微塑料的形成、危害及处置 - 海洋微塑料影响

微塑料的形成、危害及处置

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塑料制品由于成本低廉、延展性强和性质稳定等特点被广泛应用于人类生产和生活。自20世纪规模化生产以来,塑料产量逐年增加,目前全球每年塑料生产量已经超过3200Mt。然而在方便人类生活的同时,塑料因回收率低及难以分解等特点导致了严重的环境污染问题。其中,“微塑料”作为一种新型污染物引起了国内外的高度关注。

微塑料的概念于2004年由Thompson第一次在《科学》上提出,指直径小于5mm的塑料碎片和颗粒。微塑料难以降解,对污染物有较强的荷载作用并可被动植物摄取,严重威胁生态环境和人类健康。在2016年第二届联合国环境大会上,微塑料污染被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题,被视作与全球气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的重大全球环境问题。

目前,微塑料已在世界范围内的海洋环境、地表水系统(湖泊、河流等)、陆地系统(土壤、污泥等)和空气粉尘中被广泛检出。尤其值得指出的是,当前全球新冠(COVID-19)大流行造成口罩和手套等个人防护品用量激增,这类物品使用后若得不到妥善处置,将进一步加剧环境中的微塑料污染。

形成

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一般来说，生活中已经广泛存在各式各样的塑料，如聚乙烯、聚苯乙烯等，这些化合物暴露在自然环境中被风吹日晒，虽不能被完全降解，但也是在逐渐变小，变成了比颗粒更小的微塑料。另外，我们使用的化妆品或者清洁用品中有大量的磨砂颗粒，这些颗粒的体积小，漂浮在水面上，城市的污水处理厂根本没办法处理它们，于是它们不能分解，自由离开污水处理厂。

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分类

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微塑料按化学组成可分为聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)和聚酰胺(Polyamide,PA)等。

按来源则可分为初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是指在生产中被制成的微米级塑料颗粒,常用于工业制造、个人护理产品生产等；次生微塑料一般由大块塑料垃圾经物理、化学和生物过程而造成分裂和体积减小而成,来源于洗衣机废水中的合成纤维、农用地膜、塑料制品等。

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污染原理

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微塑料影响生物的消化和吸收

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微塑料被生物摄食后在体内无法被消化吸收，会导致生物体营养不良，影响生物体免疫功能，最终引起生物体的生长发育迟缓或死亡。

微塑料释放出有机单体和有毒添加剂

微塑料在迁移转化过程中会释放出有机单体和有毒添加剂。有毒添加剂包括双酚A和邻苯二甲酸盐在内的多种增塑剂、抗菌剂和阻燃剂。这些添加剂已被证明能够影响生物的内分泌功能，诱发遗传畸变，危害生殖和发育。

微塑料吸附作用造成复合污染

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微塑料具有较强的疏水性和相对较大的比表面积，能富集高浓度的重金属和持久性有机污染物（POPs）。目前，已经有超过200种有机化学物质在微塑料中被鉴定出来，其中包含多氯联苯、多环芳烃以及其他有机氯农药。吸附着复合有毒污染物的微塑料被生物体摄食后，在消化系统中会发生解吸，被释放出来。实验表明：微塑料对污染物的解吸速率在生物体肠道中比在海水中高出30多倍。

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环境影响及危害

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海洋环境

来源

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陆地来源

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陆源输入是海洋渔业环境中微塑料最主要的一个来源，来自陆地上人类丢弃的塑料袋、纤维和泡沫等塑料垃圾在风力、地下渗透和雨水冲刷的作用下通过地表径流最终汇入海洋;另外在人口活动密集的沙滩上被游客随意丢弃的塑料袋和矿泉水瓶等塑料垃圾在海浪的作用下也会进入到海洋环境中，引起海洋微塑料污染。相关的研究也报道海洋中来自陆地上(包括沙滩)的塑料垃圾高达80%。

