海洋微塑料生态风险研究进展与展望 - 海洋微塑料影响

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来源：《地球科学进展》2016 年第 6 期

作者：孙晓霞

单位：中国科学院海洋研究所胶州湾生态系统国家野外科学观测研究站，青岛海洋国家实验室海洋生态与环境科学功能实验室，中国科学院大学

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海洋中的微塑料是指通过各种途径进入海洋中的直径小于5 mm 的塑料颗粒。在过去60 年中全球塑料生产量增加了560 倍，海洋环境中微塑料的积累在不断增加。微塑料或悬浮于海水中，或沉积到海底成为沉积物的组分，对海洋生态系统的潜在风险引起了研究人员的广泛关注。

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文章综述了海洋环境中微塑料的生态风险研究进展，包括微塑料在近海水体、沉积物以及大洋中的分布和浓度；底栖动物与浮游动物对微塑料的摄食作用；微塑料本身、微塑料添加剂以及微塑料吸附的污染物质对海洋生物的毒性效应研究进展。对未来需重点研究的领域进行了展望，包括微塑料采样与测定方法的优化，微塑料在不同海洋生境中的观测，微塑料的生态毒理学效应及食物链传递效应，微塑料生态风险评估方法学研究，期望能够为系统评估微塑料对我国近海生态系统的影响提供依据。

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研究背景

海洋微塑料污染是一个全球性问题。据《科学》杂志研究报告，2010 年全球192 个沿海国家和地区共制造2.75 亿 t 塑料垃圾，其中约有800 万 t 排入海洋。鉴于塑料垃圾数量不断增多，到2015 年有超过900 万 t 塑料垃圾排入海洋。在机械作用、生物降解、光降解、光氧化降解等过程的共同作用下，海洋中的塑料垃圾会逐渐被分解成碎片，存留于海洋数个世纪。这些毫米级别乃至微米级别的塑料碎片被称之为微塑料（microplastics）。概括来讲，海洋中微塑料是指通过各种途径进入海洋中的塑料颗粒，包括工业上使用的塑料颗粒原料、大块塑料垃圾在海洋中分解形成的塑料碎屑、各种生活用品的塑料添加物和工业生产使用的抛光料等。目前微塑料使用较多的上限阈值是指直径小于5 mm 的塑料颗粒，有些研究也使用过1 mm 的阈值。微塑料或悬浮于海水中，或沉积到海底成为沉积物的组分，对海洋生态系统的潜在风险引起研究人员的广泛关注。

在过去60 年中全球塑料生产量增加了560 倍，海洋环境中微塑料的积累在不断增加。这种趋势可能会导致对海洋动物更为严重的危害。尽管《科学》杂志最近报导了一种塑料降解菌，能够分解聚对苯二甲酸类（PET）塑料，但到目前为止还缺乏有效的方法消除已经存在于海洋环境中的微塑料。

微塑料对海洋生态系统的影响主要体现在3 个方面。

首先，微塑料易造成海洋动物进食器官的堵塞。已有研究发现，一系列的海洋生物，包括浮游动物、底栖无脊椎动物、双壳类、鱼类、海鸟、大型海洋哺乳动物等能够摄食微塑料，一旦摄食，微塑料可能会对生物产生机械损伤，堵塞食物通道，或者引起假的饱食感，进而引起摄食效率降低、能量缺乏、受伤或者死亡。

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其次，许多塑料中含有有毒物质，这些有毒物质能随着微塑料被吞食而释放出来，并进入生物体内。

第三，微塑料易成为海水中有毒化学物质的载体，间接影响海洋生物。微塑料大的比表面积及其疏水特性，使其更容易吸附水体中的污染物，动物摄食后引发毒性效应。

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简言之，与微塑料相关的危害包括材料的物理组分、化学组分和吸附的环境化学物质（如持久性有毒物质、金属等）。微塑料进入动物体内后，一方面会由于消化不良，影响动物进一步摄食。另一方面，微塑料自身或其携带的有毒物质给海洋生物造成直接毒害，并且这些有毒物质可以沿食物链进行传递、生物富集，最终影响到人类健康。

