环境微塑料污染的研究进展*

（曲阜师范大学生命科学学院，山东曲阜 273165）

1 微塑料现象及定义

以合成树脂为主要原料的塑料产品大量投入生产，给人们的生活带来极大的便利，但同时也带来了严重的微塑料污染。微塑料（microplastic）一般是指半径小于5mm的微小型塑料颗粒或碎片，该颗粒微小到用肉眼难以发现，被形象的比作海洋中的PM2.5，在海洋中的数量可累计达3.54万吨[1]。微塑料在环境中无处不在，日常使用的牙膏、面部磨砂膏等就广泛含有，全球每年约有2.8亿吨的塑料被当成废品处置[2]。在自然环境中（淡水、海洋以及陆地）微塑料积累问题日益突出，目前在海洋中、偏远的淡水湖咸水湖等水域，甚至像南北极这种人迹罕至的地方，都发现了高浓度的微塑料垃圾。

2 微塑料的形态及组成

微塑料是一种高分子化合物，疏水性和抗生物降解能力都很强，密度多变且颜色繁多，形状各异。

2.1 微塑料的形态

微塑料类型复杂，形态各异，外形多为圆柱、圆形和圆盘状，其色彩以透明、结晶、白色和灰色较常见。微塑料的形态结老化痕迹构复杂，有明显的裂缝孔隙，其孔隙较发达且比表面积大。微塑料长期暴露，其自身极性会大幅度增强，再经过破碎，热降解，风化等作用后，致使其表面积进一步增大[3]。

各具差异的微塑料其概况特点也不尽相同。聚乙烯（PE）类微塑料颗粒轮廓较平滑而聚酰氨（PA）颗粒的概况为毛糙多孔形态，聚氯乙烯（PVC）类和聚丙烯（PP）类微塑料外观都具有较多的微孔，但后者内部横截面上还可观察到球形凸起，聚苯乙烯（PS）微塑料的外貌形态则为网状结构。微塑料容易在水环境中迁移，漂浮和沉降，能使一些浮游生物误食，从而为其传播提供途径。

2.2 微塑料的分类及组成成分

欧盟海洋战略框架指令指出，大型塑料的尺寸大于25mm，中型塑料尺寸在5mm～25mm之间，微塑料的尺寸则小于5mm，当塑料碎片的尺寸小至1nm～100nm时则称为纳米级微塑料[4]。

海洋中存有初生和次生微塑料，初生微塑料侧重于人工制造，是人类工商业生产生活直接产生的，而次生微塑料则是由体积较大的塑料经海洋旋流运动，长时间海水浸泡和紫外线照射后，退化裂解，进而成为细碎的微塑料[]。

从微塑料的起源上，有生活消费品和工业原料生产碎片之分；按照微塑料的侵蚀水平可分为新颖的、未被风化的和初始转变的；按其组成成分有聚乙烯微塑料，聚苯乙烯和聚丙烯微塑料[5]。

3 微塑料的分布

微塑料在全球的海洋中聚集，有的甚至出现在两极附近海域。0世纪70年代，红海首次发现有微小塑料碎片；此后非洲、亚洲、东南亚、印度、南美洲、北美洲和欧洲都有发现大量的微塑料颗粒，并且受紫外光（UV）照射在相对较低温度的环境中分解为更小的碎片。

海岸线、海床沉淀物、表层水体、海滩、冰冻水层以及各种海洋生物中，都发现有微塑料的存在。沿海地区水产养殖使用的发泡塑料浮筒是微塑料污染的重要来源；海洋中的塑料碎片在洋流等作用力下迁移至北大西洋、太平洋表层等海洋地区；细小的微塑料容易被海洋生物（海鸟、鱼类、双壳类、哺乳动物等），吸食，易在组织、循环系统和大脑中堆积 。

海水中存在的微塑料可能会对海洋产品造成污染 并且可能会向人类转移。Yang等人研究发现胡海盐和食盐中存有聚乙烯，玻璃纸和等微塑料[6]。微塑料光降能力弱，致使其在泥土介质中不停的富集。大气、废水排放物、生活饮用水和陆地生物体内也都发现有微塑料的存在。

微塑料的粒径大小决定了其隐藏的生物圈影响和物理传送途径；来源不同、降解程度不同、不同的环境因素，其聚合物种类等都会影响微塑料的颗粒大小分布；粒子密度，源位置及洋流和海浪输送会影响海洋中微塑料的散布。

