李宗超，陆 峥，孙景博，田志仁，贾小旭，杨 楠，杨晓帆
1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.北京师范大学地理科学学部，地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广东 广州 511458 4.中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101
微塑料(粒径小于5 mm的塑料颗粒和碎片)广泛存在于水体、陆表土壤沉积物和大气中，严重危胁着生态环境安全和人类健康。党的十九届五中全会以来，党中央和国务院从加快推动绿色低碳发展、持续改善环境质量、提升生态系统质量和稳定性、全面提高资源利用效率等方面做出了专门部署，对包括微塑料在内的新污染物的监测和污染防治也提出了更高要求，为新时代加强生态文明建设和生态环境保护指引了方向。本文通过研究国内外微塑料污染及监测现状，重点介绍了发达国家和地区在微塑料原位监测网布设、样品采集、分析测试和数据模型等方面的发展现状，阐述了数据模型方法在微塑料监测中的重要作用，提出了“十四五”期间我国开展微塑料监测体系构建的相关建议。
自20世纪中叶以来，人类大量生产和使用塑料制品。塑料制品在给人类生活带来便利的同时，也对生态系统构成了严重威胁。目前，全球除了已被填埋的约1亿t塑料垃圾外，仍有约15亿t塑料垃圾正不断进入陆地和海洋环境。倘若仍按照当前的处理方式，预计至21世纪中叶，将有约120亿t塑料垃圾扩散至海洋和陆地环境[1-3]。按照来源，微塑料可分为初生微塑料和次生微塑料。从废弃塑料垃圾等污染源头开始，微塑料通过地表径流、大气扩散及人类活动等的迁移作用，沉积并聚集于陆地土壤和水体环境中(图1)，且处于不断累积状态[4-5]。由于微塑料体积小且难以降解，其污染严重威胁着生态环境健康与安全，已成为与气候变化、臭氧耗竭等并列的全球重大环境问题[6-7]。
注：由参考文献[1-3]归纳汇总。图1 陆源微塑料从陆地向海洋的扩散模式Fig.1 Diffusion patterns of terrigenous microplastics from land to ocean
1.1 陆地生态系统微塑料污染现状
微塑料一旦进入陆地生态系统，将对陆地生态系统的物质循环和能量流动产生重大影响[8]。其污染形式主要有两种：一是点源污染，主要通过污水处理厂出水及污水处理厂污泥的资源化利用直接进入土壤；
二是面源污染，主要由农用薄膜的使用、塑料垃圾的填埋及堆肥等产生[9-10]。研究显示，在欧美，每年通过污水处理厂出水和污泥进入陆地生态系统的微塑料的总量最高可达43万t[11-12]。另有研究显示，墨西哥约50%的农田表面覆盖有塑料地膜[13]，澳大利亚悉尼工业区土壤中的微塑料含量最高可达7%[14]，德国固废堆积区表层土壤中的塑料含量可达40%[15]。
与发达国家相比，我国污水处理厂出水和污泥产量更大，处理处置技术尚不成熟，相关政策和标准也仍在完善之中，导致我国陆地表层微塑料污染更为严重，且土壤中微塑料丰度的空间分布具有明显的地域性差异[10,16]。例如：由于塑料地膜在西南农业区的广泛使用，该区域表层土壤中积累了大量的微塑料[17]；
在云南的诸多景区，旅游业带动了当地第三产业的发展，但不规范的生活垃圾处理方式导致其土壤中的微塑料颗粒含量明显升高[16]；
在人口密集、经济较为发达的长江经济带，居民生活和企业生产活动亦导致了当地土壤中较高的微塑料丰度[18]。
1.2 水环境微塑料污染现状
