Science | 塑料污染对全球的威胁(续)
发布时间:2021-07-30 15:33:05 来源: 废塑料新观察 作者:本站编辑 浏览次数:

近年来,随着全球化的塑料工业蓬勃发展,大规模生产和使用塑料制品同时产生了大量废弃塑料,塑料制品产量较高但是废塑料回收比例偏低,为了推动废塑料向资源化发展,各国出台了一系列政策规划推动塑料再生利用。我们正在面临着快速增长的全球化塑料污染问题,塑料的弊端已经显现。本月Science一口气连发9篇与塑料相关的一系列主题文章。他山之石可以攻玉,本期特刊小编带领大家继续浏览《The global threat from plastic pollution(塑料污染对全球的威胁)》这篇综述文章,了解塑料累积和不可逆污染构成的全球威胁的对策是什么

自然降解导致不可逆塑料污染的新特征

塑料在环境中的半衰期非常长且高度不确定,很大程度上取决于塑料的特性和环境条件 。不同聚合物类型根据它们所处环境的不同降解速率也有所不同,例如生物降解速率按照聚酯 > 聚酰胺(尼龙)> 聚烯烃(例如,聚乙烯)的顺序降低,光降解速率按照聚四氟乙烯 > 聚酯 > 聚酰胺的顺序降低。除了聚合物类型之外,降解速率还取决于塑料材料的特性,例如比表面积以及在配方和复合过程中是否使用了抗氧化剂和其他稳定剂以提高耐候性。影响降解率的环境条件包括紫外线辐射强度、温度、生物活性和机械应力等等。

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塑料在暴露于环境后立即开始缓慢降解过程,塑料的降解沿着两条相互关联且通常具有协同作用的轨道进行:(i)碎裂和可溶性或挥发性成分的释放,与( ii) 生物污染和氧化降解过程。在由累积性和不可逆性塑料污染构成的全球威胁的背景下,物理、化学和生物降解过程很重要,因为它们会影响塑料在不可逆性暴露区域的最终清除和停留时间,以及可能的影响机制。塑料环境降解的第一个可观察迹象是表面性质的物理化学变化,包括表面电荷的改变,以及由于聚合物结晶度增加而导致的表面形态开裂和其他变化。这些变化和并发下文讨论的生物降解过程使塑料表面更容易受到机械力的影响——例如,在塑料穿越河床、沿海地区反复水流冲刷以及土壤中的冻融作用期间。随着塑料碎片变成微米级和纳米级塑料颗粒,表面积的增加也促进了塑料材料中化学物质的释放包括添加剂、残留的未聚合单体和低聚物以及塑料聚合物本身的降解产物。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物质谱系,与最初进入环境的材料相比,它们更易移动,更容易被吸收到更广泛的生物群中。甚至在塑料碎裂过程开始之前,协同发生的生物降解就开始了。在进入河流、湖泊、海洋或可能还有土壤的数小时内,有机物质和微生物的“生态冠”在塑料颗粒周围形成,最终导致塑料表面在几天内定殖。这些所谓的生物膜以多种方式影响塑料污染的命运。生物分泌分解塑料表面的细胞外酶,并形成促进聚集的细胞外聚合物,均可以促进固着生物的定殖。如上所述,生物膜还会导致浮力的改变,为化学品提供额外的吸附阶段,并减慢化学品的吸附和解吸动力学。通过保护粒子表面免受紫外线辐射和其他因素的影响,生物膜降低了塑料降解破碎率。当某些掠食者误食覆盖有生物膜的塑料颗粒时,塑料的降解可能会继续,因为颗粒会在消化系统中破碎 。
考虑到环境特性如何影响塑料降解,可以对图中的塑料聚集区降解估计速度进行排序。最快速的降解可能发生在海洋表面。由直接暴露在阳光下、机械力(风、波浪)和温度变化驱动。表层土壤中的塑料也直接暴露在阳光下和高浓度的活性生物有机体中。风化率可能随着埋藏深度的增加以及塑料通过耕作和生物扰动而到达的更深土壤和沉积物中的增加而降低。生物体内塑料的降解可能取决于合适酶的存在、以及它们在组织中的特定位置以及胃肠道内的排泄率,但这仍然是一个前沿研究课题

