Science：塑料污染引发全球生态威胁
塑料污染作为一个日益严峻的全球性环境问题，近年来已经引起了公众的广泛关注。2021年7月，来自瑞典、挪威以及德国的研究人员共同在Science上发表了“The global threat from plastic pollution”综述文章，全面介绍了塑料污染对生态环境造成的不可逆转影响，并且提出了应对塑料污染的重要策略，这对于我们正确认识并治理塑料污染问题具有重要意义。
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塑料污染成为全球性环境问题
塑料制品在我们的生活中随处可见，然而，塑料废弃物的随意丢弃给全球生态环境带来了巨大威胁。在全球范围内，从沙漠到农场，从山顶到深海，从热带垃圾填埋场到北极雪地，都存在着塑料污染。尤其是海洋环境中塑料碎片的报告可以追溯到半个世纪前，在过去的60年里，海洋表面的塑料废弃物正在持续积累。另一方面，塑料污染物的释放量正在不断增加。据估计，2016年，全球每年向河流、湖泊和海洋排放的塑料垃圾为900万至2300万吨。按照这个趋势来看，2025年塑料废弃物的排放量将增加一倍。
当塑料污染的速度超过自然或人为清除的速度时，塑料就会在环境中累积。塑料在自然环境中降解需要数十甚至数百年，同时在许多地区也难以进行人为清理。因此，塑料是一类典型的不可逆环境污染物，由此造成的生态环境危害也难以轻易扭转，这将成为我们未来长期面临的重要全球性环境问题。
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不可逆转的塑料污染
最常见的塑料污染通常由人类随意丢弃造成的，常见于路边、海滩、河岸和城市河口。这种类型的塑料污染在一定范围内是可以逆转的，它可以被及时清理，通过增强公众环保意识、增加废物收集设施等措施也能减少塑料垃圾的随意丢弃。但是，一旦这些塑料废弃物在环境中风化成肉眼不可见的微型以及纳米塑料颗粒，塑料污染就变得难以逆转。这些不可逆转的塑料污染物正在全球范围内大量积累，尤其是一些偏远地区（图1）。
（图1、不可逆转塑料污染的积聚地。）
偏远的海岸线和海洋表面——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个环流是最主要的全球漂浮塑料碎片聚集区（图1）。据估计，目前在海洋表面流通的塑料不到 30 万吨，仅占每年排放到河流、湖泊和海洋中的 900 万至 2300 万公吨塑料中的一小部分。海洋表层塑料的质量平衡模型表明，风化（包括碎裂）和下沉作用可以迅速将最初具有浮力的塑料从近海表层转移到水体和深海海底。但海洋表面的塑料污染仍然难以逆转，尤其是搁浅在偏远海岸线上的塑料污染可能比漂浮的塑料具有更长的停留时间，更加难以逆转。
海洋水体——全球海洋在许多地区达到数千米深，其水体中含有大量中性浮力塑料，其可逆性非常差（图1）。根据上述质量平衡模型估计，自 1950 年以来进入海洋的塑料中有 99.8% 位于海洋表面以下。尽管大多数塑料颗粒最终会沉入海底，但仍有大量塑料颗粒存在于水体中。悬浮在水体中的塑料会融入生物循环，在表面形成的生物膜通过分泌粘性聚合物与天然有机物形成杂聚体。在透光区生物膜导致负荷增加使得聚合物下沉，而随着塑料聚合物的腐烂及碎片化会再次向上漂浮，直至形成极小的塑料颗粒。这类小于 10 μm 的塑料颗粒，尤其是那些圆柱形和细长形状的塑料颗粒（例如纤维），会由于阻力和湍流而悬浮在整个水体中，导致长时间的停留。在缺乏紫外线辐射的低温、静止深水环境中，中性浮力塑料的降解速度会非常缓慢。因此，水体中的塑料污染很可能难以逆转，而受到海洋次表层横向平流的影响在全球范围内扩散。