4 微塑料的来源及进入途径

用于工业生产的初级微塑料可存在于洗面奶、牙膏、指甲油、驱虫剂和防晒霜等化妆品，塑料微珠，服装纤维，和药物载体等塑料垃圾中。

二级微塑料的来源主要是大型塑料经过风化、紫外线等外力作用裂解而成的细小碎片，高分子聚合物在海洋中高盐分、光热以及微生物的作用下容易降解为微塑料 。

海洋中微塑料的首要来源是陆源的输入。随意丢弃的塑料制品通过海上泾流并经过洋流分散到海洋中；陆地上的海洋回收港口和垃圾填埋场是陆源输入的主要入口；海岸线附近的垃圾堆放，工厂及生活污水排放等污染都会穿过污水处理系统进入水环境中；海洋中浮游生物摄食微塑料，微塑料被包裹在粪便中，其他生物可通过食用粪球间接摄取微塑料，从而进入海洋。

在陆地环境中，工业原料、各类食品和饮品的包装、购物袋、生活用品、护肤品、洗涤产品中的塑料成分因其粒径小、密度低，会在土壤中沉积，并通过热、光分解、化学降解、机械降解等非生物降解和细菌的生物降解作用变成微塑料。

此外，污水处理厂的生活污水中会有部分塑料进入污泥中，人们常用污泥作为肥料或修复材料使用，在此过程中，大量的微塑料将会被带入到陆地环境中。有研究报道指出，一些欧洲国家经污泥带入农业土壤中的微塑料可高达1000～4000个／kg土[7]。

5 微塑料的危害

5.1 微塑料对动、植物和人类的危害

目前，微塑料主要对海洋生物造成影响，其次是淡水生物和土壤生物。

微塑料对阳光的遮挡和反射作用阻碍海洋中浮游植物光合作用，导致其群落发生变化。微塑料被动物吞食以后，容易在消化道内积累，造成动物进食和消化器官的堵塞，造成动物消化器官的机械损伤，导致动物摄取量降低，使动物营养不良，进而死亡；还有一小部分微塑料可以进入到组织中，造成潜在性的危害。

淡水环境中的微塑料与海洋中的类似，目前淡水微塑料研究而言多集中于鱼类。野生淡水鱼类体内的微塑料大多累积于肠道中[8]。地膜是塑料的一种，它分解为微塑料后，由于土殖生物的携带而进入土壤之中，附着于其表面的重金属、污染物以及病原菌等也随之进到土壤里边，对土壤微生物区系、土壤的理化性质以及植物生理状况都会产生不同程度的影响

人类是食物链顶端的生物，人类会因生物传递效应和生物富集效应，成为生物圈最大受害者。最新研究表明，在人类的粪便内检测出多达9种微塑料，它们直径在50μm到500μm之间[9]，并且小于150微米的聚苯乙烯和聚氯乙烯微粒可以通过人类的肠道移动到淋巴系统和循环系统中，微塑料对我们的危害不容小觑。

5.2 微塑料生态环境的危害

微塑料对生态系统中的生物产生作用，导致自身生理发生变化、生长发育繁殖产生影响，继而降低了生态系统的多样性，生物间的物质循环和能量流动也会因此遭到破坏，影响到整个生态系统[10]。进入土壤的微塑料使更多的微生物受到威胁[11]，土壤的物质降解和能量循环会因土壤物种多样性被破坏而遭到严重危害。

5.3 微塑料的其他危害

微塑料不仅能携带微生物、植物的种子和藻类等，还可以富集有害有毒物质。微塑料能富集浓度高且持久的有机污染物，如双酚-A、邻苯二甲酸盐、重金属、DDT等[12]。Avio等[13]研究发现贻贝受微塑料富集的多环芳烃影响，使其血淋巴、腮和消化道组织出现多环芳烃的明显积累，细胞效应包含免疫响应、溶酶体、抗氧化系统的改变、神经毒性效应、基因表达改变等。一些有害生物就会附着在微塑料上，成为了有害生物的载体工具，导致外来物种入侵。

人们致力于研究这种广泛存在的微塑料污染是如何影响动植物、生态环境以及人类健康的，但随着研究的积累和数据的不断增多，人们认识到不过是危害冰山一角，对于微塑料危害的认识还需要不断的提高。