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海上来源

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随着海洋开发热潮的兴起，近年来人类在海上的活动越来越频繁，同样给海洋造成了污染。主要有海。上船舶运输、海上旅游客运、海洋工程船舶作业、海洋渔船捕捞、海洋倾废等，这些人类海上活动都或多或少地导致塑料垃圾进入海洋。

近海网箱和筏式养殖中所使用的渔业设施大多是用塑料制成的渔网、渔绳和泡沫浮球，这些材料在太阳照射以及海浪的长期作用下会发生老化、破损、分解，最终造成大量的微塑料进入海洋中。

危害

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毒性效应

由于微塑料在海洋环境中具有分布广、粒径小、难降解和持久性等特点，很容易被海洋渔业生物摄取并长期保存在体内，从而对海洋渔业生物造成损害，产生-一系列毒性效应，主要包括生长迟缓、摄食率和繁殖能力下降等。

与其他污染物的复合效应

微塑料由于具有较大的比表面积且具有较高的疏水性，在海洋环境中很容易吸附重金属

和持久性有机污染物(POPs)，例如铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、铅(pb)、铬(Cr)、镍(Ni)、钴(Co)、多氯联苯(PCBs)、滴滴涕(DDTs)和多环芳烃(PAHs)等，成为海洋生态系统中重金属和POPs的载体微塑料一旦被海洋渔业生物摄食，在一定条件下其会在生物体内释放出吸附的污染物。

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沿食物链的传递效应

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与重金属和POPs相类似，微塑料由于粒径小、难降解等特点，很容易被海洋生物摄食并蓄积在体内，并且通过食物链由低营养级生物向高营养级生物传递。

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土壤环境

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来源

进入农业土壤的大块塑料和微塑料的主要来源包括农用塑料薄膜的使用、污泥的土地利用、有机肥施用、地表径流和污水灌溉以及大气沉降等，具体如下图所示。

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危害

微塑料对土壤理化性质的影响

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现有的证据表明,微塑料作为一种固体污染物进入土壤后,极易在干湿循环、土壤翻耕或生物扰动等作用下不同程度地整合到土壤团聚体中,从而可能引起土壤容重,持水能力和土壤结构等土壤物理性质的改变。

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土壤动物

微塑料一旦进入土壤,将不可避免地与各类土壤动物接触。以蚯蚓为例，蚯蚓是土壤生态系统中最常见的大型土壤动物之一,是重要的“生态系统工程师”,同时也是目前研究土壤微塑料污染生态效应最常用的模式生物。蚯蚓以土壤有机质为食,较多研究证实蚯蚓容易误食微塑料,且表现出粒径选择效应;进入消化道的微塑料会导致蚯蚓的虚假饱足感进而减少摄食，进而抑制蚯蚓的生长繁殖，新陈代谢过程，甚至造成死亡。

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微生物群落

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有研究指出吸附于微塑料表面的抗生素、重金属和其他有毒污染物也可能对土壤微生物的活性产生正向或负向的响。此外,微塑料添加导致土壤孔隙度和水分输运状态的变化会改变土壤中氧气的流通!可能使得土壤中厌氧微生物及好氧微生物的相对分布发生变化，微塑料引起的土壤孔隙变化甚至可能导致微生境的丧失和土著微生物的灭绝,进而影响微生物多样性。总之,微塑料的存在会干扰微生物系统，鉴于微生物在土壤生态系统的重要作用，有关微塑料对微生物的影响机制需要进一步探究。

土壤植物

研究表明，土壤微塑料的存在可以延缓植物种子的发芽时间，降低发芽率及幼苗成活率，并能显著改变植物的生物量、组织元素组成及根系性状。这些影响可能随微塑料自身的特性、植物种类或土壤类型的差异而有所不同。

大气环境

来源

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由于微塑料具有轻便、小粒径等特征，它甚至存在于全球不同地区的大气环境中，可随着气溶胶干湿沉降等过程重新返回地面。通常认为，地表环境中的微塑料受风力、磨损等作用而进入大气环境，并可能与气溶胶以及大气中的其他化学组成发生作用，在大气环流带动下进行传输。最近的研究还指出，海洋飞沫也可能是表层海水微塑料进入大气的一个重要方式。但是，由于目前缺少关于微塑料的准确排放源清单，也缺乏对次生微塑料产生过程、环境中氧化与降解过程等内容的准确认识，追踪大气微塑料的运移轨迹、沉降方式等困难重重。

