海洋中塑料论文英语翻译

1、海洋环境中的塑料微粒本文综述了塑料微粒在海洋环境中的生成机制和潜在影响。降解塑料在海滩上的风化作用导致其表面发生脆化和微裂缝,产生的微粒由风或波浪带入水中。与存在于海水中的无机粉末不同，塑料微粒常被划分为持久性有机污染物(pop)。常见的持久性有机污染物的相关分布系数是几个数量级的，塑料介质更是如此。因此这些高水平的持久性有机污染物被海洋生物群所摄取。人们对于持久性有机污染物在营养摄取水平方面的利用度和传输效率还不太了解，导致了这些微粒对海洋生态系统造成的潜在危害尚未量化和统一。在海洋中增加一定水平的污染塑料能更好的了解其在海洋食物网中的影响.关键词：塑料微粒，纳米塑料，持久性有机污染物，塑料

2、，食物网1.介绍 第一个报道海洋塑料垃圾的是在1970年代早期，在科学界引起了小小的关注。在接下来的几十年中,随着越来越多的对生态后果的碎片数据的积累，这一话题得到了持续的研究兴趣。大多数的研究都集中在海洋哺乳动物,鲸类和其他在垃圾和被废弃的齿轮中的物种之间的纠缠。摄取塑料的鸟类在世界范围内广为记载和至少有44%的海洋鸟类摄取塑料。已被证实的有黑脚信天翁雏鸟被喂食塑料颗粒。随着对北太平洋环流的塑料碎片出人意料的高发现率的报道，这种一开始的兴趣最终成为在海洋生物研究学领域的优先研究课题。小块的，包括那些肉眼看不见的塑料碎片,被称为微塑性,它在世界上的海洋中是特别令人关注的。本文试图解决塑料在海洋

3、环境中的命运,分析其在海洋中的机制和潜在的生态影响。 1.1塑料在海洋环境中的使用 最近几年全球对塑料的需求一直在增加,目前约为2.45亿吨。塑料作为一个有多种功能的,重量轻,强大和潜在透明材料,适合各种各样的学术应用。其低成本、优良的氧化防潮性能,生物惰性和重量轻使它们优秀的包装材料。传统的材料,如玻璃,金属和纸被设计优越的塑料包装所取而代之。近三分之一的塑料树脂生产因被此转化为消费者的包装材料,包括在海滩上常见的一次性物品的塑料碎片。据不可靠估计，在全球范围内每年大约有708000万吨的包装塑料最终流向海洋。 一些塑料被广泛的应用于包装类:聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS),

4、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),聚氯乙烯(PVC)。他们的生产数据反映了其大规模的使用，如表1所示,因此这些提高了海洋环境结束的可能性。广泛的渔业,休闲和海上使用,以及支持移民到沿海地区的人口变化,将增加废塑料未来流入海洋。约80%的塑料碎片来自陆地和海滩垃圾。整个全球渔船队现在使用塑料齿轮，有些齿轮在使用过程中必然会丢失甚至丢弃在海上。聚烯烃(PE和PP),以及尼龙主要应用于渔具。海洋环境中发现的塑料碎片约有18%是由于捕鱼业。水产养殖也可以说是塑料碎片在海洋里的一个重要贡献者。其余大部分来自陆地，包括海滩垃圾。纯树脂颗粒,碎片的共同组成部分,经常在海洋运输或通过径流处理设施进入海洋。 通过

5、技术排除的漂浮塑料碎片的数量(通常用漂浮生物网来收集水表面的碎片)对于沉积在海洋中的数量来说是非常微不足道的。碎片作为残核的可见性需要塑料明确的漂浮在海面上(海水比重是1.025)。然而,从表1中可以看出通常只有少数用于海洋环境的塑料比重低于海水。(这个比重通常是纯树脂;塑料产品往往是混合填料和其他添加剂,可能会改变他们的比重力)。密度比较高的品种如尼龙往往淹没在海水中，有的甚至甚至到达海岸泥沙中。 1.2在海洋中的塑料微粒 最近有一项重大发现,微小的的塑料碎片,称为微塑料，在世界各地的海洋中出现甚至包括南极洲。微塑料,一种人造的垃圾，在海洋中至少已经积累了四十年。从地表水或沙滩上中的垃圾来进

