大气环境中微塑料的产生及其环境危害

张沐旭，贺文智，李光明，朱昊辰，黄菊文

(1.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092；2.上海污染控制与生态安全研究院，上海 200092)

在全球范围内，无论是从个人护理品到食品包装，还是从家具到服饰，塑料制品已经渗入到人类日常生活的各个方面。伴随着需求的不断扩大，塑料制品的生产量和使用量呈指数级增长。据欧洲塑料制造商协会统计，自1950年以来全球塑料生产量已超过80亿t[1]，到2050年地球上的塑料制品还会增加330亿t[2]。塑料制品使用而产生的塑料垃圾在物理、化学和生物因素作用下，可以分化形成粒径小于5 mm的塑料碎片、颗粒及纤维等微塑料并进入环境[3]。微塑料作为一种新兴污染物，因难生物降解、在环境和生物体中容易积累，且可长距离迁移而影响范围广，其对生态环境和人体健康的影响受到了科技界的广泛关注。

研究显示，微塑料不仅存在于陆地[4]和海洋[5]，也赋存于大气环境中[6-8]，并在空气中以不同形式进行传播[9]。目前有关的研究方向主要集中于微塑料在淡水、海洋和土壤介质中的迁移转化过程，而对大气中微塑料的认知相对较少。鉴于空气对人类生存的重要性，今后该领域的研究必然会逐渐增多。本文基于最新研究成果，对大气环境中微塑料的形态与材质种类、来源途径、迁移过程及其对生态系统和人体健康影响等方面进行综述，展望了该领域的未来发展趋势，以期为大气环境中微塑料污染的研究和治理提供参考。

1 大气环境中微塑料的形态与材质种类

大气中微塑料的形态种类多样，按形态可分为纤维、薄膜、碎片、颗粒、泡沫和微球等不同类型。在大多数地区，例如中国烟台[10]、英国伦敦[6]和法国巴黎等[11]，纤维是最主要的形态，分别占比约为95%,92%和100%；碎片在部分地区也较为普遍，例如中国上海[12]、德国汉堡[13]和西太平洋[9]，分别占比约为30%,95%和31%，主要来自较大塑料产品的分解(如包装材料)。另外薄膜、颗粒和泡沫也是非纤维微塑料的常见形态，薄膜可能来自一次性的薄塑料产品(如塑料袋、食品包装和农用薄膜)；颗粒主要来自于交通粉尘(如轮胎颗粒)；泡沫则是由于发泡制品(如聚苯乙烯)的释放，质地软易破碎。微塑料的形状类型可能与地区发展程度(城市化和工业化)有关[14]，例如市区和工业区上空的微塑料种类差异较大，市区主要以纤维类为主，而工业区则是以薄膜、碎片、颗粒和微球为主[15]。

按材质划分，大气中的微塑料由天然聚合物和合成聚合物组成。天然聚合物主要是指纤维素和蛋白质等，主要来自植物纤维和棉花等；合成聚合物是由许多单体和多种材料等混合物聚合而成。目前大气中检测出的合成聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)等20多种类型。其中PET是最主要的大气聚合物，例如在中国烟台等[16]地，PET在大气微塑料聚合物中占比较高。而其他聚合物类型在日常生活中也有广泛的应用，PE是一种常见的薄膜塑料，由于其密度低常用于塑料袋等材料中；PS隔热效果好，常用于包装和制造行业；PVC通常用于管道、地板和门窗等建筑内部；PP常用于汽车行业和食品包装。正是由于来源丰富，所以大气微塑料中含有的聚合物成分较复杂。

2 大气环境中微塑料的来源及迁移

2.1 大气中微塑料的来源

大气中微塑料的来源广泛，大致可分为4种途径：其他环境介质输入、工农业生产过程、日常使用过程以及垃圾末端处理过程，见图1。

图1 大气微塑料的主要来源途径Fig.1 The main source of airborne microplastics

2.1.1 其他环境介质输入 海洋和地表等其他生态系统是大气微塑料的潜在来源，海洋环境输入包括海水蒸发和海洋飞沫两个过程，而地表灰尘可以携带大量微塑料进入大气层。