塑料具有浮力大、难降解的特点，近年来已大量入侵海洋及海岸环境，并在潮汐动力和紫外线等的共同作用下，逐渐分解为微塑料。由此，微塑料成为海洋生态系统中的一种新污染物[19]，并引起了联合国环境规划署的高度关注。研究表明，仅在2010年，全球就有480万～1 270万t的塑料垃圾被从沿海城市倾倒至海洋[20]。在全球海洋及海岸环境中，塑料垃圾在所有固体废物中的占比高达80%[21]，漂浮在海洋中的微塑料颗粒数已超过5万亿个，给海洋生态系统造成的经济损失超过1 300亿美元[22-24]。水环境中的各类纳米级和微米级塑料颗粒可在多种载体中不断积累，如深海水体[25-27]、深海沉积物[28-29]、表层海水[30]、近岸海域沙滩[31]、岛礁海岸带沙滩[32-33]、江口和湖泊的任何区域[20,34-36]，甚至是在贝类生物体内[37]、海盐结晶物中也均有发现[38]，给水生态环境健康带来了重大隐患。研究显示，我国长江、汉江、椒江、瓯江和闽江等流域均存在不同程度的微塑料污染，微塑料含量在1 000～3 000个/m3之间[39-41]。在淡水湖泊中，太湖表层水体中的微塑料含量高达6.8个/m2[42]。此外，研究人员甚至在西藏自治区4个极其偏远湖泊的沉积物中也发现了微塑料颗粒的富集[43]。
1.3 微塑料监测现状
综上所述，陆地生态系统和水环境中的微塑料污染问题已十分严峻，然而当下对微塑料来源与分布规律的监测和研究仍相当匮乏。在全球范围层面，各国虽已建立微塑料监测的初步框架，但规模较小，且对微塑料在跨介质环境中的关联监测、检测和预测仍不足[44]。故亟须加强对微塑料污染的动态监测，阐明其时空分布规律与环境行为机制，为微塑料污染防控和治理提供有力的科学依据。
相比欧美发达国家，我国环境微塑料监测研究起步较晚。2013年，华东师范大学、香港大学、中国科学院烟台海岸带研究所、国家海洋环境监测中心等高校和研究机构率先开展了相关研究。2015年，国务院办公厅印发《生态环境监测网络建设方案》，要求到2020年初步建成陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络，同时要求开展化学品、持久性有机污染物、新型特征污染物及危险废物等环境健康危害因素监测。随后，相关部门切实行动，开始全面设点，加快建立和完善现代化生态环境监测体系[45]。生态环境部《2018年度〈水污染防治行动计划〉重点任务实施情况》显示，11个沿海省份编制实施了省级近岸海域污染防治方案，推进了海洋垃圾(微塑料)污染防治。2020年和2021年，生态环境部党组书记孙金龙分别在《旗帜》和《人民日报》发表署名文章——《深入打好污染防治攻坚战 持续改善环境质量》和《持续改善环境质量》，提出要加强海洋垃圾和微塑料治理，强化源头控制、及时清理和全生命周期管理。相应地，科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等陆续批准资助了100多项环境微塑料相关的科研项目[46]。然而，国内微塑料监测在取得一系列发展的同时，监测的范围尚未实现全面覆盖，仍缺乏相关的行业标准和完善的监测体系，导致各单位微塑料调查与监测方法不统一，且监测与监管工作未能密切结合，最终难以实现标准化、业务化的监测数据融合分析和综合评估[45]，给微塑料污染研究和综合治理带来了巨大的挑战。
2.1 国外监测技术与方法
2.1.1 原位监测网布设
