葛琦 周志文 刘慧婷

（沈阳理工大学环境与化学工程学院，辽宁 沈阳 110159）

1 引言

塑料具有耐久性的特点，成本低廉，是全球人类文化和商业中的重要组成部分，给人们的生活带来了极大便利。然而，随着塑料制品的广泛使用，大量塑料废弃物被排放并累积在环境中。据报道，每年约有2 000 万t 废弃塑料被排放并最终到达海洋，对淡水、沿海和海洋环境造成负面影响，对全球生态系统构成严重威胁［1］。

环境中的塑料垃圾经历漫长的风化过程，将逐步碎裂分解成为更小的塑料颗粒，其中粒径小于5 mm的微小塑料颗粒被称为微塑料（microplastics）［2］。相比于大块塑料，微塑料的粒径更小，比表面积更大，表面性质在风化过程中逐渐改变，将造成更为严重的环境影响。微塑料的污染防控已经成为全球性的重要环境课题，微塑料污染物的环境行为和生态效应已经成为当前环境科学领域的研究热点。

2 天然水体中微塑料的来源

天然水体中微塑料的来源包括工业生产、生活废弃物等多种途径，按照其释放的形态和途径不同，可分为初级微塑料和次级微塑料。

2.1 初级微塑料与次级微塑料

按一定的目的进行设计和直接生产的微塑料颗粒（如工业塑料颗粒、工业废料、个人护理产品等）称为初级微塑料。这类微塑料通常直接用于人类的生产生活中，通过排水系统排放至淡水系统，并进入海洋［3］。

废弃塑料制品在自然环境中经历机械磨损、光降解、氧化和水解降解等一系列风化过程并逐渐分解得到的微塑料称为次级微塑料。光降解是表层海水中次级微塑料产生并进一步降解的主要机制，随着塑料结构完整性的丧失，塑料碎片越来越容易因磨损、波浪作用和湍流而碎裂［4］。随着时间推移，光降解持续进行，塑料碎片粒径将逐渐缩小形成微塑料，并继续降解［5］。然而，相比于废弃塑料的排放和堆积，微塑料的降解过程仍然十分漫长。现如今，废弃塑料已占海洋垃圾总量的60%～80%，甚至部分地区超过95%，并逐年递增［6］。次级微塑料已经成为海洋及其他天然水体环境中微塑料污染物的主要来源。

2.2 海洋中的微塑料

人为活动或者自然作用生成的微塑料最终都将进入海洋，研究海洋微塑料的来源是评估微塑料环境风险并规范微塑料科学管理的重要环节。目前已知的微塑料来源包括陆地输入、滨海旅游业、船舶运输业、海洋工业、海洋养殖业等［7］。

陆地输入是海洋微塑料的主要来源之一。个人护理产品和空气喷剂中的初级微塑料，以及处置不当的废弃塑料碎片与垃圾渗滤液中的塑料碎片，可以通过家庭或工业排水进入污水系统及河流中［8］。即便污水处理厂会将大块塑料和一些较小的塑料碎片截流，但大部分微塑料依然会通过过滤系统进入河流，最终进入海洋［3］。

海洋工业、捕鱼业、海洋养殖业和海滨休闲旅游的发展，是造成海洋塑料污染物激增的另一原因。这些领域产生的废弃塑料直接进入海洋生态系统，对海洋生物群构成极大威胁。Bullimore 等的一项调查研究显示，被丢弃的渔具是最常见的海洋塑料废弃物之一［9］。这类废弃物主要由塑料单丝线和尼龙网制成，呈中性浮力，可以长期存在于海水的不同深度并随之漂移。海洋船舶的生产运营同样是海洋垃圾的重要来源。Horsman 等研究指出，20 世纪70 年代全球商业捕鱼船队共向海洋中倾倒了超过23 000 t的塑料包装材料［10］。这些废弃塑料除少量为初级微塑料外，绝大部分为大块塑料废物，其长期存在于海洋水体中发生破碎并降解，成为海洋次级微塑料的主要来源。

3 微塑料在天然水体中的分布

近年来，微塑料颗粒在世界各地的地表水、沉积物、海洋甚至饮用水中被广泛检出［11］。监测数据显示，意大利和葡萄牙海岸、夏威夷海滩、赤道西大西洋岛屿以及德国和希腊岛屿海岸均受到微塑料污染，欧洲莱茵河、多瑙河等多条大型河流中同样存在大量微塑料［12］。与此同时，微塑料对我国淡水及海洋系统的污染不容小觑。据报道，我国渤海水域表层海水平均微塑料丰度［13］、黄海北部水域表层海水微塑料丰度［14］都较高。河流及湖泊淡水系统中的微塑料污染有不均匀性，人类活动频繁水域的微塑料丰度更高。我国椒江、瓯江和闽江河口［15］以及太湖都不同程度地受到微塑料污染［16］。

