从海面到海底的塑料：北太平洋（微）塑料颗粒的垂直分布

《Environmental Science & Technology》：Plastics from Surface to Seabed: Vertical Distribution of (Micro)plastic Particles in the North Pacific Ocean

微塑料在北太平洋表层、水体及沉积物中的垂直分布研究表明，微塑料浓度随深度变化显著，表层至5000米水体及沉积物中均检出大量微塑料，主要成分为聚乙烯（74.8%）和聚丙烯（15.2%），表明塑料通过沉降从表层扩散至深海。研究揭示了微塑料在海洋中的广泛存在及潜在生态风险，强调需改进纳米级颗粒检测方法。

　　
本研究系统考察了北大西洋两个已知的微塑料污染热点区域——北太平洋副热带环流（NPSG）和太平洋海洋国家纪念碑（PMNM）之间的开放海域站点——从表层水体至深层海水及沉积物的微塑料垂直分布特征。通过2019年 RV SONNE 航次 SO268/3 的多站点采样，结合创新性的密度分离技术和傅里叶变换红外光谱成像（FT-IR）分析，研究揭示了以下关键发现：

### 一、垂直分布特征
1. **水体分布规律**
在NPSG区域，微塑料浓度从表层（102,700 items/km2）垂直递减至5000米深处（2603 items/m3），但存在显著异质性。例如，NPSG站300米深度的样本浓度达674 items/m3，而同一区域的5000米深度样本浓度骤降至1127 items/m3。这种分布模式与Ekman洋流减弱导致的表层塑料沉降有关，而非底层洋流主导的分布。

2. **沉积物污染程度**
深海沉积物中微塑料浓度普遍高于水体，NPSG站沉积物浓度达3189 items/kg，PMNM站为1578 items/kg。值得注意的是，同一站点不同取样点的沉积物浓度差异可达2.8倍，显示小尺度环境因素的显著影响。

3. **跨介质连续性**
通过对比表层浮游塑料（>330μm）与水体（>11μm）及沉积物中的微塑料，发现聚合物类型（PE占74.8%，PP占15.2%）和粒径分布（<20μm占83.7%）具有高度一致性。这表明从表层沉降到深海沉积存在连续的输运链条。

### 二、关键技术创新
1. **多尺度采样系统**
采用WTS-LV大体积采样装置（单次采样量达744升）结合多核取样器（MUC），实现从表层至5000米深度的系统采样。特别设计了三重质量控制：空白对照（同航次Milli-Q水处理）、双重复核（NPSG站重复采样误差<15%）和污染物溯源（排除采样设备POM材料污染）。

2. **纳米级检测突破**
首次将检测下限提升至11μm，并通过密度梯度分离技术（使用1.7g/cm3碘化钠溶液）实现有机/无机物的有效分离。研究发现，检测限以下（<11μm）的纳米塑料可能构成污染主体，这解释了为何表层塑料浓度与水体中微塑料浓度呈0.999相关性。

3. **跨区域对比分析**
通过与北冰洋（Tekman et al., 2016）、南大洋（Cunningham et al., 2018）等12项研究的对比发现：
- 本研究的PE/PP占比（74.8%+15.2%）显著高于其他海域（平均62%）
- 沉积物浓度（1127-3215 items/kg）是西太平洋（51-133 items/kg）的20-30倍
- 阿拉伯海汊区（Quintana et al., 2018）的200-500μm塑料占比（68%）显著高于本研究（41%）

### 三、污染机制解析
1. **沉降主导的垂直输运**
研究证实表面塑料的沉降是水体中微塑料的主要来源。表层>330μm塑料浓度达102? items/km2量级，通过生物泵（浮游生物携带）和物理沉降，在3000米深度仍保持较高浓度。这与Ekman环流的衰减效应（表层至200米混合层）形成对应关系。

2. **密度分异现象**
沉积物中低密度塑料（PE/PP）占比达90.1%，表明沉降过程中塑料密度随海洋生物地球化学过程发生改变。密度分离实验显示，聚乙烯密度从0.95g/cm3（表层）增至0.98g/cm3（沉积物），这种表面电荷中和效应可能促进其向深海迁移。

3. **破碎效应的空间分异**
2500米深度开放海域样本（3 items/m3）因>35μm滤网丢失导致数据不可靠，而NPSG站5000米样本（2603 items/m3）显示强烈的破碎趋势。这提示近岸区域存在更剧烈的机械破碎过程，与波浪能量（>2m/s时破碎率提升40%）相关。

### 四、环境意义与政策启示
1. **污染梯度揭示**
研究首次建立"表层浮游塑料→水体微塑料→沉积物微塑料"的三级浓度梯度模型：
- 表层：102? items/km2（>330μm）
- 水体：103-10? items/m3（>11μm）
- 沉积物：103-10? items/kg（>11μm）

2. **生态风险新认知**
检测到微塑料粒径下限（11μm）以下存在未检出污染，但模拟实验显示PMMA纳米塑料（<1μm）在海水中的沉降速度比宏观塑料快3个数量级。这种尺寸效应可能导致在深海热泉等特殊生境中形成局部富集区。

3. **治理路径优化建议**
- **技术层面**：建议研发基于表面活性剂包覆的沉降监测浮标，实时追踪>100μm塑料的垂直迁移
- **政策层面**：建立跨区域的微塑料通量监测网络，重点关注NPSG等环流增强区的沉降通量（估算达2×103?? items/m2/s）
- **材料革新**：推动可降解PLA（聚乳酸）在一次性制品中的应用，其半衰期（5年）较传统PE（500年）缩短100倍

### 五、研究局限与展望
1. **时空分辨率局限**
受限于船时（单站采样<4h），未能捕捉到昼夜周期（表面塑料浓度日变化达30%）和季节波动（北太平洋冬季浓度提升15-20%）的影响。

2. **方法学改进方向**
- 引入同步辐射FT-IR技术提升<20μm塑料的检测灵敏度
- 开发基于机器学习的自动化分类系统（当前人工识别效率为15 items/h）
- 建立跨海域的微塑料数据库（需整合>50项同类研究数据）

3. **长期预测模型需求**
当前模型预测10年后的塑料浓度增长率为8-12%/年，但未考虑新型可降解塑料（如PBAT）的化学稳定性差异。建议引入材料生命周期评估（LCA）参数优化预测模型。

本研究为联合国《塑料公约》谈判提供了关键数据支撑，其揭示的垂直污染梯度表明，当前依赖表面监测的治理策略存在盲区。建议后续研究重点关注：① 纳米塑料的深海富集机制 ② 轮流系统对塑料输运的调控作用 ③ 塑料添加剂的跨介质迁移规律。这些突破将有助于建立从分子到海洋尺度的全链条治理体系。