6、行采样，这一部分垃圾包括纯树脂颗粒,复合颗粒和来自较大塑料碎片中的较小颗粒。 不同的研究人员对“microplastcs”和“microlitter”这两个词有不同的定义。Gregory和Andrady定义“microlitter”为几乎不可见的微粒,它可以通过500 um但不低于67um的筛子(直径0.060.5毫米),大于这个被称为“mesolitter”粒子。其他人,包括最近的一个相关的研讨会对于微粒的定义是尺寸范围小于5毫米的粒子(用不小于333 um的漂浮生物网来进行抽样)。海水中塑料粒子的直径通常都是从几微米到 500 微米(5毫米)。为了更清楚的描述,这个尺寸范围被称为“塑料微粒

7、”;更大的粒子如纯树脂颗粒在Gregory和Andrady之后被称为“mesoplas-tics”。持久性有机污染物(pop)在海水浓度比较低的时候通常被分为中微塑料。持久性有机污染物的疏水性,能促进它在中微垃圾颗粒中的浓度维持在一个水平上，其浓度与它在海水中的浓度相比，高出了好几个数量级。这些摄入污染塑料的海洋物种为持久性有机污染物可以进入海洋食物网提供了一个可靠的路线。对于持久性有机污染物中塑料微粒在生物中被溶解的程度和其在食物网中被潜在的放大这一方面并没有被详细研究过。 大塑料微粒是不容易用肉眼见到;甚至树脂颗粒与砂的混合物也是不容易辨别的。净抽样当然不仅仅是只收集小塑料微粒，就目前来说

8、，还没有可接受的标准程序来计算微粒在水或沙子中数量。以下只是根据出版报告商以及作者的个人经验所提出的一个建议。 水样通过粗过滤器过滤去除。在盐水中的沉渣和沙样变为泥浆，让塑料微粒浮到海面。有一种可以在收集到的海水或泥浆样品中溶解的矿物盐，它加入以后可以增加水的密度，从而使塑料碎片充分的漂浮在水面上。这样一来就可以对地表水样品与浮动微粒来进行仔细的研究。浓缩海水样品的蒸发也可以浓缩在海水表面的塑料垃圾。用亲脂性的染料(如尼罗红)对在地表水样品中的塑料微粒进行染色，使其在能在显微镜下看到。水样中也会有微生物群存在，例如相同大小的浮游生物,这些将不会被亲脂性的染料染色。在样品中加入热稀酸对其进行消解

9、可用于去除生物质中的杂质，当然，它不会对微塑料产生任何影响。塑料微粒悬浮体可以用光学显微镜、电子显微镜、拉曼光谱和红外光谱来进行观察。下面的图1显示了这一建议抽样方法所分离出来的塑料微粒的图像。 作为学习塑料微粒生殖机制的前提,了解海洋环境中的光致降解和塑料的生物降解是很重要的。 1.3海洋条件下的塑料降解 降解是一种化学变化,它大大降低了聚合物的平均分子量。由于塑料的机械完整性总是取决于其高的平均分子量,任何明显程度的降解都不可避免地削弱了材料。广泛降解的塑料变得易碎，足以瓦解成粉状碎片得以处理。即使这些片段,通常肉眼不可见,可以进一步进行降解（一般通过微生物介质进行降解)与聚合物的碳被转化

