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塑料污染作為一個(gè)日益嚴(yán)峻的全球性環(huán)境問題，近年來已經(jīng)引起了公眾的廣泛關(guān)注。2021年7月，來自瑞典、挪威以及德國的研究人員共同在Science上發(fā)表了“The global threat from plastic pollution”綜述文章，全面介紹了塑料污染對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的不可逆轉(zhuǎn)影響，并且提出了應(yīng)對(duì)塑料污染的重要策略，這對(duì)于我們正確認(rèn)識(shí)并治理塑料污染問題具有重要意義。

塑料制品在我們的生活中隨處可見，然而，塑料廢棄物的隨意丟棄給全球生態(tài)環(huán)境帶來了巨大威脅。在全球范圍內(nèi)，從沙漠到農(nóng)場，從山頂?shù)缴詈?，從熱帶垃圾填埋場到北極雪地，都存在著塑料污染。尤其是海洋環(huán)境中塑料碎片的報(bào)告可以追溯到半個(gè)世紀(jì)前，在過去的60年里，海洋表面的塑料廢棄物正在持續(xù)積累。另一方面，塑料污染物的釋放量正在不斷增加。據(jù)估計(jì)，2016年，全球每年向河流、湖泊和海洋排放的塑料垃圾為900萬至2300萬噸。按照這個(gè)趨勢來看，2025年塑料廢棄物的排放量將增加一倍。

當(dāng)塑料污染的速度超過自然或人為清除的速度時(shí)，塑料就會(huì)在環(huán)境中累積。塑料在自然環(huán)境中降解需要數(shù)十甚至數(shù)百年，同時(shí)在許多地區(qū)也難以進(jìn)行人為清理。因此，塑料是一類典型的不可逆環(huán)境污染物，由此造成的生態(tài)環(huán)境危害也難以輕易扭轉(zhuǎn)，這將成為我們未來長期面臨的重要全球性環(huán)境問題。

最常見的塑料污染通常由人類隨意丟棄造成的，常見于路邊、海灘、河岸和城市河口。這種類型的塑料污染在一定范圍內(nèi)是可以逆轉(zhuǎn)的，它可以被及時(shí)清理，通過增強(qiáng)公眾環(huán)保意識(shí)、增加廢物收集設(shè)施等措施也能減少塑料垃圾的隨意丟棄。但是，一旦這些塑料廢棄物在環(huán)境中風(fēng)化成肉眼不可見的微型以及納米塑料顆粒，塑料污染就變得難以逆轉(zhuǎn)。這些不可逆轉(zhuǎn)的塑料污染物正在全球范圍內(nèi)大量積累，尤其是一些偏遠(yuǎn)地區(qū)（圖1）。

偏遠(yuǎn)的海岸線和海洋表面——北太平洋和南太平洋、北大西洋和南大西洋以及印度洋的五個(gè)環(huán)流是最主要的全球漂浮塑料碎片聚集區(qū)（圖1）。據(jù)估計(jì)，目前在海洋表面流通的塑料不到 30 萬噸，僅占每年排放到河流、湖泊和海洋中的 900 萬至 2300 萬公噸塑料中的一小部分。海洋表層塑料的質(zhì)量平衡模型表明，風(fēng)化（包括碎裂）和下沉作用可以迅速將最初具有浮力的塑料從近海表層轉(zhuǎn)移到水體和深海海底。但海洋表面的塑料污染仍然難以逆轉(zhuǎn)，尤其是擱淺在偏遠(yuǎn)海岸線上的塑料污染可能比漂浮的塑料具有更長的停留時(shí)間，更加難以逆轉(zhuǎn)。

海洋水體——全球海洋在許多地區(qū)達(dá)到數(shù)千米深，其水體中含有大量中性浮力塑料，其可逆性非常差（圖1）。根據(jù)上述質(zhì)量平衡模型估計(jì)，自 1950 年以來進(jìn)入海洋的塑料中有 99.8% 位于海洋表面以下。盡管大多數(shù)塑料顆粒最終會(huì)沉入海底，但仍有大量塑料顆粒存在于水體中。懸浮在水體中的塑料會(huì)融入生物循環(huán)，在表面形成的生物膜通過分泌粘性聚合物與天然有機(jī)物形成雜聚體。在透光區(qū)生物膜導(dǎo)致負(fù)荷增加使得聚合物下沉，而隨著塑料聚合物的腐爛及碎片化會(huì)再次向上漂浮，直至形成極小的塑料顆粒。這類小于 10 μm 的塑料顆粒，尤其是那些圓柱形和細(xì)長形狀的塑料顆粒（例如纖維），會(huì)由于阻力和湍流而懸浮在整個(gè)水體中，導(dǎo)致長時(shí)間的停留。在缺乏紫外線輻射的低溫、靜止深水環(huán)境中，中性浮力塑料的降解速度會(huì)非常緩慢。因此，水體中的塑料污染很可能難以逆轉(zhuǎn)，而受到海洋次表層橫向平流的影響在全球范圍內(nèi)擴(kuò)散。