陆地生态系统和海洋生态系统的微塑料原位监测网存在较大差异。与陆地生态系统相比，海洋生态系统的微塑料丰度和迁移跨度较大，因此，在水平和垂直层面上，对迁移能力强的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等的颗粒丰度的监测是海洋微塑料监测的重中之重。在监测设备的选择上，每个海洋监测站点均需配备独立的原位采样泵(SAP)，用以收集悬浮于海水中的微塑料颗粒。一般需要考虑50、150、200 m 3个深度，同时还需要定期检测10 m深度处的微塑料丰度，进而通过对比不同深度处的微塑料丰度来测算其在海洋内部的扩散情况[47]。对于处于混合层深度(MLD)的微塑料粒子，需通过电导率-温度-深度廓线等进行测算，同时与海洋测温站点微塑料监测数据进行比对验证[48]。而对极地地区微塑料粒子的监测，通常采用红外光谱傅里叶变换方法。例如，ROSS等[49]在欧洲和北美洲北极地区(包括北极点)71个监测站和波福特海的6个观测站采集了相关样本，通过红外光谱傅里叶变换的方法进行了分析，并结合其风化特征推算出了微塑料颗粒的迁移和风化过程规律，最终得出受大西洋洋流影响的北极东部海域的微塑料丰度明显高于受太平洋洋流影响的北极西部海域的结论。
在淡水生态系统中，微塑料监测的对象主要为处理后的废水[50]。由于目前大多数污水处理厂均无法有效去除污水中的微塑料颗粒，因此，对污水处理厂出水中的PE、PP、聚酯、聚酰胺等类型的微塑料颗粒开展监测尤为重要。基于排泄管道和水库水坝原位监测网，GATIDOU等[51]研究发现，污水处理厂对微塑料的去除率通常与微塑料的颗粒类型和污水处理的技术流程有关。ANDERSON等[52]通过比较莱茵河水体中不同位置的微塑料丰度，得出微塑料在溶质迁移速度较慢的沉积物中更稳定的结论。
2.1.2 样品采集与检测技术
微塑料样本取样方法主要可分为选择性取样(筛分、过滤、浮选、密度分离和电荷分离)和浓缩取样两大类。其中，选择性取样主要适用于陆地表层沉积物，而浓缩取样则适用于水体[53]。密度分离技术是基于塑料密度(0.8～1.4 g/cm3)和沉积物密度(通常为2.65 g/cm3)的差异，将NaCl饱和溶液(1.202 g/cm3，25 ℃)与沉积物样品混合，利用塑料颗粒物密度相对较低的特性，通过浮选方法将微塑料颗粒与其他颗粒(如沙粒)分离开来。对于粒径大于300 μm的微塑料，通常采取使用硝酸清洗样品的萃取方式。CLAESSENS等[54]通过萃取方式将土壤样品中微塑料的提取效率提升到了98%。而HIDALGO等[55]利用500 μm孔径细滤器，通过向水样中添加盐类以增加水体密度的方式，加速了微塑料颗粒的分离，进而实现了对微塑料颗粒浓度的测算。然而，如何分离粒径小于150 μm的微塑料颗粒，目前仍是一个难题。IMHOF等[56]借助稠密流体，使用塑料沉积物分离器对微塑料颗粒进行了分离，成功分离出粒径仅为9 μm的微塑料颗粒，并有效测量了意大利卡尔达湖淡水样本中的微塑料颗粒浓度。
此外，借助解剖显微镜进行目视分选，从而将微塑料颗粒与有机碎屑(干藻类、海草、贝壳碎片、木材等)和其他材料(玻璃、焦油、金属)进行分离的做法也较为常见[57]。现阶段的大多数研究在对微塑料粒子进行监测时，在陆地土壤中的取样深度较浅，仅在农业土壤中的取样深度可至30 cm，而在其他类型土壤中普遍小于5 cm[58-59]。
2.1.3 室内分析技术
微塑料的室内分析技术因样品物理性质而异。对于漂浮性微塑料，扫描电镜-能谱仪(SEM-EDX)可以用来量化单位体积样本中微塑料颗粒(粒径0.5～10 μm)的数量。ZUCCARELLO等[60]使用SEM-EDX鉴定了未经消化处理或过滤工艺提取的矿泉水样本，证明了SEM-EDX在微塑料鉴定方面具有很高的准确性。与水体样本相比，土壤样本的组分更为复杂，来源更为多变，因此，土壤样本中微塑料的分离与分析技术也更加复杂。例如，在对农田土壤中的污泥样本进行分析时，需先进行密度分馏，再依据不同的情况使用过氧化氢等洗涤剂进行预处理，最后通过光学显微镜和傅里叶变换红外光谱技术进行分析[61]。VAN DEN BERG等[62]对西班牙瓦伦西亚农村地区的研究表明，在施用污泥的10年内，土壤中的微塑料浓度平均增加了3倍，每千克土壤样本中的微塑料颗粒数达到了3 330个；
