海洋微塑料的污染危害与检测分析方法研究进展

周德庆,吕世伟,刘楠,李娜

(1. 中国水产科学院黄海水产研究所，青岛海洋科学与技术试点国家实验室，海洋药物与生物制品功能实验室， 山东 青岛 266071；2.中国海洋大学食品科学与工程学院， 山东 青岛 266003)

塑料早已在世界范围内大量生产，据统计，2014年全球塑料产量年均超过3.11亿t[1]。塑料可通过机械作用、生物降解和太阳辐射等被分解成小颗粒, 当其直径小于5 mm时即可定义为微塑料[2]。环境中的塑料残体可以通过风力、河流及洋流等外力进行远距离迁移[3]，从而对全球海洋造成污染。在20世纪70年代,已经有人开展了海洋微塑料污染相关的研究[4]。2004年，英国的理查德·汤姆森教授提出“微塑料”概念[5]。自2011年起,联合国环境规划署(UNEP)开始持续关注海洋中的塑料垃圾，尤其是微塑料污染危害问题[6]。2014年6月公布的《联合国环境规划署年鉴》将海洋塑料污染列为近十年最值得关注的十大紧迫环境问题之一[5]。

1 海洋中微塑料的来源与分布

1.1 海洋中微塑料的来源

塑料是人工合成的的高分子材料，自然界中没有天然存在的塑料。所以，人类的活动是自然界，特别是海洋环境中塑料的全部来源。海洋微塑料可按产生途径分为初生微塑料与次生微塑料两类。初生微塑料来源于生活垃圾中微型柔珠，微型柔珠是一类合成的人工塑料，常常用于洗面、磨砂用品等化妆品和牙膏等个人护理品，其中化妆品主要用以去除角质[7-8]。使用后的化妆品等会随着水流进入下水道，然后进入污水处理系统，由于这些微粒通常无法被污水处理系统过滤掉，最终就会排入海水中[9]，进而造成海洋环境及海洋生物污染。相比于初生微塑料，次生微塑料占据来源的绝大部分。次生微塑料是指常规塑料在长期的物理、化学作用下分解生成直径小于5 mm的塑料微粒。上述常规塑料主要来源于陆源塑料垃圾输入，其中，塑料袋、塑料包装和其他被丢弃的方便材料等占主要部分。据估算，每年至少有800万 t的塑料垃圾流入海洋，海洋中目前有超过1.5亿 t的塑料垃圾[7]。长此以往，预计到2025年，海洋中的鱼类和塑料垃圾将达到3∶1的比例，到2050年，海洋中的塑料垃圾总量比鱼类总产量还要多[7]。此外，海上船只排放的塑料垃圾、水产养殖业废弃的漂浮装置及海上钻井平台丢弃的塑料装置等也是海洋中塑料垃圾的主要来源。

1.2 微塑料在海洋中的分布

1.3 微塑料在海洋生物中的分布

随着海洋中的塑料逐年增加，海洋生物可能会被塑料袋缠绕而引起死亡，同时海水中的微塑料会逐渐转移到海洋生物体内，每年因塑料致死的海洋生物越来越多。Lei等[18]调查了墨尔本地区的鱼类体内微塑料污染情况，发现19.4%的鱼体内都含有微塑料，且体内的微塑料含量均高于头部。Sami等[19]对突尼斯北部湖中的贻贝、双壳贝类及长牡蛎类等6种软体动物进行了首次微塑料污染调查，结果表明，微塑料污染广泛存在，且湖中的软体动物表现出相对较高的水平，微塑料总浓度范围为(703.95±109.80)～(1 482.82±19.20)粒/kg。Zhu等[20]首次在濒危物种白海豚的肠道中检测到了微塑料，表明微塑料污染对海洋动物和沿海生态系统具有潜在威胁。由此可以看出，微塑料普遍存在于海洋生物体内，对海洋生物体造成直接的影响，微塑料也可以通过食物链进入到消费者的体内，对人类健康产生潜在的威胁。

