广东工业大学杨志峰院士团队：全球海洋微塑料的赋存特征、驱动因素和环境风险 - 海洋微塑料危害生态系统研究

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导读

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广东工业大学在Journal of Environmental Management上发表了题为：“Global occurrence, drivers, and environmental risks of microplastics in marine environments”的研究论文。为了全面了解全球海洋MP的赋存特征和环境行为，本研究使用文献计量学分析回顾了过去11年来海洋MP的研究热点。使用meta分析研究了全球海洋MP的赋存特征，并提出了一种结合蒙特卡洛模拟和传统生态风险评估的方法来评估海洋MP的生态风险。最后，对海洋MP的源汇关系进行了系统综述，试图为全球海洋MP污染的精确预防和控制提供参考。

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摘要

随着越来越多的塑料垃圾排入海洋，海洋微塑料（MP）污染已受到广泛关注。然而，全球赋存特征、环境风险、驱动因素和源汇关系仍不清楚。在这项研究中，基于165篇关于海洋MP污染的文章进行了meta分析。研究发现，全球海洋MP丰度呈现出显著的空间异质性，其分布格局受离岸距离、人口密度和经济发展的影响。MPs的形态特征表明，海水和海洋沉积物之间存在显著差异，且小尺寸MP（< 1 mm）是主要组成部分。环境风险评估显示，在全球范围内，大多数海洋MP污染仍然处于低浓度，聚氨酯（PU）、聚丙烯腈（PAN）和聚氯乙烯（PVC）具有较高的环境风险贡献。此外，陆基废物和海上作业被认为是海洋MP的主要来源，主要聚集在近岸海底、海洋水柱和深海海底环境中。这项研究表明，meta分析和蒙特卡洛模拟的结合可以为全球海洋MP的赋存特征和环境风险提供更多有价值的信息。

引言

塑料污染是人类发展的结果，由于塑料使用量的增加，塑料污染导致了许多环境问题。据估计，每年约有1100万吨塑料垃圾流入海洋，到2050年，海洋中的塑料垃圾数量将超过鱼类总数。这些塑料垃圾进入海洋后，微塑料（MP，1 μm− 5 mm），一种具有强疏水性和大比表面积的新兴污染物将会形成。MP可以吸附化学污染物并作为化学污染物和病原体进入海洋生态系统的运输载体，这可能会改变污染物的环境行为并造成毒性效应。此外，MP很容易被水生生物摄入并在生物体中积累，更糟糕的是，MP可以通过食物链产生生物放大作用，对生物组织、器官和肠道产生不利影响，导致炎症反应和进食障碍。因此，海洋MP的出现不仅会增加海水淡化的难度，以实现资源的可持续利用，还会增加海水淡化成本。2015年，由于其高度的环境危害，MP被联合国环境大会第二届会议列为环境和生态科学领域第二个最紧迫的科学问题。

由于海洋被视为MP最大的汇，因此深入了解MP在海洋中的环境命运对于精细描述全球MP环境风险至关重要。这需要全面了解海洋MP的源汇机制、空间分布和生态风险。尽管以前的一些研究已经对海洋MP空间分布和环境风险进行了调查。然而，海洋MP的赋存特征与社会因素（如人口密度和经济指标）之间的关系尚不清晰，且分析方法仍存在一些不足。因此，对全球海洋MP沉积的研究热点、赋存特征、驱动因素和源汇关系进行系统分析至关重要。

Meta分析是进行系统综述的最有效方法之一，它以更可信的方式对独立研究的结果进行系统和定量评估。目前，meta分析已广泛应用于MP领域，但以往的研究仅从小尺度范围进行分析，而全球范围内的微塑料赋存特征和环境风险的分析尚未报道。传统的海洋MP生态风险评估模型主要依赖特定MP丰度进行计算。这种利用确定性点估计的方法难以准确评估环境风险，可能会导致对生态风险水平的低估或高估，导致全球评估缺乏准确性。蒙特卡洛模拟是预测不同风险水平概率的最有用的概率风险分析方法之一，可用于筛选不同MP对环境风险的贡献。这是预测海洋MP生态风险的有效方法。