作为污水处理的副产物，微塑料会随着管网系统最终排入海洋环境，再通过海水蒸发作用释放到大气中。海洋飞沫是指海洋附近空气中存在的海水滴，是在大气边界层中海洋与大气相互作用下产生的，该过程会将表层海水中的微塑料传输到大气中。

在一定的外动力作用下，地表灰尘中的微塑料被搬运至不同的大气圈层，而风力和人类活动是灰尘在空间迁移的主要动力。Dehghani等[17]在10个街道灰尘样品中发现每30 g干尘中含有88～605种微塑料，说明地表灰尘是大气微塑料的潜在来源。

2.1.2 工农业生产过程 工业生产过程中产生的微米级塑料也是大气环境中微塑料的来源之一，包括工业烟尘的排放、对合成材料的切碎及磨削等加工过程均会产生超细微塑料颗粒、纺织印染厂衣服制造和印刷过程中产生的微纤维、以及制造行业的喷漆维修等过程也会产生漆片类微塑料。

农用薄膜(包括地膜和温室薄膜)大量应用于现代农业生产中，据预测2021年全球农用薄膜将达到750万t[18]。其主要成分是PE(质量轻、透光性好)和PVC(保温性好、透光性差)，具有回收率低、易老化和碎片化严重的特点。然而大量废弃的薄膜在环境因素(如风化、降雨、光照、高温条件)的作用下，大块的塑料残渣逐渐破碎成不同尺寸的微塑料，易随风悬浮在空气中。

2.1.3 日常使用过程 主要涉及生活、交通和建筑等方面，例如纺织品的释放、道路涂料和轮胎磨损以及管道设备等均会产生次生微塑料，从而扩散至大气环境。

空气中的微塑料大多是纺织纤维，这与人类日常生活息息相关。主要来自口罩、衣物[19]和人造家具中的塑料碎片(如PET和PP)[20]。当纺织品受到机械磨碎或者紫外线照射，就会分解出大量微塑料[21]。该类微塑料年产生量以高于6%的速率增长，约占世界塑料产量的16%[22]。2020年新冠疫情爆发导致一次性防护口罩的需求激增，随之带来的则是口罩废弃物的处置等问题，陈贤川等[23]对一次性防护口罩微塑料释放情况的研究发现，口罩虽然可以拦截部分空气中的微塑料，但由于机械磨损导致微塑料直接从无纺布中脱落，直接通过呼吸进入人体。另外纤维类也是一种室内空气污染源，通过对家用洗衣机废水采样结果显示，单件衣服每次洗涤时可以产生多达1 900根纤维[24]，所以在洗衣过程中这些纤维也有可能迁移至大气中，同时服装纤维释放的种类和数量易受季节和潮流趋势的影响[25]。当人们在穿戴衣物或是依靠在由合成纺织品制成的家具时，这些易脱落纤维不仅可以转移到头发皮肤上[26]，也会直接或间接地扩散到周围空气中。

在交通行业中，道路涂料和轮胎磨损会产生涂料碎片和橡胶类微塑料。轮胎和路面接触时，由于机械剪切力或挥发作用产生粒径大小不一的轮胎和路面材料混合颗粒物。而轮胎磨损颗粒能在环境中持久分布，全球年均释放量约在500万t[27]，是一类容易被忽视的微塑料来源。据统计，车辆每行驶100 km，丁苯橡胶轮胎就会因磨损而释放出超过20 g 的塑料飞尘。Grigoratos等[28]估算约有0.1%～10%轮胎磨损颗粒通过挥发和再悬浮作用进入大气环境，停留时间在几分钟到数天不等，尺寸越小停留时间越长，迁移路径更远。

在建筑行业中，由塑料制成的管道或其他公共设备(如地板、门窗等)在安装或使用过程中，因为磨损也会产生少量微塑料。

2.1.4 垃圾末端处理过程 城市生活垃圾的末端处理方式有三种，分别是卫生填埋、高温堆肥和焚烧，而这三个过程都会或多或少向空气中释放出微塑料。在一些发展中国家，部分塑料垃圾被倾倒于露天填埋场进行回收，暴露于紫外线和微生物环境中，从而增加了微塑料碎裂的机会，最终通过外界动力悬浮在空气中。同时垃圾填埋也会使长期积累于土壤环境中的塑料垃圾经风化降解成粒径更小的微塑料，长期风化作用会增强微塑料向空气中扩散的迁移性。高温堆肥和焚烧会使生活垃圾中的污染物颗粒变小，相对于体积较大的污染物更容易扩散至大气中。