1.4 微塑料在其他海产品中的分布

海洋微塑料除进入鱼类、贝类和虾类等海产品外，也会进入非海洋生物产品。2015年，Yang[21]在中国超市收集的15种不同品牌的海盐、湖盐和岩盐(井盐)中都发现了微塑料的存在，其中海盐中微塑料的浓度明显高于湖盐和岩盐(井盐)，约为550～681粒/ kg。在后续研究中发现，横跨五大洲的38个不同地区的128个盐品牌中，90%样品都含有微塑料，其浓度可达19 800粒/kg[22]。这一结果表明海盐也会被海洋中的微塑料污染，可间接影响人类的身体健康。

目前，虽然在食盐中检测到了微塑料的存在，但是对通过食盐摄入塑料微粒的毒害作用尚不能轻易下结论[23]，仍需进一步研究考证。

2 微塑料的污染危害

在海洋环境中，微塑料对海洋生物的危害主要体现在两方面：一是海洋生物摄入微塑料，会对生命健康产生直接影响[24]。研究发现，微塑料可能会导致鱼类[25]、甲壳类[26]及双壳类[27]等消化道阻塞，进食能力受损，甚至造成生殖能力障碍等不良影响。如果微塑料长时间在生物体内，会影响正常的食物摄取，最终导致生物体因饥饿而死亡[1,28]。二是微塑料易与有毒化学物质结合，从而危害海洋生物[24]。微塑料比一般塑料更容易吸附有毒有害物质，已有研究发现由于微塑料自身的疏水特性，其可以浓缩多氯联苯、多溴联苯和多环芳烃等多种有机污染物、重金属以及添加剂衍生的化学品[29]。这些被污染的塑料颗粒会被海洋生物摄入进而危害其生理功能，并且这些有机污染物会随着食物链不断的转移积累[30]。

2.1 微塑料对海藻的污染危害

现有研究表明，海洋藻类中已经发现了微塑料的存在。但是关于微塑料对藻类的影响大部分都是在实验室通过人为控制实验条件得出的结论。Zhang等[31]研究了微塑料与海藻之间的相互作用，发现微塑料对海藻生长有明显的抑制作用，尤其是高浓度微塑料会使叶绿素含量减少，光合效率降低，从而影响藻类的光合作用。Mao等[32]研究了小球藻在聚苯乙烯微塑料暴露下的整个生长期反应，发现除了小球藻生长受到抑制和光合作用降低外，还观察到微塑料可引起类囊体的扭曲和细胞膜的受损等不利的影响。但是，另有研究发现，当微塑料与有机污染物结合在一起，两者会吸附在一起降低微塑料对海洋生物的危害。Zhu等[33]研究发现，单独的微塑料会对藻类的生长有明显的抑制作用，但是当水体中同时存在三氯生与微塑料时，两者会发生吸附作用，从而降低微塑料对藻类的危害。

2.2 微塑料对贝类的污染危害

微塑料会沉积在海底泥沙中，因此其对底栖生物，如贝类的影响也不容忽视。Jia等[34]调查了中国沿海17个地区的牡蛎(Ostreagigastnunb)，发现84%的牡蛎中含有微塑料，平均丰度为0.62粒/g,表明微塑料在贝类中普遍存在。Camille等[35]研究了贻贝(Mytilusedulis)一次和多次暴露于微塑料的影响，发现第一次接触微塑料会引起贻贝生理上的损伤，当多次接触微塑料后，贻贝中免疫相关基因的表达会减少。Sussarellu等[36]将牡蛎暴露在微塑料中两个月后，发现牡蛎卵母细胞数量、直径和精子的质量都显著下降。上述研究说明，微塑料对贝类的生理结构、免疫系统和生殖系统都会造成一定的不良影响。