海底——海底是塑料污染的主要聚集區(qū)，是環(huán)境中微塑料顆粒濃度最高的區(qū)域（圖1）。最近的一項(xiàng)研究表明，為深海動(dòng)物群提供氧氣和營養(yǎng)的近床溫鹽流也會(huì)推動(dòng)塑料沉積到海底生物多樣性的熱點(diǎn)區(qū)域。而海底平靜、黑暗、寒冷的環(huán)境非常不利于塑料的進(jìn)一步降解。因此，塑料在海底的持久性可能非常高，將長期存積下去。

陸地土壤——陸地土壤是塑料的另一個(gè)聚集區(qū)，主要來源于塑料垃圾、道路徑流（包括輪胎磨損顆粒）以及微米和納米塑料顆粒的大氣沉積（圖1）。在使用聚乙烯薄膜及 '可生物降解 '的塑料薄膜、含有塑料殘留的污水污泥及堆肥的過程中，塑料也被人為地引入到了農(nóng)業(yè)土壤中。目前土壤中塑料成分可達(dá)土壤有機(jī)碳的0.1%。僅根據(jù)污水污泥輸入的估計(jì)，世界農(nóng)業(yè)土壤中的塑料量很可能大于海洋表面的塑料量。管理不善的塑料覆蓋物是周圍土壤中塑料的主要來源，并且可能會(huì)泄漏到湖泊和河流中。

生物攝入——許多研究已經(jīng)證明不同生物類群甚至人類會(huì)攝入塑料顆粒（圖1）。最近，有報(bào)道稱小塑料顆粒可以穿透生物膜，從胃腸道進(jìn)入組織。但受限于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及檢測方法的限制，目前關(guān)于生物體對(duì)塑料的吸收、分布、代謝和排泄的認(rèn)識(shí)仍然有限。但是，可以預(yù)見的是人類和其他生物群的內(nèi)部組織和器官將成為另一個(gè)積累不可逆塑料污染，特別是納米級(jí)微塑料的重要場所。

塑料在環(huán)境中的半衰期很長且高度不確定，它們在很大程度上取決于塑料的特性和環(huán)境條件。對(duì)于塑料類型而言，生物降解率聚酯>聚酰胺（尼龍）>聚烯烴（如聚乙烯），而光降解率聚四氟乙烯>聚酯>聚酰胺。除此之外，塑料材料本身的特性，如表面積/體積比，以及是否使用了抗氧化劑和其他穩(wěn)定劑都會(huì)影響降解速率。而在遺棄在環(huán)境中的塑料性質(zhì)則會(huì)隨著風(fēng)化作用發(fā)生改變，影響風(fēng)化作用的條件主要包括紫外線輻射強(qiáng)度、溫度、生物活動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力等。

塑料風(fēng)化是一個(gè)非常緩慢的過程，而當(dāng)塑料暴露于環(huán)境中后就會(huì)沿著兩種相互關(guān)聯(lián)的協(xié)同方式進(jìn)行（圖2）。(i) 碎片化并釋放可溶性/揮發(fā)性成分；(ii)生物風(fēng)化及氧化降解。在全球范圍內(nèi)，由于塑料污染不斷累積且難以逆轉(zhuǎn)，物理、化學(xué)和生物風(fēng)化過程非常重要，它們將關(guān)系到塑料污染最終的清除。