2.2 大气中微塑料的迁移过程

影响微塑料在大气环境中的迁移方式，主要可分为气象条件和人类活动两种[29]，其中受到气象条件的高度控制[30]。

一是气象条件，例如风(风速和风向)、降水等。微塑料在风的作用下以不同方式进行搬运，其中长期悬浮在空气中的微塑料成为大气气溶胶的组成部分。通常风速越大越有利于大气微塑料的稀释与扩散，长时间的微风或静风则会使近地面的浓度增加；而风向则决定了不同区域空气中微塑料的浓度大小，一般来说上风向地区要比下风向的浓度低。地表起尘是指在一定的动力作用下进入空气环境的颗粒物，大气降尘是指依靠重力自然沉降于地面的粉尘。并且因微塑料质量轻、尺寸小的特点，因此陆地表面的微塑料可能在风的作用下迁移，赋存于大气降尘中。而地表起尘和大气降尘是大气、陆地表面和水体环境进行物质交换的主要途径，因此大气沉降对陆地生态系统和海洋生态系存在隐蔽的、持续的影响。另外Dris等[6]在2016年的研究中发现，虽然降雨与大气微塑料的浓度没有显著相关性，但是在潮湿空气中微塑料的含量总是要多于干燥环境。

微塑料也可以在大气环境中进行长距离输送，大气传输和沉降等作用是偏远地区和人迹罕至区域(包括极地、青藏高原等)沉积的重要途径，甚至也是微塑料在全球传播的一种可能性方式。有研究表明，尽管地处偏远的地区，青藏高原等地的湖泊并没有摆脱微塑料的污染，微塑料可能通过大气传输和干湿沉降进入该区域[31]。其中风能是运输微塑料到边远地区的主要媒介[32]，输送距离可超过1 000 km[33]。 另外大气中的微塑料还可以先通过大气传输到高空，再以降雨降雪等方式降落在其他区域，例如有学者曾在北极海冰样本中发现每升含有12 000个微塑料。

除了天气因素，人类活动(如人口密度和热岛效应等)也对微塑料在大气中的迁移起到重要作用。Liu等[9]发现上海普陀区空气中微塑料的丰度明显高于闵行区，可能是由于普陀区的人口密度要远大于闵行区，密度大就意味着人类活动的频繁，从而导致微塑料丰度的增加。另外Dris等[6]通过监测发现市区和郊区的大气中微塑料沉降量存在显著差异，原因之一可能是受人口密度的影响。同时热岛效应也是人类活动对城市大气污染造成影响的直接体现，由于城市化的发展导致城中的温度明显高于外围，所以城市和郊区之间形成了局部环流，加剧了城市大气微塑料的污染。

3 大气中微塑料的危害

大气中的微塑料通过改变生物体的生理特性以及对其生殖发育繁殖产生影响，进而降低生态系统的多样性，对物质循环和能量流动过程造成破坏，从而影响到整个生态环境的平衡。除了给生态系统带来较大的压力外，也势必会对人类健康造成潜在的威胁。

人体暴露途径分为三方面：呼吸吸入、饮食摄入以及皮肤接触，其中呼吸吸入是最直接的方式。人需要吸入空气来维持身体系统的运作，而身处于室外和室内环境，人类在呼吸的同时也在不断地吸入微塑料，但是空气中的微塑料能否进入人体的呼吸系统取决于尺寸大小。尺寸较小的塑料颗粒最终能沉积于肺部，而较大颗粒则会被鼻腔中的粘毛和粘液清除，从而转变成胃肠道的暴露，并且人体吸入微塑料的风险随着微粒尺寸的不断减小而增加。