2.3 微塑料对鱼类的污染危害

除了藻类和贝类，微塑料对海洋中鱼类的影响也在研究中。Lga等[37]在实验中发现欧洲鲈(Lateolabraxjaponicus)摄入微塑料会导致神经毒性、氧化应激和损害，以及能量相关酶活性的变化。Zhang等[38]研究了聚苯乙烯微塑料对淡水鱼罗非鱼(Oreochromsmossambcus)体内罗红霉素(ROX)的影响，结果表明微塑料的存在会引起罗非鱼体内罗红霉素的代谢，且会提高超氧化物歧化酶(SOD)的活性。Espinosa等[39]研究了微塑料对鱼类白细胞的潜在免疫毒理学，结果发现，微塑料降低了白细胞的吞噬作用，导致突发性呼吸不断增加，表明微塑料会对鱼类的免疫细胞产生影响。由此可见，海洋中的微塑料会对海洋生物构成安全威胁，甚至影响物种的繁殖，应引起高度的重视。

2.4 微塑料对人体的危害

虽然目前已对微塑料的危害进行了大量研究，但是大多数研究对象都集中于海洋生物，微塑料对人类健康的影响仍是需要进一步深入研究的课题。微塑料在海洋生物中已大量发现，而且由于食物链的传递及生物富集作用，水产品中的微塑料很容易通过食物链被人体摄入，这些进入人体的微塑料可能对人体带来潜在风险。有学者通过研究不同粒径聚苯乙烯对人结肠腺癌细胞的细胞毒性，发现两种微塑料均对细胞活力、氧化应激、膜完整性和流动性有低毒作用[42]。Schirinzi等[43]经体外研究发现微塑料可以引起人类大脑和上皮细胞高活性氧的产生。Jangsun等[44]研究了聚丙烯微塑料在人源性细胞中的毒性，结果表明，微塑料与细胞直接接触可能通过诱导免疫细胞产生细胞因子而引起健康问题。然而，由于缺乏可靠的数据无法进一步量化微塑料在人体的真实情况，因此，目前很难合理地评估微塑料对人体健康的实际影响。关于微塑料在人体的存在情况以及对人体健康的影响，未来仍有许多研究有待开展。

3 海洋微塑料的检测与评价方法

微塑料在海水、沉积物和水生生物中普遍存在。海水和沉积物中的微塑料可以被水生生物摄入体内，在新陈代谢、生理生化和细胞分子等层面产生一定影响，对水生生物造成潜在的危害，且会通过食物链传递影响人类健康。因此，准确掌握海水、海洋生物以及沉积物的提取、鉴定与评价微塑料的方法，对了解和比较不同海域和物种的污染状况具有十分重要意义。

3.1 海洋环境中微塑料的分离提取方法

微塑料在环境中广泛存在，从环境中提取微塑料尤为重要。海水中微塑料提取主要是通过一个有矩形开口的拖网从表层、中层和底层的水中收集样品，使用流量计计算拖网过滤水的体积。一般根据水的深度选择不同的网进行过滤[45]。通过Neuston网[46]和Manta网[47]采集表层海水中的微塑料，Bongo网常被用于采集中层海水，而底部的深水采用底栖拖网的方式采集微塑料[47]。海水采样中要注意[48]以下3点：1)网格大小在很大程度上会影响检测的浓度，一般范围为0.18～0.50 mm，较大的网格会减少污垢，但是采集的微塑料也会减少；2)采样后，最好采用海水冲洗以减少样品表面的杂质，所有样品可以保存在2.5%福尔马林溶液中；3)浮游动物会附着在塑料颗粒上，样本可以通过重力作用将塑料颗粒从浮游动物中分离出来。

