华东师大李道季：东印度洋微塑料污染需要更多关注

导读 | Introduction

微塑料（MPs）通常指直径小于5 mm的塑料颗粒，遍布于全球的各个角落。作为一种新型的环境污染物，因其对生态系统和人类健康的潜在威胁，微塑料污染受到社会、公众、科学家和决策者的广泛关注。东印度洋北部的孟加拉湾常年受到恒河-布拉马普特拉河和印度半岛河流的陆源性物质输入影响，并通过马六甲海峡与南中国海相通，其表层环流还主要受到南亚季风系统的控制。然而，相较于其他大洋，人们对东印度洋的微塑料污染的状况知之甚少。该文研究了季风转换期间东印度洋表层水的微塑料，旨在填补该区域微塑料污染基准数据的空白，深化对全球大洋微塑料源汇和输运问题的认识。

Microplastics (MPs) are defined as plastic debris less than 5 mm in diameter and distributed globally.  As an emerging pollutant in the marine environment, MP pollution has attained growing attention from the society, public, scientists and decision makers due to potential threats to ecosystem and human health. The Bay of Bengal (BoB) in the northern Eastern Indian Ocean (EIO) receives a large number of fluvial inputs from the Granges–Brahmaputra and the peninsular Indian rivers, connecting to the South China Sea (SCS) through the Strait of Malacca. Additionally, the surface circulation is strongly influenced by the South Asian Monsoon (SAM). However, little is known about MP pollution in the EIO compared to other oceans. This study aims to fill the gaps in the baseline data of MP pollution in the EIO during monsoon transition period, and further improve the global understanding of the source, transport and sink of marine MPs.

一、表层水中微塑料的空间分布和组成

Spatial distribution and characteristics of MPs in surface water

在东印度洋36个采样站位中均检出微塑料。微塑料的分布表现出较大的空间异质性。微塑料在孟加拉湾最北部站位的最高丰度为4.53 n/m2，最低丰度（0.01 n/m2）出现在同一经度的开阔大洋。总体而言，东印度洋表层水中微塑料的平均丰度为0.34 ± 0.80 n/m2（图1）。

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MPs were detected at all of the 36 sampling sites in the EIO. MP abundance fluctuated significantly among the stations. The highest concentration of MPs was 4.53 (items m-2) at the northern- most station in the BoB, whereas the lowest concentration was found in the same longitudinal transect, with 0.01 items m-2. Overall, the average concentration of MPs in the EIO was 0.34 ± 0.80 (items m-2) (Fig. 1).

图1 微塑料在东印度洋表层水体的空间分布

Fig. 1 Spatial distribution of microplastics (MPs) in surface water of the Eastern Indian Ocean (EIO)

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微塑料的形状以碎片类比例最高（68.36%），其次是线（16.08%）、纤维（8.26%）（图2a）。大多数的微塑料是透明的（48.78%），其次是彩色（28.46%）、白色（18.43%）和黑色（4.33%）（图2b）。透明和彩色的塑料常用于包装、服装，而线状塑料广泛用于渔业捕捞和水产养殖业。这反映出陆源和海源性输入是海洋微塑料污染的重要来源。

About the shape, fragment constituted the majority (by number) of all particles (68.36%), followed by linear (16.08%), fiber (8.26%) (Fig. 2a). Moreover, the majority of MPs in all of the samples was transparent (48.78%), followed by colored (28.46%), white (18.43%), and black (4.33%) (Fig. 2b). Transparent and colored plastics are widely used for packaging and clothing, while linear plastics for fishing and aquaculture. The result suggested that land- and ocean-based inputs are two important sources of marine MP pollution.