10、成二氧化碳(并纳入海洋生物量)。当这一过程完成后,所有的有机碳聚合物都被转换,它被称为完整的矿化。 降解通常根据其降解机制进行分类。 (a)生物降解生物有机体通常的行动。 (b)光降解行动的光(通常在户外曝晒的阳光)。 (c)热氧化降解在中等温度下缓慢的氧化分解。 (d)热降解高温作用。 (e)水解与水反应（不是环境降解机制）普通聚合物如LDPE、HDPE、PP和尼龙暴露在海洋环境中主要是太阳光的紫外线辐射,启动光氧化降解。一旦开始，对于没有进一步暴露在紫外线辐射下的聚合物也可以被降解。只要系统中含有氧气，催化降解反应便可以进一步进行。在聚合物中，其分子量下降，聚合物的含氧官能团便会减少。其他

11、类型的降解过程是数量级的慢光致氧化相比。相比光诱导氧化，其它类型的降解过程是比较慢的。在海水中水解通常不是一个重要的机制。而所有的生物材料，包括塑料，在海洋环境中都是进行生物降解，即使对于深海沉积物来说，它的生物降解速率比光降解速率要慢几个数量级。在塑料暴露在空气或躺在沙滩表面的时候，太阳紫外线辐射是一种非常有效的机制。但是，当相同的塑料材料在相同的位置上暴露在阳光下，如果在海水中漂浮，降解速率会明显降低。在同一地点，比较了几种常见的包装塑料和齿轮分别在空气和海水中的机械完整损失。如图2（左）所示，聚丙稀的降解速率在急剧下降。拉伸伸长率(%)作为研究降解机制的一个参数，在海洋环境中，塑料脆化然

12、后被哺乳动物吞噬作为其降解的终点。其他种类的塑料暴露在海滩或水也经历了类似的降解。例如,渔具降解的研究。齿轮的风化作用如聚乙烯网片,暴露在海洋空气中的尼龙丝缠绕都已经被报道。在海水上漂浮的塑料，其中的元素降解速率较低是由于在相对较低的温度下，环境中的氧浓度较低的结果。与样品暴露在空气中不同，当它在较低的水环境温度下，会延缓它的反应。空气和浮动风险之间降解率的差异，使污垢对于它的影响进一步加深。漂浮的塑料表面会产生大量的污垢，它会迅速的产生藻膜覆盖碎片表面，然后覆盖到一群无脊动物表面。污损生物的初始速率取决于塑料表面能，5-25nm/m的材料是最小界限范围。在Biscayne表面的演替依次为细菌

13、-硅藻-水螅-藤壶-水云目藻类苔藓虫。但是，结构序列和动力学是强烈依赖与水的条件和曝光的季节的。塑料碎片中都镶有金属物，随着污染过程其密度会逐渐增加，一旦密度大于海水，便会沉到水面以下。在一定深度的水中，漂浮塑料碎片的密度变化是由于其缓慢循环摆动的生态系统，这种机理在后来得到了证实。不规则碎片会随着其密度的增加，最终会到达底栖区。在海底会经常发现塑料。 即使是一个广泛的风化,脆塑料材料（即分崩离析处理），其分子量仍有千克/摩尔。图3说明了拉伸生长率（%）与聚乙烯的平均分子量的对数的关系。即使在图的最左边（对应于广泛的降解或催化材料），Mn的含量也为100010000克/摩尔。这些低分子量的塑料

14、并没有进行生物降解。同时也对锰含量为500可克/摩尔进行了观察。光氧化所导致的粒径减小对塑料碎片的后续降解并没有一定的帮助。高分子塑料中的许多物质在微生物的降解速率是不一样的。因此，它能在微生物中聚合是非常罕见的。在海洋环境中尤其如此,除了生物聚合物如纤维素和甲壳素。然而,最近的研究已经确定了几个品种的微生物能降解聚乙烯和聚氯乙烯。在实验室中培养浓缩液体,放线菌红球菌使聚烯烃的干重在30天的潜伏期内减少了约8%。漆酶分泌的物种减少平均分子证明了GPC表明降解聚合物的重量通过切断主链。然而,在足够高的浓度下，这个过程不会在发生土壤微生物或海洋环境中，但竞争营养来源是永远存在的。在海洋环境中，几乎

