水環境中的微塑料及其生態效應

陳彪，汪羚，李達，胡小麗，薛春葉，高坤，鄧祥元

江蘇科技大學生物技術學院，鎮江 212018

塑料是以從煤、石油、天然氣中提取的單體為原料，通過加聚或縮聚反應聚合而成的高分子化合物，具有重量輕、強度高、堅固耐用、價格低廉及絕緣性能好等優點[1]，在農業、工業、建筑應用、包裝以及日常生活等領域獲得了廣泛的應用。塑料制品的大量生產和使用在帶來經濟和社會效益的同時，其所引發的環境污染問題也逐漸受到人們的廣泛關注。早在20世紀70年代就有報道發現了海洋環境中的塑料垃圾，但隨著塑料制品的規模化生產，以及旅游業、養殖業垃圾的產生，塑料垃圾對環境的污染越來越嚴重，未能回收利用的垃圾將會直接進入環境。2014年，一項研究發現，全球海洋上漂浮的塑料顆粒已達5.25萬億個，其重量能達約27萬t[2]。據估計，到2050年，全球塑料生產可能會增加330億t[3]。因此可以預測在不遠的未來塑料對水環境的污染問題將成為全世界共同面對的課題之一。

經過各種途徑進入水環境的塑料垃圾可在外界條件(如機械作用、生物降解、光降解、光氧化降解等)作用下被分解形成塑料微粒(Microplastics, MPs)，一般來說當塑料微粒的粒徑小于5 mm時即可被稱為微塑料，當然其粒徑尺寸可進一步達到微米級別甚至納米級別。微塑料可分為初生微塑料和次生微塑料，初生微塑料是指塑料顆粒工業生產產品，如牙膏、面部清潔劑、化妝品、樹脂球、藥物載體等所產生的微塑球或微塑珠[4-6]；次生微塑料是指塑料垃圾在物理、化學和生物過程的作用所形成的塑料顆粒[7]。微塑料具有較小的尺寸，較大的表面積且具有疏水性等特征，微塑料可以吸附有毒有害的有機污染物；此外，微塑料容易被水生生物誤食，并有可能隨著食物鏈與食物網向更高營養級的生物傳遞[8-9]，或者成為有毒化學物質的載體，影響水生生物的生長繁殖，從而威脅水生生態系統。

水環境是指自然界中水的形成、分布和轉化所處的空間環境，是一個統一的整體，由地表水環境與地下水環境組成，包括河流、湖泊、水庫、海洋、沼澤、冰川、泉水、淺層和深層地下水等[10-11]。目前的微塑料污染調查主要集中在海洋環境[12-13]，相對于海洋環境，其他水環境中的微塑料污染數據比較匱乏[14-15]。本文旨在綜述水環境中微塑料的來源和分布、遷移和轉化、及其對水環境的影響等，以期為微塑料在水環境中的生態效應以及生態風險研究提供參考數據。

1 水環境中微塑料的來源與分布(Source and distribution of microplastics in water environment)

1.1 陸源輸入是微塑料的主要來源

據估計，80%的海洋污染物來源于陸地[16]，且人口集聚地或工業化地區是主要的污染源，污水的大量排放及垃圾場滲濾液是微塑料的主要來源之一。例如工業原材料在運輸過程的意外泄露、工業原料的處理、日常生活用品的使用、塑料袋的隨意丟棄、污水的排放等最終都有可能進入水環境[17-18]。Geyer等[19]估計，截至2015年全球已產生大約63億t塑料廢棄物，其中僅有9%的塑料被回收利用，12%的塑料垃圾被焚燒，剩下79%的廢棄物在填埋場處理或在自然環境中被丟棄。此外，Browne等[20]研究發現，每次清洗衣物可產生1 900多個纖維進入廢水，單位體積的廢水中纖維顆粒數量多達100個；Cheung等[21]認為日常使用的面部清潔劑每年向環境釋放的塑料微粒多達209.7萬億個(約306.9 t)；Lee等[22]研究發現大部分海灘塑料碎片及漂浮物來源陸地某些娛樂場所；Redford等[23]研究發現大量的塑料碎片來源于原材料在處理和其他過程中意外泄露后進入水環境；Zhao等[24]調查發現在長江口及其附近海域地區水面存在不同豐度的微塑料。這些陸源塑料碎片和顆粒能通過河流、排污、降雨等方式進入水環境，最終降解成為微塑料。