（圖2、環(huán)境中塑料污染物的風(fēng)化過程。）

在塑料的環(huán)境風(fēng)化過程中，最早可以觀察到的是塑料表面的物理化學(xué)變化，包括表面電荷的改變，出現(xiàn)裂縫以及由于聚合物結(jié)晶度增加而導(dǎo)致的表面形態(tài)的其他變化。這些變化以及生物風(fēng)化過程共同使得塑料表面更容易受到機(jī)械力的破壞--例如，在河床上的移動(dòng)、沿海地區(qū)的反復(fù)沖刷以及土壤中的凍融作用等。當(dāng)塑料破碎成微型和納米塑料顆粒時(shí)，表面積的增加也有利于塑料材料中的化學(xué)物質(zhì)以及塑料聚合物本身的降解產(chǎn)物釋放。因此，隨著時(shí)間的推移，環(huán)境中的塑料會(huì)產(chǎn)生越來越多樣化的小顆粒和化學(xué)品，與最初進(jìn)入環(huán)境的材料相比，它們更具有流動(dòng)性，可以被更多的生物群吸收。

協(xié)同的生物風(fēng)化作用甚至在塑料碎裂之前就已經(jīng)開始了（圖2）。在進(jìn)入河流、湖泊、海洋，土壤的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，有機(jī)物和微生物就會(huì)在塑料顆粒周圍形成一個(gè) '生態(tài)圈'，最終定植于塑料表面形成生物膜。這些生物膜以各種方式影響塑料污染的命運(yùn)。它們可以有利于無脊椎生物的定植，排出分解塑料的胞外酶，形成細(xì)胞外聚合物質(zhì)。生物膜也會(huì)導(dǎo)致塑料浮力的改變，屏蔽顆粒表面的紫外線輻射和其他促進(jìn)風(fēng)化的因素，降低塑料碎裂率，更容易被當(dāng)作食物誤食。

考慮到不同環(huán)境對(duì)于塑料風(fēng)化的影響，不同積累區(qū)的塑料風(fēng)化速度也不相同，最快的風(fēng)化可能發(fā)生在海洋表面（圖1A），由直接暴露在陽光下、機(jī)械力（風(fēng)、浪）和溫度變化驅(qū)動(dòng)。表層土壤中的塑料（圖1D）也直接暴露在陽光下，并有高濃度的活性微生物。風(fēng)化率可能會(huì)隨著水體（圖1，B和C）以及塑料通過翻耕和生物擾動(dòng)到達(dá)較深的土壤（圖1D）而降低。塑料在體內(nèi)的降解（圖1E）可能取決于是否存在合適的酶，它們在不同組織中的排泄率仍然是一個(gè)非常前沿的研究領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表明，目前塑料只對(duì)全球海洋中的一小部分構(gòu)成影響。然而，目前對(duì)于塑料的生態(tài)毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有很多局限性。誘發(fā)毒性效應(yīng)的塑料污染形式，以及相關(guān)的暴露濃度都是未知的，盡管它們在一些熱點(diǎn)地區(qū)可能已經(jīng)超過了環(huán)境影響的閾值。由于塑料的持續(xù)碎裂及缺乏可靠測量方法，小塑料顆粒（特別是納米塑料）的暴露濃度很可能被低估。從廣義上考慮，全球環(huán)境中的塑料污染在不斷積累且難以逆轉(zhuǎn)，其潛在影響是廣泛的，包括地球物理和生物影響，并可能給已經(jīng)暴露在多種壓力下的生態(tài)系統(tǒng)帶來了額外的壓力（圖3A）。

地球物理學(xué)影響

塑料污染可以直接和間接地影響全球碳循環(huán)。直接影響是由于每年有2.8億至3.6億噸化石碳被轉(zhuǎn)化為塑料，其中只有一小部分被降解或工業(yè)轉(zhuǎn)化（如焚燒或填埋）為二氧化碳、甲烷和其他溫室氣體。即使我們完全停止使用化石燃料，塑料降解和廢物管理產(chǎn)生的溫室氣體排放也將持續(xù)幾個(gè)世紀(jì)。然而，塑料通過海洋碳泵穩(wěn)態(tài)對(duì)碳循環(huán)的間接影響可能比排放溫室氣體的直接影響更大。據(jù)估計(jì)，目前每年有780萬噸塑料碳沉入海底。除此之外，在沉降到海底之前，很大一部分塑料將作為中性浮力顆粒懸浮在水體中。懸浮塑料顆粒的累積可能會(huì)影響藍(lán)藻和浮游植物群落的食物來源及棲息地，進(jìn)而影響大氣中的碳固定。這部分碳本來可以進(jìn)入海洋食物鏈，但卻仍停留在大氣中，從而導(dǎo)致全球變暖。同時(shí)，非浮力塑料中不斷增加的碳負(fù)荷將繼續(xù)下沉，據(jù)估計(jì)，到2050年，在海底在熱點(diǎn)區(qū)域沉積物中的塑料碳數(shù)量可能超過天然有機(jī)碳的數(shù)量。

