這是由三部分組成的系列報道的第一篇，該系列報道審視了我們對微塑膠汙染範圍和影響日益增長的認識。
1971年秋季，在前往馬尾藻海的一次研究航行中，海洋生物學家埃德·卡彭特首次注意到棕色馬尾藻海藻叢中漂浮著奇特的白色斑點。經過一番調查，他發現它們是微小的塑膠碎片。他驚呆了。他說，如果大西洋中部，距離任何大陸550英里的地方都出現了成千上萬的分解顆粒，“我認為它無處不在。”
卡彭特目前在舊金山州立大學工作，他於1972年3月17日在《科學》雜誌上發表了他的觀察結果。這是首次暗示塑膠汙染不僅限於沿著海岸線散落和聚集在臭名昭著的太平洋垃圾帶（太平洋洋流漩渦，彙集了碎片）中的塑膠袋、軟飲料瓶和其他可見垃圾。陽光削弱，風和海浪粉碎，這些塑膠產品碎裂成越來越小的碎片。連同合成織物脫落的微小、所謂的超細纖維和牙膏等產品中新增的微珠，這些碎片被稱為微塑膠。研究人員表示，每年生產3億噸塑膠——約等於整個人口的重量——數萬億降解的塑膠碎片可能大量隱藏在環境中，鮮為人知。
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圖片來源：阿曼達·蒙塔內茲
微塑膠的微小尺寸——直徑小於五毫米（大約相當於一粒米的大小）——意味著與較大的碎片相比，更廣泛的物種可以攝入它，從小小的海洋浮游生物到人類。在動物體內，廢物會對器官造成物理損害，並且像微小的特洛伊木馬一樣，攜帶危險化學物質並幫助它們在食物鏈中積累。
追蹤微塑膠的研究激增，揭示了不僅在海洋中，而且在世界各地的河流、湖泊、農田和土壤以及大小生物中隱藏著大量的塑膠。這種物質甚至漂浮在空氣中——從人口稠密的城市地區到偏遠的北冰洋。“它無處不在，”多倫多大學的微塑膠研究員切爾西·羅奇曼說。
為了瞭解其影響——以及如何遏制汙染——科學家需要知道多少集中在哪些地方，它來自哪裡以及如何移動。然而，檢測微塑膠的複雜性在於它們包含的數萬種令人眼花繚亂的聚合物，以及它們廣泛的尺寸範圍——從米粒大小到病毒大小。“這不像您試圖對汞或鉛等汙染物進行取樣，”普利茅斯大學的海洋生物學家理查德·湯普森說，他幫助創造了微塑膠這個術語。“它不是單一事物，而是許多不同的事物。”
尋找失蹤的塑膠
卡彭特的工作讓人們看到了海洋中的塑膠湯，因此科學家首先著眼於確定有多少入侵了環境。儘管花了數十年時間，但湯普森在2004年領導的一項開創性研究發現，英國普利茅斯附近的沙灘和沿海沉積物中充滿了這種物質。那時，科學家們才真正坐下來注意到這一點。從那時起，他們發現超細纖維和碎片（主要被認為是來自一次性包裝，佔所有塑膠產量的 40%）漂浮在每個海洋盆地，在海洋物種的腹部，甚至凍結在北極海冰中。
從加拿大安大略省奧羅克里克流域採集的河床沉積物樣本（與水混合）。深色可能是由於有機物，而白色斑點可能是微塑膠，儘管尚未透過測試證實。圖片來源：吉爾·克羅斯曼
情況正在改善，但仍不完整。2015 年的一項研究得出結論，海洋微塑膠調查僅發現了估計每年從城市固體廢物進入海洋的塑膠的 1%。這意味著“我們不知道 99% 的塑膠實際上在哪裡，”阿爾弗雷德·韋格納極地和海洋研究所 (AWI) 的海洋生態學家梅蘭妮·伯格曼說。
部分問題在於，迄今為止進行的許多研究都沒有捕捉到最小的碎片，而這些碎片被認為是數量最多的。伯格曼共同撰寫的一項研究最近發現，透過不依賴肉眼挑選顆粒（如許多研究那樣），一項研究發現，北極海冰中凍結的微塑膠顆粒數量是首次此類研究的 100 至 1,000 倍。該團隊使用讀取塑膠化學特徵的機器發現，三分之二的顆粒直徑約為 11 微米（大約相當於人類紅細胞的大小），低於之前研究的檢測限。大多數取樣也都在容易到達的表層水中進行，那裡的水平可能會隨著洋流和天氣條件而變化。這些相同的條件，以及粘附在塑膠顆粒上的細菌和其他物質薄膜，會導致許多顆粒沉入海底或聚集在海岸線附近。然而，海底難以取樣，但研究人員可以檢視現有的沉積物岩心，馬薩諸塞州伍茲霍爾海教育協會的海洋學家卡拉·拉文德·勞說。她還提倡更好地取樣“緊貼海岸線的東西”，那裡很可能是塑膠從河流和海灘進入海洋的地方，尤其是在人口中心附近，以及密度較大的顆粒很可能迅速下沉的地方。