而在未经处理的对照地块，土壤中的微塑料浓度只有施用污泥土壤的1/3。同时，傅里叶变换红外光谱技术虽然具有较高的精度，但对粒度较小的微塑料和自然物质的分辨率不足，需使用全反射红外测试技术(ATR-μFTIR)进行矫正[63]。
对于城镇微塑料样本，主要采用加压液相萃取(PLE)结合热解-气相色谱-质谱(Pyr-GC-MS)技术从土壤沉积物中提取PE、PP和PS等微塑料颗粒。基于这一方法，DIERKES等[64]发现，德国科隆主干道旁土壤样品中的微塑料质量丰度为(915±63) mg/kg，并且过氧化氢处理和超声波密度分馏提取可提高微塑料丰度的量化精度。MEIXNER等[65]利用该技术获得了在德国和奥地利城镇典型样点采集到的土壤中的微塑料丰度。除此之外，考虑到此类预处理手段可能会加速样本的矿化过程，FULLER等[14]采用加压流体萃取(PFE)方法结合傅里叶变换红外光谱技术，测得了澳大利亚悉尼工业设施附近不同土壤样点的微塑料丰度(2 400 mg/kg)，发现当地已存在较为严重的微塑料污染。KANKANIGE等[66]基于傅里叶变换红外光谱技术定义了60%的光谱相似性指数阈值，其研究结果表明，傅里叶变换红外光谱技术可用于分析土壤中粒径大于50 μm的微塑料。
2.2 国内监测技术与方法
目前，国内陆地生态系统微塑料监测的对象主要包括农田、林地等生态系统，监测载体包括微塑料纤维、薄膜、碎片、颗粒和发泡。这些微塑料载体中包含了PE、PP、PS、聚酯和聚丁烯等多种聚合物成分。在土壤原位监测中，微塑料和植物根系[67-68]、土壤水稳性团聚体[69]及一些有益微生物[70-71]均会产生相互作用，导致微塑料的富集程度增加，进而引发土壤中邻苯二甲酸酯类含量的增加[72]、碳氮含量[73]的增加及有益微生物群落活性[74-75]的显著降低，最终影响整个生态系统的功能多样性[76-78]。
水环境微塑料监测可分为咸水系统(近岸浅海与海岸带)监测和淡水系统(河流、湖泊)监测。其中，我国咸水系统监测中较为成熟的监测网络多建于黄渤海滨海河口地区[79-80]和东南沿海地区[81]，而淡水系统监测则主要开展于黄河中游地区[82]和辽河流域[83]。水环境微塑料监测的内容主要是通过样本采集和浮选分离，获得微塑料丰度[84-85]、碳氮浓度相关性[40]、微塑料颗粒聚集趋势[33]等结果。需要特别说明的是，对湖泊等淡水系统的微塑料监测一般包含对上游冰川融水中微塑料颗粒的丰度监测及汇集规律分析，如SU等[42,86-88]在青海湖、太湖、洞庭湖、乌梁素海等内陆湖泊开展的相关研究。此外，城市排污状况、土地利用类型及水环境营养水平与微塑料颗粒丰度的关系也已成为研究的热点[89-92]。
现阶段，国内微塑料监测虽已取得了长足进步，但仍存在一定的不足。首先，监测内容和覆盖区域不够。如图2所示，应完善重点防治区域的微塑料丰度监测网，建立全方位、多区域、长时间序列的立体化监测体系。其次，由于检测手段和监测仪器各不相同，微塑料丰度检测结果的一致性较差，难以进行横向比对。因此，建议构建统一的监测框架[93-94]，有针对性地出台针对特定重点防治区域的监测技术规范。最后，在构建微塑料综合监测网络时，还应考虑微塑料颗粒毒性对周边生物和人类健康的影响。
图2 全方位、多区域、长时间序列的微塑料综合监测网示意图Fig.2 Schematic diagram of a comprehensive,multi-regional andlong-term sequence microplastics monitoring network
2.3 数据模型集成分析预测
