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微塑料无处不在—但是它们有害吗?

微塑料无处不在—但是它们有害吗?

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2021-05-10 19:31:53


  科学家们急于研究海洋动物以及我们内部的微小塑料斑点。

  林小志


从马里兰州的马洛西河收集的微塑料.jpg

  从马里兰州的马洛西河收集的微塑料。信用:威尔·帕森/切萨皮克湾计划

 李敦柱以前每天都在一个塑料容器里放微波午餐。但是,当环境工程师李和他的同事做出令人不安的发现时,他停了下来:塑料食品容器将大量的称为微塑料的细小斑点掉入了热水中。我们感到震惊,李说。李和其他研究人员在都柏林三一学院(Trinity College Dublin)去年101日报道,水壶和婴儿奶瓶也脱落了微塑料。研究小组计算得出,如果父母通过在塑料瓶内的热水中摇晃婴儿配方奶来制备婴儿配方奶,那么他们的婴儿每天可能会吞下超过一百万个微塑料颗粒。

   李和其他研究人员还不知道这是否危险。每个人都吃和吸入沙子和灰尘,尚不清楚额外饮食的塑料斑点是否会危害我们。英国的埃克塞特大学生态毒理学家塔玛拉·加洛韦(Tamara Galloway)说:摄入的大部分食物都将直接穿过肠道,到达另一端。” “我认为可以说潜在的风险可能很高,李先生谨慎地选择了自己的话。


  近20年来,研究人员一直在担心微塑料的潜在危害,尽管大多数研究都集中在对海洋生物的危害上。英国普利茅斯大学的海洋生态学家理查德·汤普森(Richard Thompson)在他的团队在英国海滩上发现塑料微粒后,于2004年创造了这个名词,用以描述直径小于5毫米的塑料微粒。此后,科学家们在所见之处到处都看到了微塑料:深海中;在北极雪和南极冰中;在贝类,食盐,饮用水和啤酒中;飘到空中,或因雨水飘落在高山和城市上空。这些细小的碎片可能需要数十年甚至更长的时间才能完全降解。加洛韦说:几乎可以肯定,几乎所有物种中都存在一定程度的接触。

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  清洁工人从南非西开普省的阿尼斯顿海滩收集塑料颗粒。图片来源:汤姆·卡马乔(Tom Camacho)/科学图片库

  对微塑料的最早研究集中在个人护理产品中发现的微珠,以及在被模制成物体之前可以逸出的原生塑料颗粒,以及从废弃的瓶子和其他大碎屑中慢慢侵蚀的碎片。所有这些都冲入河流和海洋:2015年,海洋学家估计全世界地表水中漂浮着15万亿至51万亿个微塑料颗粒。此后,人们已经发现了其他的微塑料来源:例如,道路上汽车轮胎上的塑料斑点会从衣服上脱落,合成微纤维会从衣服上脱落下来。这些颗粒在海陆之间吹来飞去,因此人们可能从任何来源吸入或吃掉塑料。

  荷兰瓦赫宁根大学的环境科学家Albert Koelmans32日报道说,从对空气,水,盐和海鲜中的微塑料的有限调查来看,儿童和成人每天可能摄入数十至十万种微塑料斑点。他和他的同事认为,在最坏的情况下,人们每年可能会吞噬掉一张信用卡的微塑料。

    监管机构正在迈出第一步,以量化人们健康的风险-测量暴露程度。今年7月,加利福尼亚州环境保护局的一个分支机构加利福尼亚州水资源控制委员会将成为世界上第一个宣布量化饮用水中微量塑料浓度的标准方法的监管机构,其目的是在未来四年内对水进行监测并公开报告结果。


  评估塑料小斑点对人或动物的影响是难题的另一半。说起来容易做起来难。超过100个实验室研究已经使动物(主要是水生生物)接触到了微塑料。但是他们的发现-暴露可能导致某些生物繁殖效率降低或遭受物理破坏-难以解释,因为微塑料具有多种形状,大小和化学成分,而且许多研究使用的材料与环境中发现的材料完全不同。

  最小的斑点(称为纳米塑料)(小于1微米)使研究人员最为担忧(请参阅按比例缩放的塑料”)。有些可能能够进入细胞,从而潜在地破坏细胞活性。但是这些粒子中的大多数对于科学家来说甚至都太小了。例如,这些食物并未计入Koelmans的饮食估算中,加利福尼亚州也不会尝试对其进行监控。

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  来源(工具和成本)S. Primpke等。应用 光谱。 74101247(2020)