图2 东印度洋表层水微塑料的形状（a）和颜色（b）的空间分布

Fig. 2 Spatial distribution of shape (a) and color (b) of microplastics (MPs) in the Eastern Indian Ocean (EIO)

二、全球海洋微塑料污染对比

Comparison of MP pollution in global oceans

为方便与本研究进行对比，选取16个与本研究类似采样方法的前期研究，同时考虑到离岸距离和环境特征的不同，将对比区域分成了边缘海和开阔大洋两类。结果表明，无论在边缘海还是开阔大洋，东印度洋表层水微塑料污染水平在全球海洋中均处于前列（图3）。

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To compare our data with the level of MP pollution in the surface water of the global oceans, we chose 16 previous studies that had collected data using surface trawling (i.e., manta trawl and neuston trawl) with mesh size that was similar (i.e., 330, 333, and 350 μm) to that used in our study. Taking into account the effect of offshore distance, the comparative studies were initially divided into two groups: epeiric sea and open ocean. The result revealed that MP pollution in the EIO, whether in the epeiric sea or the open ocean, is among the highest of the world's oceans (Fig. 3).

图3 全球海洋表层水的微塑料丰度

Fig. 3 Abundance of microplastics (MPs) in the surface water of oceans around the world

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三、东印度洋微塑料污染的来源和归趋

Potential origins and fates of MP pollution in the EIO

陆源性和海源性输入是海洋塑料污染的主要来源。孟加拉湾周边人口密集的沿海区域是东印度洋微塑料污染主要的来源，尤其是河流输入。表层水微塑料的运动主要受风和海流的驱动。东印度洋的表层流场在孟加拉湾存在多个中尺度涡旋，这可能是导致孟加拉湾微塑料聚集和丰度较高的原因。巨大的陆源输入和涡旋的集聚作用很大程度上会导致海洋微塑料污染热点地区的形成（图4）。

It is a fact that land- and ocean-based sources are the two major sources of plastic litter entering the marine environments. Densely populated and urbanized coastal areas around the BoB were the major sources of MPs in the EIO, especially the riverine input. The movement of MPs in the oceanic surface water is mainly driven by wind and currents. The map of surface currents in the EIO indicates that several mesoscale recirculation gyres form in the BoB, resulting in the accumulation of large amounts of MPs. Coupled with the vast input of land-based plastics, the EIO is most likely to become a hotspot of MP pollution.

图4 2019年4月至6月研究区域的海面动力地形和流场图

Fig. 4 Map of ocean dynamic topography (color) and ocean surface current (arrow) in the study area from April 1 to June 1, 2019

总结 | Conclusions

该研究采用标准化采样方法对东印度洋表层水中微塑料分布和组成进行实地调查。研究结果提供了东印度洋微塑料污染的整体视图，并填补了该区域可对比微塑料数据的空白。值得注意的是，基于极其相似的采样方法，东印度洋中的微塑料污染高于全球平均水平。由于特殊地理位置和季风气候的影响，东印度洋微塑料污染与南中国海甚至西太平洋可能会产生跨洋尺度上的联系。另外，由于陆源输入和多尺度涡旋，孟加拉湾很可能成为海洋垃圾的热点地区。因此，该研究将是评估东印度洋微塑料污染的良好开端，有助于深入理解和阐明东印度洋在全球海洋微塑料来源、输运和归趋中的作用和地位。

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A field survey on the abundance, distribution, and composition of MPs in the EIO was conducted using standardized sampling methods. The results provide a holistic view of MP pollution and fill the gap of comparable MP information in this area. It is worth noting that MP pollution in the EIO is higher than the global average based on extremely similar sampling methods. Due to its geographical location and monsoon climate, the EIO has significant effects on the MPs in adjacent regions, especially the SCS, affecting even the Pacific Ocean through the Strait of Malacca and Sunda. Additionally, due to the multiple-scale recirculation gyre and vast input of land-based plastic litter, the BoB is most likely to be a hotspot of marine litter. Therefore, the present study will be a good start to assess MP pollution in the EIO, wherewith deeply understand and clarify its role and status in the sources, transmission, and fates of MPs in the oceans around the world.