海底——海底是塑料污染的主要聚集区，是环境中微塑料颗粒浓度最高的区域（图1）。最近的一项研究表明，为深海动物群提供氧气和营养的近床温盐流也会推动塑料沉积到海底生物多样性的热点区域。而海底平静、黑暗、寒冷的环境非常不利于塑料的进一步降解。因此，塑料在海底的持久性可能非常高，将长期存积下去。
陆地土壤——陆地土壤是塑料的另一个聚集区，主要来源于塑料垃圾、道路径流（包括轮胎磨损颗粒）以及微米和纳米塑料颗粒的大气沉积（图1）。在使用聚乙烯薄膜及 '可生物降解 '的塑料薄膜、含有塑料残留的污水污泥及堆肥的过程中，塑料也被人为地引入到了农业土壤中。目前土壤中塑料成分可达土壤有机碳的0.1%。仅根据污水污泥输入的估计，世界农业土壤中的塑料量很可能大于海洋表面的塑料量。管理不善的塑料覆盖物是周围土壤中塑料的主要来源，并且可能会泄漏到湖泊和河流中。
生物摄入——许多研究已经证明不同生物类群甚至人类会摄入塑料颗粒（图1）。最近，有报道称小塑料颗粒可以穿透生物膜，从胃肠道进入组织。但受限于实验设计及检测方法的限制，目前关于生物体对塑料的吸收、分布、代谢和排泄的认识仍然有限。但是，可以预见的是人类和其他生物群的内部组织和器官将成为另一个积累不可逆塑料污染，特别是纳米级微塑料的重要场所。
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风化作用改变塑料的理化特性
塑料在环境中的半衰期很长且高度不确定，它们在很大程度上取决于塑料的特性和环境条件。对于塑料类型而言，生物降解率聚酯>聚酰胺（尼龙）>聚烯烃（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，如表面积/体积比，以及是否使用了抗氧化剂和其他稳定剂都会影响降解速率。而在遗弃在环境中的塑料性质则会随着风化作用发生改变，影响风化作用的条件主要包括紫外线辐射强度、温度、生物活动和机械应力等。
塑料风化是一个非常缓慢的过程，而当塑料暴露于环境中后就会沿着两种相互关联的协同方式进行（图2）。(i) 碎片化并释放可溶性/挥发性成分；(ii)生物风化及氧化降解。在全球范围内，由于塑料污染不断累积且难以逆转，物理、化学和生物风化过程非常重要，它们将关系到塑料污染最终的清除。
（图2、环境中塑料污染物的风化过程。）
在塑料的环境风化过程中，最早可以观察到的是塑料表面的物理化学变化，包括表面电荷的改变，出现裂缝以及由于聚合物结晶度增加而导致的表面形态的其他变化。这些变化以及生物风化过程共同使得塑料表面更容易受到机械力的破坏--例如，在河床上的移动、沿海地区的反复冲刷以及土壤中的冻融作用等。当塑料破碎成微型和纳米塑料颗粒时，表面积的增加也有利于塑料材料中的化学物质以及塑料聚合物本身的降解产物释放。因此，随着时间的推移，环境中的塑料会产生越来越多样化的小颗粒和化学品，与最初进入环境的材料相比，它们更具有流动性，可以被更多的生物群吸收。
协同的生物风化作用甚至在塑料碎裂之前就已经开始了（图2）。在进入河流、湖泊、海洋，土壤的几个小时内，有机物和微生物就会在塑料颗粒周围形成一个 '生态圈'，最终定植于塑料表面形成生物膜。这些生物膜以各种方式影响塑料污染的命运。它们可以有利于无脊椎生物的定植，排出分解塑料的胞外酶，形成细胞外聚合物质。生物膜也会导致塑料浮力的改变，屏蔽颗粒表面的紫外线辐射和其他促进风化的因素，降低塑料碎裂率，更容易被当作食物误食。
