彭 博 王继龙

很多孩子都喜欢游乐场的海洋馆，尤其是其中五颜六色的海洋球。每次由家长陪着去游乐场玩的时候，他们都会一遍又一遍地把海洋球扔来扔去，乐此不疲！我们作为地质工作者，每当坐在游乐场外看着子女用这些色彩斑斓的塑料玩具玩闹时，都会想起自己在海边开展海岸带地质环境调查工作时的情景。然而，当脑海中出现蓝色海洋被这些塑料占领的景象时，我们却怎么也笑不出来了。

在世界卫生组织国际癌症研究机构所公布的致癌物清单中，聚乙烯单体名列3类致癌物中。一些常见的塑料添加剂如阻燃剂、增塑剂、热稳定剂和抗氧化剂都会对水生生物和人类造成危害。

水生生物摄食塑料微粒，会对生物本身造成物理性损伤。塑料微粒、碎片、纤维等通过缠绕和磨损机制伤害或阻塞摄食它们的水生生物的消化系统，减少水生生物的食物摄取量，使吞吃塑料的生物产生伪饱腹感等，最终导致其饥饿甚至死亡。

此外，作为污染物的“坐骑”，塑料微粒不仅携带着自身的有毒物质，更易从周边环境吸附大量的化学污染物（如重金属、有机污染物等）。当塑料微粒携带污染物进入生物体时，这些化学成分会对生物体造成一定的毒理效应。另外，由于塑料微粒质地轻、难降解，因此它很容易伴随食物链进行转移，让更多动物暴露在有害物质中，海洋中的塑料微粒会通过海洋食物链-人类食物链传递，最终对人体健康安全造成一定的危害。

塑料的诞生

你很难想象，作为污染的罪魁祸首的塑料，它竟是为了拯救野生动物而出现的。在塑料发明之前，人们生活中的许多小物件，如纽扣、饰品甚至是钢笔、琴键之类的原材料都取自动物（如用象牙、牛角等制作而成）。这些材料质地坚硬、性质稳定，能满足当时人们日常生活的需要。随着工业革命的开始，人口的大规模增长和人类对生活质量的追求，让自然产出的动物材料难以满足人类的需求。于是在19世纪中叶，纽约的一家台球公司开出1万美元奖金，用来奖励找到代替象牙来制作台球的材料的获胜者。最终，一位叫约翰·海厄特的美国印刷工人发现，将做火药的原料硝化纤维加入樟脑，在热压下可做成各种形状的制品，可以作为象牙的替代品，并将它命名为“赛璐珞”。这就是现代塑料的原型。

海厄特并没有得到1万美元的奖金，但在1872年，他于美国纽瓦克建立了一个生产赛璐珞的工厂，除用来生产台球外，还用来做马车和汽车的风挡及电影胶片、假象牙和台球等塑料制品，后来又用赛璐珞制造箱子、纽扣、直尺、乒乓球和眼镜架等。但这一切只是一场巨大变革的开始。

塑料垃圾与人类世

塑料是一种神奇的材料，有着近乎无穷无尽的潜力，只需要改动一些化学键，你就有可能获得一种新型材料。塑料的发明引起了一场造物革命，只用石油就可以获取以前千金难求的材料，象牙、牛角这些生物制品只剩下收藏意义。一个存在各种可能性的世界就这样呈现出来。万物可造，不仅可以被替代，而且变得更加便宜和稳定，人类在这一刻找到了造物主的感觉。

历史一再证明：福祸相依。人类在追求材料的各种特性的过程中，一直希望这些材料更加耐用、坚固和稳定，然而未曾想到为自己制造出来一个大麻烦：塑料垃圾。塑料垃圾继承了塑料所有的“优良品质”，包括性质稳定、难以降解。当然，塑料的问题不仅仅因为自身，还因为它往往不是单独存在的，而是同其他垃圾共存。在这一过程中，增加了多种固液废弃物处理的问题。