1.2 水上作業是微塑料的直接來源

水上作業主要是一些特定的水上活動，包括油氣開發、海上傾廢、漁業、水上貨運和水上娛樂活動等。隨著水產業的迅速發展，越來越多的漁民使用塑料捕魚用具(包括繩索、漁網、釣具等)，在漁民捕魚的同時，會將破損廢舊漁網丟入水中。據最近報告，2015年海洋捕撈漁業總量達到最高8 230萬t，期間至少64萬t被丟棄的漁具流入海洋，占海洋廢棄物總數的10%。一項關于石油開采的研究表明，在伊朗最重要的石油出口樞紐哈爾克島發現了大量微塑料的存在[27]。

隨著旅游業的蓬勃發展，旅游成為人們普遍追求的生活方式之一。旅游業的發展能為當地各行業帶來可觀的經濟收入，帶動經濟的發展；然而旅游業在帶來經濟效益的同時，旅游業的副產品(旅游垃圾)也會隨之產生，尤其是水上娛樂活動所產生的塑料垃圾，會直接進入水環境。例如，一項關于三亞6個旅游景區垃圾調查顯示，年垃圾產生總量已達到3 790t，其中包括海濱、海島等旅游景點[28]，過往的游客隨意丟棄的塑料垃圾進入水環境則進一步加重了水環境微塑料的污染。

在船舶運輸業中，船體自身裝置的破損以及漏油情況的發生，也為水環境帶來大量的微塑料。海洋每天都會受到來自常規航運、石油泄漏、徑流和傾倒石油的污染[29]。水上作業產生的塑料垃圾會直接進入水環境，隨著時間的推移，大型的塑料垃圾會連續不斷地降解成大量微型塑料，且時間充足的情況下，塑料碎片都會最終變成微塑料，在海水、底泥，甚至生物體內廣泛分布，威脅水生生態系統[30]。通過對海洋微塑料來源的研究，方便我們了解微塑料的分布規律，為海洋微塑料的治理提供合理有效參考。

1.3 微塑料在水環境中廣泛分布

研究表明，塑料垃圾已經滲透到全球水環境中，包括江河、湖泊、深海、遠洋、極地地區等均有微塑料分布。表1列舉了部分地區水體漂浮微塑料的粒徑和豐度。雖然微塑料在海洋環境中廣泛存在，但是通過研究發現：微塑料的豐度與人類行為、工業活動等因素有關。近海岸海面漂浮的微塑料的豐度大于海洋中海面飄浮的微塑料的豐度[31]，而且微塑料的豐度隨著時間的推移每年在逐步增加[32]。微塑料的化學組成、密度和形狀決定著其在海洋中的狀態是漂浮、懸浮或下沉。

表2列舉了中國部分地區水環境中漂浮微塑料的粒徑和豐度，其微塑料污染問題較為嚴重。中國是世界上最大的發展中國家和最大的塑料生產國，然而在中國水域中微塑料普遍存在，尤其是中國發達地區的內陸水域，微塑料的豐度最高[44]。三峽庫區存在著嚴重的微塑料污染，水力條件和面源輸入是影響三峽庫區微塑料分布和賦存水平的重要因素[14]。王麗斯[30]認為支流入海口附近海灘的微塑料密度高于主干入海口附近海灘以及離河口較遠的海灘的微塑料密度，且與河口附近城市生活塑料垃圾的不合理排放密切相關。

地下水資源自身有水質穩定、不易污染及可恢復的優勢，但過度的開采利用、無節制的排污行為會嚴重影響地下水資源的水質。一些調查研究表明，地下水資源可能存在微塑料的污染。Kong等[45]對北京、天津、華北地區地下水中1 300種有機微污染物的篩選調查中發現，這些污染物中就包含多環芳烴、增塑劑以及抗氧化劑；Li等[46]對遼東半島農村地下水中有機微污染物的篩選中也發現增塑劑鄰苯二甲酸酯存在；此外，Lu等[47]對我國各省份土壤中的鄰苯二甲酸酯含量調查研究表明，我國土壤、水、空氣中的鄰苯二甲酸酯污染與其他國家地區相比較為嚴重，且城市化和工業化、地膜應用(特別是地膜覆蓋在農田土壤中)和肥料成為土壤鄰苯二甲酸酯的主要來源。這些微塑料在降解為毫米甚至納米顆粒的同時，可能會向環境中釋放有機污染物，在外界條件存在的情況下污染水環境，甚至滲透到地下水資源，使得原本不寬裕的水資源更加吃緊，希望在今后的研究調查中對微塑料的地下水資源污染問題加以重視。