现阶段，对微塑料颗粒的数据模型分析预测主要集中于微塑料颗粒类别精确识别和微塑料颗粒迁移过程模拟两个方面。微塑料颗粒识别对光学设备的准确度的要求极高。传统检测方法在光学系统和成像技术方面存在一定的缺陷，导致其对微塑料颗粒的检测效率不高。因此，微塑料颗粒识别与丰度检测技术亟待提高。单点多盒算法(SSD)因其简洁的网络结构特点，近年来逐渐被更多采用。SSD的原理是先在研究区域内的不同位置进行不同尺度和长宽比的密集抽样，随后通过卷积神经网络进行影像特征提取和分类，从而实现自动目标识别[95]。该技术为解决微塑料颗粒检测中面临的目标物体积小、背景杂质影响大、样本分离困难的难题提供了技术保障。验证结果表明，基于SSD网络的微塑料颗粒检测算法对微塑料颗粒的识别正确率可达89.2%[96]。
数据模型集成分析在研究海洋微塑料迁移过程中同样扮演着重要的角色。相比点源污染，面源微塑料污染不仅来源广，迁移过程也更为复杂。因此，数值模型研究主要从微塑料的入海通量、迁移路径及汇集区域3个方面开展。ERIKSEN等[97]从人类活动数据入手，将流域排污口、人口密度和海洋活动3个变量作为输入数据，建立了漂浮颗粒海洋学模型，并利用通过浮游生物网采集到的数据信息集来校准模型，最终估算了人类活动密集区的微塑料颗粒数量和变化趋势。在此基础上，GREMiS估算模型进一步增加了污水厂排污口通量和塑料降解速率等参数，从而可估算出微塑料颗粒通过河流进入临近海洋的通量[98]。CRITCHELL等[99]借助SLIM冰海模型研究了沿海地区微塑料在迁移过程中可能发生的物理过程(降解、漂移、沉降、悬浮等)，优化了微塑料颗粒的迁移路径算法。而ROMS海洋模拟系统模型则可以借助海洋表面的风场、热交换、淡水交换等驱动场，对微塑料颗粒迁移路径进行进一步的优化。研究结果显示，ROMS模型在我国渤海海域微塑料颗粒时空分布变化模拟中表现优异[100]。在汇集区域模拟方面，FOSSI等[101]借助漂浮物输运模型，对地中海地区5个大规模漂浮塑料碎片堆积区进行了数值模拟，最终模拟获得的微塑料高密度聚集区域与实地调查结果一致。此外，数值模型在微塑料颗粒迁移特征影响因素分析研究中同样发挥着巨大的作用。BESSELING等[102]借助NanoDUFLOW模型模拟了不同河流系统中同类型微塑料颗粒的迁移规律，得出了微塑料颗粒粒径与迁移距离成反比的结论。
当前，我国生态环境监测业务已实现了覆盖范围广、时间序列长、监测模式丰富的多要素监测体系的构建[103]。与此同时，污染防治攻坚战顶层设计更加完善，区域联防联控机制得到重点深化，使得大量科研成果可应用于生态空间管控和绿色发展决策。此外，环境标准体系更加完善，生态环境监管能力也得到大幅提升。然而，针对微塑料污染物的监测体系尚未形成，相关监测标准与法律法规仍有待建立健全。
与发达国家相比，我国生态环境监测网络在规模方面具有一定优势，但在功能方面却存在着一定的差别。其中，欧美等发达国家的生态环境监测网络主要用于科研与环境评价，而我国目前多以支撑考核为主要任务[103-104]。例如：美国环境监测工作起步较早，当前更加注重自动监测设施的建设；
欧洲发达国家国土面积普遍较小，所以其监测站点较为密集；
而日本则是各部门分工明确，每个部门分别负责不同的监测项目，可以分别采取不同的监测措施，故其监测形式更加丰富。因而当前对于我国来说，继续深化生态环境监测体制改革，进一步健全监测网络，不断完善相关法律法规，实现生态环境监测业务在评价考核和服务环境治理上的统筹协调发展，就显得尤为重要[105-107]。微塑料是广受国际关注的新污染物，尽快将微塑料监测纳入生态环境监测网，对于我国生态环境保护工作的深入发展具有至关重要的意义。为此，应积极开展微塑料污染监管和治理措施研究，建立微塑料污染治理专项工作机制，强化源头控制、及时清理和全生命周期管理[108-109]。