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本研究首次将meta分析和蒙特卡洛模拟相结合，以评估全球海洋MP的赋存特征和环境风险，以解决以下关键问题：（i）了解全球海洋MP研究热点和赋存特征；（ii）准确评估全球海洋MP污染的生态风险；（iii）分析海洋MP的驱动因素和源汇关系；（iv）提出合理的策略，有效控制海洋MP污染并提高海洋环境可持续性。这项工作可以为深入了解海洋MP污染和塑料使用的可持续管理提供重要参考。

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成果简介

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全球海洋微塑料研究热点分析

       海洋微塑料已成为热门话题。根据关键词聚类图谱可分为4个聚类，聚类1：不同类型MP的暴露毒性；聚类2：海水和沉积物中MP的定性和定量分析；聚类3：大型塑料碎屑的积累；聚类4：微生物中MP的摄入和污染；且研究主要从海洋MP的发生特征转向相应的环境影响。此外，各区域和国家之间开展了合作研究，反映了海洋MP污染的严重性和研究的必要性。

Figure 1. Bibliometric analysis of the global marine MP literature based on the Web of Science. (A) Trends in the publication of papers on marine MPs from 2010 to 2021; (B) keyword clustering chart of marine MPs; (C) changes in the marine MP research hotspots from 2016 to 2021; and (D) changes in the major research countries and their mutual cooperation relationships from 2016 to 2021.

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全球海洋微塑料的空间分布特征

      全球海洋MP丰度的分布与地理位置、人口密度和经济发展等因素密切相关。通常，更靠近海岸且人口密度更高的地区，海洋MP的丰度会更高。此外，经济发展的不平衡造成了各国塑料生产、使用、管理和处置的差异。简而言之，高产量和废物管理不善是海洋MP大量存在的主要潜在原因。然而，受限于现有数据的限制，海洋MP丰度及其驱动因素之间的定量研究仍然不足。此外，由于最初的研究主要集中于MP的数量丰度，另一个重要指标MP的质量丰度可能更有利于准确评估海洋MP污染。总之，全球MP管理需要世界各国的共同努力和责任，以减少塑料废物流入环境。

Figure 2. Spatial distribution of the global marine MP abundance and its driving factors. (A) Spatial distribution of the MP abundance in seawater and the global population density; (B) spatial distribution of the MP abundance in sediment and the national total GDP; (C) spatial distribution of the MP abundance in seawater and the national total generation of plastic waste; and (D) spatial distribution of the MP abundance in sediment and the total mismanaged amount of national plastic waste. 2 }- Y& D8 z9 b

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全球海洋微塑料的形态特征

      总的来说，海水和沉积物中海洋MP的形状、颜色和种类存在显著差异。高产量和高利用率是不同种类海洋MP广泛存在的主要原因。内在因素如MPs的密度和生物降解性以及环境因素如太阳辐射和海浪拍打等是海水和沉积物中MPs发生特征差异的主要原因。此外，由于形态特征与MP使用之间的显著关系，我们可以尝试在未来根据MP的形态特征对MP的来源做出初步判断。

Figure 3. Morphological characteristics of global marine MPs. (A) Size distribution of MPs in seawater; (B) size distribution of MPs in sediment; (C) shape of global marine MPs; (D) color of global marine MPs; (E) type of global marine MPs; and (F–H) the shape, color, and type of MPs in seawater and sediment.

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地理位置与MP形态特征的相关性分析

      如图4所示，不同地区（主要是亚洲和欧洲）海洋MP的形态特征存在空间差异。就尺寸而言，亚洲海洋MP尺寸要小得多，而欧洲和美国的尺寸更大。就形状而言，亚洲海洋MP主要呈纤维状，而欧洲的主要呈碎片状。海洋MP类型的空间分布表明，通用塑料如PP、PE、PS和PVC，主要存在于欧洲海洋，而PET、PAN和PU主要存在于亚洲海洋。这与不同国家的工业类型密切相关，不同的工业模式导致不同类型的塑料使用，进而导致不同的生产和排放。

Figure 4. Spatial distribution of the global marine MP morphological characteristics. (A) Size of MPs in seawater; (B) size of MPs in sediment; (C) shape of MPs in seawater; (D) shape of MPs in sediment; (E) type of MPs in seawater; (F) type of MPs in sediment.