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中国科学家很给力。

中科院南海海洋研究所派出的科考队成员准备将地震仪投放到海沟深处。 受访者供图  马里亚纳海沟的“挑战者深渊”深达10900多米，是全世界海洋最深之处，它被称为“地球第四极”。若是把8 8 48米的珠穆朗玛峰放进去，还露不出头。近日，中科院南海海洋研究所“马里亚纳海沟科考计划”首航凯旋，在国际上首次实施了穿越“挑战者深渊”的高精度综合地震等实验。首航为攻关“地球第四极”的成因、深海沟大地震与海啸的过程以及深海极端环境等重大科学问题获取了重要数据。  为什么要探索“地球第四极”？如何在全球最深处进行地震实验？如何从万米深海底取回样品？南都专访了“马沟计划”首席科学家林间。  在海洋最深处做精密“C T扫描”  “马沟计划”是中科院南海海洋研究所主导的特批项目，在全球最深的马里亚纳海沟实施以海洋地质与地球物理为主的多学科综合实验。  “马沟计划”的首席科学家、中科院南海海洋研究所特聘研究员林间介绍，科考队于2016年11月19日从广州出海，驶向“地球第四极”，历时38天，12月26日归来，海上总航程超过1万多公里。“从珠江口到南海，穿过巴士海峡，直奔马里亚纳海沟。”  首航中，南海海洋研究所的孙金龙博士任船上首席科学家，来自科研院所、高校共13个单位近40名科研人员参加了首航科考。  科考队4次横跨全球最深的“挑战者深渊”，在国际上首次成功实施了穿越“地球第四级”的高精度综合地震实验，在海底布放了长期地震监测阵列，成功采集了海底火山岩石、微生物与沉积物等珍贵样品，获得了大量的海洋温度、盐度、流速及湍流微结构等第一手资料。  “首航打中了靶心”。林间说，“这是国际上第一次给‘地球第四极’做精密‘CT扫描’，这次中国科学家领先了一步，对研究地球深海沟的成因、地震与海啸以及极端环境等具有重要的科学意义。”  为何要探索“地球第四极”？  林间解释，地球就像一只巨大的“圆蛋”，其“蛋壳”由一系列板块拼接而成，包括欧亚板块、太平洋板块、印度洋板块等。就像冰山在海上漂移一样，这些巨大的板块也会缓慢漂移，有时每年能走好几厘米，跟我们指甲的生长速度一样快。  如果两个板块碰撞，“两者相撞，重者居下”，较重的板块就会俯冲下沉到较轻的板块之下，“挤”出一条深海沟。“挑战者深渊”就是古老而沉重的太平洋板块俯冲下沉到较轻的菲律宾海板块之下，被“挤”出来的。  “全世界的海沟总长5万多公里，是万里长城的好几倍”，而在西太平洋的海沟尤其多，包括马里亚纳、日本、琉球、马尼拉海沟等。  “挑战者深渊”位于马里亚纳海沟的南端，深达10900多米，为地球之极。为什么“挑战者深渊”这么深？是什么巨大的力量将太平洋板块往下拽？海沟与大地震及海啸的关系如何？这些都是科学家们关注的前沿科学问题。“就像想要知道喜马拉雅山为什么这么高一样，这次我们去探索‘地球第四极’的成因。”林间说。  下一航次今年六七月开展  为期五年的“马里亚纳海沟计划”，预计在今年六七月开展第二航次。“下次的科考会有更广泛、更深入的实验，探索重要的国际前沿科学问题。”  从认知大地震与海啸的机制，到研究极端环境下的生命，海沟研究就像其他科学一样，不断获得新认识并造福人类。  林间认为，海沟研究目前很多地方还是空白。“多少年来都是跟着国际跑，这次超跑了一段，这也很正常。中国科学家们有望在海洋地球科学领域越来越多地领跑。”  揭秘  为什么是马里亚纳海沟？  有记录以来还未发生过超8级的地震  世界上超大地震几乎都发生在海沟。林间介绍，海沟的大地震通常也引起大海啸。