表1 全球部分地區水環境漂浮微塑料的粒徑和豐度Table 1 Particle size and abundance of floating microplastics in water environment in parts of the world

2 微塑料的遷移和轉化(Migration and transformation of microplastics)

塑料在環境中的存在，大多數是由于人類在日常生活、生產中大量使用塑料制品所引起的，其中有很大一部分的塑料由于不能重復利用而被隨意丟棄。塑料制品進入環境后，很多因素可引起其空間位置的變化，如颶風、降水、河流、洋流以及動物(鳥類、海龜、海豚、海豹等)遷徙的作用，這進一步加速了塑料垃圾的遷移，使其傳輸到更遠的地方。研究表明，在北大西洋和太平洋表面以及深海存在著較高濃度的微塑料[54-55]。Murphy等[56]在大西洋東北部的野生魚體內發現了微塑料，Desforges等[57]在東北太平洋新哲水蚤和磷蝦體內發現了微塑料。更重要的是微塑料被生物附著后就會成為生物傳播的載體，當附著有生物的微塑料跨生物地理區遷移，就可能會導致生物入侵[58-59]。此外，海底沉積物可能含有微塑料的存在。Derraik等[1]發現低密度的微塑料普遍存在于海洋表面，如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。值得注意的是，生物附著、微生物膜的積累以及時間推移等原因，可使原本漂浮在海面上的微塑料會下沉或變成懸浮狀態[60-62]。高密度的微塑料，包括聚氯乙烯、聚酯和聚酰胺等，可能存在于海底沉積物中，這部分微塑料進入水環境后會向水底沉降，通過底層流進行運輸，在水體遷移[63]。

塑料顆粒既是海洋環境中的運輸介質又是潛在的有毒化學物質來源[64]，制造塑料的某些原材料本身就具有毒性，如在生產酚醛樹脂時，會殘留一些游離苯酚和甲醛，苯酚具有強烈的刺激作用，它能擾亂消化機能和使肝胃退化，甲醛能使蛋白凝固和腐蝕消化道[65]。微塑料吸附有機污染物后，成為吸附有毒有害化學物質的載體。研究顯示微塑料可以吸附多氯聯苯、有機氯農藥、多環芳烴、壬基酚等污染物[66]，而且微塑料對多環芳烴類化合物吸附能力較強，在葡萄牙海岸水體中檢測到多環芳烴的含量高達24 μg·g-1。微塑料的類型、成分、粒徑大小以及表面結構的復雜性都是影響表面結合污染物的重要因素。微塑料不僅可以吸附有機污染物，Ashton等[67]發現微塑料表面還可以吸附Fe、Al、Pb、Cu、Ag等金屬元素，并可成功追蹤微塑料的來源和年限。Fries等[68]發現微塑料也易吸附TiO2等納米顆粒。塑料具有較高的化學穩定性，海洋環境中的微塑料要花上數百年甚至幾千年才能降解，目前對于自然環境中微塑料在老化或降解過程中對于污染物的結合和釋放機制還沒有解決。

3 微塑料對水環境的影響(Effects of microplastics on water environment)

3.1 微塑料的攝入

微塑料在海洋環境中無處不在，遠洋和底棲生態系統都有分布，由于其體積小，微塑料很有可能被生物攝取。生物攝取是海洋微塑料進入食物鏈與食物網的重要途徑。表3列舉了部分海洋生物攝取微塑料的情況，其中包括浮游動物、無脊椎動物和棘皮動物的幼蟲。此外，通過使用熒光團簇技術證明了異養纖毛蟲可以吞噬吸收納米級的塑料顆粒。這些較低營養水平的生物特別容易攝取微塑料，因為他們幾乎沒有區分塑料粒子和食物的能力，因此不加選擇的捕食[69]。一項針對北太平洋上微塑料的顏色和大小分布的研究指出：浮游生物最有可能將白色或者淺色的塑料碎片作為獵物而誤食[70]。在海面具有大量的低密度的微塑料，因此，微塑料將被大量的浮游生物捕食，包括擁有重大商業價值的物種的幼蟲。環境中發現的塑料纖維直徑小至1 μm，長度小至15 μm[71]，這樣的尺寸很容易被微小浮游生物捕食，而這些纖維對生物體可能構成威脅，因為他們可能凝結成塊或打結，不利于排泄。

