(天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，天津 300350)

一、塑料垃圾及微塑料

塑料是一類有機(jī)合成聚合物，具有較高的平均分子量。在將樹(shù)脂加工成塑料產(chǎn)品的過(guò)程中，會(huì)添加各種不同類型的添加劑，如填充劑、塑化劑、阻燃劑、熱穩(wěn)定劑、抗菌劑和著色劑等，以便增強(qiáng)塑料制品的外觀和性能。全球塑料產(chǎn)量自1950年開(kāi)始以指數(shù)倍數(shù)增長(zhǎng)，在2014年超過(guò)了3億噸。研究人員估測(cè)2015年共產(chǎn)生了6300噸塑料廢物，其中約有9%被循環(huán)利用，12%被焚燒，剩余的79%則進(jìn)入到了垃圾填埋場(chǎng)或是自然環(huán)境中；如果目前的塑料生產(chǎn)和廢棄物管理趨勢(shì)仍將保持現(xiàn)狀，則預(yù)計(jì)到2050年將有近12000噸的塑料廢物會(huì)進(jìn)入到垃圾填埋場(chǎng)或是自然環(huán)境中(Geyer R, Jambeck JR, Law KL. Production, use, and fate of all plastics ever made[J]. Science Advances, 2017,(7):e1700782)。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，科學(xué)家陸續(xù)報(bào)道塑料垃圾對(duì)海洋造成的污染，近些年來(lái)，多個(gè)領(lǐng)域的研究人員對(duì)海洋中的塑料污染，尤其是微塑料造成的污染開(kāi)展了多項(xiàng)研究。并且，隨著媒體的報(bào)道公眾也開(kāi)始關(guān)注到了該問(wèn)題。海洋垃圾中的80%-85%為塑料垃圾。本文匯總了在海洋環(huán)境中常見(jiàn)的塑料類型(見(jiàn)表1)，其中聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、熱塑性聚酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)多被用做包裝材料，并通過(guò)人類活動(dòng)進(jìn)入到海洋當(dāng)中。在水產(chǎn)養(yǎng)殖及捕撈中使用的浮筒、餌料盒及漁具等也不可避免的產(chǎn)生了塑料垃圾，約占海洋塑料垃圾總量的18%。除此之外，大部分的海洋垃圾都來(lái)源于陸地垃圾，通過(guò)地表徑流進(jìn)入到海水中，或是在運(yùn)輸過(guò)程中意外泄漏到海洋中。

表1 海洋環(huán)境中常見(jiàn)的塑料類型

資料來(lái)源：Andrady AL. Microplastics in the marine environment[J]. Marine Pollution Bulletin, 2011, 62(8):1596-1605.

與其他類型的海洋垃圾相比，塑料垃圾的特點(diǎn)之一，是具有持久性(即不易被生物降解)，能夠輕易隨著風(fēng)和洋流的運(yùn)動(dòng)而被傳播到其他地方。

海洋中塑料垃圾的尺寸從幾微米到幾米不等，研究人員將其中尺寸很小的塑料碎片稱為微塑料(microplastics)。但是時(shí)至今日微塑料還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，在文獻(xiàn)中通常將其定義為小于5 mm的顆粒，也有文獻(xiàn)將其定義為小于1 mm的顆粒。在最近發(fā)表的一篇文章中，研究人員在總結(jié)了前人的研究成果基礎(chǔ)上，綜合考慮大小、形狀、來(lái)源和可溶性等各方面性質(zhì)，最后提出如下定義：微塑料是任何合成的固體顆?；蚴蔷酆衔锘w，它們的形狀可能規(guī)則或不規(guī)則，大小在1 μm到5 mm之間，其來(lái)源可能是通過(guò)工業(yè)過(guò)程合成(primary microplastics，初級(jí)微塑料)，也可能是在環(huán)境中經(jīng)降解和破碎過(guò)程形成(secondary microplastics，次級(jí)微塑料)，不具有水溶性。

研究人員認(rèn)為更小尺寸的納米級(jí)別的塑料碎片也存在，但是受到技術(shù)條件的限制，目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)可靠的檢測(cè)方法(Koelmans AA. Modeling the Role of Microplastics in Bioaccumulation of Organic Chemicals to Marine Aquatic Organisms. A Critical Review[M]// Bergmann M, Gutow L, Klages M. Marine Anthropogenic Litter. Cham: Springer International Publishing,2015:309-324)。

初級(jí)微塑料(primary microplastics)是通過(guò)工業(yè)生產(chǎn)加工成的塑料微粒，主要用于特定的工業(yè)用途或是日用品中，如在面部清潔用品、牙膏和化妝品中(如沐浴液、眼影、粉底等中)添加的塑料微珠。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⑽⑺芰项w粒作為藥物載體使用的案例也越來(lái)越多。

