加那利群岛开阔海域微塑料与海洋垃圾的垂直分布与组成特征研究（0-1200米深度）

《Marine Pollution Bulletin》：Vertical distribution and composition of microplastics and marine litter in the open ocean surrounding the Canary Islands (0–1200 m depth)

本研究针对开阔海域微塑料（MPs）垂直分布认知不足的问题，通过结合先进聚合物分析与分层采样技术，系统评估了加那利群岛海域小型微塑料（SMPs）和海洋塑料垃圾的丰度、分布及风化过程。研究发现SMPs广泛分布于整个水柱（最深超1000米），并识别出氧化聚合物（OxPol）的存在，挑战了浮力聚合物仅存于表层的传统认知，为深海塑料污染输运机制研究提供了关键数据。

　　

海洋塑料污染已成为全球性环境问题，每年有数百万吨塑料废弃物进入海洋。尽管人们对海表漂浮的塑料垃圾关注较多，但对深海环境中微塑料（Microplastics， MPs）的垂直分布、组成及降解过程仍知之甚少。传统观点认为，像聚乙烯（Polyethylene， PE）和聚丙烯（Polypropylene， PP）这类低密度塑料会漂浮在海面，但越来越多的证据表明，它们也能通过生物附着、聚集等过程沉降到深海。加那利群岛位于北大西洋副热带环流区，是海洋垃圾的热点区域，为研究塑料污染在开阔海域的垂直输运和最终归宿提供了理想场所。在此背景下，研究人员在《Marine Pollution Bulletin》上发表了题为“Vertical distribution and composition of microplastics and marine litter in the open ocean surrounding the Canary Islands (0–1200 m depth)”的研究论文，旨在揭示从海表至1200米深度的海洋塑料污染状况。

为了系统评估该区域微塑料和海洋垃圾的分布，研究人员综合运用了多种技术方法。宏观塑料样本通过与富埃特文图拉岛海洋垃圾观测站（OBAM）合作，于2021至2023年间在海岸带和近海通过渔民收集和标准化海滩采样获得。针对水柱中的小型微塑料（SMPs，尺寸小于1000 μm），研究团队在2021年和2022年的两次海洋学考察中，利用两种互补的采样系统在南耶罗岛南部的两个中尺度涡旋（一个反气旋式，一个气旋式）进行分层采样：尼斯科瓶（Niskin bottles）用于在特定深度（如50米、150米、600米、1100米等）离散采集海水样品（48-72升/样本），而瓶网系统（bottle-net system）则可在仪器上升过程中连续过滤较大体积的海水（如1100米至800米层段过滤了2171升）。采集的海水立即通过100 μm孔径滤膜进行过滤，滤膜保存于-20°C直至分析。对宏观塑料采用傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy， FTIR）进行聚合物鉴定，而对SMPs（尺寸100 μm至1 mm）则使用显微傅里叶变换红外光谱（micro-FTIR， μFTIR）进行高分辨率分析，并结合光谱库进行匹配以确定聚合物类型和降解状态。光学显微镜用于颗粒的形貌、颜色和尺寸表征。数据处理和图形生成使用了MATLAB等软件。

3.1. 海表宏观塑料样本

对采集的绳索、浮标等宏观塑料的分析表明，绳索中PE和PP是主要聚合物，分别占78%和22%。浮标等物体则主要由聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride， PVC， 37.5%）、PE（25%）、聚氨酯（Polyurethane， PU， 12.5%）、聚苯乙烯（Polystyrene， PS， 12.5%）和PP（12.5%）组成。这与加那利群岛其他沿海和表层水研究结果一致，确认了PE和PP在该区域的优势地位。

