从宏观到微观：便携式近红外光谱技术在海洋海滩垃圾综合分析中的应用与相关性研究

《Marine Pollution Bulletin》：From macro to micro: Comprehensive marine beach litter analysis using portable NIR

本研究针对海洋塑料污染监测中不同尺寸垃圾（宏观MaL、中观MeL和微观ML）数据难以关联的难题，首次在斯洛文尼亚海岸开展全尺寸垃圾季节性监测。研究通过便携式近红外（NIR）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术，发现宏观与中观垃圾在聚合物组成上呈显著正相关（p<0.05），建立了聚合物识别与垃圾来源的关联，为完善监测标准和制定针对性治理策略提供了科学依据。

　　

在全球塑料产量从1950年的150万吨激增至2022年的4亿吨的背景下，塑料污染已成为席卷从深海海沟到偏远山区的全球性环境危机。尽管欧洲自2008年实施《海洋战略框架指令》（MSFD）要求成员国建立海洋垃圾监测计划，但当前监测体系存在明显缺陷：宏观垃圾（Ma_L，>2.5厘米）、中观垃圾（Me_L，5毫米-2.5厘米）和微塑料（ML，1微米-5毫米）的监测方法相互割裂，数据报告单位不统一（如Ma_L按每100米海滩计数，ML按每千克沉积物计数），导致无法进行有效的跨尺寸关联分析。更关键的是，现行监测方案缺乏对塑料垃圾聚合物类型的识别，限制了我们对塑料污染来源、迁移和转化规律的理解。

为解决这一难题，来自斯洛文尼亚水研究所的Bizjak Tamara团队在《Marine Pollution Bulletin》发表了创新性研究。研究人员选择斯洛文尼亚安卡兰的圣巴托洛梅奥湾海滩作为研究地点，在2024年四季分别开展了系统采样。他们采用欧洲海洋垃圾技术组（TGML）推荐的分层采样法（先ML、后Me_L、最后Ma_L），首次同步获取了三类垃圾的完整数据。研究创新性地引入便携式近红外光谱仪（NIR）对塑料垃圾进行快速聚合物鉴定，并通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证结果的准确性（准确率>95%）。所有垃圾均按《联合垃圾类别清单》进行材料分类和使用来源追溯，并通过统计分析方法探究不同尺寸垃圾间的相关性。

关键技术方法包括：（1）分层采样技术：严格按照TGML指南顺序采集ML（表层沉积物）、Me_L（筛分法）和Ma_L（全海滩收集）；（2）光谱分析技术：采用便携式NIR进行现场快速筛查，结合实验室FTIR进行精确验证；（3）标准化分类系统：依据MSFD的183项分类标准对垃圾进行材料和使用来源分类；（4）统计分析方法：使用Pearson相关性和Bray-Curtis相异度分析聚合物组成相关性。样本来源于斯洛文尼亚海岸唯一适合全尺寸监测的沙质海滩。

3.1. 垃圾丰度

研究显示该海滩平均密度为0.38 Ma_Lm^-2、29.42 Me_Lm^-2和27.51 ML kg^-1干沉积物。Me_L数量是Ma_L的77倍，但按欧盟每100米海滩标准报告会高估污染程度，凸显统一按面积报告数据的必要性。

3.2. 垃圾组成

季节变化显著：冬季以塑料碎片（22.7%）和硬塑料杯（16.0%）为主；夏秋季建筑陶瓷碎片占比达49.3%-68.1%。通过聚合物分类后，九大类材料中塑料占比最高。

3.3. 塑料Ma_L、Me_L和ML的聚合物类型

NIR技术在Ma_L和Me_L鉴定中准确率分别达95.1%和96.2%。聚类分析表明，除夏季样品外，Ma_L与Me_L的聚合物组成相似度高于ML。Pearson相关性分析证实Ma_L与Me_L在同一季节内呈显著正相关（p<0.05），而ML仅在不同季节间存在部分相关性。

3.4. 海滩Ma_L来源

使用类别分析显示主要来源为建筑施工（夏季达37.9%）和食品消费（冬季达24.1%）。夏季水产养殖相关垃圾增加与周边贻贝养殖活动直接相关，旅游旺季吸烟类垃圾显著上升。

3.5. 挑战

研究揭示了当前监测体系的重大缺陷：采样深度不统一（ML采样3-5厘米深可能包含地下Me_L）、报告单位不可比、中观垃圾监测缺失等。提出将采样深度统一为表层5毫米、全部按面积报告数据的改进方案。

这项研究首次实现了海洋海滩垃圾的全尺寸综合分析，证实了便携式NIR技术在污染监测中的实用价值。通过建立聚合物组成与垃圾来源的关联，为制定针对性治理措施（如建筑垃圾管控、水产养殖规范）提供了直接依据。研究提出的方法学改进方案（如统一采样深度、标准化报告单位）有望推动全球海洋垃圾监测体系的革新，为评估《一次性塑料指令》等政策效果建立科学基础。未来需结合更长时间序列数据和多环境因子分析，进一步揭示塑料在环境中的迁移转化规律。