海洋微塑料研究进展

杨国祥，沈卫新，汤建华，吴磊，汤承诺，于雯雯*

（1.上海海洋大学海洋科学学院，上海 201306；2.江苏省海洋水产研究所，江苏 南通 226007；3.江苏省渔业执法监督中心，江苏 南通 226602；4.江苏省海洋生物资源与生态重点实验室，江苏 南通 226007；5.江苏海洋大学，江苏 连云港 222005）

塑料作为一种有价值的资源，已经成为人们生活中不可或缺的一部分，塑料制品的应用，深入到社会的每个角落，导致“塑料时代”[1]。由于塑料产品带来的便利，2018年，全球塑料产量从1950年的150 万t 增至近3.6 亿t，因塑料产品的不当使用和管理，据估计，每年大约有800 万t 塑料垃圾进入不同的海洋，其中来自陆地的塑料占80%，剩下的20%的塑料来自渔船设备[2]。据世界经济论坛报告预测，到2050年，海洋塑料垃圾的质量，将超过鱼类的质量，大量的海洋塑料垃圾，已经威胁到海洋生物的生存，对海洋生态环境产生潜在的危害。

2004年，英国普利茅斯大学的Richard Thompson首次提出了“微塑料（MPs）”一词，即规格＜5 mm 的塑料颗粒[3]。根据来源，将微塑料划分为“初级”和“次级”，初级微塑料是有意制造或在塑料生产或回收过程中形成的，比如微珠和纤维；次级微塑料是大型塑料在环境因素的影响下被破碎和降解而形成的。海洋环境中的微塑料来源分为2 种，一种是陆源，一种是海源，在风力和水力的作用下，微塑料可以在陆地与海洋之间、海水中垂直迁移，因而分布在海滩、各层海水和沉积物中。对微塑料研究的初始阶段，集中在样品采集、分离方法和检测技术的建立等方面，但是目前，国内外还缺乏统一的海洋微塑料的分析方法，使得监测数据不具有对比性。微塑料自身降解所产生的有毒物质和与其他有害物质结合产生的复合毒性，对海洋生物的影响也是研究的一个重点，评估微塑料的毒性效应，有助于认识微塑料污染对海洋生态系统影响和人类健康风险。现简述海洋微塑料研究进展。

1 海洋微塑料的来源及分布

海洋中的微塑料来源多种多样，陆地河流是沿海和海洋环境中微塑料的重要来源。Ryan 等[4]总结了海洋环境中微塑料的各种来源及迁移（图1）。每天大约有8 万亿微塑料颗粒从污水处理厂排放到海洋中，除洗面奶、牙膏和磨砂膏中的珠状物外，合成服装中的微塑料纤维和大型塑料制品的解体碎片，是广泛分布在海洋生态系统中的微塑料的主要来源[5]；水产养殖过程中也会导致海洋环境中微塑料的增加，主要为浮子、渔网、鱼线、塑料笼、浮标等配件的日常磨损产生的碎片。

图1 海洋环境中微塑料的来源与迁移[4]

海洋中微塑料呈动态分布，随着时间、季节和海水活动等条件的改变而变化[6]。研究表明，微塑料存在于北极冰[7]、大西洋[8]、南极洲罗斯海[9]、中国及其周边水域[10-11]、地中海[12]、西北太平洋[13]中，反映微塑料在海域中不受限制的分布。沉积物是海洋微塑料最重要的“汇”，聚氯乙烯（PVC）、聚醚砜树脂（PES）、聚酰胺（PA）和聚苯乙烯（PS）是高密度塑料，容易沉降到海洋底部。文献[14]研究证实，深海海底存在微塑料。而聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）密度小，具有浮力，漂浮在海面上。国内外不同海域水体和沉积物中微塑料分布特征见表1 和表2。由表1和表2 可见，从南极到北极，从水体到沉积物，微塑料无处不在，不同海域里微塑料丰度的差异较大，表明微塑料在海洋环境中的分布不均匀，由于试验方法的不同，导致丰度差异。

表1 国内外不同海域水体微塑料分布特征

表2 国内外不同海域沉积物微塑料分布特征

2 海洋微塑料分析方法

2.1 提取方法

2.1.1 海洋环境中微塑料的提取

（1）表层水微塑料的采集方法主要包括：表层拖网（Manta 拖网、Neuston 拖网、AVANI 浮游生物网等）、潜水泵过滤和小体积采水等[42]。拖网采样是将网口完全没入海面，以水平拖动的方式拖行，采样后，用海水对网具进行冲洗，将采集的物质冲洗到样品瓶中，然后密封保存直至实验室处理。海水中微塑料的提取方法，是将采集的水样冲洗到干净的玻璃烧杯中，向其中加入适量的30%过氧化氢（H2O2）溶液，消解微塑料上的有机物，如果溶液中存在过多的杂质，可以加入饱和溶液进行浮选，最后将上清液过滤至滤膜上，等待镜检。