因此，海洋中的微塑料既是海洋污染物质的来源，也是有毒污染物质的传播载体。微塑料及其携带的污染物对海洋生物的协同作用目前已被广泛认知，近年来，欧盟、美国等已将微塑料污染包含进国家和国际海洋保护策略、政策和立法中（如欧盟海洋策略框架指南，美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）海洋垃圾计划）。

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国际研究进展

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国际上针对微塑料的研究始于20 世纪70 年代，但真正引起重视是在2000 年之后。自2004 年起，科学界开始使用微塑料（microplastics）这一术语。目前的研究主要聚焦于海洋水体和沉积物中微塑料的分布及其对海洋生物的影响。

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2.1 海洋中微塑料的分布

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微塑料进入海洋后主要受到海流等物理过程驱动，在近海海域和开放大洋中都发现了高浓度的微塑料。目前微塑料的采样方法还未统一标准。水体中的微塑料通常使用拖网的方法采集，使用较多的是MANTA 网采集表层海水中的微塑料。沉积物中的微塑料分离相对比较复杂，通常是采用密度分离的方法。周倩等设计了一套连续流动分离浮选装置，可对大体积沉积物样品进行不间断分离浮选，通过试验取得了较好的效果。Hidalgo-Ｒuz 等、Rocha-Santos 等和Griet 等分别汇总了水体、沉积物和生物体内微塑料的采样和分析方法。

基于不同的观测手段，一些国家在其近海区域开展了相关的研究，例如，加拿大哈利法克斯港口、葡萄牙沿海、地中海沿海国家、韩国、新加坡等。Claessens 等根据对比利时沿海沉积物芯样的分析结果表明，在过去20 年间微塑料浓度稳步增加，从55 个微塑料/kg 干重（1993-2000 年）增加到156 个微塑料/kg 干重（2005-2008 年）。Sherman 等根据模式预测，到2025 年中国和印尼沿海将成为微塑料的主要聚集海域。

除近海海域外，在大洋区也发现了高浓度的微塑料分布。例如，在北太平洋涡旋区，漂浮的微塑料与浮游动物浓度的比例为6：1，有些海域甚至高达30：1。在北太平洋涡旋区，小于3 mm 的微塑料数量占总数量的82%，在黑潮海域占62%。在加利福尼亚海域，近30 年来冬季检测出微塑料的站位占总站位数的56%~68%。Law 等基于40 年的数据，绘制了东太平洋塑料碎片的分布图，估计至少有21000 t 微塑料在此区域漂浮。Lusher 等于2014 年对东北大西洋的微塑料污染开展了研究。Thompson 等根据北海和西北大西洋浮游动物连续记录仪（Continuous Plankton Recorder，CPR）样品的分析结果，证明该海域微塑料的浓度在1980s 和1990s 显著高于1960s 和1970s。

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对全球海洋微塑料分布的研究进一步证明了其在海洋环境中的普遍性。近海是各沿海国家的战略经济区，微塑料对近海海洋生物及生态安全的影响成为重点关注的问题。这方面的研究主要聚焦于海洋生物对微塑料的摄食及其由此引发的对海洋生物生理、繁殖的影响上。

2.2 海洋生物对微塑料的摄食作用

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绝大部分受试生物能够对微塑料产生摄食效应。相对而言，对于底栖无脊椎动物摄食微塑料的研究要多一些。目前绝大部分研究是在实验室内通过受控实验开展。研究表明，微塑料易被滤食性和食碎屑的底栖无脊椎动物摄食，如蠕虫、端足目、藤壶等。海洋蠕虫摄入少量的微塑料后便能扰乱其生理过程，降低它们储存能量的能力。在将微塑料与沉积物混合的情况下，海参摄入体内的微塑料与沉积物比例比混合比例更高，表明其对微塑料可能具有选择性。使用微塑料培养紫贻贝48 天后，在紫贻贝的血淋巴中发现有微塑料，且微塑料的存在降低了紫贻贝的滤食效率。Cauwenberghe 等进一步研究了微塑料对2 种商业贝类:紫贻贝和太平洋牡蛎的影响。在2 种贝类的软组织中都发现了微塑料。在采集于苏格兰西海岸的120 个挪威龙虾中，有100 个个体的肠道中发现微塑料纤维。由此可见，海产品中的微塑料会对食品安全构成威胁，需要对其风险进行评估。