危害

城市的空气中存在微塑料，这些微小的颗粒可以通过呼吸作用进入呼吸系统并聚集在肺部。虽然可吸入颗粒中粒径较大的颗粒会在上呼吸道中被黏膜纤毛清除，但是小粒径的颗粒不受这种作用的限制，可以到达肺部深处并长时间沉积于此。虽然空气中微塑料的暴露浓度比较低，但低浓度长时间的暴露也可能对人体健康产生潜在危害。因此通过呼吸的方式，人体会将微塑料吸入体内并到达肺部，造成潜在危害。

与其他污染物相互作用

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与金属的相互作用

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微塑料易吸附环境中的金属及其氧化物，改变它们的粒径、表面粗糙度、带电性等性质，从而改变二者在环境中的迁移和吸附行为。

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微塑料与有机物的相互作用

微塑料与有机物的相互作用主要与有机物的亲水性和极性相关。微塑料对疏水性有机污染物吸附的主要作用机制是疏水性强弱和π⁃π相互作用，而对亲水性有机物的吸附则主要通过分配作用、静电力和氢键等作用。含氧官能团—ＯＨ、—ＣＯＯＨ和Ｃ—Ｏ的存在，可以增加微塑料颗粒表面的极性，使其对弱极性有机物的吸附能力降低。被吸附的有机物会附着在微塑料表面，占据部分吸附位点，从而降低微塑料对其它物质的吸附性。

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微塑料与微生物间的相互作用

微塑料与微生物间的相互作用十分复杂。一方面，微塑料会对环境中微生物群落的结构和组成产生影响；环境中的有害微生物被微塑料吸附后，在环境介质中发生长距离运输，并进行繁殖扩散，促进抗生素抗性基因的传播，进而给生态系统带来潜在危害。另一方面，环境中微塑料的表面会形成复杂的生物膜，将阻碍微塑料与其它物质相接触，从而改变微塑料的吸附性；生物膜的存在有利于生物膜群落间及群落与环境介质间基因的迁移、传播和扩散，改变环境中抗性基因的结构组成及丰度，进而改变微生物群落的结构，同时生物膜的存在也会在一定程度上促进微塑料的降解。

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微塑料对人体危害

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人体摄入微塑料途径

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饮食

人类可以通过摄食的方式吸收微塑料，其中最主要的途径是海产品消费。由于海洋是微塑料污染的重灾区，许多海洋生物（包括可以食用的鱼类、虾及贝类等）已被证实可以吸收微塑料并将其储存在体内。此外，许多食物中也检测出微塑料，有研究发现糖和蜂蜜中含有微塑料。微塑料也同样存在于自来水中，从不同自来水处理厂采集到的水样中均检测到微塑料，并且原水比处理后的水中微塑料的含量更高。由于这些食物及饮用水中存在大量的微塑料，人类会通过饮食的方式将这些微塑料摄入体内。

呼吸

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微塑料可以通过呼吸作用进入呼吸系统并聚集在肺部。

在人体内转移

通过摄食及呼吸作用进入人体的微塑料可以在肠道和肺部富集，并有可能转移到其他器官和组织中。有研究证明多种人体细胞都能够吸收微塑料。到达肺部和肠道的微塑料分别被肺上皮细胞和小肠上皮细胞通过被动扩散、细胞渗透或主动的细胞摄取等方式吸收。与吸收纳米颗粒等外源物质的方式类似，细胞主要通过胞饮和吞噬两种途径主动内化微塑料。