（2）表层沉积物微塑料的采集方法：利用箱式采样器或抓斗（如Ekman 采样器、Van Veen 采样器、Petersen 采样器）等。沉积物中微塑料的提取最常用的方法是密度分离法，向干质量的样品中加入饱和溶液快速搅拌，利用密度差来分离泥沙和微塑料，饱和溶液一般选择氯化钠（NaCl）溶液（1.2 g/cm3），适合提取聚丙烯和聚乙烯等密度较低（1.10 g/cm3）的微塑料，氯化锌（ZnCl2）溶液（1.5~1.7 g/cm3）和饱和碘化钾（KI）溶液（1.7 g/cm3）密度较高，可以提取高密度微塑料如聚氯乙烯、苯乙烯（1.40 g/cm3）等，浮选后，如果发现微塑料上存在较多的有机物质，可加入30%的H2O2溶液进行消解，最后提取上清液过滤至滤膜上，等待镜检。

2.1.2 海洋生物体中微塑料的提取

因生物样品无法直接提取，通常需要对取样组织进行酸、碱或氧化的化学消解处理，进而从消解沉淀物中分离提取出微塑料[43]。酸性消解液通常使用的是69%硝酸（HNO3）溶液，其他酸性溶液还有65%高氯酸（HClO4）；常用的碱性消解液是氢氧化钠（NaOH）溶液和氢氧化钾（KOH）溶液；H2O2是一种有效去除有机物及生物物质的氧化剂，选择不同的溶液消解各有其优缺点[44]（表3）。如果消解后的溶液中仍然存在较多的其他物质，加入适量的饱和盐溶液进行离心，最后取离心后的上清液进行抽滤，保存滤膜，等待镜检。

表3 化学消解法及其优缺点

2.2 海洋微塑料的检测技术

目前，用于微塑料检测的常用技术有傅里叶变换红外光谱法（FITR）、拉曼光谱法（Raman）和热分析法（Thermo-analysis, TA）。近几十年来，傅里叶变换红外光谱技术一直被广泛应用于分析材料的表面特性[45]，样品吸收特定波长的红外辐射产生干扰（或振动），以确定分子特性和组成。FITR 具有测样速度较快、不破坏样品和预处理简单的优点，但受低分辨率的限制，且易受环境的影响。

拉曼光谱是一种基于光的非弹性散射的振动技术，以振动光谱的形式提供系统分子振动的信息。拉曼光谱在空间分辨率方面优于FTIR，并且不受环境因素限制（如二氧化碳和水）[46]。但是先前的研究发现，荧光可能会改变拉曼光谱，因此，在拉曼光谱分析之前需要进行样品预处理[47]，以避免与杂质发生干扰，影响检测速度。

热分析法是采用在规定温度下无氧热解产物，这些产物与气相色谱（GC）和质谱（MS）相结合，在分子水平上进行聚合物定量[48]。热分析方法主要有热解气相色谱-质谱（Pyro-GC-MS）、热萃取解吸气相色谱-质谱（TED-GC-MS）和差示扫描量热法（DSC）。热分析法虽然检测结果可靠，但对于质量相对较小的样品需要烦琐的预处理，如果样品中存在杂质，会严重影响分析结果[49]。

3 海洋微塑料的毒性效应

3.1 海洋微塑料的摄入和转移

海洋生态系统中广泛分布的微塑料，极易被海洋生物摄取，并在生物体中积累，会随着食物链传递，由于微塑料本身就含有毒性，会影响海洋生物的生长发育。据研究报道，不同的海洋生物会摄入微塑料，包括浮游动物[50]、贝类[51]、虾类[52]和不同水层的海洋鱼类[53]，Zhong 等[54]在对中国东南部东山湾海产品的调查中，发现4 种贝类软体组织中和4 种鱼类肠道内出现了微塑料。表4 总结了国内外不同海域生物体内微塑料分布特征，由此可见，海洋生物体内普遍存在微塑料，这些海产品被食用可能会进入消费者的体内，对人类健康产生潜在的威胁。

表4 国内外不同海域生物体内微塑料分布特征

微塑料被海洋生物摄入后，粒径较小的微塑料可以进入生物体的组织和器官中，并在其中富集[55]，这可能是微塑料从生物消化道向其他组织和器官转移的结果。有研究指出，在罗非鱼的血液和性腺中发现了微塑料[56]，也有学者在海洋脊椎动物的大脑中发现微塑料[57]。在更高营养水平的野外鱼类样本中出现了微塑料[58]；也有研究报道，捕食是疣荔枝螺（Reishia clavigera）摄入微塑料的主要途径[59]，表明微塑料沿着食物链传递。

