料的做法難以實現(xiàn)。
盡管國際社會和一些國家為防止和減少廢棄塑料等海洋垃圾作出了不懈努力,然而由于海洋塑料垃圾跨越了國家和區(qū)域界限,因此這種污染已經(jīng)成為一個全球性的復(fù)雜的環(huán)境問題。我國是世界上最大的塑料生產(chǎn)及使用國家,同時也是海洋塑料垃圾的排放大國[48],因此所面臨的海洋塑料垃圾及微塑料污染問題也更加嚴重。為了有效控制海洋塑料和微塑料污染,提出以下 3 點建議。
(1)必須大力加強海洋微塑料的生態(tài)和健康效應(yīng)及風(fēng)險評估研究。在生態(tài)效應(yīng)方面應(yīng)強調(diào)野外真實海洋環(huán)境的研究,尤其是一些微塑料污染嚴重的區(qū)域,如廢舊塑料回收加工地等;而在健康風(fēng)險方面要著重研究水產(chǎn)品的質(zhì)量安全和多途徑暴露下的長期影響效應(yīng)。
(2)在海洋微塑料污染政策的制定上應(yīng)采取“預(yù)警性原則”。海洋微塑料污染風(fēng)險是一個全球性的復(fù)雜科學(xué)問題。根據(jù)對一類污染物的研究周期和目前通用的生態(tài)風(fēng)險評估標準,微塑料生態(tài)和健康的定性結(jié)論可能還需要 10—15 年時間。如果等到所有科學(xué)證據(jù)完備的前提條件下再進行管控,海洋微塑料污染帶來的生態(tài)和健康風(fēng)險可能已無法控制。因此,從風(fēng)險控制的角度來看,目前的科學(xué)數(shù)據(jù)表明我們在微塑料的管控上必須采取“預(yù)警性原則”的政策,也就是要開始逐步采取必要的行動,以避免和遏制微塑料的海洋污染進一步惡化。
(3)在海洋微塑料的管控上應(yīng)科學(xué)應(yīng)對,提升風(fēng)險管控能力。根據(jù)微塑料的特點,實行微塑料的就地處理和直接管控效果都十分有限,而源頭管控才是海洋微塑料管控的關(guān)鍵。微塑料最主要的來源是由大塑料破碎化而成,而大塑料所造成的生態(tài)風(fēng)險已證據(jù)確鑿。因此,通過制定更為嚴格的塑料制品管理標準和規(guī)范、引導(dǎo)消費習(xí)慣以及開發(fā)塑料的高效、低成本可降解替代產(chǎn)品,從而減少塑料制品使用數(shù)量和塑料垃圾入海通量是管控微塑料的核心所在。微塑料的另一來源是諸如添加到各類產(chǎn)品中的塑料微珠和塑料原生粒子;然而,對原生粒子的管控要根據(jù)我國具體國情制定相應(yīng)的對策。我國塑料加工產(chǎn)業(yè)發(fā)達,尤其是廢舊塑料加工過程中產(chǎn)生的原生微塑料污染可能更為嚴重。
總之,海洋微塑料污染已成為普遍存在和全球共同關(guān)注的海洋環(huán)境問題。當(dāng)前我國迫切需要加強其生態(tài)效應(yīng)和健康風(fēng)險研究,為海洋微塑料管控提供科學(xué)依據(jù);同時,海洋微塑料治理政策的制定需采取“預(yù)警性原則”,根據(jù)我國國情制定科學(xué)而有效的管控措施,減少海洋微塑料污染,保護我們藍色的海洋家園。