塑料的大规模生产大约在70～80年前开始，今天它的使用数量呈指数增长，相应地，它的浪费也随之增加。从陆地到海岸再到深海，塑料无处不在。2015年，美国佐治亚大学工程教授珍娜·杰贝克（Janna Jambeck）建立了一个大致的模型，并估算出：在2010年，192个沿海国家和地区产生的2.75亿吨塑料垃圾中，有480万吨到1270万吨进入到海洋。由于塑料垃圾需要很长时间才能降解，所以大量塑料已经积聚在海洋中，未来还会继续增加。人类对地球的改变和影响也将越来越深远。

塑料材料的类型和用途

2000年，为了强调人类在地质学与生态学中的核心作用，诺贝尔化学奖获得者、荷兰大气化学家保罗·克鲁岑（Paul Crutzen）建议使用人类世（Anthropocene）这一概念来表示当前的地质年代。这一术语的提出标志着人们开始意识到人类活动的重要性。人类活动在改变地球，其中的一些改变现在看来是持久性的。

大西洋东北部塑料微粒采样及变化情况

“人类世”这一术语起初并非正式术语。在2008年的伦敦地质学会大会上，地层委员会通过大多数委员表决，将该术语“正式化”，但这并不等同于将该词作为术语正式投入使用。要想定义一个新的地质年代，相关的标志物必须已经造成了全球范围影响，而且将被并入沉积物，存在于未来的地质记录中。这些塑料垃圾与人造放射性尘埃（核武器爆炸后产生）一同被作为新地质年代标志物的候选者的第一梯队，被人类世工作组所考虑。象牙替代物的发明者不会想到，自己当年只是想做出更便宜的台球，但最终这种小小的人造材料却和人类制造过的最强大的武器有了同样的影响力和效果。人类自己也未曾预料，仅靠自己“勤劳”的双手，只用了短短不到一百年，我们就给地球加了一层稳定的外壳。

什么是塑料微粒

越来越多的人发现塑料是环境中的主要污染物，特别是当它们降解成尺寸小于5mm的更小颗粒时。这种颗粒被正式定义为塑料微粒（Microplastics，简称MPs），其中较大的粒径为1～5mm，较小的粒径为1μm～1mm。最早提出塑料微粒概念的是英国普利茅斯大学（University of Plymouth）的科学家理查德·汤普森（Richard Thompson）及其研究团队。他们于2004年在美国《科学》（Science）杂志上发表了题为“海上迷踪：塑料到哪里去了？（Lost at sea: Where does all the plastic go?）”的文章，引起了全世界的广泛关注。为了研究垃圾在海洋中的扩散情况，他们从苏格兰亚伯丁到兰德群岛长约315公里（CPR1）、苏格兰北部苏尔礁（Sule Skerry）到冰岛长约850公里（CPR2）的调查线路上进行采样，对沉积物中的塑料碎片进行量化分析，发现聚苯乙烯塑料碎片这种污染物的含量在沉积物中快速积累，而且这些碎片已经不同程度地被底栖性、滤食性的动物所吸收。他们通过简单的实验，就得到了“塑料微粒会对环境和多种生物产生较大的影响”的结论。

海洋中的塑料微粒

美国斯克里普斯海洋研究所（Scripps Institution of Oceanography）的学者研究了圣巴巴拉沿岸的海底沉积物岩心。对在约580米深海域下有相对静止的水流、几乎完全缺氧的沉积条件下形成的岩心进行研究后发现：1945年之前，哪怕在那时塑料产品还未被大量生产和广泛使用，在相应的沉积层中就已经发现了塑料微粒的身影，且当时的塑料微粒沉积率为780个/平方米/年。这一数字在1945年后呈指数性增长，每20年左右就会翻一番，在2010年就已经达到了4000个/平方米/年，这与世界塑料产量的增加速率有着高度的一致性。

在沉积物岩心中，研究人员发现的塑料大部分都是合成纤维织物中的纤维，占比高达77%。根据沉积物观察结果，二战后的塑料种类变得更加多样化，除了纤维，还有塑料袋的材料碎片、塑料颗粒等。这表明我们的生活废水并没有经过充分的处理就流入了海洋，我们对塑料的喜爱已经深深地刻进了石头里。

虽然塑料的研发和生产历史并不算短，但真正大规模生产还是从1950年才开始的。因此，我们现在“只”有92亿吨的塑料制品需要应付。其中，超过69亿吨已成为垃圾，而且，其中的63亿吨从来都没有被放进过回收再利用垃圾箱。

