目前海洋中塑料监测的内容及相关挑战

国家海洋局三沙海洋环境监测中心站 许宇江，许宇山

随着社会的不断进步，进入海洋的塑料垃圾数量不断增加。塑料带来的污染同气候变化、海洋酸化和石油泄漏一样，严重危及了海洋生态系统和生物多样性。塑料碎片会对海洋生物造成缠绕和窒息，此外摄入的塑料会导致海洋生物饥饿致死，并将有害化学物质引入生物体内从而危害整个生物链。漂浮的塑料碎片也极大可能成为非本土入侵物种的载体，并将病原体传播到整个海洋。因此对海洋塑料的监测具有重大意义，所监测的数据可以为相关部门制定政策提供重要的指导意义，但监测手段所面临的挑战也尤为巨大。监测最终通过鉴定和分析识别获得塑料类型、物质成分、宏观和微观形貌特征、丰度、粒径等一系列特征指标，因此通常会使用红外或拉曼光谱、热重/差热分析、扫描电镜-能谱法、裂解气相色谱-质谱法等现代分析手段。

一、海洋塑料污染的定义

“海洋塑料污染”包含的内容非常广泛，包括塑料相关的任何化学物质，即只要包含任何塑料类型、物体和颗粒，从巨型网等到纳米颗粒都可以看作海洋塑料污染（见图1）。因此，海洋塑料可以定义为任何合成或半合成的有机聚合物，可以塑造成许多不同的形式。基于它们大小、形状和物理和化学性质方面的多样性，这些污染物的采样、识别和量化需要不同的方法学方法以及特定的技术。

图1 海洋环境污染

二、海洋塑料监测的重要意义

如前所述，塑料污染现在被普遍认为是对海洋环境的严重威胁。尽管公众的环保意识越来越强，但进入海洋的塑料垃圾数量仍在以惊人的速度上升。当前应对新冠（COVID-19）的大流行，个人防护和一次性产品有了极大的需求，这也可能引起进入海洋环境的塑料数量的大大增加。而海洋为人类提供的生态循环提供重要的支撑，例如调节气候和二氧化碳水平，以及为全球超过10亿人提供生计和食物。为了了解海洋中塑料垃圾对海洋生物的风险，也需要获得这些塑料对生态系统的影响数据，这一切基于我们所需要的数据是否有效、可靠以及可比较，这样才可以准确获得海洋塑料污染物的类型和数量以及它们在海洋中的分布情况。这些监测数据的获得，可以进一步让研究者们深入剖析海洋塑料污染对海洋生物链构成的风险。基于这些监测数据，还可以为相关人员进一步管理和控制潜在的污染源提供必要的信息。总之，监测海洋塑料污染对于制定管理和减少海洋塑料污染的国际和地方战略至关重要。

三、海洋塑料的监测

（一）采样技术

大塑料(25-1000mm)和巨型塑料(>1m)可以直接在海滩、船上、浮潜或潜水进行扫描。然而，较小的塑料：细观(5-25mm)、微米(<5mm) 和纳米(<1μm)样品必须在实验室收集和检查，需要光学仪器或光谱学。拖网是收集单位海面面积上漂浮的微型或中型物质的最常用方法。采样粒子的大小取决于网的网格大小，通常为330μm。样品采集后，需要进一步处理获得相关信息。海水、沉积物和生物样品，通常需要不同的降解方案来消除生物残留物并提取塑料颗粒。降解方案包括酸处理（硝酸）、碱处理（氢氧化钾和氢氧化钠）、氧化处理（H2O2）以及酶处理（蛋白酶）。另外可以基于密度不同进行分离获取不同密度的塑料颗粒。

（二）识别、分类和量化

在尺寸分类之后，大型塑料碎片通常根据材料情况和整体性状（例如瓶子、绳索、杯子、袋子）进行描述，并且经常按来源或主要用途（例如渔具、聚合物工业、包装）进行分类。而较小的颗粒则可以通过其大小、颜色和形状（例如碎片、泡沫、薄膜和颗粒）来描述，但将较小塑料颗粒识别则需要借助其他的检测手段。为了识别聚合物类型，一般使用光谱方法，如FTIR 或拉曼光谱，以及显微镜检测。除了塑料的尺寸外，研究者们也要将塑料的物理化学性质（聚合物组成、形态、溶解度）统一一个标准，另外塑料的尺寸、形状、颜色和来源也可以将塑料进行分类。此外，为鉴别相关塑料的类型，我们也可以在环境样品中检测塑料相关化学物质（如邻苯二甲酸酯、双酚、壬基酚等），通过定量、萃取等程序，然后再进行气相/液相色谱和质谱分析。各种形式的塑料污染数量以采样基质（例如海水、沉积物、生物组织）中污染物的浓度报告。浓度可以报告为每个体积/面积、每个干/湿重量或每个生物体的项目数/总重量。