他举例，1960年智利9.5级地震是有史以来记录到的最强地震，而2004年的苏门答腊9.2级地震、2011年的日本9.0级地震都触发了灾难性的大海啸。  但令科学家们不解的是，从有地震记录的100多年以来，马里亚纳海沟还没有发生超过8级的大地震。9级地震强度是8级地震的30多倍，那为何同在西太平洋，北边的日本海沟会产生9级地震，而南边的马里亚纳海沟却没有？是因为100多年的记录太短吗？还是因为其他特殊的地质原因使得马沟不会发生大地震？  这次科考的重头戏便是地震实验。  海底地震实验怎么做？  放地震仪，每80秒打一次人工“空气炮”  地震实验的重头戏怎么演？这里最重要的“道具”便是海底地震仪。深入海底几千到一万多米，对任何一种仪器来说，最紧要是抗压。“如果抗压强度不够，仪器就会失灵，甚至爆炸。”  在南海海洋所的实验室内，放置着几十个能抗高压的海底地震仪，橘红色塑料球体内包裹密封的抗压玻璃球，内置有电池、声学通讯器、传感器等。“每个球价格约20万元，相当于一台帕萨特车的价格。”孙金龙博士笑着说。  从船上将地震仪“大球”投放到海沟深处，仪器便在海底开始记录地球震动。回收时，“大球”接收到船上发射的声学信号，便会自动脱离海底，“乖乖”返回水面。  在“挑战者深渊”区域，科考队布放了由30多台地震仪组成的“透视地球”阵列，最深放到8137米处，为目前的国际纪录。  为给地球做“CT扫描”，科学家们每隔80秒往海里放一次“空气炮”。林间解释，海底地震仪记录到人工产生的地震波，就能给地球最外层的20多公里做“CT扫描”，勾画出海底下地球浅层的断裂、火山等的细微结构。  “‘挑战者深渊’附近的地震记录非常漂亮，数据海量，科学家们正在抓紧时间分析处理。”林间说。  科学家们将一部分地震仪留在海底，等待下个航次回收。这些长期“驻扎”在大洋深处的地震仪，每时每刻记录着全世界各地的地震，其长期积累的资料，可以用来给地球更深处做“CT扫描”。  如何在海底“另类”取样？  首次开展自主研发的深海无缆取样实验  脑洞大开一下，如何在1万米深海取回样品？这一次，科考队首次开展了自主研发的深海无缆取样实验，用来采集海底火山岩石、微生物以及沉积物等珍贵样品。  传统的有缆取样就像“木桶打水”一样，在一条几千米长的钢缆末端装上海底采样装置。但这种传统方法受到缆绳长度以及复杂海底环境等限制，在深海沟处取样尤其困难。“现在发展的技术可以不依靠钢缆了。”  “金蝉脱壳一般”。林间形容，整套装置包括内、外套管，一起砸到海底取样，外管留在海底，带上样品的内管则通过浮球装置自动浮到海面。“浮球上有小旗帜，有亮灯，并发出无线电信号，浮上来后我们便能捞到。”  省去长而笨重的钢缆，这是概念上的创新。据悉，这一无缆取样系统的第一期目标为水深7000米，而二期取样水深将达到全海深。取样系统设计了多级解锁装置，保证在复杂恶劣的深海也能取得较高的采样成功率。  如何在海底深处测地球磁场？  近海底深拖进行地磁测量，以提高精度  科考队还完成了横跨“挑战者深渊”以及马里亚纳海沟上盘裂谷的深拖地磁测量。  “传统方法是用船拖着仪器在海面上走，这次则将仪器尽量往海底放。越往海底走，地球磁场的信号就越清晰。”林间形容，“跟戴上眼镜一样，可以看得更清楚。”  海底有很多含磁性的岩石，会产生磁场。刚发生海底火山岩浆喷发的地方，磁场尤其强烈。这次海底深拖实验就是高精度地测量地球磁场。  科考队还对马沟进行了其他测量，获得了大量的海洋温度、盐度、流速以及湍流微结构等第一手资料。  出品：  南方都市报科学新闻工作室  主持：陈养凯  采写：  南都记者 贺蓓