到底有多少未回收的塑料废物进入到地球最后的“水槽”——海洋？确切的数字很难估计。但目前确定的是，包括濒危物种在内的近700种动物已经受到了塑料的影响，有些伤害是显而易见的：被破渔网或扔掉的玩具六连环（six-packed rings）勒死。更多的伤害是看不到的。不同大小的海洋生物，从浮游动物到鲸鱼现在都会吃进塑料微粒，而这些塑料微粒一般小于五分之一英寸（约0.5厘米）。海洋塑料是与气候变化并存的、正在逼近的灾难。在2017年12月内罗毕全球峰会上，联合国环境项目负责人将此喻为“海洋大决战”（“an ocean Armageddon”）。

沉积的塑料与全球塑料产量的关系

干净的海洋还会回来吗

塑料很难被分解。假如塑料在中国古代就已经被发明出来，而且在郑和下西洋的时候就用塑料袋装载淡水和食物，那么当时使用后的塑料垃圾直到今天都不会被完全分解，很可能还躺在东南沿海和东南亚的某些小岛上。

当然，大部分塑料并不是被船舶抛弃的，而是被随便地抛弃在陆地上和河流中（特别是在亚洲地区），随后被带入海洋。以杰贝克教授研究中估算的每年进入海洋中塑料垃圾量为例，取中位数800万吨即相当于全世界海岸线上平均每1英尺（约30厘米）就有5个装满塑料垃圾的食品杂货袋！目前还不清楚这些垃圾需要多长时间才能被充分地生物降解成塑料分子，初步估计这需要450年以上，甚至可能永远也不会充分降解。

当然，现实可能更加残酷。我们面对的是一个塑料产量和废弃量不断增加的地球。人类每一天生产、消费和丢弃的塑料都在增多，而人类对塑料的需求还在增大，海洋中塑料微粒的含量依然在增高，未来海洋会变成什么样子还很难说。不幸中的万幸是，石化能源是一种不可再生资源，随着人类的开采，开发成本越来越高。出于资源和环境保护的考虑，全世界对海洋塑料微粒污染的管控逐渐升级。干净的海洋，未来依然可期。

塑料的生物降解

塑料污染不断增加的现状是塑料材料科学科研人员关注的主要问题。传统的塑料降解技术（即焚烧和填埋）会产生大量有害物质，因此，它在遏制塑料污染方面显得力不从心。塑料循环再生处理技术又主要局限于塑料的回收利用。所以基于生物技术的塑料降解和回收技术能耗低、效率高、环境友好，在不少人眼中有非常好的前景。

德国格赖夫斯瓦尔德大学的博恩舒尔（Uwe T. Bornscheuer）和亚琛工业大学的布兰克（Lars M. Blank）等研究者指出，高分子材料中的主链化学键类型对生物降解能力有很大影响。一般情况下，主链含酯键或酰胺键等可水解键的少数几类塑料可以通过酶法转化为结构确定的低聚物或单体，可被重复再利用于塑料生产或升级为价值更高的产品。比如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）通过酶水解作用在原则上可以得到对苯二甲酸和乙二醇和合成聚酰胺（PA），可以被酶水解为二胺/二酸或ω-氨基羧酸。而对于聚氨酯（PUR），由于其化学成分更加复杂，只有少数几种类型才能回收。迄今为止，还没有具有显著PA和PUR解聚活性的酶见诸报道。而对于只含有饱和碳碳键主链的材料，通常需要借助紫外线或者强氧化剂的辅助，在高分子中引入双键或者氧原子，才便于生物降解。

通过基因工程的手段将降解塑料的能力引入现有微生物，一直是塑料降解领域的研究重点。但是将转基因生物（GMO）故意释放到开放环境中以降解塑料，一直是被世界各国严令禁止的。毕竟这些转基因生物不仅会降解污染环境的塑料，还会影响人们正在使用的塑料，最终会带来什么结果仍然无法估量。

目前，塑料生物降解技术仍旧是一大难题。在取得突破性进展之前，大家更应该减少一次性塑料制品的使用，降低不可降解塑料材料的生产与使用，做好垃圾分类，用实际行动积极肩负起解决环境污染问题的责任，保护我们赖以生存的环境。