預計很快將從舊金山灣獲得更多見解。在環境團體和廢水行業的資助下，舊金山河口研究所收集了來自海灣水域和沉積物、排放到其中的廢水和雨水以及附近海洋保護區的數千個樣本，以瞭解不同型別的微塑膠來自哪裡以及最終去向。樣本分析應在秋季末完成。然後，這些資訊將被輸入計算機模型，以預測來自不同來源的微塑膠如何在該地區河流中移動，進入海灣並進入海洋。預計這將揭示塑膠在哪裡聚集，以及更有可能影響動植物生命的地方。結果應有助於研究人員提出如何有針對性地努力從源頭阻止塑膠排放——透過袋子禁令等政策或洗衣機中收集纖維的裝置等技術。“我們非常有希望從這一切中獲得一些有力的結果，”專案經理麗貝卡·薩頓說。
更接近源頭
從一開始，科學家們就推斷海洋中的微塑膠主要來自陸地，透過河流進入。這意味著淡水系統中也應該存在這種物質。但直到 2013 年，才有人進行研究並最終在湖泊中發現了它。從那時起，研究人員在世界各地的湖泊、河流和淡水海灘中發現了微小的碎片——甚至在看似原始、偏遠的水體中，例如蒙古的山區湖泊。在許多這些地方，研究人員還在各種淡水物種的胃中發現了它。五大湖一直是特別的研究重點。那裡的微塑膠水平至少與充滿垃圾的海洋環流一樣高，而海洋環流本身僅包含估計全球海洋中 15 萬億至 51 萬億塑膠顆粒的一部分。由於河流和湖泊更接近塑膠汙染的原始來源，特別是廢水處理廠和城市，紐約州立大學弗雷多尼亞分校的化學教授謝里·梅森曾預計，塑膠顆粒會比海洋中的顆粒更大，因為它們的降解時間會更少。但事實並非如此，這向她表明“我認為陸地上正在發生大量降解”。研究人員仍在努力將湖泊和溪流中發現的微塑膠與它們的來源更牢固地聯絡起來，以證實這一點，並繪製它們沿著水道移動的軌跡。
愛爾蘭最北端的馬林角，朱利安·阿赫恩從愛爾蘭氣象局的降水收集器中採集樣本，以尋找從空氣中落下的微塑膠。圖片來源：朱利安·阿赫恩特倫特大學環境學院
安大略省西部大學的沉積地質學家帕特里夏·科克倫一直在進行這項工作，她一直在檢查安大略省泰晤士河的沉積物，該河流流入休倫湖和伊利湖之間的聖克萊爾湖。她發現的大部分是超細纖維，可能來自廢水處理廠，其次是通常用於一次性包裝的聚合物分解的碎片。城市地區附近的水平通常較高，並且可以透過水流引導到特定區域。
由於她最初的工作僅提供了一個快照，科克倫今年夏天正在重新取樣泰晤士河。這一次，她正在收集更小的顆粒，直徑小至 20 微米。她還想了解春季大洪水如何影響沉積物中微塑膠的濃度——三月份發表的一項研究發現，冬季洪水從英格蘭的河床中沖走了數百億個微塑膠顆粒，據推測是將它們衝入大海。科克倫還將研究流入伊利湖的格蘭德河，以瞭解兩條河流的比較情況。她希望繼續對它們進行取樣，以瞭解濃度如何隨時間變化。“當涉及到塑膠的積累時，情況非常動態，”科克倫說，因此需要持續監測才能獲得完整的畫面。
閃閃發光的土壤
微塑膠的儲集層不僅限於水道，還包括農民種植食物的土壤。為了給田地施肥，一些農民使用富含營養物質的處理過的汙水汙泥——但也含有從廢水中撇去的團狀超細纖維。來自歐洲和北美的估計表明，每年可能有數萬至數十萬噸的超細纖維被新增到這些國家的農田中——並且它們在施用後可以在土壤中持續多年。“基本上，這是一座山，”挪威水研究所的研究科學家盧卡·尼澤託說。
其他來源也在增加地面上的塑膠質量，包括農民用於保持土壤水分和阻止雜草的降解塑膠薄膜、生物垃圾處理廠的堆肥以及所謂的混合垃圾——食物殘渣和不可回收材料的研磨混合物。2014 年中國的一項研究表明，每公頃農田的塑膠碎片高達 260 公斤，這些碎片來自薄膜。澳大利亞的一個農場施用瞭如此多的混合垃圾，“實際上整個表土都在閃閃發光，”新南威爾士大學專門研究微塑膠的生態學家馬克·布朗說。