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危害

通过摄食及呼吸作用进入人体的微塑料可以在肠道和肺部富集，并有可能转移到其他器官和组织中。有研究证明多种人体细胞都能够吸收微塑料。到达肺部和肠道的微塑料分别被肺上皮细胞和小肠上皮细胞通过被动扩散、细胞渗透或主动的细胞摄取等方式吸收，与吸收纳米颗粒等外源物质的方式类似，细胞主要通过胞饮和吞噬两种途径主动内化微塑料。人体摄入不同种类的微塑料可能对人体造成的危害如下图所示：

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塑料

有害单体／成分

主要用途

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不良健康影响

聚氯乙烯

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氯乙烯

食品包装材料、容器、化妆品、奶嘴、玩具、水管等

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可导致癌症、先天缺陷、遗传变化、慢性支气管炎、溃疡、皮肤病、耳聋、视力衰竭、消化不良和肝功能障碍等

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邻苯二甲酸酯

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邻苯二甲酸二异壬酯等

增塑剂

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内分泌紊乱问题，并与哮喘、发育和再生障碍有关

聚碳酸酯树脂

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双酚Ａ

水瓶等

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科学家已将非常低剂量的含双酚Ａ聚碳酸酯树脂接触与癌症、免疫功能受损、早熟、肥胖、糖尿病、多动症等其他问题相关联

聚苯乙烯

苯乙烯

容器、板材、玩具等

会刺激眼睛、鼻子和喉咙，并可能引起头晕和昏迷；迁移到食物中并存储在体脂内，导致淋巴和造血系统癌症的发病率升高

脲醛树脂

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甲醛

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刨花板、胶合板、建筑保温材料、布纹装饰

甲醛是一种可疑的致癌物质，已被证明会导致先天缺陷和遗传变化，吸入甲醛会导致咳嗽、喉咙肿胀、眼睛流泪、呼吸困难、头痛、皮疹和疲劳

聚氨酯泡沫塑料

甲苯二异氰酸酯

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靠垫、床垫、枕头等

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可导致支气管炎、咳嗽、皮肤和眼睛问题，释放的甲苯二异氰酸酯会产生严重的肺部问题

聚丙烯酸

丙烯酸

黏合剂、隐形眼镜、一次性尿布、油漆等

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可引起呼吸困难、呕吐、腹泻、恶心、虚弱、头痛和疲劳

聚四氟乙烯

四氟乙烯

耐高低温、耐腐蚀材料，绝缘材料，防粘涂层等

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会刺激眼睛、鼻子和喉咙，并可能导致呼吸困难

处理

针对微塑料污染问题,可以从以下3个方面考虑对策:

加强微塑料污染防控技术及生物降解塑料产品的研发

环境中一些微生物可以有效分解微塑料。一些研究表明,从黄粉虫和腊虫体内分离出来的细菌能够有效降解聚乙烯和聚苯乙烯。

生物可降解塑料的研究和开发也是目前的一个热点,可降解塑料在丢弃后可通过环境微生物对其进行降解,以实现微塑料的无害化、减量化处理,是目前不可降解塑料的有效替代品,也是预防和控制微塑料污染的有效手段。

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利用法律手段和宣传教育,限制塑料的生产和使用

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减少微塑料污染的关键措施是在源头上控制微塑料。可通过制定相关法律法规在源头上控制微塑料,尽可能地减少由于产品生产、使用和销售导致的微塑料污染。

此外,应加强公众对微塑料污染危害的认知,如减少塑料产品的使用和丢弃,加强塑料产品的回收利用,对废旧的塑料产品进行集中处理以减少向环境中的输入量,形成塑料产品使用和再利用的良性循环,提高公众的环保意识。

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加强区域及世界各国合作,共同应对微塑料污染问题

微塑料污染是一个全球性的环境问题,且造成的危害和影响是全球性的,而非局限于某个地区。因此,微塑料污染的预防和管控也需要世界各国的合作和共同应对。一方面,提倡与世界各国共同参与微塑料的污染治理,并根据不同国家的国情进行合理的研究和实践;另一方面,鼓励积极参加国际会议,加强国际的交流与合作,学习国际上其他国家对于微塑料污染控制的研究、处理方法和政策指南。