影響海洋碳泵會(huì)以不同的方式影響其他營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)，有微生態(tài)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明微塑料的存在改變了沉積物中的氮循環(huán)。因此，融入海洋的微塑料顆粒可能會(huì)影響營養(yǎng)物質(zhì)向深海環(huán)境的輸送，地球系統(tǒng)模型表明，浮游動(dòng)物吃食微塑料有可能加速全球海洋中氧氣的減少。

塑料負(fù)荷的增加會(huì)導(dǎo)致土壤特性的長期變化，如持水能力、微生物活動(dòng)和多樣性、營養(yǎng)物質(zhì)的可用性和土壤結(jié)構(gòu)。塑料在土壤中的積累會(huì)影響植物的多樣性，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的土壤退化。海底（微）塑料熱點(diǎn)的形成可能會(huì)產(chǎn)生類似的影響，改變沉積物的結(jié)構(gòu)和組成，使沉積物肥力和海洋碳泵受到影響。

生物學(xué)影響

野生動(dòng)物遭受大型塑料碎片危害的情況已被廣泛報(bào)道。最近的一項(xiàng)分析列出了有914種海洋巨型動(dòng)物（包括226種海鳥、86種海洋哺乳動(dòng)物、所有種類的海龜和430種魚類）受到被塑料纏繞及誤食塑料的危害。對(duì)于瀕危物種來說，這足以威脅種群的存亡。

塑料表面定植的生物體很可能會(huì)造成生物入侵，據(jù)報(bào)道，在6年的時(shí)間里，一場海嘯導(dǎo)致定植在漂流塑料碎片表面的近300個(gè)物種發(fā)生跨洋擴(kuò)散，表明塑料污染有可能在極端天氣事件中促進(jìn)物種的入侵。這種復(fù)雜的、系統(tǒng)層面的影響表明，塑料污染對(duì)物種和生態(tài)系統(tǒng)的更多影響還有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。

另外，已經(jīng)有大量攝取微塑料造成物理性損傷、生理變化、攝食、生長、繁殖和耗氧率受損的報(bào)道。在沉積物中超過0.5%濃度的大型和納米塑料會(huì)影響大型無脊椎動(dòng)物的數(shù)量。從塑料中浸出的添加劑也會(huì)造成（生態(tài)）毒理學(xué)影響。例如聚乙烯地膜中的鄰苯二甲酸酯很可能會(huì)被谷物吸收最終進(jìn)入人體。

多重壓力效應(yīng)

塑料污染很少被關(guān)注的一個(gè)方面是它如何與其他地球物理、生物和化學(xué)壓力共同作用而造成潛在生態(tài)影響。例如，過度捕撈和氣候變化對(duì)漁業(yè)的潛在影響可能會(huì)因塑料對(duì)碳循環(huán)、動(dòng)物纏繞和攝取以及毒性的影響而加劇。水生生物不得不被迫適應(yīng)由于溫度變化、營養(yǎng)供應(yīng)和化學(xué)暴露造成的棲息地變化，而塑料作為另外一種的壓力源，很可能加劇生物多樣性的喪失。土壤生物多樣性和肥沃土壤的供應(yīng)可能會(huì)因?yàn)樗芰系拈L期積累而減少，這可能需要破壞更多的濕地和砍伐森林來獲得新的肥沃土壤。世界上地表水供應(yīng)不足的干旱地區(qū)，僅有的淡水生態(tài)系統(tǒng)資源可能因塑料污染進(jìn)一步減少，特別是有毒的塑料添加劑（如鄰苯二甲酸酯、重金屬、雙酚、多氟和全氟烷基物質(zhì)）及小塑料顆?？赡鼙粨饺氲斤嬘盟到y(tǒng)中。