15、没有任何的关于塑料矿化动力学的数据。然而,生物聚合物如甲壳素和一些合成聚合物在海中能快速的生物降解。淀粉填充的聚烯烃有时被错误地称为“降解”,但淀粉只有在海洋环境中的矿化中才存在。理想情况下,聚合物材料的处理环境应该完全生物降解释放碳碳循环。矿化是塑料完整的转换成二氧化碳、水和生物质能。尼龙等聚合物包含C、H、O、N的化学反应,转换如下: 在实验室用呼吸法模拟海洋暴露下的碳转化率。很好的聚合物在生物介质中培养，如沿海海洋沉积物和二氧化碳气体进化生物降解被量化。与活性微生物接种进行培养，气加快矿化作用的媒介通常是富含尿素(N)和磷(P)的物质。二氧化碳是由聚合物气相滴定和碳转化率来进行估计计算的

16、。 这种形式的有机化合物被广泛用于实验中。生物降解聚合物的评估综述。 即使在最佳实验条件下,土壤接种活性污泥团，从生物降解聚烯烃中释放二氧化碳的速率也是很慢的。14C标记的聚合物被用来进行检测。与先前协议的相比，最近的数据显示碳转化率小于1.2%的已经超过三个月。预氧化（广泛退化)聚合物降解有一个更快的速度。 有文章报道了0.2%和5.7%低密度聚乙烯每十年的碳转化率是没有区别的。在任何情况下，这一发现都没有什么实际意义。海滩风化使塑料脆化的表面面积增加了几个数量级，这可能会增加其生物降解速率。 但是,对于在几年时间里完成矿化才是合理的时间来说，这个增加的速度已经是非常缓慢的过程。在最近一项六

17、个月中的研究中观察到，在实验室和在,沉浸在孟加拉湾的HDPE,LDPE和PP所测得的值是一样的。 最大重量损失是在低密度聚乙烯(1.5 - -2.5%),其次是在HDPE(0.5 -0.8%)和PP(0.5 -0.6%)。1.4。 塑料微粒的起源海洋中的塑料微粒是怎样生成的? 塑料微粒的起源可能主要有两个来源:(a)由径流直接引入；(b)风化分解的中间产物和微塑料残骸。 一些塑料微粒,特别是用于制造微型和纳米粒子的塑料产品,它会通过径流直接进入海洋。 这些包括微米大小的塑料粒子（通常用作化妆品配方中的角质）和工业研磨剂合成喷砂的物质（丙烯酸塑料和聚酯的珠子)。 这些可以很容易地通过径流到达海洋

18、。然而大多数塑料微粒所可能产生的机制,是微塑料和大片段的海滩塑料垃圾风化。塑料垃圾通常出现在海滩,地表水和深水环境中，但正如已经提出的，风化在这三个环境中的利率将会非常不同。 与那些漂浮在水中塑料相比,躺在海滩上的塑料将受到很高的温度。 鉴于砂相对较低的比热(664 J / kg-C),沙滩表面的塑料垃圾的温度可以达到温度40C，约为夏天的天气。塑料碎片是暗色素的,由于太阳红外吸收会积聚热量，从而可以使温度更高。高温氧化降解是加速因子根据活化能Ea所发生的过程。以Ea50焦每摩尔为例,降解率翻倍时温度只有10C的上升。尤其是对于不透明的塑料来说,几乎所有初始氧化分解都发生在表面。这种局部的降解

19、是由于uv - b辐射在塑料中具有高的消光系数的材料,氧化反应的控制扩散性质和填充物的存在阻碍氧气扩散。无紫外线的纯颗粒的降解速率比塑料快。这种模式的氧化降解的最终结果是一个脆弱的表层有大量微裂隙和坑的显微图。如图4所示。这个表面脆化降解是由压力所引起的湿度或温度变化从而对砂有所磨损。塑料微粒来自这个脆弱的表层。表面显微裂纹通常在紫外线暴露下的塑料包括HDPE,低密度聚乙烯和聚碳酸酯和聚丙烯。 从海滩上收集的微塑料碎片中的微裂痕和坑与这些研究结果一致。在码头上风化多年的聚丙烯绳样品和渗出水提取时产生了大量的塑料塑料微粒被尼罗红染色。正如已经指出的那样,低水温和效果显著延缓了这个过程。塑料直接丢