塑料垃圾已经遍布海洋。这些塑料碎片由洋流、风、河流流出和漂流驱动，可以被运送到更为遥远且原始的地方，包括大洋中的岛屿和两极，并在这一过程中逐渐风化破碎成微塑料。微塑料在全球海域中分布广泛且不均匀。微塑料在近海海域中的分布相对集中，主要分布在表层海水、近海沉积物以及海滩［7］。Thompson 等曾对英国Plymouth 附近的30 个河口、海滩和潮汐沉积物进行采集，发现了9 种不同类型的微塑料，基本来自衣物、包装和绳索掉落的纤维及碎片［17］。Law 等报道了1986—2008 年北大西洋西部和加勒比海表层海水塑料含量的时间序列，在6 136 组表层浮游生物采集数据中，有超过60%的浮游生物摄入了毫米级塑料碎片［18］。与其他地区相比，南极海洋系统往往被认为是最原始的。然而，近期的研究和科学报告显示，南极海域的深海沉积物和表层海水中有微塑料检出。Waller 等在一项研究中指出，南极海域的微塑料污染主要来源于其他海域，而非当地船舶和科学研究站的排放［19］。

根据其成分、密度和形状不同，微塑料可以存在于海洋中的各个深度，包括漂浮在海面、浸泡在海中乃至下沉至海底。低密度微塑料主要存在于表层海水，而生物体附着则会导致漂浮的微塑料下沉。Andrady 等在一项研究中指出，微塑料存在于海洋环境中，其表面会迅速积累生物膜，促进藻类和无脊椎动物依附于塑料表面生存，进而增加微塑料的密度，导致微塑料呈现中性浮力并浸入海水之中［20］。高密度微塑料以及对有机污染物吸附作用较强的微塑料则多被底栖生物摄入。由于密度较大，这部分微塑料会在重力作用下沉至海底，并被深海生物误食，对深海生物及深海食物链产生严重危害，破坏深海生态系统［4］。

4 微塑料的毒性效应

研究微塑料的毒性效应是评价其环境风险的重要环节。

4.1 微塑料的化学毒性

微塑料的环境风险部分源自于其潜在的化学毒性，微塑料的化学毒性主要来源于其内源性添加剂的浸出和预吸附污染物的解吸过程。目前，大部分微塑料化学毒性研究集中在探究微塑料载体对污染物的预吸附作用方面，其中，污染物主要包括疏水性有机污染物（如多氯联苯、多环芳烃和二氯二苯三氯乙烷）与重金属污染物（如镉和铅）［2，21-24］。Wardrop 等在一项研究中指出，个人护理产品中的塑料微珠可以吸附有机污染物，鱼类摄入微珠后，有机污染物将被鱼类吸收［21］。天然水体中微塑料对污染物的吸附过程受多种因素影响，包括微塑料性质（聚合物类型、比表面积、表面含氧官能团、结晶度等）、污染物性质（分子大小、极性）和水化学条件［25-26］。Liu 等曾报道海水中微塑料对双酚A 的吸附和释放，指出微塑料对双酚A 的吸附和解吸取决于塑料聚合物的结晶度、弹性和疏水性［23］。Sorensen 等在一项研究中对比了两种模型多环芳烃在10 ℃和20 ℃的天然海水中对不同粒径微塑料颗粒的吸附动力学，研究结果表明，在水体温度较低、微塑料粒径条件较小的条件下，吸附过程占主导地位；而当微塑料粒径较大时，则主要发生吸收过程［27］。

另一方面，塑料消费品在生产过程中往往会加入颜料、增塑剂、稳定剂、阻燃剂、抗氧化剂等添加剂。由于大多数添加剂仅与聚合物基质物理混合，易随大块塑料的碎片化和微塑料的老化逐渐浸出，故内源性添加剂被视为水体中潜在有毒化合物的长期来源［26，28］。目前，微塑料中多种内源性添加剂的浸出已有报道。Hermabessiere 等在一项综述中指出，各类塑料添加剂（包括邻苯二甲酸酯增塑剂、溴系阻燃剂、双酚A、抗氧化剂等）在世界范围内海洋水域中均被检出［28］。Al－Malack 发现持续的水流冲刷可使未增塑聚氯乙烯管材中的金属稳定剂迁移进入水体并释放重金属（铅、锡、镉）［29］。Bandow 等发现光氧化作用将使微塑料加速老化并促进内源性添加剂的浸出，加快钙、铜、锌等金属离子的释放［30］。无机金属颜料是塑料消费品中重要的内源性添加剂之一。Liu等于2020 年的一项研究中指出，在光辐照的作用下，天然水体中有色微塑料所含的镉系颜料将逐渐浸出并发生光溶解，释放有毒镉离子［31］。目前有关微塑料中内源性添加剂浸出过程及机制的研究仍然处于起步阶段，尚有较为宽阔的探讨空间。