6 微塑料的分离方法

微塑料尺寸小、不易发现和研究，因此微塑料的分离采集是开展对微塑料研究的重要基础，找到精准高效的鉴别检测方法是微塑料研究的前提。

6.1 微塑料的分离和采集方法

分离水体样品中的微塑料，可直接采用拖网式或将采集的水样进行过滤来收集微塑料，其中采集表层海水中的微塑料时使用较多的是MANTA网采集法。分离沉积物中的微塑料，通常是采用密度分离的方法，可以采用饱和氯化钠溶液[14]、多钨酸钠溶液[15]，或海水[16]等对沉积物中微塑料进行浸泡分离。分离土壤中的微塑料的方法有：筛分-分选-移除土壤成分-收集微塑料，其中筛分是让土壤样品经过筛子，粒径小于筛孔的透过筛面，粒径大于筛孔的截留在筛面上，使粗、细粒物料得以分离。筛分后，通过密度分离法移除土壤矿质相[17]。环境样品中微塑料的采集方法有直接挑选法、大样本法和浓缩样本法。

6.2 微塑料的鉴定方法

传统的微塑料鉴定方法是通过目测或利用显微镜观测，这些方法主观性较强, 容易产生较大误差。还可通过样品燃烧现象、有机溶剂溶解后的数据来推测聚合物的组成，这类方法具有一定的破坏性。目前较为普遍的是傅立叶变换红外光谱、拉曼光谱、扫描电镜-能量色散 X 射线联用、环境扫描电子显微镜-能量色散X射线联用等进行微塑料成分的鉴定。采用全反射傅立叶变换显微红外光谱[18]来鉴定沉积物中的微塑料, 可提高查找和鉴定的效率，还需加大研究力度提高其准确性。

7 微塑料的处理方法

微塑料的粒径很小，成本和处理效率限制了降解微量物质和微塑料的方法的推广。微塑料的降解可以考虑通过酶（如漆酶）的作用，从而达到高效、快速处理微塑料的结果[19]。漆酶在没有物理条件的作用下，可以利用可生物降解塑料生产蘑菇[20]。微塑料本身在会在太阳紫外线辐射下发生光降解，但微塑料的降解非常缓慢。通过紫外光预氧化来对低密度聚乙烯(LDPE)进行结构修饰，可以促进其在土壤中的降解，在30℃下降解28天，降解率由3.5%提高到了6%[21]。

7.1 避免其进一步形成微塑料

由于微塑料粒径的局限性，对其直接进行处理，比处理大塑料要难的多，因此需要尽可能地形成微塑料之前将大塑料降解。

一般来说，微塑料可以通过热降解、催化降解、生物降解等途径进行，其中生物降解由于其环境友好性值得进行深入的研究。有研究证明，微塑料处于自然环境下，常常会风化发生化学作用，塑料在空气中被降解的效果最好[22]。

堆肥也可作为塑料处理途径的一种，但并非所有的塑料都可通过堆肥来处理。塑料本身是否具有可堆肥的特性取决于其实际的化学结构和化学键以及它们对于处理环境的要求。

7.2 污染源头截留处理塑料

目前从根本上解决微塑料问题比较遥远，有必要对微塑料的各个污染源进行控制处理。污水处理厂作为水体中微塑料的主要来源之一，在污水处理过程中尽可能地去除微塑料是有必要的。研究发现采用膜生物反应器、分滤、快速砂滤、溶气浮选等可使微塑料的减少量达到95%以上[23]。

纺织工业废水也是微塑料的主要来源，其中聚丙烯醇（PVA）作为施胶剂被大量使用，因此若减少PVA的使用就需要寻找替代品（且最好是可生物降解的），已有研究人员PVA作为环保上浆剂，可以被经过一系列改良的大豆蛋白代替，活性污泥中也容易降解大豆蛋白[15]。

7.3 其他

开发利用可生物降解的以及可堆肥的塑料，具有很大的环保效益，可根据生物和石油化学基础这两种来源划分。但由于对其成本、适用范围、效益独特性等方面的要求，目前仅占石化塑料的0.2%，所以不能在大范围内被使用[25]。

8 微塑料研究存在的问题及解决办法

8.1 关于微塑料的认识以及相关研究数据不足

关于微型塑料的定义还有值得商榷的地方目前的研究中，例如：目前主要以丰度作为环境中微塑料的表征指标，而在某些情况下（如在水相中）这种表征方法对于微塑料并不完全成立[26]，故可以考虑建立“微塑料的特征谱”[27]，来实现更加准确的表征。

尽管室内模拟实验能获得一定的数据，但由于实验室模拟的环境与实际环境相差甚远，故这些数据并不能完全应用于微塑料对环境产生危害方面的评估。因此在今后的研究过程中，获取微塑料对环境造成危害的验证性数据将成为亟待解决的问题，可以采用对采样点进行常规标准化检测的方式来获取长期而可靠的数据。