考虑到不同环境对于塑料风化的影响，不同积累区的塑料风化速度也不相同，最快的风化可能发生在海洋表面（图1A），由直接暴露在阳光下、机械力（风、浪）和温度变化驱动。表层土壤中的塑料（图1D）也直接暴露在阳光下，并有高浓度的活性微生物。风化率可能会随着水体（图1，B和C）以及塑料通过翻耕和生物扰动到达较深的土壤（图1D）而降低。塑料在体内的降解（图1E）可能取决于是否存在合适的酶，它们在不同组织中的排泄率仍然是一个非常前沿的研究领域。
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塑料污染的潜在影响
传统的生态毒理学风险评估表明，目前塑料只对全球海洋中的一小部分构成影响。然而，目前对于塑料的生态毒理学风险评估有很多局限性。诱发毒性效应的塑料污染形式，以及相关的暴露浓度都是未知的，尽管它们在一些热点地区可能已经超过了环境影响的阈值。由于塑料的持续碎裂及缺乏可靠测量方法，小塑料颗粒（特别是纳米塑料）的暴露浓度很可能被低估。从广义上考虑，全球环境中的塑料污染在不断积累且难以逆转，其潜在影响是广泛的，包括地球物理和生物影响，并可能给已经暴露在多种压力下的生态系统带来了额外的压力（图3A）。
地球物理学影响
塑料污染可以直接和间接地影响全球碳循环。直接影响是由于每年有2.8亿至3.6亿吨化石碳被转化为塑料，其中只有一小部分被降解或工业转化（如焚烧或填埋）为二氧化碳、甲烷和其他温室气体。即使我们完全停止使用化石燃料，塑料降解和废物管理产生的温室气体排放也将持续几个世纪。然而，塑料通过海洋碳泵稳态对碳循环的间接影响可能比排放温室气体的直接影响更大。据估计，目前每年有780万吨塑料碳沉入海底。除此之外，在沉降到海底之前，很大一部分塑料将作为中性浮力颗粒悬浮在水体中。悬浮塑料颗粒的累积可能会影响蓝藻和浮游植物群落的食物来源及栖息地，进而影响大气中的碳固定。这部分碳本来可以进入海洋食物链，但却仍停留在大气中，从而导致全球变暖。同时，非浮力塑料中不断增加的碳负荷将继续下沉，据估计，到2050年，在海底在热点区域沉积物中的塑料碳数量可能超过天然有机碳的数量。
影响海洋碳泵会以不同的方式影响其他营养物质的循环，有微生态系统实验表明微塑料的存在改变了沉积物中的氮循环。因此，融入海洋的微塑料颗粒可能会影响营养物质向深海环境的输送，地球系统模型表明，浮游动物吃食微塑料有可能加速全球海洋中氧气的减少。
塑料负荷的增加会导致土壤特性的长期变化，如持水能力、微生物活动和多样性、营养物质的可用性和土壤结构。塑料在土壤中的积累会影响植物的多样性，导致不可逆转的土壤退化。海底（微）塑料热点的形成可能会产生类似的影响，改变沉积物的结构和组成，使沉积物肥力和海洋碳泵受到影响。
生物学影响
野生动物遭受大型塑料碎片危害的情况已被广泛报道。最近的一项分析列出了有914种海洋巨型动物（包括226种海鸟、86种海洋哺乳动物、所有种类的海龟和430种鱼类）受到被塑料缠绕及误食塑料的危害。对于濒危物种来说，这足以威胁种群的存亡。
塑料表面定植的生物体很可能会造成生物入侵，据报道，在6年的时间里，一场海啸导致定植在漂流塑料碎片表面的近300个物种发生跨洋扩散，表明塑料污染有可能在极端天气事件中促进物种的入侵。这种复杂的、系统层面的影响表明，塑料污染对物种和生态系统的更多影响还有待进一步发现。
另外，已经有大量摄取微塑料造成物理性损伤、生理变化、摄食、生长、繁殖和耗氧率受损的报道。在沉积物中超过0.5%浓度的大型和纳米塑料会影响大型无脊椎动物的数量。从塑料中浸出的添加剂也会造成（生态）毒理学影响。例如聚乙烯地膜中的邻苯二甲酸酯很可能会被谷物吸收最终进入人体。
多重压力效应