  一件事很清楚:问题只会加剧。每年生产近4亿吨塑料,预计到2050年,这种塑料的生产量将增加一倍以上。即使明天所有塑料生产都神奇地停止了,垃圾填埋场和环境中的现有塑料(估计约为50亿吨)仍将继续降解成无法收集或清理的微小碎片,不断提高微塑性水平。Koelmans将此称为塑料定时炸弹

  他说:如果您问我有关风险的信息,今天我并不那么害怕。” “但是如果我们什么都不做,我会对未来感到担忧。

  伤害方式

  研究人员有几种关于塑料斑点可能有害的理论。如果它们足够小,可以进入细胞或组织,那么它们可能只是被外来生物所刺激,就像长而细的石棉纤维一样,可能会刺激肺部组织并导致癌症。潜在的污染与空气污染平行:发电厂,汽车尾气和森林大火中产生的烟尘斑点称为PM 10PM 2.5(粒径分别为10 µm2.5 µm的颗粒物)会沉积在呼吸道和肺部,并且高浓度会损害呼吸系统。Koelmans指出,PM 10的含量仍然比空气中发现的微塑料的浓度高数千倍。

  较大的微塑料更可能通过化学毒性产生负面影响(如果有)。制造商在塑料中添加了诸如增塑剂,稳定剂和颜料之类的化合物,其中许多物质都是有害的,例如,干扰内分泌(激素)系统。但是摄入微塑料是否会显着增加我们对这些化学物质的暴露,取决于它们从塑料斑点中移出的速度以及斑点在我们体内的传播速度研究人员才刚刚开始研究这些因素。


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  在旧金山湾地区收集的用于研究的微塑料。信用:科尔·布鲁克森(Cole Brookson)

  另一个想法是环境中的微塑料可能会吸引化学污染物,然后将它们输送到食用被污染斑点的动物中。但是动物无论如何都要从食物和水中摄取污染物,甚至吞咽时几乎没有被污染的塑料斑点也有可能帮助清除动物肠道中的污染物。马里兰州盖瑟斯堡市美国国家标准与技术研究院的海洋生物学家詹妮弗·林奇说,研究人员仍然无法就携带污染物的微塑料是否是一个重大问题达成共识。

  也许最简单的危害模式-至少对于海洋生物而言-可能是生物吞噬了没有营养价值的塑料斑点,并且没有吃足够的食物来生存。Lynch也是檀香山夏威夷太平洋大学海洋废弃物研究中心的负责人,他对尸体进行了尸体解剖,这些尸体被发现死在海滩上,看着它们胆量中的塑料和组织中的化学物质。在2020年,她的团队完成了对3周龄以下的9头turtle孵化的分析。一只孵化器只有9厘米长,其胃肠道中有42块塑料。大多数是微塑料。

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  夏威夷海龟孵化后的照片显示在其微塑性胃内容物旁边。信用:珍妮弗·林奇


  林奇说:我们不相信他们当中有任何人是专门死于塑料的。但她想知道,孵化器是否可能难以按照所需的速度增长。对于那些小家伙来说,这是一个非常艰难的人生阶段。

  海洋研究


  研究人员在对海洋生物造成微生塑的风险方面做了最多的工作。英国普利茅斯海洋实验室的海洋生物学家佩内洛普·林德克(Penelope Lindeque)说,例如,在最小的海洋生物中,浮游动物在微塑料存在下生长速度较慢,繁殖较不成功:动物的卵较小,孵化的可能性较小。她的实验表明,繁殖问题源于浮游动物没有吃足够的食物3

  但是,由于生态毒理学家在知道水生环境中存在哪种微塑料之前就开始进行实验,因此他们严重依赖于人造材料,通常使用较小尺寸的聚苯乙烯球体,并且其浓度远高于所发现的调查结果(请参阅``对微塑料进行分类'')

  

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  资料来源:自然分析

  科学家已开始转向更符合环境的现实条件,并使用纤维或塑料碎片,而不是球形。一些人已经开始用模仿生物膜的化学物质涂覆测试材料,这似乎使动物更容易食用微塑料。

  纤维似乎是一个特殊的问题。林德克说,与球形相比,纤维通过浮游动物所花费的时间更长。2017年,澳大利亚研究人员报告说,暴露于微塑料纤维的浮游动物产生的幼虫数量是通常数量的一半,而成年幼虫数量较小。纤维没有被摄入,但是研究人员发现它们干扰了游泳,并发现了生物体内的变形42019年的另一项研究5发现,暴露于纤维的成年太平洋mole(Emerita Analoga)的寿命较短。

  