四、海洋塑料污染监测的主要挑战

（一）海洋塑料污染缺少全球化的标准化方法

迄今为止，关于海洋环境中塑料污染的大多数数据来自个人调查或当地研究项目。在过去十年中，科学家们为了解这些污染物做了很多努力，虽然，最近欧盟委员会海洋战略框架指令 (MSFD) 和联合国环境规划署 (UNEP) 的海洋环境保护科学方面联合专家组的技术报告（GESAMP) 两个相关文件已经出台，但仍然缺乏用于收集、识别、分类和量化塑料污染的全球标准化方法。塑料碎片缺乏统一的定义和类别，以及各种塑料和塑料相关污染物的采样和处理协议、报告单位和术语的不一致，阻碍了全球数据的可比性。

（二）塑料样品采集过程中的污染无法避免

在海洋塑料污染研究的早期，人们没有充分认识到在采样和加工过程中尽量减少样品污染，并实现对环境样品中微塑料、纳米塑料和塑料相关化学物质的可靠测量。采集过程中人为污染物也可以引入塑料成分：实验室、我们的衣服、我们的工具，甚至人类环境，都是这些污染物的来源。所以塑料采集过程中需要对此类污染进行严格控制，特别在于某些痕量浓度的样品分析，分析过程可能带入的影响显得尤为巨大。不仅要对采集过程中进行控制，也要考虑空气、试剂、设备和可能的设备污染给分析带来不良影响。在这些阶段，空白实验的引入就很关键，这样可以排除环境等因素的影响。

（三）生物有机体对监测过程以及结果的影响无法避免

生物有机物存在会对塑料颗粒的研究结果产生的影响不可避免，基于这种情况，如何鉴定塑料是否存在及类别是另一个巨大挑战。含高比例生物有机物的样品处理过程相对困难，这也对塑料材料的提取、识别和量化的技术上提出了更为严格的要求。生物残留物可以在视觉观察中掩盖塑料碎片，并会造成傅里叶变换红外(FT-IR) 和拉曼光谱所采集的信号失真。目前针对这个问题，研究者们也已经针对各种生物有机物的影响做了大量工作，一方面通过降解实验消除生物有机物的影响；另一方面则是针对生物有机物样品中提取塑料材料的方式进行探索。但许多工作都很难体现这些含有生物有机物中塑料的回收率，此外降解过程会对一些聚合物类型产生破坏，导致这些塑料的识别和分类发生偏差，从而造成塑料材料的鉴别失真。具体来说，理想的塑料监测方式是能够在不改变塑料特性的情况下去除足够的生物有机物，从而不会对塑料聚合物的辨别产生影响，此外这些监测方式最好能够适用不同的环境且成本合适。

（四）塑料本身降解产生的变化无法界定

和上述所提及的方面一样，塑料污染不好监测很大一部分因素是塑料本身会发生不断变化造成的。塑料在漂浮海洋的过程中，风化（即光、热和机械降解）显著改变塑料颗粒的大小、颜色、形状甚至化学成分等物理化学特性，导致海洋中塑料的监测和识别出现明显误差。Fernández-González (2021) 研究发现从海洋环境中收集的风化塑料与其原始塑料相比，他们之间的物理和化学性质出现明显差异，最直观简单的FT-IR信号就显示出两者的区别。

（五）微塑料的监测具有很大的难度

微塑料的尺寸极小，常规的监测手段很难实现对微塑料的监测。微塑料的监测问题不仅仅具有上述挑战，并且监测方法的选择取决于样品的介质（即沉积物、海水和生物体）、生物物质负载和所需的聚合物类型，并针对这些角度的不同，更要制定不同的监测方式比较相关研究结果的异同。关于如何识别和量化微塑料，并总结获得微塑料的来源、总量、分类对于了解整个海洋环境具有重大的意义。通过基于不同的收集方法获得微塑料浓度数据会有不同，这样进一步导致相关数据的可靠性和可比性较差，很难获得均一性的结论。

（六）塑料所造成的危害存在空白区

目前塑料相关的一些知识还存在空白区，如何填补当前的知识空白也是具有很大的挑战性。塑料相关的化学物质如何传输到生物组织、水体中溶解和未溶解污染物之间的关系、它们可能的代谢物以及这些污染物在生物体和其他环境区室中的驻留时间等等都还没用明确的定论，如果能够将这些问题解决，塑料的危害会引起大家的广泛关注。此外塑料相关的各种化学品（即邻苯二甲酸酯增塑剂、双酚和溴化阻燃剂）的分析成本巨大，也需要极其专业的知识，这对科学界如何构建统一的海洋塑料污染评估指南方面构成了进一步的挑战。

五、结语

目前塑料的污染引起的一系列问题引起了人类的广泛关注，海洋塑料的监测显得尤为重要，但塑料本身的特性引起其监测、鉴别、定性的难度增加，同时生物有机物的影响以及采样、处理、分析等过程中的污染也很难避免，全球化的塑料监测标准化方法缺少使得海洋塑料污染尤为举步维艰。因此，海洋塑料的监测需要最大限度地减少外部的污染，从而达到监测数据的准确度和精确度，确保海洋塑料监测结果的可靠性，为相关部门提供可靠的数据来源，从而有助于相关政策的制定和执行。