从不同深度的沉积物中收集样品，可以得到不同的研究结果。底部沉积物样品可以用箱形取芯器采集，而表面样品可以用铁勺或非塑料取样铲铲取，然后将沉积物样本放入玻璃容器或铝箔中[49]。对沉积物取样后，可以采用不同的方法将微塑料与沉积物分离。最常见的方法是密度分离法，将收集的样品在烤箱中干燥至恒重，在快速搅拌条件下加入高密度饱和溶液，使塑料与泥沙利用密度差来分离。高密度饱和溶液通常采用饱和NaCl溶液、饱和NaI溶液和高密度的ZnCl2溶液。密度浮选法对一些微塑料(如PVC和PET)的回收率较低，且耗时耗力，需要后期进一步改进。因此，有学者将油与饱和盐溶液结合使用，以提高回收率。研究表明，在饱和盐溶液中加入一滴橄榄油，有助于收集上清液中的塑料颗粒，可使回收率由64%提高至82%[50]。也有一些研究者开发了柱状分离装置分离微塑料，但存在成本较高、操作繁琐和分离效果稳定性差等缺点[51]。

3.2 海洋生物样品中微塑料的分离提取方法

3.2.1 目视提取法

对于粒径较大的微塑料，一般通过目测或者在显微镜辅助下挑出微塑料，并且根据其颜色、形状和大小等特征进行分类，从而分析提取出来的微塑料。目检法设备简单，但是准确度不高。操作人员的视觉差异会使目检结果受到影响，同时，微塑料的颜色、形态和结构也会影响准确率[52]。Dekiff等[53]随机选择了3位测试人员用肉眼挑取微塑料，发现每个人的挑选结果均不同。因此，在使用目检法提取微塑料时，一定要注意两点：1)如果微塑料存在于生物体内，一定要先将生物的有机成分排除掉；2)颗粒较小难以区分的时候，要选择更大倍数的显微镜，反复判断再下定论。

3.2.2 化学消解法

化学消解法是目前从海洋生物样品中微塑料提取的主要方法，通常使用酸、碱、氧化剂或酶等进行组织消解。酸性消解液通常使用的是69%HNO3溶液，其他酸性溶液还有65%HNO3、65%HClO4及高氯酸等。Santana等[54]使用69%HNO3溶液在室温下隔夜消化，煮沸15 min，可以有效消化贻贝组织。De等[55]分别使用65%HNO3和HNO3∶HClO4(4∶1，V/V)混合溶液消化贻贝，发现经酸混合法处理后比硝酸法检测出更高的纤维含量和更低的颗粒含量。在有效消解生物组织的同时也发现，使用HNO3作为消解液，不会将油脂完全消解[56]，也会出现丙烯腈—丁二烯—苯乙烯(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PM-MA)和聚氯乙烯(PVC)部分解体[57]。此外，使用浓硝酸会使摄入的微塑料变色，这些限制会干扰对于摄入微塑料的特性及相关影响的进一步探究。碱性溶液通常使用的是10%KOH溶液。Karami等[58]在40℃下使用10%KOH溶液消化鱼肉和鱼片，可以得到很好的消化效果，并且对塑料聚合物的完整性没有影响。Dehaut等[59]使用10%KOH溶液有效地消化了贻贝、蟹和鱼组织，除了醋酸纤维素外，其他的微塑料聚合物都没有发生显著降解，是提取和鉴定微塑料的最佳方案。邹亚丹等[60]对比了6种消解方法对荧光微塑料的影响，结果表明相较于其他消化液，10%KOH溶液消化回收率高达96.3%，且对荧光强度的损伤较小。氧化溶液通常选择30%H2O2溶液。Li等[61]使用30%H2O2溶液消化贻贝，得到了比较好的消化效果；Waite等[62]也采用了30% H2O2溶液使泥蟹得到有效消化。但是Nuelle等[63]使用35% H2O2溶液消化生物组织时，发现92%的微塑料被完全溶解并失去颜色，对微塑料的粒径影响较大。目前，关于使用酶消化生物组织的研究比较少，且使用酶的种类也各有不同。Courtenejones等[64]使用胰蛋白酶快速有效地从马尾藻(Scagassum)中提取到了微塑料，且对微塑料性质没有造成影响。Catarino等[65]使用脂肪酶对贻贝进行消化，在60 ℃条件下消化1 h，消化率可以达到97.7%。虽然酶解法较温和，对聚合物不会造成破坏，但是相比较其他消化液，酶解法费时、费力且价格昂贵。因此，Lisa等[66]提出了一种新的酶解方法，利用胰腺酶和pH缓冲液(Tris)建立了一种高效、温和的酶解方法，有效地消化了生物组织，且在去除有机物和时间的要求上均优于氢氧化钾消化法，该方法为消化生物组织提供了一种新思路。