隨著塑料污染問題的加劇以及公眾對(duì)于塑料中化學(xué)危害物（如雙酚A）認(rèn)知的增加，大家逐步認(rèn)識(shí)到塑料污染是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境和公共健康問題（圖3）。這些擔(dān)憂已經(jīng)促使提出了一些處理海洋微塑料的政策倡議，但微塑料對(duì)人類的風(fēng)險(xiǎn)尚未顯示出來，對(duì)一些生態(tài)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)也是最近才被證明，這些倡議都是以預(yù)防原則為主。然而，目前還沒有評(píng)估風(fēng)化導(dǎo)致塑料降解可能造成的延遲毒理學(xué)影響，以及對(duì)碳和營養(yǎng)循環(huán)、土壤和沉積物肥力及生物多樣性的非毒理學(xué)影響。由于塑料污染可逆性差，這些影響會(huì)在排放停止后延續(xù)很長時(shí)間（圖3，B和C），甚至由量變引起質(zhì)變，最終成為 '全球毒性債務(wù)'。

（圖3、塑料污染對(duì)全球的各種潛在長期影響。(A) 潛在的影響包括對(duì)碳循環(huán)、營養(yǎng)循環(huán)、土壤生境和沉積物的地球物理影響；對(duì)瀕危/關(guān)鍵物種的共同生物影響和(生態(tài))毒性;以及公眾對(duì)環(huán)境質(zhì)量和政策變化的認(rèn)知所產(chǎn)生的社會(huì)影響。(B和C) 圖示說明塑料污染積累超過影響閾值將導(dǎo)致幾乎不可逆轉(zhuǎn)的影響。在(B)中，塑料污染在環(huán)境中的停留時(shí)間很長，因此減排對(duì)于塑料濃度的影響很遲緩。在（C）中，塑料污染在環(huán)境中是可逆的（例如，人為清理及環(huán)境降解），但由于排放不能被有效控制，濃度仍然高于影響閾值。CO2，二氧化碳；OC，有機(jī)碳。）

更好地理解和應(yīng)對(duì)塑料污染所帶來的威脅，需要對(duì)塑料在環(huán)境中的變化過程及歸宿進(jìn)行研究，包括風(fēng)化小顆粒的積累，相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)，以及生物膜的形成和與天然有機(jī)碳的異質(zhì)聚集體等。尤其重要的是，在目前可逆性較差的塑料污染正在積累的地區(qū)更好地了解這些過程(圖1)。通過面向發(fā)現(xiàn)的研究，進(jìn)一步確定風(fēng)化塑料對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)和有機(jī)體健康未知的影響。

面對(duì)塑料污染可能帶來的不可逆的全球影響，應(yīng)當(dāng)遵照Borrelle等人提出的方案，即盡可能迅速和全面地遏制塑料向環(huán)境的排放。嚴(yán)格監(jiān)管原生塑料的生產(chǎn)和使用，鼓勵(lì)創(chuàng)新應(yīng)用更多無害且更具競爭力的材料。另外，通過補(bǔ)充《巴塞爾公約》，只允許將塑料廢物出口到比出口國擁有更好的回收基礎(chǔ)設(shè)施的國家，消除塑料中的危險(xiǎn)化學(xué)品以增加回收潛力，并制定國家和全球的回收/再利用目標(biāo)。從更廣泛的社會(huì)層面應(yīng)當(dāng)盡可能消除塑料的不必要使用，并鼓勵(lì)盡量減少塑料廢物的行為。

最后，我們今天排放的塑料會(huì)在未來造成全球規(guī)模的、難以逆轉(zhuǎn)的影響，除了采取有針對(duì)性的行動(dòng)來減少排放外，如何有效回收處理環(huán)境中存在廢棄塑料是解決塑料污染問題關(guān)鍵。雖然目前自然界中尚未進(jìn)化出高效降解塑料的微生物，但是在全球科研人員的努力之下，有越來越多具有塑料降解潛力的功能酶/微生物群落被發(fā)現(xiàn)，通過代謝工程及合成生物學(xué)技術(shù)手段在實(shí)驗(yàn)室中不斷強(qiáng)化這些微生物的塑料降解能力，未來有望真正應(yīng)用于環(huán)境中的塑料廢棄物降解。山東大學(xué)微生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室牽頭的中歐合作項(xiàng)目“合成塑料降解轉(zhuǎn)化微生物菌群”正在聚焦這一全球性科學(xué)難題，通過“解塑再用”實(shí)現(xiàn)塑料垃圾的資源化利用，為解決塑料污染問題，早日實(shí)現(xiàn)碳中和貢獻(xiàn)中國力量！