3.2. 水柱中的微塑料样本

研究发现，SMPs（包括纤维和碎片）在整个水柱中均有分布，最深超过1000米。纤维浓度通常在1-6根/升之间，但在某些站点（如R01站50米深度）出现异常高值（>15根/升）。纤维的垂直分布呈现“Z”型模式，在150-200米深度存在次表层最大值，在600-800米出现最小值，随后在更深水层浓度再次增加。碎片浓度在2021年航次较高（2-10个碎片/升，P2站峰值达20个/升），而2022年航次最大值仅为2个/升，其垂直分布在2022年航次也呈现“Z”型模式，但2021年航次规律性不强，表明SMPs在水柱中的分布并非均匀，可能受中尺度涡旋等物理过程影响。

3.2.1. 纤维丰度与组成

纤维是主要的微塑料形态。彩色纤维素纤维（被归类为人工纤维素颗粒， Artificial Cellulosic Particles， ACPs）占比最高（2021年62.5%，2022年52.8%）。合成纤维中，聚酯（Polyester）是最主要的类型，其次是聚乙烯-醋酸乙烯酯（Polyethylene-vinyl acetate， PEVA）、尼龙（Nylon）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate， PET）和丙烯酸纤维（Acrylic）。这些纤维可能来源于纺织品和渔具。

3.2.2. 碎片丰度与组成

碎片分析显示，PVC、PE、PP以及氧化聚合物（Oxidized Polymers， OxPol (PE·PP)）是主要成分。值得注意的是，尽管PE和PP密度低于海水，理论上应具有浮力，但它们在整个水柱直至超过1000米的深度都被检测到，这表明生物附着、聚集等过程促进了它们的沉降。

3.2.3. 聚合物氧化与降解

μFTIR光谱分析揭示了MPs碎片经历了显著的环境风化。降解过程导致聚合物链氧化和断裂，在光谱上表现为羟基（-OH）、羰基（-C=O）和烯烃（-C=C-）等新官能团吸收峰的出现。这些变化使得严重降解的碎片难以与标准聚合物光谱库精确匹配。因此，研究人员将那些光谱特征与氧化PE和PP相似但匹配度较低的碎片归类为氧化聚合物（OxPol (PE·PP)）。在不同深度，PE、PP和OxPol (PE·PP)的总和（PE + PP + OxPol (PE·PP)）是碎片中的重要组成部分，表明氧化降解在整个水柱中普遍存在。

3.3. 使用瓶网进行水柱采样

比较尼斯科瓶（离散深度采样）和瓶网系统（连续深度采样）的结果表明，两种方法检测到的聚合物组成相似，均以PVC和PE + PP + OxPol (PE·PP)为主。瓶网系统能够过滤更大体积的海水，有助于在低浓度区域获取更多颗粒用于成分分析，但可能导致滤膜上颗粒重叠，影响精确计数。尼斯科瓶则能提供特定深度的精确浓度信息。两种方法的结合使用验证了采样结果的一致性。

3.4. 局限性与未来考量

研究面临的挑战包括μFTIR分析耗时较长，限制了可分析的样本数量；高度降解或脆化的碎片难以处理；100 μm滤膜的使用可能遗漏更小的MPs（<100 μm）。未来需要开发自动化分析流程、改进采样策略以涵盖更小粒径的颗粒，并加强对降解聚合物光谱的识别和解读。

本研究通过综合运用垂直分层采样和先进的聚合物分析技术，首次系统揭示了加那利群岛开阔海域从表层至1200米深度的微塑料污染全貌。研究证实了SMPs在整个水柱的广泛分布，挑战了浮力聚合物仅存于表层的假设。研究发现PE和PP等低密度聚合物可通过某种机制到达深海，并且它们在海洋环境中经历了显著的氧化降解，形成了难以识别的氧化聚合物（OxPol）。纤维素纤维和聚酯纤维是主要的纤维类型。研究还比较了尼斯科瓶和瓶网系统两种采样方法的有效性。这些发现强调了结合垂直采样与聚合物特异性分析对于理解微塑料在海洋中的输运路径、降解过程和最终归宿至关重要。该研究为评估深海作为降解微塑料储存库的作用提供了关键证据，对未来海洋塑料污染监测、风险评估以及管理策略的制定具有重要的科学意义。