早在1998年研究人员通过对新鲜肺组织标本的反复观察，推测肺部出现的微塑料纤维可能来自大气环境。而人体肺部每天接触的空气微塑料平均在26～130个[34]，同时Dehghani等[17]估计儿童吸入的微塑料数量是成人的3～5倍。有学者指出室内空气吸入的微塑料量要远高于其他暴露途径，据估算成人每年在室内和室外吸入微塑料含量分别为1.9×103～1.0×105和0～3.0×107[35]。由于稀释作用人体基本暴露于更低浓度微塑料的室外环境中[36]，但是在不利的天气条件下(如低风速等)，暴露浓度将会更高。某丹麦研究小组利用呼吸人体模型在公寓中连续吸入24 h室内空气，实验结果发现公寓空气总量中多达4%的空气被微塑料污染，这意味着处于室内环境每一次呼吸都会吸入或多或少的微塑料。

微塑料被人体吸收后，首先是会对呼吸系统造成损伤，引发急慢性疾病，造成肺部的炎症和DNA损伤，导致免疫力下降甚至可能诱导癌变。这是因为吸入的微塑料会导致气管和肺组织的肿胀及损伤，引起人体轻微胸痛或呼吸短促，并且随着时间的推移，它会在肺部积聚并破坏肺泡，从而增加患肺癌等肺部疾病的风险。Law等[37]将聚丙烯和聚乙烯纤维在合成肺液中放置180 d后未出现溶解及变化，表明微塑料在呼吸道中具有潜在的持久性。在体外实验中，聚苯乙烯微塑料会对人体肺上皮细胞产生细胞毒性和炎症作用[38]。另外一些观察性研究也报道了对于长期暴露于高浓度微塑料环境中的工人们，经常会因为吸入塑料粉尘对呼吸道和皮肤的刺激体征而产生呼吸困难等问题，甚至在塑料行业中随着工作时间增加患肺癌的风险会随之提高[39]。

其次尺寸非常小的微塑料甚至可以进入血液和淋巴循环，与其他污染物结合(如血液中的PM2.5)，导致动脉硬化阻塞，从而引起冠状动脉疾病的发作。

大气微塑料的毒性不仅来自材料本身，还有自身塑化剂(如邻苯二甲酸酯)的释放以及与环境中其他大气污染物相互作用产生的危害。例如邻苯二甲酸酯具有致癌的特性，对人类有极大的健康风险。同时因为微塑料粒径小、比表面积大，具有较强的吸附能力，作为病原体的载体容易将环境中的其他污染物转移至人体内，提高了暴露风险。

4 总结与展望

微塑料在全球大气环境中的广泛分布和累积，已经引起了人们对其形态种类、来源途径与迁移过程，及其对生态系统和人体健康影响等方面的关注。但是由于起步较晚，仍处于不断摸索的阶段，尚未形成完整的理论体系，未来需从以下三方面开展研究：

(1)聚焦大气微塑料的来源途径和迁移传输等机理研究。目前微塑料的研究热点主要集中于淡水和海洋以及土壤环境中，但是对大气环境中微塑料的认识尚处于起步阶段。因此，有必要开展大气微塑料的来源解析、分布特征、传输范围和沉降通量等工作，为其赋存情况、迁移转化以及归趋等未来重点研究内容奠定基础。

(2)重视大气微塑料对人体健康风险的研究。目前该方面主要基于体外实验和动物模型，研究成果依然极其匮乏，且评价机制尚不明确，研究难度也非常高，想要证明人体通过呼吸吸入的微塑料与某种疾病有直接因果关系是十分困难的。所以应当采取多种研究手段，从而能更加全面地评估人体在微塑料环境中的暴露效应。

(3)加强大气微塑料单体、添加剂及其携带污染物的复合毒性效应与机制的研究。通常大气微塑料无法单独存在，可以吸附空气中其他有害物质(PM2.5、持久性有机污染物、重金属和微生物等)。所以应明确大气微塑料的毒性效应是来自其本身的物理损伤，还是自身释放的添加剂，或者是吸附的污染物，探讨大气微塑料在复合毒性效应中所起的作用，此外应建立和完善大气微塑料的生态风险评估模型。