塑料污染很少被关注的一个方面是它如何与其他地球物理、生物和化学压力共同作用而造成潜在生态影响。例如，过度捕捞和气候变化对渔业的潜在影响可能会因塑料对碳循环、动物缠绕和摄取以及毒性的影响而加剧。水生生物不得不被迫适应由于温度变化、营养供应和化学暴露造成的栖息地变化，而塑料作为另外一种的压力源，很可能加剧生物多样性的丧失。土壤生物多样性和肥沃土壤的供应可能会因为塑料的长期积累而减少，这可能需要破坏更多的湿地和砍伐森林来获得新的肥沃土壤。世界上地表水供应不足的干旱地区，仅有的淡水生态系统资源可能因塑料污染进一步减少，特别是有毒的塑料添加剂（如邻苯二甲酸酯、重金属、双酚、多氟和全氟烷基物质）及小塑料颗粒可能被掺入到饮用水系统中。
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塑料的生物降解需要进化时间
随着塑料污染问题的加剧以及公众对于塑料中化学危害物（如双酚A）认知的增加，大家逐步认识到塑料污染是一个严重的环境和公共健康问题（图3）。这些担忧已经促使提出了一些处理海洋微塑料的政策倡议，但微塑料对人类的风险尚未显示出来，对一些生态系统的风险也是最近才被证明，这些倡议都是以预防原则为主。然而，目前还没有评估风化导致塑料降解可能造成的延迟毒理学影响，以及对碳和营养循环、土壤和沉积物肥力及生物多样性的非毒理学影响。由于塑料污染可逆性差，这些影响会在排放停止后延续很长时间（图3，B和C），甚至由量变引起质变，最终成为 '全球毒性债务'。
（图3、塑料污染对全球的各种潜在长期影响。(A) 潜在的影响包括对碳循环、营养循环、土壤生境和沉积物的地球物理影响；对濒危/关键物种的共同生物影响和(生态)毒性;以及公众对环境质量和政策变化的认知所产生的社会影响。(B和C) 图示说明塑料污染积累超过影响阈值将导致几乎不可逆转的影响。在(B)中，塑料污染在环境中的停留时间很长，因此减排对于塑料浓度的影响很迟缓。在（C）中，塑料污染在环境中是可逆的（例如，人为清理及环境降解），但由于排放不能被有效控制，浓度仍然高于影响阈值。CO2，二氧化碳；OC，有机碳。）
更好地理解和应对塑料污染所带来的威胁，需要对塑料在环境中的变化过程及归宿进行研究，包括风化小颗粒的积累，相关的化学物质，以及生物膜的形成和与天然有机碳的异质聚集体等。尤其重要的是，在目前可逆性较差的塑料污染正在积累的地区更好地了解这些过程(图1)。通过面向发现的研究，进一步确定风化塑料对生物地球化学循环和有机体健康未知的影响。
面对塑料污染可能带来的不可逆的全球影响，应当遵照Borrelle等人提出的方案，即尽可能迅速和全面地遏制塑料向环境的排放。严格监管原生塑料的生产和使用，鼓励创新应用更多无害且更具竞争力的材料。另外，通过补充《巴塞尔公约》，只允许将塑料废物出口到比出口国拥有更好的回收基础设施的国家，消除塑料中的危险化学品以增加回收潜力，并制定国家和全球的回收/再利用目标。从更广泛的社会层面应当尽可能消除塑料的不必要使用，并鼓励尽量减少塑料废物的行为。
最后，我们今天排放的塑料会在未来造成全球规模的、难以逆转的影响，除了采取有针对性的行动来减少排放外，如何有效回收处理环境中存在废弃塑料是解决塑料污染问题关键。虽然目前自然界中尚未进化出高效降解塑料的微生物，但是在全球科研人员的努力之下，有越来越多具有塑料降解潜力的功能酶/微生物群落被发现，通过代谢工程及合成生物学技术手段在实验室中不断强化这些微生物的塑料降解能力，未来有望真正应用于环境中的塑料废弃物降解。山东大学微生物技术国家重点实验室牵头的中欧合作项目“合成塑料降解转化微生物菌群”正在聚焦这一全球性科学难题，通过“解塑再用”实现塑料垃圾的资源化利用，为解决塑料污染问题，早日实现碳中和贡献中国力量！
供稿：苏田源
编辑：李晓萌 徐娅 张彤