微塑料:一个宏观问题

副研究员Dimitri Deheyn正在通过海洋和实验室的实验研究微纤维如何在环境中降解。照片由Erik Jepsen/UC San Diego Publications拍摄

F在地球上的某个地方，有一架飞机，它的外壳外面装有研究级的双面胶带。每次飞行员降落时，他都会把胶带取下来，密封在一个包裹里，然后在再次起飞前换上新的胶带。然后，他将包裹邮寄到加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋学研究所，由副研究员迪米特里·德海恩负责。

在显微镜下观察胶带，Deheyn看到了他要找的东西:粘在粘合剂上的微纤维。

微纤维是微塑料的一个子集，微塑料是由较大的塑料碎片分解而成的微小石油基材料，或以其微观尺寸制造:直径小于5毫米。这种比头发丝细五分之一的纤维被用于纺织品制造;它们在我们穿着、洗涤和晾晒的过程中从衣服上脱落，流入水道，飘到空气中。

从斯克里普斯码头提取的超细纤维样本，这些材料正在那里进行降解测试。照片由Erik Jepsen/UC San Diego Publications拍摄

Deheyn和Robert DeLaurentis (aka禅宗的飞行员)的一项研究分析了超细纤维的全球分布和浓度。他说，最好的科学有时涉及最简单的技术:在这种情况下，双面胶带。在从北极到南极的30段飞行中，德劳伦提斯的每一段都将为Deheyn提供一份样品。

Deheyn说:“它可能不会给我们绝对的数字，但至少它会给我们一个关于在大气中发现的粒子类型的很好的提示。”“这将是第一次在全球范围内收集这样的样本。”

这些样本将增加Deheyn目前的研究，该研究已经在北极、亚马逊、海洋最偏远和最深的地方发现了微纤维。几乎所有他取样或收到样本的地方。

Deheyn说:“在世界各地的水样中发现了微纤维后，很明显，污染的一个主要途径必须是通过大气。”“但作为一名习惯在水下采集样本的海洋生物学家，我显然不知道如何在全球高海拔地区采集空气样本。”

一场战争的结束，一个时代的开始

最近毕业的斯克里普斯博士珍妮·布兰登在斯克里普斯地质收藏中拿出了一个海底岩芯样本。这是在南加州圣巴巴拉盆地的近海拍摄的。它的内容物代表了一段地质历史，可以追溯到200年前的沉积物。

布兰登用了这个和其他核心最近的一项研究她发现，自二战结束以来，环境中累积的塑料量呈爆炸式增长。这种急剧的指数级增长与全球塑料产量的增长以及同期加州沿海人口的激增相匹配。研究小组指出，自20世纪40年代以来，微观塑料的数量大约每15年翻一番。

远洋无脊椎动物收藏经理林赛·萨拉(后)和珍妮·布兰登(前)在显微镜下观察樽海蛞蝓中的微塑料。

“塑料生产几乎完全复制在我们的沉积记录中。我们对塑料的热爱实际上被留在了化石记录中，”布兰登说。

塑料的兴起始于1945年——世界从战争中恢复——可以作为人类世一段时期的代表，科学家们将这段时期称为“大加速”。科学家将人类世定义为当前的地质时代，在此期间，人类活动对地球产生了主要影响。

在“大加速”之前，科学家估计每年有480万至1270万吨塑料垃圾进入海洋。由于塑料垃圾的数量往往与人口数量有关，布兰登和合著者预计，随着沿海人口增长继续加速，近岸地区可能会承受更大的塑料冲击。

布兰登的研究是同类研究中的第一次，因为它研究了塑料随着时间的推移在一个地方的积累，使研究人员有机会详细地解决这一趋势，并且是说明全球海洋中塑料污染是如何普遍存在的几个研究之一。

正确计算数字

让布兰登大开眼界的不仅仅是塑料对环境的破坏。在另一项研究布兰登发现，水母状滤食性海洋无脊椎动物salps正在摄入微型塑料微粒;这些超微小的污染物之前在科学家的雷达下飞行。

虽然这些生物吃塑料并不奇怪，但布兰登对之前被忽略的微塑料的数量感到惊讶:大约是之前认为的一百万倍。

本科生霍利·尼尔森(Holly Nelson)协助迪米特里的研究，她从斯克里普斯码头上取回存放超细纤维样本的罐子。

通过分析海水样本，班登在海面海水中发现了一些可计数的微塑料，其浓度远远高于之前的测量值。她的方法揭示了计算海洋微塑料的传统方法可能遗漏了最小的颗粒。

布兰登估计，平均而言，海洋每立方米水中被830万片微型塑料污染。之前的研究测量了更大的塑料碎片，发现每立方米只有10块。

布兰登与合著者、斯克里普斯博物馆的收藏经理林赛·萨拉(Linsey Sala)合作远洋无脊椎动物收藏这是世界上最著名的海洋浮游动物收藏之一，可以追溯到1903年。布兰登解剖了在多年的海上探险和横跨北太平洋的长期监测网络中收集的樽海鞘。

布兰登从2009年、2013年、2014年、2015年和2017年收集的水样中调查了100只樽海鞘，其中100%的肠道中都有微型塑料。结果震惊了布兰登。

布兰登说:“我肯定认为它们中的一些是干净的，因为它们的肠道清除时间相对较快。”他指出，salp消耗和排便食物的时间在2到7个小时之间。作为滤食性动物，樽海鞘几乎总是在进食。