  大多数实验室研究将生物暴露于一种特定大小,聚合物和形状的微塑料中。Koelmans说,在自然环境中,有机体会暴露于混合物中。在2019年,他和他的博士生Merel Kooi绘制了11种海洋,河流和沉积物调查中报告的大量微塑料,以建立水生环境中混合物的模型。

  去年,两人与同事合作,在计算机模拟中使用此模型,预测鱼多久会遇到足够小的食用微量塑料,以及食用过多斑点影响生长的可能性。研究人员发现,在目前的微塑性污染水平下,鱼类在有微塑性检查位置的1.5%处存在这种风险6Koelmans说,但是风险可能会更高。一种可能是深海:一旦到达那里并经常被埋在沉积物中,微塑料就不可能运到其他地方,也没有办法清理它们。

  海洋已经面临许多压力,这使林德克更担心微塑料会进一步耗尽浮游动物种群,而不是它们会向上转移到食物链中以到达人类。如果我们淘汰象浮游生物这样的东西,这是我们海洋食物网的基础,我们将更加担心对鱼类种群的影响以及养活世界人口的能力。

 人体研究


  领先的研究人员说,尚无公开研究直接检查塑料斑点对人的影响。唯一可用的研究依赖于使细胞或人体组织暴露于微塑料中或使用动物(例如小鼠或大鼠)的实验室实验。例如,在一项研究7中,喂食大量微塑料的小鼠的小肠发炎。与对照组相比,两项研究中暴露于微塑料的小鼠的精子数量降低了8,幼崽的数量也更少,更小9。一些体外对人体细胞或组织的研究也表明有毒性。但是,就像海洋研究一样,尚不清楚所使用的浓度与老鼠或人类所接触的物质是否有关。大多数研究还使用了聚苯乙烯球,这并不代表人们摄入的微塑料的多样性。Koelmans还指出,这些研究是同类研究中的第一批,一旦有了确凿的证据,最终可能会成为异常值。还有更多的在体外比动物实验研究,但研究人员说,他们仍然不知道如何来推断的组织在整体动物可能的健康问题的固体胶斑点的效果。

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  发现塑料了吗?从美国西部的国家公园和荒野地区取样的这种毫米级放大图像中,灰尘,沉积物,微塑性纤维和微珠混杂在一起。图片来源:犹他州立大学Janice Brahney

  围绕风险的一个问题是,微塑料是否可能残留在人体中,并可能在某些组织中积累。小鼠研究发现,直径约5 µm的微塑料可以留在肠中或到达肝脏。Koelmans和同事使用非常有限的数据说明小鼠排泄微塑料的速度,并假设只有一小部分1-10 µm的颗粒会通过肠道吸收到体内,Koelmans及其同事估计,一个人可能会在其体内积聚数千种微塑料颗粒。一生中的身体2

  一些研究人员已经开始探索在人体组织中是否可以找到微塑料。十二月,一个小组在一项研究中首次记录了这六个胎盘10,对此进行了记录。。研究人员用一种化学物质分解了组织,然后检查了剩下的东西,最后在其中4个胎盘中得到了12个微塑性颗粒。坦佩亚利桑那州立大学环境健康工程师罗尔夫·哈尔登说:然而,收集和分析胎盘时,这些斑点并不是污染的结果,尽管他赞扬研究人员为避免污染所做的努力,其中包括保持运送病房内没有塑料物品,并表明通过相同样品分析获得的空白对照材料集未受到污染。他说:结论性地证明给定的颗粒实际上起源于组织方面一直存在挑战。


  李说,那些担心自己暴露在微塑料中的人可以减少这种情况。他在厨具方面的工作发现,散落的塑料量很大程度上取决于温度-这就是为什么他停止在塑料容器中微波烹饪食物的原因。为了减少婴儿奶瓶的问题,他的团队建议父母可以用在非塑料水壶中煮沸的凉水冲洗消毒过的奶瓶,以洗去消毒过程中释放的任何微量塑料。他们可以在玻璃容器中制备婴儿配方奶粉,在牛奶冷却后填充奶瓶。该小组现在正在招募父母,为他们的婴儿尿液和粪便提供志愿者样品以进行微塑性分析。

  纳米级

  Halden说,最细小的颗粒能够穿透并在组织甚至细胞内徘徊,是最令人担忧的一种,需要在环境采样中给予更多关注。例如,一项研究11故意让怀孕的小鼠吸入极微小的颗粒,后来在胎儿的几乎每个器官中都发现了这些颗粒。从风险的角度来看,这才是真正的关注点,也是我们需要更多数据的地方。