目前，我国正在开展的微塑料污染防治相关工作主要以海洋微塑料监测评价试点为先导，大力推进海洋垃圾和微塑料污染防治相关技术方法及管理对策专项研究[110]。由于微塑料在海洋中的供应、分配、转化和去除过程的复杂性，依据数据模型评估和揭示环境与微塑料之间复杂的相互作用机制尤为重要。通过对微塑料颗粒物理迁移过程的模拟，可以有效揭示微塑料的分布、运输和聚积过程，科学评估环境中微塑料的来源和演变归趋，预测微塑料在全球范围内的聚积及分布模式，并据此提出有效的源头控制措施，便于进行靶向控制。此外，通过模型预测解决废物管理不善问题，不仅能够减少一般的大颗粒塑料污染，还能够防止次生微塑料原位污染的发生。在进行决策时，需要综合考虑微塑料的危害、替代材料的质量及成本等问题，必须仔细评估相关替代激励措施是否可以刺激行业产生新的、更具竞争力的环保材料[111]。综上所述，在提升微塑料污染监测设备技术水平、加强微塑料监测技术培训的基础上，依据微塑料颗粒迁移模型，配套相关的科学计算平台，形成微塑料污染防治综合管理平台，并由此制定相应的动态管控政策和措施，不断完善顶层设计，改善环境监测体系，方可全面协调推进生态文明建设。
“十四五”期间，需更加重视区域生态环境监测能力与绿色发展现实需求之间的关系，提升监测目标的针对性，完善标准体系和相关法律法规[108]。通过数据监测和模型预测，建立一套与国际接轨的微塑料污染评价体系，并致力于推进相关法律法规的制定。随着微塑料监测在生态环境监测中的地位愈加突出，依据监测数据进行的科学决策将关系到环保工作的长远发展。因此，必须依据相关理论加强顶层设计，重点解决环境监测系统运行机制、监测网络整体格局及监测装备资源配置等问题，推动环境监测服务社会化，使之与环境管理战略的发展相适应。
相比发达国家和地区，我国微塑料监测工作起步较晚，法律支撑体系尚不完善，亟须借鉴发达国家和地区较为完整、成熟的监测体系与污染防治方案，推进我国微塑料监测技术和设备的研发，构建科学、规范、完善的微塑料监测网络体系。为此，主要提出以下建议：
1)完善新污染物监测体系，全方位提升微塑料监测能力。制定微塑料监测相关技术规定，规范微塑料监测方法，建立健全集监测网点位布设、样品采集、室内检测技术、数据模型于一体的微塑料丰度综合监测体系。
2)加速推进微塑料监测技术和装备研发，提升研究团队硬实力。必须从系统工程和全局角度推进微塑料污染治理，统筹兼顾、整体施策、多措并举，同时提升监测技术、装备和人员水平，保障监测数据的客观性、准确性和关联性。
3)全面准确把握科研前沿，提升数据模型集成决策能力。建立微塑料污染防治综合大数据平台，基于集成数据模型实现更为高效的决策，更加有效地将行为科学知识整合到干预政策之中，并激励利益相关者之间的合作。
4)不断推动新污染物监测的规范化，提升生态环境治理效能。尤其需加强新污染物环境监测管理，早日形成相关法规和监测标准。同时，亦需形成兼顾陆域和水域生态环境安全的评价指标体系，从而实现对区域生态环境保护和高质量可持续发展的动态评价。
猜你喜欢 塑料颗粒塑料污染 海滩上的塑料颗粒创下新纪录环球时报(2022-12-05)2022-12-05微塑料小猕猴智力画刊(2021年9期)2021-10-11用磁铁溶解水中的微塑料科学之谜(2021年6期)2021-09-02坚决打好污染防治攻坚战当代陕西(2019年7期)2019-04-25坚决打好污染防治攻坚战领导决策信息(2018年26期)2018-10-12小虫虫变身海洋清洁员作文·初中版(2018年7期)2018-09-12塑料也高级Coco薇(2016年8期)2016-10-09塑料的自白书少儿科学周刊·少年版(2015年3期)2015-07-07塑料少儿科学周刊·少年版(2015年3期)2015-07-07对抗尘污染，远离“霾”伏都市丽人(2015年5期)2015-03-20