次級(jí)微塑料(secondary microplastics)是指海洋中尺寸較大的塑料垃圾在外力作用下分解形成的塑料微粒。在海灘上通過(guò)碎片化過(guò)程由塑料垃圾轉(zhuǎn)化成微塑料的效率最高，因?yàn)檫@里有高強(qiáng)度的紫外線、海浪的物理摩擦作用和氧氣以及海水的紊流作用。隨著時(shí)間的推移，較大尺寸的塑料垃圾在上述幾種因素的作用下會(huì)逐漸變得脆弱，形成裂縫并變黃，最終形成尺寸更小的塑料碎片，即微塑料。

二、塑料垃圾對(duì)海洋生物的影響

由于海洋中的塑料垃圾在自然條件下極難被微生物降解，這意味著其在海洋環(huán)境中會(huì)存在很長(zhǎng)時(shí)間。根據(jù)其尺寸不同，塑料垃圾與海洋生物的接觸形式可以比較寬泛的分為三種類型，即纏結(jié)(entanglement)、攝食(ingestion)和相互作用(interaction)。

(一) 纏結(jié)(entanglement)類型

纏結(jié)是指較大尺寸的塑料垃圾環(huán)繞包圍、限制、或使海洋動(dòng)物陷入其中，還包括所謂的幽靈捕撈(ghost fishing，即廢棄的漁具仍在繼續(xù)抓捕海洋生物)。纏結(jié)對(duì)海洋生物造成的危害主要如下：造成生物體傷害(如皮層組織損傷)；干擾海洋生物生長(zhǎng)，從而有可能會(huì)引發(fā)畸形；限制海洋生物運(yùn)動(dòng)從而影響其游泳、覓食以及躲避捕食者；嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)死亡。

(二)攝食(ingestion)類型

攝食是指從浮游無(wú)脊椎動(dòng)物到大型的海洋哺乳動(dòng)物等海洋生物通過(guò)有意、無(wú)意或是間接的方式將塑料垃圾吞入到體內(nèi)。從濾食性的牡蠣、貽貝，到魚(yú)類，海龜，再至抹香鯨體內(nèi)，都發(fā)現(xiàn)有塑料垃圾的影子。

攝食尺寸較大的塑料垃圾通常會(huì)造成海洋生物的腸道穿孔、潰瘍性病變、胃破裂，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致海洋生物死亡。微米級(jí)別的塑料能夠輕易的被海洋生物吞食和排出體外，而納米級(jí)別的塑料微粒則能夠穿過(guò)細(xì)胞膜。研究結(jié)果表明攝入生物體內(nèi)的塑料對(duì)于生物體在細(xì)胞層面存在的影響，如氧化壓力、代謝參數(shù)的變化、生物酶活性的降低、細(xì)胞壞死，等。

在塑料制品生產(chǎn)過(guò)程中添加的化學(xué)物質(zhì)(大部分都是持久性的、具有生物累積性并且具有毒性)或是從污染環(huán)境基質(zhì)中吸附到塑料垃圾上的化學(xué)物質(zhì)，如多環(huán)芳烴類物質(zhì)(PAHs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)等，可能會(huì)通過(guò)海洋生物的攝食而轉(zhuǎn)移到食物鏈中。例如，當(dāng)把沙蠶(Arenicolamarina)暴露于吸附有壬基酚(nonylphenol)和菲(phenanthrene)的聚氯乙烯(PVC)微塑料環(huán)境中，培養(yǎng)10天后，在其組織內(nèi)檢測(cè)到了上述化學(xué)物質(zhì)(Browne Mark A, Niven Stewart J, Galloway Tamara S, et al. Microplastic Moves Pollutants and Additives to Worms, Reducing Functions Linked to Health and Biodiversity[J].Current Biology,2013,23(23):2388-2392)。

海洋中的微塑料對(duì)于魚(yú)類生存是嚴(yán)重的威脅，由于攝食微塑料導(dǎo)致魚(yú)類在成熟之前就死亡的現(xiàn)象非常普遍。

低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物攝食微塑料之后會(huì)通過(guò)食物鏈在高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物體內(nèi)富集。在一項(xiàng)關(guān)于微塑料和潛在的有害物質(zhì)在海洋環(huán)境中不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)之間傳遞的研究結(jié)果表明，當(dāng)鹵蟲(chóng)無(wú)節(jié)幼體(Artemia sp. nauplii)被暴露在含有高濃度微塑料的環(huán)境中時(shí)(1.2 × 106mg-2)，它們能夠攝入微塑料并在體內(nèi)積累，隨后，微塑料就轉(zhuǎn)移到了以這些鹵蟲(chóng)無(wú)節(jié)幼體為食的斑馬魚(yú)體內(nèi)。盡管一部分?jǐn)z入這些生物體內(nèi)的微塑料被排出體內(nèi)，但是也有一部分留在了斑馬魚(yú)的上皮細(xì)胞和小腸的絨毛組織中。