  要进入细胞,颗粒通常需要小于几百纳米。直到2018年,法国研究人员提出了1 µm的尺寸上限,才对纳米塑料做出正式定义。这种微小的尺寸足以保持分散在水柱中,在这里生物体可以更容易地吸收它们,而不是像大型的微塑料那样沉没或漂浮,法国图卢兹的保罗·萨巴蒂埃大学的分析化学家亚历山德拉··哈雷说。

  但是研究人员对纳米塑料几乎一无所知。它们是看不见的,不能简单地sc起。仅仅对它们进行测量已经困扰了科学家。


  研究人员可以使用光学显微镜和光谱仪(通过与光的不同相互作用来区分颗粒)来测量塑料颗粒的长度,宽度和化学组成,直至几微米。低于该规模,塑料颗粒变得难以与非塑料颗粒(例如海洋沉积物或生物细胞)区分开。瑞士非营利研究组织Sail and Explore Association的纳米材料科学家Roman Lehner说:您正在大海捞针,但看起来像干草。

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  使用红外光谱分析从德国奥尔登堡的一家废水处理厂提取的样品的伪彩色图像。从颜色中挑出的碎片是塑料聚合物。其他碎片包括橡胶,烟灰,沙子和植物纤维。资料来源:SPrimpke等。肛门 生物肛门。化学。4105131-5141(2018) 
 

  2017年,ter Halle及其同事首次证明了环境样品中存在纳米塑料:从大西洋12收集的海水。她从水中提取胶体固体,过滤掉任何大于1 µm的颗粒,燃烧掉残留的颗粒,然后使用质谱仪(将分子破碎并按分子量对碎片进行分类)来确认残余物中存在塑料聚合物。

  但是,这没有提供有关纳米塑料确切尺寸或形状的信息。Ter Halle通过研究她在探险期间收集的两个退化的塑料容器的表面,获得了一些想法。她发现,前几百微米已经变成晶体和脆性。她认为,可能从这些表面脱落的纳米塑料也可能如此13。目前,由于研究人员无法从环境中收集纳米塑料,因此进行实验室研究的人员会磨碎自己的塑料,并希望得到类似的颗粒。

  

  使用自制的纳米塑料有一个优势:研究人员可以引入标签来帮助跟踪测试生物体内的颗粒。莱纳及其同事准备了荧光纳米尺寸的塑料颗粒,并将其置于由人体肠壁细胞构建的组织下14。细胞确实吸收了颗粒,但是没有显示出细胞毒性的迹象。

  莱纳说,发现存在完整组织切片中的塑料斑点(例如,通过活检)并观察任何病理影响,将是解决微塑性风险的最后一个难题。霍尔登说,这将是非常理想的。但是要到达组织,颗粒必须非常小,因此两位研究人员都认为,很难最终检测到它们。

  收集所有这些数据将花费很多时间。Ter Halle与生态学家合作,量化了野外微量塑料的摄入量。她说,仅分析大约800个昆虫和鱼类样本中的大于700 µm的颗粒,就花费了数千小时。研究人员现在正在检查25-700 µm范围内的颗粒。她说:这是困难而又乏味的,要获得结果将花费很长时间。她补充说,要查看较小的尺寸范围,工作量是成倍增加的。

   

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  在亚历山德拉··哈雷(Alexandra ter Halle)的一次海洋探险中收集的塑料样品。图片提供:Vinci Sato @ Expedition 7 Continent


 
 没有时间可以浪费

  研究人员认为,目前,环境中的微塑料和纳米塑料含量太低,无法影响人体健康。但是他们的人数会增加。去年9月,研究人员预测15,每年添加到现有废物中的塑料量(无论是仔细地在密封的垃圾填埋场中还是散落在陆地和海洋中)都可能从2016年的1.88亿吨增加一倍以上,到2040年达到3.8亿吨。然后,科学家们估计,其中约有1000万吨可能是以微塑料的形式存在的-这种计算不包括不断从现有废物中侵蚀掉的颗粒。

  该研究的第一作者,华盛顿特区皮尤慈善信托基金会的Winnie Lau说,可以控制我们的一些塑料废物。研究人员发现,如果在2020年采用所有行之有效的遏制塑料污染的解决方案,并尽快扩大规模(包括转换为再利用系统,采用替代材料并回收塑料),则塑料废物的添加量可能会减少到1.4亿到2040年每年。

  到目前为止,最大的收益将来自减少仅使用一次并丢弃的塑料。加洛韦说:生产持续500年然后再使用20分钟的东西是没有意义的。” “这是一种完全不可持续的生活方式。


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