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相比较而言，低营养级的生物更加容易摄取微塑料，通过食物网的传递作用，可能引起生物累积效应。由于浮游动物等低营养级生物中许多类群不能有效区分塑料颗粒和食物，更容易摄食微塑料。与此同时，由于低密度的塑料（如聚乙烯和聚苯乙烯）易漂浮，微塑料常聚集在海洋表层。因此，微塑料很容易与浮游生物发生作用。Doyle 等认为，浮游动物与微塑料之间的相遇几率对于确定微塑料对浮游动物的影响是非常关键的。许多研究使用“微塑料/浮游生物浓度比”（plastic to plankton ratio）来表征二者的相遇几率。Collignon 等通过研究法国Calvi 湾的微塑料与浮游动物分布之间的关系，发现微塑料浓度与浮游动物浓度的比例达到2.73，极易引起上层捕食者的混淆。Lima 等对Goiana 河口微塑料浓度的分布研究发现，水体中微塑料的浓度能够决定其被上一级浮游生物摄食的程度。

针对浮游动物摄食微塑料以及由此引发的危害效应的研究较少，对微塑料影响浮游动物并进而影响食物网的途径和机理认识不足。在早期的实验室研究中主要聚焦于塑料颗粒大小的选择性上，如桡足类和枝角类能够摄食直径5~60 μm 的塑料小球，但不同种类间的摄食效率不同。胶质类浮游动物樽海鞘也能够摄食塑料小球。进一步的研究发现，特定大小的塑料小球能够降低浮游动物的摄食速率。Setala 等研究了微塑料对波罗的海浮游动物的影响，受试生物包括糠虾、桡足类、枝角类、轮虫、多毛类幼体和纤毛虫。将这些生物暴露在10 μm 的荧光聚苯乙烯小球中。所有生物都表现出对微塑料的摄食作用。Desforges 等在东北太平洋新哲水蚤和磷虾体内发现了微塑料，证明自然海域浮游动物的确能够摄食微塑料。

2.3 微塑料的生态毒理学效应

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微塑料可产生生态毒理学效应。在塑料的降解过程中，可向海洋环境中释放塑化剂。从大洋收集到的塑料颗粒中已经检测到塑化剂的存在。邻苯二甲酸盐和双酚A 等塑化剂能够影响动物的繁殖，损害甲壳类和端足类的发育，诱发遗传畸变，改变人体的内分泌功能、影响生殖和发育。

微塑料还能够富集高浓度的持久性有机污染物，如PCBs 和DDT、烃类、重金属等。已有研究表明，持久性有机污染物通过微塑料进入鸟类体内。对北太平洋中部涡流中食浮游生物的中层鱼的解剖结果说明，鱼类胃含物中微塑料的比例占35%。Ｒochman 等研究表明因摄入微塑料而传输的有毒化学物质对鱼类肝脏能够产生胁迫作用，并进一步发现鱼类摄食富集了圣地亚哥湾自然海水有机污染物的微塑料能够改变鱼类的基因表达，表明微塑料及其富集的有机污染物能够从遗传水平上对海洋生物产生影响。Avio 等研究表明微塑料能够将多环芳烃暴露给贻贝（Mytilus galloprovincialis），其血淋巴、腮和消化道组织出现多环芳烃的明显积累。细胞效应包括免疫响应的改变、溶酶体、过氧化物酶体、抗氧化系统的改变、神经毒性效应、基因毒性效应、基因表达谱的改变等。这一研究证实微塑料能够吸附多环芳烃，产生生物放大作用，并通过分子和细胞途径对微塑料产生毒理学响应。

微塑料的生态毒理学效应研究主要体现在海洋动物，对浮游植物的影响研究较少。Davarpanah 等研究了微塑料对海洋微藻（Tetraselmis chuii）生长的影响，发现1~5 μm 的塑料小球对微藻种群的生长未产生显著影响。另一项研究表明，由于塑料中添加的五氯苯酚和四氯苯酚，聚乙烯对浮游植物能够产生直接的毒性作用。此外，Long 等研究发现微塑料能降低硅藻的沉降速率，增加隐藻的沉降速率。