表2 中國部分地區水環境中漂浮微塑料的粒徑和豐度Table 2 Particle size and abundance of floating microplastics in water environment in parts of China

此外，在20世紀60年代，在海鳥的內臟中首次發現了塑料碎片，當時全球塑料產量每年低于2 500萬t[7]。1982年，一個荷蘭的小組發現在北海94%的海鳥樣本體內含有塑料，平均每個樣本中含有34個塑料碎片。近年來，在鳥體內的塑料量雖然顯著降低，但是發現率仍然很高[79]。在北太平洋環流捕獲的141條中深海的魚樣本中，發現其中13條魚的胃里有塑料纖維、碎片和薄膜[80]。甲殼類動物主要捕食單絲線和塑料袋的碎片[81]。在這些例子中，不難看出動物們會將塑料微粒當成它們的獵物而主動攝取微塑料。

攝入無污染的微塑料是否會對生物的健康有任何不良影響還沒有定論，如發病率、死亡率或繁殖成功率等[82]。但是，小動物一旦攝入微塑料，可能產生機械性的傷害，類似于大型塑料對較大動物產生影響，塑料碎片可能會阻止攝取食物的附屬器官、阻礙食物通過腸道或形成吃飽的假像而減少食物攝入，造成動物營養不良[83]。但是，Thompson等[84]指出：許多海洋生物有能力排出自身不需要的材料而不引起損害，如泥沙、天然碎石和微粒等。正如多毛綱的蠕蟲，它們從周圍的泥沙中攝取微塑料，然后通過糞便排出。但具體的機制到目前為止還沒有定論。

3.2 微塑料添加劑

在生產過程中為了改善塑料的性質或延長其壽命，通常會添加穩定劑、增塑劑、阻燃劑或抗氧化劑等[85]。常用的增塑劑有壬基苯酚、多溴聯苯醚、鄰苯二甲酸鹽和雙酚-A等[86]。這些塑料添加劑通過許多途徑會釋放到環境中，如工業和市政污水、大氣沉降、徑流和河流運輸等，并帶來較大的環境問題，因為它們有可能延長塑料的降解時間。此外，這些添加劑的不斷釋放，也會對生物群落造成潛在的威脅。這些添加劑從塑料中釋放的程度依賴于聚合物基質的孔隙大小、聚合物的種類、添加劑的屬性和尺寸以及環境條件等。有資料表明增塑劑的含量在ng·L-1～μg·L-1范圍內可能引起負面的生物效應，特別是對軟體動物、甲殼動物、兩棲動物等。表4列舉了一些常見的塑料添加劑，以及可能對生物造成的危害。

海洋生物一旦攝入微塑料，就有可能攝入添加劑。這些添加劑和單體可能會干擾生物正常的生命過程，可能會導致內分泌紊亂，進而影響移動、繁衍、生長甚至致癌等[90]。常用的添加劑，如多溴二苯醚、鄰苯二甲酸酯、雙酚-A等都是典型的內分泌干擾化學物質，因為他們可以模仿、競爭或干擾內源性激素的合成[94]。鄰苯二甲酸酯會對水生無脊椎動物和魚類產生基因毒性損害，抑制無脊椎動物的運動和影響魚的性別[95]；雙酚-A是雌激素受體激動劑和雄激素受體拮抗劑，對甲殼類動物和昆蟲具有毒性，影響其生殖和發展。

表3 部分生物攝取的微塑料Table 3 Microplastics absorbed by some organisms

3.3 微塑料的吸附作用

塑料垃圾，特別是微塑料的表面積與體積比大、易被污染物附著，包括潤滑劑、重金屬[96]、干擾內分泌的化學物質和持久性有機污染物等。持久性有機污染物比較穩定，如多氯聯苯、多環芳烴和有機氯農藥(如滴滴涕DDT、滴滴伊DDE)等，親脂性的化學物質將附著和聚集在疏水性的塑料表面。