全球塑料污染的其他潜在影响

传统的生态毒理学风险评估(将环境中测量或预测的水平与标准测试得出的毒理学效应阈值进行比较)表明,塑料目前仅对全球海洋的一小部分构成风险,尽管数值可能会增加。然而,当前应用于塑料的生态毒理学风险评估的局限性很多。导致塑料污染毒性影响的形式以及相关的暴露浓度尚不清楚,尽管它们可能已经超过了高风险地区的影响阈值。由于降解塑料的不断破碎和可靠测量的稀缺性,尤其是纳米塑料,小塑料颗粒的暴露浓度可能被低估了。在广泛的背景下考虑,全球环境的累积和不可逆塑料污染的潜在影响是广泛的,包括地球物理和生物影响,并可能给已经面临多重压力的生态系统带来额外压力。
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地球物理影响
塑料污染可以直接和间接影响全球碳循环。直接影响是由于每年 2.8 亿至 3.6 亿公吨转化为塑料的化石碳中的一小部分但不可忽略的部分会降解或工业转化(例如通过焚烧或填埋)为二氧化碳、甲烷和其他温室气体。即使世界完全停止使用化石燃料,塑料降解和废物管理造成的温室气体排放仍将持续数百年。然而,塑料通过影响海洋的动态平衡而对碳循环产生间接影响。碳泵的潜在影响大于温室气体排放的直接影响。最近估计,目前每年有 780 万吨塑料碳到达海底。如前所述,在沉积在海底之前,大部分塑料将作为中等密度颗粒悬浮在水体中。悬浮塑料颗粒和杂聚体的浓度累积可能会影响蓝藻和浮游植物群落栖息地的食物来源或浊度水平。塑料颗粒下沉导致细菌群落数量的减少将导致大气中的碳固存量减少。 多出来的留在大气中游离的碳(本来会为海洋食物链吸收)会导致全球变暖。与此同时,非漂浮塑料中不断增加的碳负荷将下沉,一项估计表明,到 2050 年,在高风险地区,埋在海底沉积物中的塑料碳量可能超过天然有机碳的量。影响海洋碳泵的机制也以多种方式影响养分循环。水生系统中微塑料上的生物膜会影响氮和磷循环。同样,一个微观实验表明,微塑料的存在改变了沉积物中的氮循环,混入海洋颗粒中的微塑料可能因此影响营养物质向深海环境的输送,并且用地球系统模型表明,浮游动物有可能以微塑料为食来加速全球海洋中氧气的减少。
塑料负荷的增加会导致土壤性质的长期变化,例如水土保持能力、微生物活动的多样性、养分有效性和土壤结构等塑料在土壤中的积累会影响植物性能和植物的多样性以及潜在的不可逆转的土壤退化
海底(微)塑料高风险区域的形成可能会通过改变沉积物结构和组成而产生类似的影响,从而影响沉积物肥力和海洋碳泵。受塑料堆积影响不可逆转的全球土壤和沉积物的数量在未来只会增加。
生物影响
野生动物与大塑料碎片的遭遇已被广泛报道。最近的一项分析列出了 914 种海洋巨型动物物种(包括 226 种海鸟、86 种海洋哺乳动物、所有海龟和 430 种鱼类)通过塑料的缠结和/或摄入受到影响。对于濒临灭绝的物种,只需要几次遭遇就可以威胁到种群水平的后果。国际自然保护联盟红色名录中的 693 种物种中,塑料的缠绕和摄入危险占 17%。在地中海东北部,濒危僧海豹(Morwchus morwchus,总共 600 至 700 只)与渔具的纠缠被确定为仅次于故意杀人案件。