此外，微塑料顆粒作為載體，將相關(guān)的持久性有機(jī)污染物苯并芘從鹵蟲(chóng)無(wú)節(jié)幼體轉(zhuǎn)移到了斑馬魚(yú)體內(nèi)，隨后就保留在了腸道中。該項(xiàng)研究清楚的表明，微塑料及相關(guān)的有害物質(zhì)，能夠沿著食物鏈在不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)中傳遞。

另外一項(xiàng)利用模式生物青鳉魚(yú)(Oryzias latipes)開(kāi)展的研究表明，當(dāng)青鳉魚(yú)攝入吸附了有毒物質(zhì)的微塑料后，在其體內(nèi)積累了有害的化學(xué)物質(zhì)，引發(fā)了病理學(xué)及氧化壓力、及肝臟的炎癥。據(jù)報(bào)道，波羅的海被高濃度的微塑料所污染(7000-10000微塑料顆粒/m3)，當(dāng)將歐洲鱸魚(yú)(Perca fluviatilis)暴露在90μm的聚苯乙烯微塑料顆粒環(huán)境中，其能夠攝入并且在體內(nèi)積累，進(jìn)而引發(fā)一系列的反應(yīng)：生長(zhǎng)減緩，阻礙魚(yú)卵的孵化，改變了衛(wèi)視和行為，甚至影響到了嗅覺(jué)從而增加了被捕食的可能性。

(三)相互作用(interaction)類型

相互作用包括與塑料垃圾非纏結(jié)的接觸(如碰撞)以及其作為障礙物、庇護(hù)處(shelter)或是生長(zhǎng)的基質(zhì)而與海洋生物發(fā)生關(guān)系。

海洋中懸浮的人類垃圾可以作為生物的生長(zhǎng)基質(zhì)，小至微生物，大至移動(dòng)的無(wú)脊椎動(dòng)物，并且還能夠吸引游泳動(dòng)物聚集在垃圾下側(cè)。懸浮塑料垃圾上的微生物群落各不相同，并且與周圍海水中的微生物群落也不相同，這表明海洋中塑料垃圾的存在影響了生態(tài)集合體。

此外，由于海洋中的塑料垃圾能夠長(zhǎng)距離傳播，在此過(guò)程中，附著在其上的微生物(包括致病菌)和其他很小的生物也隨之傳播到不同的海域。

到目前為止，研究人員尚不清楚隨著微塑料傳播的微生物對(duì)于物種類聚(species assemblages)是否會(huì)有影響。

三、微塑料的微生物降解研究

塑料的微生物降解是指微生物將塑料作為新陳代謝的底物，在該過(guò)程中將塑料中的碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳或是插入到生物體內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)塑料的降解。在該過(guò)程中，當(dāng)塑料中所有的有機(jī)碳都被轉(zhuǎn)化，將其稱為完整的礦化過(guò)程(complete mineralisation)。

目前已發(fā)現(xiàn)一些不同種屬的細(xì)菌能夠降解塑料聚合物。Hadad等人(Hadad D,Geresh S,Sivan A. Biodegradation of polyethylene by the thermophilic bacterium Brevibacillus borstelensis[J].J Appl Microbiol,2005, 98(5):1093-1100)將波茨坦短芽胞桿菌(Brevibacillus borstelensis)與聚乙烯在50℃下共同孵育30天，聚乙烯的重量和分子量分別降低了11%和30%；該研究表明只要選擇的微生物菌株適宜，惰性的聚乙烯也能夠被微生物降解，當(dāng)利用紫外線對(duì)聚乙烯進(jìn)行前處理后再進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)時(shí)，生物降解效率最高。這表明通過(guò)光氧化作用形成的羰基在生物降解過(guò)程中也發(fā)揮了作用。Singh等人從土壤中分離出來(lái)的葡萄球菌屬(Staphylococcus sp.)、假單胞菌屬(Pseudomonas sp.)、芽孢桿菌屬(Bacillus sp.)的細(xì)菌能夠降解聚乙烯。Asmita等人從土壤樣品中分離出具有降解聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯(PET)和聚苯乙烯(PS)潛力的微生物，包括黑曲霉(Aspergillus niger)、銅綠假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)、化膿性鏈球菌(Streptococcus pyogenes)。Mor等人(Mor R, Sivan A. Biofilm formation and partial biodegradation of polystyrene by the actinomycete Rhodococcus ruber[J].Biodegradation, 2008, 19(6):851-858)的研究發(fā)現(xiàn)放線菌屬的赤紅球菌(Rhodococcus ruber)能夠在聚苯乙烯顆粒表面形成生物膜，培養(yǎng)8周之后，發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯有少量減少，推測(cè)可能是發(fā)生了聚苯乙烯的生物降解。