含有持久性有機污染物的微塑料可能穿越海洋污染原始生態系，或者被海洋生物吸收。Hammer等[97]發現微塑料能吸收大量的多氯聯苯，并將污染物帶入清潔的環境中。Liu等[98]研究發現多環芳香烴能在微塑料上積累，增強它們在環境中的潛在毒性。Mato等[64]的聚丙烯吸附實驗表明，多氯聯苯和壬基苯酚濃度顯著且穩定地增加，表明聚丙烯可吸附環境中的污染物，并且認為微塑料的表面吸附是重金屬富集的機制，而環境中的污染物的來源可能是塑料添加劑或者是其降解產物，所以微塑料既充當運輸介質又充當潛在環境中的有毒化學物質的來源。

微塑料吸附有機污染物后可能增加其潛在的毒性，對生物體產生復合毒性作用[99]。Rochman等[100]認為微塑料及有機污染物的復合體會對日本青鳉(Oryziaslatipes)的內分泌系統功能產生影響，且生殖細胞增殖異常；一項研究發現，魚類攝食富集了自然海水中有機污染物的微塑料后，會導致變魚類的基因表達發生改變[101]；芘為有機合成原料，可做殺蟲劑、增塑劑等。微塑料與芘的混合物會降低鰕虎魚(Pomatoschistusmicrops)乙酰膽堿酯酶和異檸檬酸脫氫酶的活性，導致天然魚類大量死亡[102]。未來的研究應加強針對那些可能具有持久性、生物累積潛力和毒性的塑料添加劑。

將有毒的化學物質通過食物鏈從環境轉移到生物群，產生生物富集作用，最終危及人類生命安全。許多持久性有機污染物被認為是有毒的，可能對較高營養等級的生物產生生物放大作用，毒性增強，會導致內分泌紊亂，甚至誘變或致癌。

4 結論與展望(Conclusion and outlook)

隨著塑料生產工業的迅猛發展，其性能也在不斷改善，但全世界的塑料產量、用量甚至應用領域也不斷擴大。塑料的特殊理化性質，不僅能向水環境釋放有毒的添加劑，吸附疏水性有機物，增加水體毒性，還會被海洋生物誤食進入體內，從而通過食物鏈進行傳遞，極有可能危害人類的生命健康，因此微塑料的治理刻不容緩。鑒于目前，人類對于微塑料的危害認知還比較薄弱，對海洋微塑料污染的關注度還不夠，為共同建設綠色地球，踐行可持續發展戰略，應對微塑料污染所帶來的環境問題，建議未來研究的重點應從以下4個方面展開：

4.1 微塑料污染數據庫的建立

不同的微塑料在不同生態環境中的存留時間不同，對環境的污染程度也不同。與其他環境相比，微塑料給水環境帶來的威脅更為嚴峻。微塑料的尺寸、成分、附著物、濃度等均會對水生生物產生毒理效應，包括影響生殖發育、內分泌失調、基因改變、細胞效應等。但目前對水環境中微塑料的分布情況、成分的組成、水體沉積物、食物網傳遞規律等數據相當匱乏。因此下一步的研究工作急需建立健全微塑料污染情況的數據庫，包括微塑料的種類、粒徑、物理化學性質，在環境中的分布、豐度，以及可能存在的危害性等數據，以便作為開展生態風險、生態系統管理與決策提供科學支撐。

4.2 微塑料的復合毒理

微塑料具有粒徑小，疏水性高等理化性質，可能會成為其他污染物的載體。微塑料吸附污染物后，可能會對水生生物產生復合毒理效應，從而對于污染物的遷移、轉化和生態毒理效應產生影響，甚至微塑料遷移過程中帶來的生物入侵問題和海洋微塑料污染的國際責任問題都將會是未來重點關注以及研究的領域。

4.3 塑料回收及新型功能性塑料的研發

塑料再生利用是國家解決資源短缺的一個重大戰略性問題，塑料回收一方面減輕了塑料對環境帶來的壓力，另一方面可減少資源的浪費。加強塑料的鑒別與分類，對可再生、再加工、可重復使用、可回收的塑料加以利用，減少不可回收、難降解、一次性塑料的生產。為解決塑料所帶來的環境污染問題，在今后的研發過程中應朝著輕量化、功能化、生態化、智能化的方向對塑料進行研制和改進。

4.4 宣傳與治理

有關部門應該加大宣傳，提高全民環保意識，加強公眾對塑料污染危害性的認識，限制塑料的使用范圍，在工廠大規模生產過程中預防塑料的直接流失進入水環境。制定完善的塑料管理與技術體系，對生產的塑料質量安全問題嚴懲不貸，對水環境中的微塑料污染分布變化加以觀測匯總，并制定有效的治理體系。