化学消解法提取微塑料操作简单，材料费用较低。但是化学消解中的消解液种类多，不同生物需要的消解液的种类、温度和时间都会不同。除此之外，使用化学消解法处理样品，花费时间长，并且在消解的过程中可能会有其他物质产生，影响消解效果。

3.3 海洋微塑料的分析检测方法

通过上述分离提取获得的微塑料，可以通过现代仪器分析方法鉴定检测其含量。有学者已对样品中微塑料的鉴别及含量检测方法优缺点作了比较[67]。在实际工作中，常常将检测方法中的两种甚至多种联用，实现样品中微塑料的分离、鉴别及定量检测。通过测定可为渔业产品中微塑料的检测、控制以及相关产品标准的制定将起到指导作用。

3.3.1 傅里叶变换-红外光谱分析法及拉曼光谱法

光谱技术是表征微塑料的常用技术，适用于微塑料表面结构和结构信息的化学识别，这是因为不同的微塑料产生其特征峰，利用图谱可鉴别微塑料[68]。傅立叶变换-红外光谱是目前报道最多的用于分析微塑料的光谱方法。作为一种振动谱，不同的微塑料表现出不同的红外光谱，因此红外光谱可以作为微塑料识别的指纹图谱。当对样品进行红外扫描时，记录指纹图谱和位置信息，可以根据红外强度生成图谱来映射和可视化微塑料的分布[69]。传统的红外分析是劳动密集型的，因为需要在光学显微镜下选择微塑料，然后对每个颗粒的光谱分别进行分析[70]。目前基于焦平面阵列(FPA)的Micro-FT-IR法的研究开展，可以更有效地评估样品中单个颗粒的光谱，从而实现对样品总微塑料的高通量分析[71]，也可以代替肉眼对微塑料进行定量分析，极大地提高了准确率。关于该技术，目前辽宁省在2017年已经制定了地方标准(DB21/T2751—2017)，使用傅立叶变换-红外光谱技术检测海水中的微塑料，表明该技术将逐渐成为检测微塑料不可缺少的工具。

拉曼光谱是表征微塑料的另一种光谱方法。其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。拉曼光谱类似于化学结构的指纹图谱，可以识别样品中存在的成分[72]。拉曼光谱-显微镜联用技术(Micro-Raman)也可以对微塑料进行定量分析。与红外光谱相比，拉曼光谱具有更好的空间分辨率，可达1 mm，而傅立叶变换-红外光谱分辨率为10～20 mm。同时，拉曼光谱只需要少量的样品制备，具有高度特异性的指纹图谱，且水的干扰可以忽略不计，为直接分析水样提供了可能[72]。但是，由于拉曼光谱对添加剂的敏感性有时会使聚合物特性的评估复杂化，因此拉曼光谱的使用更加困难。同时，拉曼光谱容易受到荧光的干扰，可能会由于使用激光作为光源而导致样品升温，从而造成背景辐射，发生聚合物降解，且拉曼光谱不能轻易识别纤维或含有色素的粒子[73]。