Syranidou等人進(jìn)行的微生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)馴化的海洋菌群能夠降解風(fēng)化的聚苯乙烯碎片。當(dāng)以風(fēng)化的聚苯乙烯作為唯一的碳源時(shí)，接種強(qiáng)化的能夠以聚苯乙烯作為唯一碳源生長(zhǎng)的菌群，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的培養(yǎng)之后，聚苯乙烯的質(zhì)量減少了4.7%。通過(guò)對(duì)菌群的基因組分析，這些菌株中含有豐富的烴類和外源物質(zhì)降解基因。而在這些適應(yīng)的能夠降解微塑料的菌群中，α-變形菌綱和γ-變形菌綱的成員高度富集。Pa?od等人的研究結(jié)果表明，在低營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基條件下海洋真菌Zalerion maritimum能夠降解聚乙烯(PE)，使得聚乙烯的質(zhì)量和粒徑都有所減小。Harrison等人發(fā)現(xiàn)，沿海海洋沉積物中的微生物能夠快速附著到低密度聚乙烯微塑料顆粒上(low-density polyethylene (LDPE) microplastics)，在這些微生物中發(fā)現(xiàn)有弓形桿菌屬(Arcobacter spp.)和嗜冷桿菌屬(Colwellia spp.)細(xì)菌，這兩個(gè)屬的細(xì)菌之前都被驗(yàn)證能夠降解低溫海水環(huán)境中的烴類污染物。這些研究結(jié)果表明，在海洋中存在有能夠降解塑料的微生物，通過(guò)進(jìn)一步的馴化能夠提高降解速率，研究其降解機(jī)理，從而有望將其應(yīng)用于海洋塑料污染的生物修復(fù)。

四、措施

海洋及其他水體的塑料污染，尤其是微塑料污染的形勢(shì)日益嚴(yán)峻，其對(duì)于人類及其他生物危害正在逐步顯露出來(lái)。為了能夠控制污染形勢(shì)，并且進(jìn)一步緩解塑料和微塑料污染，我們可以從兩大方面進(jìn)行努力，即控制進(jìn)入到水體中的塑料垃圾量和加強(qiáng)對(duì)水體中現(xiàn)有的塑料垃圾的處理和修復(fù)。

(一)加強(qiáng)宣傳教育，提高公眾環(huán)保意識(shí)

通過(guò)媒體向公眾宣傳環(huán)境中的塑料垃圾及微塑料對(duì)于環(huán)境的影響，提高公眾環(huán)保意識(shí)及責(zé)任意識(shí)。環(huán)境中的塑料垃圾除了會(huì)形成白色污染，更嚴(yán)重的是其自然降解速度極其緩慢，并且能夠在風(fēng)或是洋流的作用下進(jìn)行長(zhǎng)距離遷移，北極地區(qū)的海冰中(Peeken I, Primpke S, Beyer B, et al. Arctic sea ice is an important temporal sink and means of transport for microplastic[J].Nat Commun, 2018, 9(1):1505)及深海沉積物中均檢測(cè)到了高濃度的微塑料。微塑料作為尺寸更小的塑料，更是無(wú)處不在，除了在各種自然水體及水體中的生物體內(nèi)有其蹤影(Yang D,Shi H, Li L, et al. Microplastic Pollution in Table Salts from China[J].Environmental Science & Technology,2015,49(22):13622-13627)，在海鹽、巖鹽、井鹽、湖鹽中也發(fā)現(xiàn)了微塑料的影子。另外有研究結(jié)果顯示，在人體糞便中檢測(cè)到多達(dá)9種微塑料，直徑在50-500微米之間，這表明微塑料能夠進(jìn)入人體，而且最終會(huì)到達(dá)人體腸胃。微塑料對(duì)人體的危害還無(wú)法精準(zhǔn)評(píng)估，但是其潛在風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。

