中波罗的海沉积物中微塑料积累及污染起始的时间顺序证据

《Frontiers in Marine Science》：Chronological evidence of microplastic accumulation and contamination onset in Central Baltic Sea sediments

本研究首次通过分析波罗的海两个海域的沉积物核心，揭示了微塑料（MPs）自20世纪70年代以来的历史积累规律。结果显示MP浓度随沉积深度增加呈指数增长，SE-08站点自1970年代中期起即出现MP污染，SE-05站点则从1980年代末开始累积。研究证实MP污染与瑞典及斯德哥尔摩地区人口增长呈显著正相关（解释方差达75%-84%），并预测至2030年表层沉积物MP浓度将分别达到9930和72924粒/千克干重。沉积物的高沉积速率（1.03cm/年）和无氧条件有效保存了MP的时空分布特征。研究结果为评估海洋微塑料污染提供新方法学，并警示需加强塑料管理和污水处理以应对持续加剧的MP污染。

　　微塑料（MPs）因其数量庞大、广泛分布、降解缓慢以及潜在毒性而成为环境领域的重要关注点。尽管MPs已被发现存在于各种环境中以及生物体内（包括人类），但针对其在海洋系统中历史积累的研究仍较为有限。本文首次系统地分析了波罗的海沉积物中MPs的长期积累情况，揭示了MPs污染的起始时间以及其随时间推移的变化趋势，为理解人类活动对海洋污染的影响提供了重要线索。

波罗的海作为世界上最大的咸淡水体之一，其独特的地理和水文特征使其成为研究MPs沉积历史的理想场所。波罗的海的半封闭性质、有限的水体交换以及长期的环境监测活动，使其成为探索MPs历史变化的重要区域。此外，波罗的海的沉积速率较高，大约为每年1厘米，同时其底部水体呈缺氧状态，这有助于减少生物扰动和垂直混合，从而保留了过去几十年的MPs沉积记录。这些条件为研究MPs的长期沉积过程提供了良好的基础。

在研究中，科学家们通过采集两个沉积物柱状样，分别来自波罗的海中部的SE-05和SE-08站点，对其中的MPs进行了系统的分析。SE-08位于瑞典首都斯德哥尔摩附近，距离海岸线仅34公里，而SE-05则位于开放海域，远离各国海岸线，大约距离瑞典、芬兰和爱沙尼亚海岸线分别为110公里、167公里和100公里。这两个站点均具有较高的沉积速率和缺氧底部水体的条件，这使得MPs在沉积物中的保存状况良好，能够反映过去50年的沉积变化。

MPs的提取和鉴定过程遵循标准化的实验室操作流程，包括样品干燥、过氧化氢处理、筛分、密度分离、离心、过滤和显微镜观察。这些步骤有助于从沉积物中分离出MPs，并通过视觉识别进行分类。MPs主要分为两种类型：纤维状和碎片状。纤维状MPs通常来源于纺织品洗涤过程中释放的微纤维，而碎片状MPs则可能来自塑料制品的物理降解。此外，薄膜状MPs也被归入碎片类，因为它们在形态上与碎片相似。

尽管视觉识别方法在MPs研究中被广泛应用，但它也存在一定的局限性。例如，自然纤维如棉和羊毛可能被误认为MPs，从而导致计数偏高。同时，一些较小的MPs由于难以通过肉眼观察而可能被低估。为了提高MPs识别的准确性，未来的研究所需采用更先进的分析技术，如傅里叶变换红外光谱（FTIR）、激光直接红外光谱（LDIR）以及热裂解气相色谱-质谱联用技术（py-GCMS）。这些技术能够更精确地确定MPs的化学组成，减少因视觉识别带来的误差。

在对MPs浓度进行分析时，研究者采用了指数曲线拟合的方法，以揭示其随时间的变化趋势。这种方法基于沉积速率和年代测定数据，假设沉积速率恒定的情况下，通过计算沉积物深度与沉积时间的关系，来重建MPs的沉积历史。研究结果表明，MPs的积累始于1970年代至1980年代，并在随后的几十年中持续增长，直到今天。在SE-08站点，MPs的浓度在1974年左右开始上升，而在SE-05站点则在1988年左右开始显著增加。这一趋势与全球塑料产量的增加以及当地人口增长密切相关。

在数据分析过程中，研究者还利用广义可加模型（GAM）来探讨MPs浓度变化的驱动因素。GAM是一种非参数模型，能够通过平滑函数揭示变量之间的非线性关系。结果显示，瑞典和斯德哥尔摩县的人口增长对MPs浓度变化的解释力远高于全球塑料产量和累计产量。这表明，MPs污染的加剧可能更多地受到当地人口活动的影响，而非全球性因素。此外，不同地区的MPs浓度差异可能源于采样策略、分析方法以及沉积物深度的不同。因此，在进行不同研究之间的比较时，需要考虑这些变量的影响。

研究还预测了未来MPs浓度的变化趋势。假设当前的塑料管理政策和人口增长趋势持续不变，那么到2030年，SE-05和SE-08站点的表层沉积物中MPs浓度将分别达到9930和72,924个颗粒每千克干沉积物。这一预测凸显了MPs污染的严重性，并为政策制定者提供了重要的参考依据。未来需要进一步加强对MPs排放的管控，尤其是在塑料生产、废弃物管理以及污水处理等方面，以减少微纤维的释放。

从更广泛的视角来看，MPs污染已成为全球海洋环境中的普遍现象。在不同海域的沉积物中，MPs的浓度存在显著差异。例如，在挪威的都市峡湾中，表层沉积物中的MPs浓度高达20,5859个颗粒每千克干沉积物，而在北极地区，MPs的浓度则在0至13,331个颗粒每千克干沉积物之间波动。这些数据表明，MPs污染不仅局限于特定区域，而是具有全球性特征，其浓度的差异可能与地理位置、水文条件以及人类活动强度等因素有关。

研究中还发现，MPs在沉积物中的分布与其物理化学性质密切相关。例如，MPs的颜色、形状和密度可能影响其在海洋中的沉降过程以及生物体内的吸收情况。蓝色MPs由于其较高的光透射率，可能更容易发生光老化，从而在环境中更容易降解。此外，MPs的大小和形状也会影响其在沉积物中的沉降速度，较小的MPs可能更容易通过生物附着（biofouling）沉降到海底。这些发现为理解MPs在海洋中的行为提供了新的视角。

综上所述，本研究首次揭示了波罗的海沉积物中MPs的长期积累趋势，表明MPs污染的加剧与人类活动密切相关。尽管存在一定的方法局限性，如视觉识别的误差和密度分离技术对某些塑料类型的覆盖不足，但研究结果仍具有重要的科学价值。未来的研究应结合多种分析技术，以提高MPs鉴定的准确性，并进一步探讨其在不同环境中的迁移和沉积机制。此外，政策制定者需要采取更加有效的措施，以减少MPs的排放和污染，保护海洋生态系统和人类健康。