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生态风险评估

       总的来说，引入蒙特卡洛模拟来评估海洋MP的生态风险的结果比仅使用确定性风险评估更准确。蒙特卡洛模拟不仅可以获得不同风险水平的概率，还可以筛选不同类型的MP对环境风险的贡献率，从而采取相应措施降低海洋MP造成的环境风险。为了实现塑料的可持续发展，建议将危险性得分高的塑料类别列为优先污染物，并寻找这些塑料的替代品。

Figure 5. Ecological risk assessment of the global marine MPs. (A) Spatial distribution of the pollution load index; (B) spatial distribution of the polymer hazardous index; (C) spatial distribution of the potential ecological risk index; (D) the Monte Carlo simulation probability curve of the PLI; (E) the sensitivity analysis of the PHI; and (F) the sensitivity analysis of the PERI.

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海洋微塑料的源汇关系

       控源切汇是海洋微塑料领域的一个新兴问题，本文认为陆地废弃物是海洋MP的主要来源，占海洋MP来源的80%，这些废物主要来自包装业、建筑业、轮胎磨损和道路涂料、污水处理厂排放物、个人护理产品、农业薄膜和沿海旅游业，主要通过河流运输到海洋中。同时，海洋水产养殖和渔业也是邻近沿海地区海洋MP污染的重要来源。据估计，在欧洲经济区（EEA），与水产养殖相关的渔具和废弃物损失大致估计为3000-41000吨/年，另一项研究估计，每年有5.7%的渔网、8.6%的陷阱和29%的钓线流失到世界海洋中。此外，船舶运输和其他海洋用途，如海上石油和天然气勘探、天气监测也是海洋MP的重要来源。这些塑料一旦进入海洋，它们在紫外光、海浪拍打、生物摄食和缠绕、洋流和其他因素的作用下逐渐分解和破裂，最终沉入近岸海底、海洋水柱和深海沉积物中。

Figure 6. The global usage of plastics and the migration and transformation pattern of marine MPs. (A) Global plastic usage of polymers from 1990 to 2019; (B) global plastic use in 2019; and (C) the migration and transformation patterns of marine MPs.

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未来启示

      为了有效应对全球海洋MP污染和更好地保护海洋生态系统，我们根据我们的研究结果，从表1中的监测和管理角度提出了一些未来的影响。

Table 1 Future implications.

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总结与展望

近年来，海洋MP的研究受到了广泛关注，海洋MP研究逐渐从赋存特征转向环境效应。全球海洋MP数量丰度显示出显著的空间异质性，海水中的MP数量丰度为0.0060-660000 item/m3，沉积物中的MP含量为0.0017-147.9 item/g，其分布模式主要受离岸距离、人口密度和经济发展的影响。此外，小尺寸MP（< 1 mm）占两种环境介质的绝大多数，PE、PP和PET是最具代表性的类型，纤维、碎片和薄膜是主要形状，透明、白色和黑色是最常见的颜色。同时，海洋MP的形态特征受地理位置的影响，主要表现在亚洲和欧洲之间。风险评估的结果表明，大多数全球海洋环境仍然处于低MP污染水平，但PU、PAN和PVC对PHI和PERI的贡献很高。源汇机制表明，陆基废物、海洋水产养殖、捕捞活动和船舶运输被认为是海洋MP的主要来源。本研究发现，近岸海底、海水水柱和深海海底环境是海洋MP的最终聚集场所。基于此研究，可为未来重污染地区和高危害MP类型的研究和管理提供有价值的参考。然而，由于meta分析严重依赖于原始研究的结果，因此需要更多的实证研究来提高未来的可信度。同时，只有在社会各界的共同努力下，我们才能建立海洋命运共同体。

原文信息

Li Tang, Jing-Chun Feng*, Canrong Li, Jianzhen Liang, Si Zhang, Zhifeng Yang. Global occurrence, drivers, and environmental risks of microplastics in marine environments. Journal of Environmental Management, 2023, 329: 11691, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116961

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