3.2 海洋微塑料的生理毒性

有研究表明[71]，海洋生物摄入微塑料后，会产生生理方面的毒性，其毒性效应表现为摄食行为、氧化应激、免疫反应、基因表达、神经毒性、肝脏应激和能量代谢改变等。鱼类摄入微塑料后，最明显的症状是消化道阻塞和摄食活动减少，会影响其生长速度、健康状况和死亡率，并导致肠道损伤或溃疡[72]。Lu 等[73]评估了暴露于环境中的聚苯乙烯，对斑马鱼造成的毒性后果，导致其肝脏的脂质积累和炎症、氧化应激和肝脏代谢的不利变化。Zitouni等[74]研究了暴露于环境微塑料的欧洲鲈（Dicentrarchus labrax）幼鱼，其表现出较高的免疫酶活性和金属硫蛋白（MTs）含量，表明短期微塑料暴露后，欧洲鲈幼鱼的酶防御机制失衡。密度较大的微塑料，会沉积在海底泥沙中，因此其对底栖生物影响也不容忽视。Camille 等[75]研究了贻贝（Mytilusedulis）暴露于微塑料对其产生的影响，发现多次暴露于微塑料后，贻贝中免疫相关基因的表达会减少。

3.3 海洋微塑料的复合毒性

因微塑料具有比表面积大、难降解和较强的吸附能力等特性，可以成为海洋环境中微生物、重金属离子和有机污染物的载体，它们之间的复合毒性，可能会比微塑料单独暴露对生物体的影响更大。微生物能在微塑料表面迅速附着并大量生长繁殖，形成一个由异养菌、自养菌和共生体等组成的多样化微生物群落，称之为塑料圈（plastisphere）[76]。微塑料上的生物膜可以包含不同的物种和改变微生物群落组成，并有可能成为有害或入侵物种的载体，当海洋生物摄入，可能会引起不同的毒性反应，毒性还能沿着食物链传递，对整个海洋生态系统造成重大危害，甚至对人类健康构成威胁。

文献[77]研究表明，暴露于海洋环境中的微塑料，可以从海水或沉积物介质中吸附汞离子（Hg2+）、镉离子（Cd2+）等重金属离子，吸附的重金属可从微塑料中释放，引起一系列毒性，并最终通过食物链，可能对人类健康造成有害影响。Chen 等[78]通过对微塑料和金属镉对斑马鱼幼鱼的联合作用进行研究，发现联合暴露会使幼鱼降低体质量，体内活性氧水平升高，脂质过氧化水平升高，2 个器官的凋亡细胞增加。Zhang 等[79]评估了铜离子（Cu2+）和聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）对尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）的联合影响，结果发现，PS-MPs 可促进Cu2+在尼罗罗非鱼肝脏中的积累，扰乱了尼罗罗非鱼的生物系统。

微塑料的表面也会积聚疏水性的有机污染物，如多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）和双对氯苯基三氯乙烷（DDTs）。当海洋生物摄入载有有机污染物的微塑料，可能会造成健康危害，文献[80]研究报道，邻苯二甲酸盐和壬基酚毒性，可引起鱼类内分泌系统的改变，并可扰乱其内分泌调节。目前，微塑料与其他有害物质的复合毒性的研究还在起步阶段，因为在实验室中的模拟因素单一且独立，需要充分考虑研究自然情况下两者复杂的相互作用机制。

4 展望

目前国内外对于微塑料的研究，已经取得了诸多重要成果，微塑料对海洋生态环境的影响，引起了学者的广泛关注，但对有关微塑料在海洋环境中的污染现状、检测标准、毒性方面的研究还欠缺。未来海洋微塑料相关研究重点应关注以下几个方面。

4.1 对海域中微塑料来源、归宿和影响进行评估

海洋微塑料输入海洋种类来源多样，微塑料降解、破碎程度、沉降及生物摄食等归宿途径复杂，会危害脆弱的海洋生态系统。因此，需要对海域中微塑料来源、归宿和影响进行评估。

4.2 研究建立海洋微塑料的检测技术和方法

目前，国内外还缺乏统一的海洋微塑料的检测技术和方法，研究建立微塑料的检测技术和方法，制定相应的检测技术规程，使微塑料检测和调查具有统一的技术和方法，监测数据具有可比性。

4.3 评估微塑料在海洋生态系统中的毒性效应

微塑料本身可能具有某些毒性，其表面也可能吸附有害物质，被海洋生物摄食后可能会使有害物质进入海洋生物食物网或人类食物系统，评估微塑料的毒性效应，有助于认识微塑料污染对海洋生态系统影响和人类健康风险。