20、弃到水中或垃圾冲入水中之前，任何重大风化退化也不可能通过这种机制产生塑料微粒。 也是因为如此，塑料碎片沉在水里。相对于空气来说低温和低氧浓度，缺乏uv - b, ,可能使降解的塑料碎片远远少于漂浮的塑料碎片。因此在海洋环境中最有可能的取代塑料微粒是海滩。认识到微粒是作为海滩清洁的一个有效的缓解策略。除去较大的塑料碎片残骸海滩之前，这些都是风化足以减少塑料微粒表面脆化。因此可以有一个生态效益远远超出审美改进的海滩,和通过减少塑料微粒,对海洋食物网的健康也做出了贡献。1.5摄取塑料微粒的毒性海水里包含众多的纳米颗粒(106-107粒子每毫升或10 - 500g / l)，他们中的大多数都小于100

21、海里。在海洋滤食性生物中，从纳米浮游生物到鲸鱼,通常来说对于它们都没有影响。在这些生物中，没有酶途径分解合成聚合物,摄取的塑料微粒也从未消化或吸收,因此具有生物惰性。摄取塑料微粒的微生物群,反映了一个非常不同的问题。值得关注的是其对POPs吸收的潜力,主要是那些海水、生物。 正是由于这种溶解持久性有机污染物产生了不良的结果。一切与塑料有关的毒性一般来说,包括中间塑料微粒,可以归因于一个或多个下列因素:(a)残余单体制造出现有塑料或有毒添加剂用于复合塑料可能浸出的摄取塑料。残余单体的例子说明了最近残留聚碳酸酯产品的问题。 邻苯二甲酸酯增塑剂用于PVC的潜在毒性在文献中已被广泛讨论。(b)毒性中间

22、体的部分降解的塑料。 例如,聚苯乙烯燃烧可以产生苯乙烯等芳烃和部分燃烧塑料可能包含大量的苯乙烯和其它香料。(c)持久性有机污染物在海水慢慢吸收,它主要集中于塑料微粒碎片。塑料碎片溶解海水中的污染物的化学物质使其成为干净的海水。然而,这些可以成为生物有机体再被吸收。持久性有机污染物的高浓度带来的风险对海水尤其重要。海水通常包含低水平的一系列化学物种如杀虫剂、农药和工业化学物质通过废水和径流进入海洋。在塑料方面的持久性有机污染物,如多氯联苯(PCBs),多溴二苯醚(多溴二苯醚),和并酸(PFOA)有一个非常大的聚合物水分布系数,KP/W(L /公斤)。 线性等温线模型相关化学物质的质量,这些每单位

23、质量的固体聚合物)(g /公斤)平衡溶质浓度(Ce)(g / L)由以下方程表示:方程(1)qe=Kp/w.Ce KP/W(L /公斤)是系统的平衡分配系数。这个系数近似有时是聚合物水分布系数。然而,这可能严重低估了一些持久性有机污染物的聚合物水分配系数。有机微污染物的分布研究了疏水性塑料聚丙烯颗粒和聚乙烯条(测试作为潜在的被动采样设备)。另一项研究中,报道了对菲的吸收的三种类型的塑料,总结分布系数排名如下:聚乙烯=聚丙烯 PVC。KP/W的值为104(L /kg)对聚乙烯和103聚丙烯。重要的是,他们建立了污染物的解吸，这是一个非常缓慢的过程。它还报道了常见的聚合物中的KP/W值(L /公斤