樽海蛞蝓胃里的塑料会沿着食物链到达以它们为食的生物那里，包括海龟、商业捕捞的岩鱼和帝王蟹。最终，这些微型塑料微粒可能会进入人体。

“没有人吃樽海鞘，但它在食物链上离你吃的东西并不遥远，”布兰登说。

最好的前进道路

塑料样品被绳子拴在斯克里普斯码头外的水下，正在慢慢降解。这两个实验属于不同的实验室，但它们都是为了理解同一个过程:塑料是如何降解的。

在码头的一侧，Deheyn和博士后研究员Sarah-Jeanne Royer正在监测石油基和纤维素(木材纤维)微纤维。

罗耶会定期检查这些纤维的状态。作为Deheyn实验室的博士后研究员，她正在与工业界合作，寻找新的可持续纤维选择。本研究是通过最好的计划这是Deheyn创建的一个平台，旨在促进产业界和学术界之间的互动，为合作提供空间。

Sarah-Jeanne Royer拿着夏威夷Kamilo海滩上堆积的塑料碎片。

这项研究的关键是获得由流行的化学加工方法制成的原料纤维，这些方法最终会影响纤维的生物降解性，这已经成功地应用于纤维生产商，如奥地利的这家公司兰精集团．研究人员希望解决两个基本问题:哪些原始材料会在海洋环境中降解，以及供应链中的哪个过程会改变纺织品的降解。

Deheyn最初并没有打算研究微塑料;他是生物荧光的专家。但他注意到样品中有奇怪的物质在发光。起初，他以为那只是镜头上的划痕，但后来他发现那实际上是微纤维。

Deheyn对荧光污染物的观察带来了新的机会。他和加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的研究人员一直在使用荧光技术开发新技术，以检测从水样中过滤出来的微塑料。

这项技术由工程学研究生杰西卡·桑多瓦尔(Jessica Sandoval)开发，被称为自动化微塑料标识符(AMI)。该协议旨在用识别纤维的自动化过程取代人工计数。研究人员首先在紫外线照射下对滤光片进行成像，这样塑料就会发出荧光。桑多瓦尔开发了一种软件来量化每个过滤器上的塑料量，并使用图像识别来生成塑料的特征信息。

不同降解阶段的超细纤维样品。照片由Erik Jepsen/UC San Diego Publications拍摄

桑多瓦尔说:“这是令人兴奋的第一步，利用自动化技术来协助监测这种普遍存在的海洋污染物。”他在加州大学圣地亚哥分校读本科时就开始开发这项技术。“有了这些技术，我们可以更容易地处理来自全球各地的样本，并更好地了解微塑料的分布。”

Deheyn正在使用这项技术来分析自20世纪70年代以来从斯克里普斯码头取下的水样。对这些样品进行超细纤维浓度分析，以确定这种污染的数量如何随时间变化。这项研究还将显示哪种类型的纤维是最不可生物降解的，以及在过去50年里，这种特殊的塑料污染在什么时候变得明显起来。

在码头的另一侧，水瓶和酸奶杯等消费后塑料制品正在聚集海洋微生物。这些微生物有助于分解塑料，斯克里普斯生物海洋学家杰夫·鲍曼(Jeff Bowman)是一个研究小组的成员，该小组致力于了解如何以及哪些微生物最重要。

鲍曼正在与位于圣地亚哥的国立大学合作治愈海洋塑料上的微生物该项目使用基于课程的本科生研究经验()，将学生的学习围绕现实世界的问题。该项目由美国国家科学基金会资助，主要研究塑料，特别是模拟海洋中的塑料碎片，并研究分解塑料的微生物。学生成为研究团队的一员，帮助回答有关微生物和塑料降解的问题。

在过去的一年半里，每隔几个月，国家大学的一个新班级就会到斯克里普斯码头检查码头上的塑料垃圾。鲍曼和其他科学家利用这些样本向他们传授海洋微生物学知识，并教育他们了解塑料污染。学生在这些课程中收集的样本和数据将被纳入本学期的课程作业中。

通过显微镜观察到的细纤维。

鲍曼实验室的研究生随后对样本进行了更详细的分析，以建立一个在海洋塑料上生长的细菌基因序列文库。他们希望更多地了解海洋微生物群落降解塑料的能力，以及如何将这一认识应用于工业规模的塑料降解。

鲍曼说:“海洋塑料是一个巨大的环境挑战，但也提供了一个独特的教育机会。”“本科生在新闻中听到海洋塑料，当他们参观当地海滩时可以看到这个问题。我们能够利用这一点来了解微生物在海洋系统中的作用，以及微生物如何成为本世纪重大环境解决方案的一部分。”

尽管关于这一主题的研究范围很广，但科学家们强调，关于微塑料对环境、最终对我们自身的影响，我们还有很多东西需要了解。鉴于头条新闻称，海洋中的塑料很快就会比鱼还多，这是科学界和整个社会都渴望探索的研究。

“这只是我们了解‘塑料生物学’的开始。它们无处不在，在我们呼吸的空气中，在我们喝的水里，在我们吃的食物里。”Deheyn说。“所以，我们需要学会如何与它们共存。然而，尽管人们正在研究基本的科学问题，但作为一个社会的关键问题仍然没有得到很好的解决:为什么我们一直在制造那些不会降解的材料，而且这些材料不断积累，以至于它们会窒息我们的生态系统?”