3.3.2 扫描电镜

传统的扫描电镜是通过聚焦电子束扫描表面产生微塑料图像，用于表征微塑料的表面形貌。此外，扫描电子显微镜及能量色散X射线显微镜(SEM-EDS)可以基于微塑料表面发射辐射的衍射和反射表征微塑料的表面形貌和确定聚合物的元素组成[70]。SEM-EDS和光学显微镜的结合使用，使得大量的微塑料颗粒能够快速有效得被筛选出来，同时也降低了识别错误的可能性。在光学显微镜的基础上，SEM-EDS可以通过成像和元素分析的方法，将贝壳、鱼类和陶瓷等颗粒与塑料等材料区分开来，从而更加精准地确定塑料的颗粒数量[74]。由于水生生物样品中往往含有这些物质的一种或多种物质共同存在，这一特点对水生生物中微塑料的鉴定很有帮助。

3.3.3 热解吸-气相色谱-质谱联用

热解吸-气相色谱-质谱联用(Pyr-GC/MS)方法的原理是在惰性环境中以可预测的方式分解聚合材料。生成的聚合物片段可以根据其大小和极性差异进行色谱分离，并在气相色谱柱出口用质谱检测器进行分析。气相色谱-质谱联用技术可得到分离热解产物的总色谱图，并在色谱图中提供了质谱数据，根据这些数据与已知的参考库进行比较，可以确定分析聚合物的类别[75]。该方法适用于比较复杂结构的分子，用于分析识别聚合物及其降解产物，也有利于微塑料与化学添加剂分离，进一步识别微塑料的成分。对于水生生物样品等复杂成分，该技术的高分离度及灵敏度可以实现样品中微塑料成分的准确鉴定。同时，该方法在升温解离高聚物的同时，利用差示扫描量热法检测样品池重量随温度的变化情况，对微塑料进行定量分析。需要指出的是，气相-质谱联用技术是具有破坏性的，导致颗粒的完全破碎，从而影响了进一步的颗粒分析，且样品重量限制在0.1～0.5 mg范围内，毛细管厚度较薄(约0.1 mm)，容易造成污染及堵塞[76]。

4 展望

纵观国内外对于微塑料的研究，目前已经取得了诸多重要成果，微塑料对海洋生态环境的影响也越来越引起大家的关注[77]。但是，关于微塑料的危害与控制，还有许多的方面需要进一步探索和研究。

首先，制定控制和减少微塑料污染的政策和法规，减少塑料垃圾向环境的输入，减轻其危害和社会影响。海洋微塑料如果一旦进入食物链，将会危害人类健康甚至影响整个生态系统。为此，各国政府、国际组织和非政府组织应主动采取行动，唤起公众对微塑料垃圾危害的认识，从源头上阻止微塑料的产生。目前，一些国家已经加大了对微塑料危害的研究力度，并且制定了相关的法律法规。而中国还处于起步阶段，未制定关于微塑料的法律法规，应加快对微塑料的研究进展，完善管理和控制技术体系，加强监控。

其次，建立微塑料检测及鉴定的标准。目前，关于微塑料的检测鉴定的方法各异。各国研究者在检测微塑料中使用了不同的方法，因此实验结果也不尽相同，导致最终的分析结果不具有可比性。因此，中国应研究不同样品组织下微塑料的检测鉴定方法，增加分析结果的准确性与可靠性。

第三，深入研究海洋中微塑料对海洋生物及人体的影响，将危害降至最低。目前，中国海洋微塑料的生物毒性研究还处在初级阶段，关于微塑料在海洋食物链中的传递与生态效应、微塑料与有机污染物之间的联系以及对人体健康产生影响的研究甚少。因此，迫切需要加大对微塑料危害机制的研究。

最后，渔业及水产养殖等相关行业从业者应尽早认识到微塑料对水产品的危害，并依照法律法规及行业规范等，规范捕捞及养殖等行为，严格控制塑料制品的使用,如采用可降解材料制作的捕捞工具，科学处理相关塑料废物等，从源头上减少塑料制品向海洋环境的排放。