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国内研究进展

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我国是塑料使用大国。根据《科学》的估计数字，我国是每年排放海洋塑料垃圾最多的国家，据估计为240 万 t，约占全球总量的30%。2014 年之前，我国对海洋中微塑料的研究开展得极少。近2 年国内学者开始认识到微塑料对生态环境及人类健康影响的重要性，在不同领域初步开展相关研究。Zhao 等于2014 年首次观测了长江口表层水体中悬浮微塑料的组成与分布，发现河口区和外海区微塑料的浓度达到4 137 和0.167 个/m3。该研究表明河流是海洋中微塑料的重要来源，对三峡水库微塑料的研究进一步证明了这一点。长江口微塑料的粒径范围为0.5~5 mm，占总数量的90% 以上。Kuo 等分析了台湾北部塑料垃圾的来源和组成。Li 等和Yang 等分别研究了微塑料在中国市场双壳贝类和食盐中的含量。Qiu 等首次观测了北部湾近海沉积物中微塑料的含量，发现微塑料大量存在于近海沉积物中。Zhang 等对中国北部沿海2 个海滩微塑料吸附的持久性有机污染物进行了观测，证明微塑料是有机污染物的重要载体。周倩等针对海岸环境中微塑料污染进行归纳总结，并对滨海潮滩土壤中微塑料的分离方法进行了研究。

总体来看，我国近海水体中微塑料的种类、浓度、分布等基线数据还非常缺乏，近海生物体内微塑料的摄食状况近乎空白，微塑料在近海食物网中的传递规律更不清楚，无法对微塑料的生态风险进行评估。为保障我国近海生态安全，针对我国近海典型海域微塑料的分布规律、微塑料对我国近海海洋生物、食物网、生态系统等的影响研究急需开展。

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研究展望

综上所述，海洋中微塑料的生态风险研究仍处于起步阶段。近年来国际上对海洋中微塑料的分布、浓度、影响已有一些了解，但对于微塑料的具体分布、运移路径、环境归宿、生态影响等方面尚需开展大量研究与评估工作。

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根据当前研究进展，未来的研究重点可聚焦在以下方面：

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微塑料采样与测定方法的优化

由于微塑料的大小、形状、密度、颜色、化学组分等差异，不同类型微塑料在不同生境中（如水体、沉积物等）输入、输出和存留的时间均不相同。目前关于微塑料分布时空变化比较方面的一个主要问题是采样和分析方法不统一。未来的研究需要考虑采样和鉴定的方法学，发展新的工具和分析策略，能够充分地计数和测量微塑料的特征，开发适合微塑料分析的传感器，特别是不同环境中微塑料的原位分析。

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微塑料在不同海洋生境中的观测

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目前一些沿海国家针对微塑料在近海环境中的分布开展了一些研究，但很不全面。特别是我国作为塑料使用大国，近海微塑料组成、浓度分布的背景数据极为缺乏。为此，需要针对水体、沉积物、生物体内微塑料的浓度与组成开展观测与研究，明确不同的海洋过程、雨季/旱季对微塑料分布的影响。基于此，一方面能够进一步明确近海微塑料污染状况，另一方面为后续的生态风险评估及生态毒理学相关研究奠定基础。

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微塑料的生态毒理学效应及食物链传递效应

微塑料的生态毒理学效应主要体现在微塑料本身的影响、微塑料释放的化学物质的影响以及微塑料作为载体吸附的水体中污染物的影响3 个方面。建议针对这3 个方面，系统研究不同类型海洋生物对微塑料的敏感性，评估不同种类、不同形态微塑料对海洋生物的影响；研究微塑料及其吸附的污染物通过食物链的传递机制，评估这些过程在种群和生态系统水平上的影响；了解微塑料添加剂的生态效应、生物可利用性、毒理学效应、在环境中的存留时间等。

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微塑料生态风险评估方法学研究

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微塑料的生态风险在不同的海区有所不同，在海岸带、河口、近海等与人类活动密切相关的海区应予以特别重视。鉴于不同区域的特征不同，需要针对不同区域特征开发微塑料风险的具体评价方法，基于微塑料来源—路径—归宿—行为，利用相应的方法开展生态风险、社会风险评价，为后续的近海生态系统管理与决策提供科学支撑。

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