所有這些塑膠都可能透過改變土壤保持水分或濃縮其他汙染物（如殺蟲劑）的方式來影響土壤的健康。如果塑膠滲透得足夠深，它們可能會到達地下水；如果它們非常小，農作物可能會吸收它們。如果蚯蚓和其他小型生物攝入這些物質，它可能會沿著陸地食物鏈向上移動。
對土壤中微塑膠的首次專門研究剛剛開始。安大略省溫莎大學的水生生物地球化學家吉爾·克羅斯曼和尼澤託是歐洲委員會資助的國際合作專案的一部分，該專案正在測量加拿大和西班牙汙泥施用前後農田中的微塑膠水平，並檢查有多少流入水中以及塑膠滲透到地下的深度。他們的目標是將這些資料輸入計算機模型，以瞭解減少微塑膠負荷的不同策略（如消除汙泥施用）的效果如何。
從天而降
微塑膠的另一個來源就在頭頂。科學家長期以來一直受到風從地面吹起或從衣服上掉落的超細纖維的困擾，這些纖維試圖限制實驗室中的汙染，因此巴黎-東大學的拉希德·德里斯和他的同事決定測量從天而降的微塑膠。在 2014 年的三個月裡，他們收集了落入大學屋頂漏斗中的物質。他們發現的大部分是纖維——其形狀和輕便性使其更容易在空氣中傳播——而且數量超出預期。平均而言，他們每天每平方米收集 118 個顆粒，長度從 5 毫米到 100 微米不等，或相當於一張紙的厚度。但“我們不完全知道這意味著什麼，因為這是第一個公佈的數字，”德里斯說，他現在是德國拜羅伊特大學的生態學家。
其他數字即將到來，來自幾個在偏遠地區收集樣本的小組，在這些地區，大氣是微塑膠的唯一推定來源。安大略省特倫特大學的汙染建模師朱利安·阿赫恩對他的家鄉愛爾蘭偏遠西海岸氣象站收集的雨水進行了取樣，那裡的風從海洋吹來。他的初步結果顯示，主要是在數量上與德里斯一致的纖維。今年夏天，他正在對加拿大北極地區的湖泊沉積物進行取樣。其他研究人員正在對北極海冰頂部的積雪進行取樣（與凍結在冰中的不同，後者來自下方的海洋）。AWI 的伯格曼說，降雪“攜帶了大氣中的所有物質——在這種情況下是塑膠纖維。”
由於大氣科學家已經很好地掌握了煙塵和二氧化硫（導致酸雨）等其他汙染物在大氣中如何移動，阿赫恩認為，有可能估計不同尺寸和形狀的微塑膠可能在風中傳播多遠，以及它們可能在空中停留多久。隨著更多測量結果的出現，他設想建立一個類似降雨量地圖的東西，識別全球微塑膠沉降的熱點地區。
下一個大問題
隨著科學家們梳理微塑膠並從視覺識別轉向機器感測器，他們發現的物質尺寸越來越小。大多數研究人員認為，微塑膠正在進一步降解為他們所謂的奈米塑膠。這些無限小的斑點將更令人擔憂，因為如果攝入，它們更有可能穿透腸道內壁到達血液，或者如果吸入，則會深深地留在肺部。實驗室實驗表明，已經形成了這種奈米尺寸的碎片，因此大多數研究人員都確信它們存在於環境中。但目前，“我們沒有任何方法可以在那裡分離奈米塑膠，”湯普森說。包括 AWI 的研究人員在內的幾個小組正在努力開發方法來揭示這種隱藏的威脅，到目前為止，AWI 的研究人員已經展示了一種識別樣本中已知奈米塑膠的方法。當這些方法取得成果時，伯格曼預計“我們將發現海洋比我們現在認為的汙染嚴重得多。”其他環境也是如此。
研究界還在努力消除可能低估或高估微塑膠數量的方法，並使方法標準化，以便他們可以比較不同研究的結果。正如梅森所說，儘管“在瞭解所有這些不同系統的來源、途徑和豐度方面還有很多工作要做”，但微塑膠，特別是超細纖維，正在變得普遍，一些熱點地區靠近人口稠密地區。專家們感到興奮。“科學的發展非常迅速，我認為在 5 年或 10 年內，我們將瞭解更多，”薩頓說。屆時，他們將更好地瞭解哪些生物和生態系統受到最嚴重的威脅，並可能就應在何處進行干預以首先防止塑膠進入環境向政策制定者提供建議。
在尋找微塑膠的工作繼續進行的同時，科學家們並沒有浪費任何時間來追蹤它可能對生物和生態系統造成的危害。這包括人類，透過我們種植食物的土壤的健康狀況、飲用水的質量，甚至更直接地透過我們攝入和吸入它。“這是每個人都想回答的問題，”梅森說。