24、);其中包括对聚乙烯27000 L /公斤。多氯联苯在聚丙烯报告更高的值。实验报道的KP/W的值可以归因于不同的水温,塑料的结晶度和非平衡效应。这些值意味着塑料内消旋和海洋中微粒的平衡将产生高度集中的持久性有机污染物来源。最近的一项在微/中塑料方面的研究 通过对四个夏威夷点,一个墨西哥点和五个加州海滩点的粒子的研究，其表现出非常高水平的污染物。报告值的范围是:PAH = 39 - 1200 ng / g:PCB = 27 - 980 ng / g:DDT = 22 - 7100 ng / g。这些是累积值PCB同系物和多环芳烃。发现从工业场所附近的位置所收集的塑料颗粒的累积水平更高。报告得最高

25、值是PAH = 12000 ng / g和DDT= 7100 ng / g。2009年的一项在8个美国海滩中的研究报告数据如下:PCB = 32 - 605 ng / g;DDT = 2 - 106 ng / g;和HCH(同分异构体)= 0 - 0.94 ng / g。漂浮在表面的污染物在塑料颗粒的水平层与含沙量的范围内观察到的相同的化合物。最近的研究表明,微/中塑料碎片也可能集中在金属除了持久性有机污染物。这是一个意想不到的发现，塑料氧化表面疏水性,可以携带功能,可以绑定金属。形势逆转的残余单体和添加剂复合成的塑料以及部分降解塑料降解产物。塑料碎片会慢慢过滤出来的一小部分含有持久性有机污染

26、物(添加剂、单体或产品)的海水,直到出现适当的KP/W(L /公斤)值。平衡是一个动态的，是永远不可逆转地绑定到聚合物，但分散在一个塑料碎片根据海水中流行的浓度的变化。相比这些倾向于浸出少量的清洁海水通过维珍塑料进入海水,虽然没有良好的估计或模型,总塑料污染物负荷引入海水可能会至少会引进几个数量级的空气和废水流入海洋。关键是生态风险不是由于水中的低水平的持久性有机污染物在,生物利用度高度浓缩池出现的塑料微粒通过摄入可能会进入食物链的海洋生物中。在微粒子和纳米粒子的尺寸范围内，浮游植物是太平洋磷虾等浮游动物的主食。毫无疑问,这些可摄入。塑料微浮游在动物饲养研究中常被用到。有很多文献的引用浮游动物

27、摄取塑料粒子以及太平洋磷虾,例如,观察摄取主食藻类以及聚乙烯珠子在相同的尺寸范围内有没有明显偏食。但是,没有用塑料珠子含有持久性有机污染物进行研究。而且,现在还不知道如果任何趋化因子或其他警告信号阻止他们摄入(而不是干净的塑料珠子)，物种在自然操作中至少有一部分面临风险。表2是选择一些海洋物种显能够显示摄取塑料珠子，从而在实验室进行研究。这些持久性有机污染物对生物体的生物利用度在摄入不同种类的污染塑料微粒之后显得尤其稀疏。在海上的虫子证明了粒子在多环芳烃的生物利用度如车轮踏面、柴油烟灰和人的肠道液体。这些物种的肠道表面活性剂在底栖生物沉积喂食器中可能提高了持久性有机污染物的生物利用度。尤其是浮

28、游生物物种与一个非常小体重的物体,持久性有机污染物通过饱和微粒的数量有显著的毒性影响。剂量的摄取将不仅取决于微粒的体积也取决于其停留时间在生物体和塑料之间的停留时间，使持久性有机污染物在动力学和浮游动物的组织中重新分区。在较大的海洋物种,如大海鸥,大量摄入受污染的塑料和多氯联苯(pcb)、DDE,DDT和狄氏剂)它和成人脂肪组织呈正相关。没有数据可用传输系数在海洋营养水平持久性有机污染物通过摄取塑料微粒引入。1.6 海洋中的纳米塑料工程塑料纳米颗粒来自消费后的浪费以及中间塑料微粒，它给生态系统退化带来了特殊的挑战。虽然还没有量化,毫无疑问,纳米粒子是风化产生的塑料垃圾。如果这些能够坚持自由纳米粒子一旦引入水介质是一个重要的考虑