4.2 微塑料对水生生物的毒性效应

天然水体中的微塑料将对生态环境造成极大危害。研究表明，水体中的微塑料可以通过生物累积等营养相互作用改变微生物的种群动态，并可直接进入食物链或通过其有毒化学成分的浸出对食物链造成污染，损害生物体的生理功能，影响其繁殖、发育与摄食行为［20］。微塑料的老化将导致其中有毒物质的浸出，改变其作用于生物体的有效成分［26］。

微藻是水生生态系统中的初级生产者，是许多水生生物的食物来源。微塑料对微藻的毒性效应很大程度上影响了微塑料在食物链中的传递和放大。Luo 等曾报道了含铬酸铅颜料有色微塑料浸出液对铜绿微囊藻的急性毒性［32］。微塑料对海洋微藻的毒性效应归因于其吸附和聚集作用，并受微塑料粒径大小影响［33］。Liu 等最新的研究结果发现，微塑料对斜生栅藻的毒性具有一定的尺寸效应，大颗粒微塑料将阻碍微藻的光合作用，小颗粒微塑料则会吸附在藻类表面并破坏其细胞壁［34］。

微塑料在海洋及其他天然水体中的生物利用率较高［35］，对包括浮游生物、底栖生物、脊椎动物及哺乳动物在内的多种水生生物有胁迫作用［34］。Lithner等曾报道塑料渗滤液对淡水大型蚤的急性毒性［36］。微塑料渗滤液对多种海洋生物的毒性作用也有报道。Gandara 等曾报道微塑料渗滤液对褐贻贝幼体发育的影响，研究发现微塑料渗滤液可以完全损害贻贝胚胎的发育，这种毒性效应归因于微塑料颗粒上吸附的添加剂和污染物［37］。Rainieri 等曾报道微塑料和化学污染物对斑马鱼的联合毒性，相比于单独使用化学品，微塑料与所吸附化学品对斑马鱼的联合毒性效应更强［38］。

微塑料对生物体的毒性效应一方面来自于化学毒性，另一方面则源于聚合物本身对生物体的影响。生态毒理学专家Palmer 认为，即使未吸附有毒污染物，微塑料颗粒也可能诱发免疫毒性反应，改变基因表达，进而导致细胞死亡［39］。微塑料进入食物网中将通过营养级间的传递而被积累并放大。Setälä 等曾报道海洋中不同浮游动物类群摄取微塑料的可能性，研究结果表明，实验所研究的所有类群均摄入了微塑料，微塑料可以通过中型浮游动物向更高营养级的大型浮游动物传递［40］。Abolfazl 等分析了不同摄食策略的软体动物体内的微塑料丰度，研究结果发现，捕食性物种体内微塑料含量更高，表明微塑料可以在食物网中随营养级传递，最终可能被人类摄入［41］。微塑料对生物体的毒性效应研究是评价其环境风险的重要环节，充分支持了相关管控机制的引入，对改善环境质量产生积极影响。

5 展望

微塑料在水体环境中无处不在，世界各地的湖泊、河流、海洋，甚至极地冰层中均有微塑料检出，我国各地的淡水生态系统及海洋生态系统正不同程度地受到微塑料污染，特别在人类活动频繁的水域微塑料丰度更高。相比于大块塑料，微塑料携带环境污染物的能力更强，其内源性添加剂在环境中的浸出风险更高，将产生更强的毒性效应。不仅如此，微塑料可以直接进入食物链，在食物网中传递、积累并放大，对水生生物乃至人类均有极大的危害。

现阶段，针对微塑料的来源、分布及毒性效应已有较多研究，然而对微塑料内源性添加剂浸出所导致的毒性效应和环境污染的探讨仍较为薄弱。无机金属颜料是微塑料重要的内源性添加剂之一，常见于办公用品、玩具等多种塑料消费品中。近期的多项研究表明，多种无机金属颜料在天然水体中可以发生光溶解，且不同颜料的金属释放机制不尽相同。例如，镉系颜料进入天然水体后受太阳光照将发生光溶解并释放镉离子，其反应机制是光生空穴与颜料晶格间发生氧化反应。铬酸铅颜料使用量更大，其在天然水体中有机酸和溶解性有机质的促进下，受太阳光照将发生光蚀效应释放Pb（Ⅱ）和Cr（Ⅲ），该过程归因于光生电子对颜料中氧化性铬的还原作用。研究讨论含无机金属颜料有色微塑料在天然水体中的光化学过程及其重金属释放机制和环境影响因素，将有助于进一步加强有色塑料消费品及微塑料的风险评估和监督管理，具有一定的研究前景。