(二)減少直至禁止含有塑料微珠的日化品的使用

目前已經(jīng)有一些歐盟國(guó)家針對(duì)化妝品中使用的塑料微珠制定了相關(guān)政策，如意大利、瑞典、法國(guó)等國(guó)將全面禁止在化妝品中使用塑料微珠；奧地利在不含塑料微珠的化妝品上打上生態(tài)標(biāo)簽。這也應(yīng)該是我國(guó)在相關(guān)立法方面應(yīng)該考慮的一點(diǎn)，從法律角度禁止在日化用品中使用塑料微珠。作為消費(fèi)者，我們應(yīng)該自覺(jué)開(kāi)始減少并逐步放棄使用含有塑料微珠的日化產(chǎn)品，盡量減少直接排放到環(huán)境中的微塑料。

(三)建立健全垃圾分類制度，減少進(jìn)入到垃圾填埋場(chǎng)中的塑料垃圾量

垃圾分類工作已經(jīng)逐漸開(kāi)始在上海、廣州等城市展開(kāi)，相關(guān)制度及具體實(shí)施工作有待建立健全和完善。開(kāi)展垃圾分類工作，使得塑料垃圾不再和生活垃圾一同進(jìn)行填埋，這樣能夠減少進(jìn)入到土壤中的塑料和微塑料量，同時(shí)也能夠更高效的開(kāi)展塑料回收工作。

(四)清理海灘上的塑料垃圾，減少進(jìn)入到海洋中的微塑料含量

Andrady等人的研究結(jié)果表明，沙灘上的塑料廢物在紫外線的照射下會(huì)形成大量的微裂紋和深坑，在外力作用下，會(huì)形成大量的微塑料。而當(dāng)塑料廢物漂浮在海面上或是沉入到海洋中，由于紫外線的缺乏、溫度的降低及氧氣含量的降低，使得前述過(guò)程很難發(fā)生。因此，在海灘上的塑料廢物發(fā)生脆化之前，及時(shí)將其清除，這樣能夠在很大程度上減少進(jìn)入到海洋中的微塑料含量。所以，清除海灘上的塑料垃圾除了具有美學(xué)上的作用，其生態(tài)學(xué)意義更是不容小覷。

(五)加強(qiáng)塑料制品的循環(huán)使用及替代品的開(kāi)發(fā)、使用，加強(qiáng)可生物降解的塑料研發(fā)

塑料及含有塑料成分的制品在我們生活中無(wú)處不在，如餐具、杯子、紡織品、汽車零部件等等，涵蓋了我們生活中的方方面面。因此杜絕使用塑料制品是不現(xiàn)實(shí)的，既然這樣我們需要考慮的是如何加強(qiáng)塑料制品的循環(huán)使用。如關(guān)于塑料購(gòu)物袋的使用，為了遏制“白色污染”，我國(guó)自2008年6月1日起實(shí)行“限塑令”，即“在所有超市、商場(chǎng)、集貿(mào)市場(chǎng)等商品零售場(chǎng)所實(shí)行塑料購(gòu)物袋有償使用制度，一律不得免費(fèi)提供塑料購(gòu)物袋”。但是“限塑令”的實(shí)行并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目的，截至目前，只是在一些大型商場(chǎng)、超市中塑料購(gòu)物袋是有償使用，而在小型商店、集貿(mào)市場(chǎng)等場(chǎng)所，塑料購(gòu)物袋的使用并未受到限制。

通過(guò)前述可知，塑料制品滲透到了我們生活中的方方面面，既然我們無(wú)法杜絕使用塑料制品，在這種情況下最明智的辦法就是開(kāi)發(fā)可降解塑料，或是開(kāi)發(fā)其替代品，盡量減少塑料制品的使用。

(六)加強(qiáng)對(duì)于塑料的微生物降解研究，并將其應(yīng)用到受污染水體的生物修復(fù)中

雖然微生物降解塑料的研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，但是還沒(méi)有利用生物修復(fù)手段去處理受塑料污染的水體報(bào)道，考慮到微塑料對(duì)于海洋生物及人類的潛在巨大危害，如何對(duì)海洋水體進(jìn)行生物修復(fù)是我們面臨的一項(xiàng)重要課題。

塑料制品已經(jīng)滲透到我們生活中的方方面面，在享受塑料為我們生活帶來(lái)便利的同時(shí)也我們也需要承擔(dān)濫用塑料制品所帶來(lái)的惡果。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)，開(kāi)發(fā)塑料的替代品及可降解塑料、加強(qiáng)塑料制品的循環(huán)利用、加強(qiáng)塑料垃圾的微生物降解研究并將其用于塑料垃圾的降解及被污染水體的生物修復(fù)是處理該問(wèn)題的主要思路。