塑料表面的定殖是其与生物体相互作用的另一种类型。一次海啸过程可以在 6 年内使在漂流残骸上定殖的近 300 种生物引发跨洋扩散,这表明塑料污染有可能在极端天气事件期间促进物种入侵。塑料污染如此复杂的系统级影响表明,仍有待发现对物种和生态系统的更多影响。据报道,由于塑料颗粒和化学相关毒性,摄入微塑料会造成多种影响,包括物理损伤、生理变化以及进食、生长、繁殖和耗氧率受损。在沉积物中,发现浓度超过 0.5% 的大塑料和纳米塑料会影响大型无脊椎动物。从塑料中浸出的添加剂也会导致(生态)毒理学效应。一个例子是对添加到聚乙烯薄膜中的邻苯二甲酸酯在供人类和牲畜食用的谷物中摄取到 。另一个是最近发现,轮胎橡胶中使用的一种普遍存在的抗氧化剂的光转化产物会在雨水径流后导致银鲑鱼(Oncarhynchus kisutch)的急性死亡。
多重污染动力源
塑料污染的一个鲜为人知的方面是它如何与其他地球物理、生物和化学动力因素协同作用以造成影响。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、缠结、摄入以及毒性的影响而加剧。由于与温度变化、养分供应和化学暴露相关的栖息地变化而被迫适应的水生生物将塑料视为可能导致生物多样性丧失的额外动力源。土壤生物多样性以及肥沃土壤的有限供应可能会通过塑料积累的长期影响进一步减少,这可能需要破坏湿地和森林砍伐以获得新的肥沃土壤。世界上地表水短缺的干旱地区才有可能会找到剩余的新鲜水。通过塑料污染水生态系统资源进一步受损,特别是通过有毒塑料添加剂(例如邻苯二甲酸酯、重金属、双酚、聚和全氟烷基物质)以及可能渗入自来水生产系统的塑料小颗粒。
应对塑料污染带来的全球威胁
公众认为塑料污染是一个严重的环境和公共卫生问题。这种看法的重要原因是对可见塑料污染的第一手经验以及公众对塑料相关化学物质如双酚 A 暴露的日益关注。公众对塑料污染的担心激发了政策倡议以解决海洋微塑料问题,这些举措援引了预防原则,因为微塑料对人类的风险尚未得到证实,并且最近才证明对某些生态系统的风险 (例如, 对于珊瑚礁)。然而,这场辩论中很大程度上没有评估由于与降解相关的塑料退化而产生延迟毒理学影响的可能性,或者对碳和养分循环、土壤和沉积物肥力以及生物多样性的额外非毒理学影响。如果这些影响是由不可逆的塑料污染引起的,或者超过导致制度转变的临界点,则这些影响可能会在排放停止后很长时间内延续。
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在塑料可能(生态)毒性的情况下,延迟效应的可能性被称为“全球毒性债务”。更好地理解和管理环境中塑料污染所造成的威胁需要重点研究环境过程和全生命周期,包括小风化颗粒的积累、相关化学物质,以及生物膜和具有天然有机碳的杂聚体的形成。尤其重要的是更好地了解这些过程,这些过程目前正在累积的不可逆塑料污染。还需要以发现为导向的研究,旨在确定降解塑料生物地球化学循环和生物体健康目前未知的影响
按照 Borrelle 等人所建议的方案,应对塑料污染可能产生的不可逆转的全球影响的合理策略是尽可能迅速和全面地减少塑料向环境的排放,要求精确和集中的监管限制原生塑料的生产和使用,并促进对更良性但更具竞争力的材料的创新。进一步的行动可能包括扩大巴塞尔公约,只允许将塑料废物出口到更好的国家,回收基础设施比出口国少,消除危险化学品塑料以增加回收潜力,并在全国和全球范围内制定回收/再利用标准。更广泛的社会宣传活动应包括消除对塑料的不必要使用和鼓励尽量减少塑料废物的行为。新出现的塑料污染源清单 ,可以通过确定应有针对性的塑料产品和供应链来支持这些措施。今天排放的塑料可能在未来造成全球规模的、不可逆转的影响的威胁,这是采取有针对性的行动来减少排放的迫切动力。


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