8.2 相关的法律不够完善，执行效果较差

国内目前还没有关于塑料制品回收利用相关的法律规定，是塑料治理方面的一大漏洞。关于塑料制品生产的相关法律虽然存在，但是普遍存在这些不足：相关的规定大多是原则性或理论上的规定，较为抽象，对于违反规定的情况和具体的惩戒措施较少，在执行过程中可能会遇到难题；政府各部门的职责划分不够清晰，容易导致责任的相互推诿，监管责任难以落实。

8.3 微塑料的管控不够完善

2017年生态环境部发布的《环境保护综合名录 (2017年) 》将有塑料微珠添加的化妆品、清洁用品和塑料微珠添加剂加入了“高污染、高环境危险”产品名录[28]，但直接限制塑料微珠的条目仍未出现，个人护理物品类的使用和国外含有微塑料产品对国内的倾销将加大微塑料管控的难度。

8.4 塑料垃圾回收体系不健全

微塑料的很大一部分来源于塑料垃圾，塑料垃圾的不合理处置在很大程度上会加重微塑料污染。回收成本高且回收效率低、政府在相关方面的政策激励不足，导致企业在回收方面投入资金少，回收情况较差。塑料垃圾在被收集之后，大多是采用了集中填埋的方式，再利用的效率很低，而且采用填埋的方式，塑料的降解速率很慢[29]，降解过程中释放的有害物质会进入水体和土壤，存在污染地下水的风险。

8.5 微塑料样品的采样代表性问题

采样过程中，环境影响因素通常会有较大变化。以海洋环境为代表，由于潮汐、季节和厄尔尼诺等因素的影响，其环境要素会呈现变化，因此在采样设计时应将上述时空变化考虑进去[30]，然而目前微塑料采样过程中对于环境要素的季节、年际以及较小尺度上的时空[31]（米；小时，天）此类的变化考虑较少。由于研究目标不同，采取的采样方法也会不同，数据分析方法的不同和数据分析时采用浓度单位的不同，都会导致数据的质量和分辨率等的差异，这在一定程度上会影响数据的可靠性以及可比性，也加大了不同时空下采样得到的数据的对比难度[32]。

8.6 微塑料定量定性分析中的技术的应用问题

针对微塑料粒径较小的问题，显微技术的应用可以有效应对，如μ-FTIR（显微傅里叶变换红外光谱法）、μ-Raman（显微拉曼光谱法）越来越占据主导的地位,。但对于大批量样品的分析仍存在一些问题[33]: 如何测定所有的颗粒和如何评估所有的谱图等等。用于μ-Raman测定的HORIBA Particle Finder（HORIBA粒子探测器）软件以及此类的全自动商业软件解决方案可以实现颗粒物的自动检测，一个海水样品中70%以上的微塑料大概仅需3h即可分析完成。

8.7 空气中纤维的沾污问题

微纤维在环境中无处不在，实验室的空气和水中都有发现[34]，且其浓度较高[35]，除非采取严格的控制措施，否则很可能发生实验样品的污染，从而导致难以评估微塑料本身的污染水平。但若从实验室分析结果中将纤维直接去除或者是扣除实验室分析空白，都会导致部分微纤维的忽视，使得微塑料的研究走入盲区。

9 总结

微塑料已经成为一种新型污染物，对海洋生态环境、淡水生态环境产生了重要的影响。微塑料因生物附着效应可以成为微生物和藻类的生长载体，载其远距离迁移，带来生物入侵的潜在风险；微塑料与其他污染物复合，产生毒理效应，经过食物链效应在人体内蓄积，对人类的生命健康造成潜在威胁；还有微塑料在海底的富集沉积给生态环境带来的风险等等都是急需人们加大重视和研究的问题。基于目前的相关研究，进行归纳分析可得，未来的研究方向可以从以下几个方面开展：（1）加强对微塑料污染问题的宣传，普及微塑料污染带来的危害，制定完善国家相关的政策法规；（2）加大对海洋、淡水环境中微塑料污染现状的全面系统化的调查分析（不同海洋生境）；（3）针对微塑料污染的监测和生物摄入后带来的机体危害的研究；（4）针对微塑料与其他污染物之间的作用机制和复合毒性带来的影响；（5）对微塑料在食物链传递效应、生态效应带来的潜在危害的研究；（6）评估微塑料对人类生理健康产生的风险的标准建立以及对生态风险评估方法学的研究；（7）建立食品中微塑料的检测标准体系；（8）微塑料源解析技术标准的建立和发展；（9）对微塑料的样品采集、预处理、检测、鉴定方法的优化以及方法的标准化、统一化；（10）完善对现有塑料的处理。