海洋微塑料的垂直分布之谜：从表层到深渊的全球格局解析

海洋塑料污染已成为全球性环境问题，但以往研究多集中于表层水体。为解决对水下微塑料(1μm-5 mm)分布认知的空白，Shiye Zhao等学者整合全球1,885个站点的深度剖面数据，首次系统揭示了微塑料在海洋水柱中的三维分布特征。研究发现微塑料丰度随深度呈幂律递减，小粒径微塑料(1-100μm)分布均匀，大颗粒(100-5,000μm)易在密度跃层富集；微塑料碳(Plastic-C)可占深层POC(颗粒有机碳)的5%，可能干扰海洋碳循环。该研究为理解塑料污染对海洋生态系统的立体影响提供了关键基准。

　　

塑料污染已成为海洋生态系统的"隐形杀手"，每年有900-1400万吨塑料进入海洋。虽然科学家们早已发现微塑料(1μm-5 mm)在海洋中无处不在，但绝大多数研究都局限于表层50厘米水体的拖网采样，对占海洋体积99%的深层水体知之甚少。这种认知局限就像只研究了冰山一角——我们不知道有多少塑料隐藏在深邃的海洋中层和深渊带，它们如何迁移转化，又会对海洋生态系统和全球碳循环产生什么影响。

为解开这个三维谜题，由荷兰皇家海洋研究所Shiye Zhao领衔的国际团队在《Nature》发表了突破性研究。他们系统整合了2014-2024年间全球1,885个站点的深度剖面数据，首次绘制出海洋微塑料从表层到深渊的完整分布图谱。研究不仅量化了不同深度微塑料的丰度变化，还揭示了粒径效应、聚合物组成和运输机制的关键规律，更发现微塑料碳正在悄然改变海洋颗粒有机碳(POC)的组成。

研究团队采用了多尺度技术方法：通过原位泵(ISP pump)和浮游生物网(MultiNet)采集不同深度水样；利用显微红外成像(μ-FTIR)鉴定粒径小至11μm的微塑料；结合蒙特卡洛模拟(Monte Carlo simulation)和广义加性模型(GAMs)分析空间分布规律；通过沉积物陷阱(sediment trap)数据估算垂直通量；并建立幂律函数模型描述丰度-深度关系。

【微塑料渗透海洋水体】
研究显示海洋水柱是微塑料的重要储库。在北大西洋，200米以浅水体的微塑料质量(1,160-2,110万吨)与1950-2015年输入该区域的塑料总量相当。深海记录不断刷新认知：北大西洋1,100颗粒/m³(100-270米)、北太平洋600颗粒/m³(2,000米)、北极200颗粒/m³(2,500米)，甚至马里亚纳海沟6,800米深处达13,500颗粒/m³。近岸中位数丰度(500颗粒/m³)是远洋(16颗粒/m³)的30倍，印证了陆地输入的关键作用。

【微塑料的深度分布模式】
粒径决定命运：小微塑料(<100μm)丰度随深度缓慢降低(1个数量级内)，表现出"均匀分布"特征；而大颗粒(>100μm)则锐减达1,000倍。这种差异源于物理-生物耦合过程——小颗粒受生物膜(biofilm)包裹后沉降速度趋同(10^-3-1 m/s)，而大颗粒易被密度跃层(pycnocline)捕获。近岸硅藻硅质壳(密度2.6 g/cm³)和方解石沉淀的"压舱效应"(ballast effect)加速了塑料下沉，导致近岸丰度衰减斜率显著大于远洋(P=0.029)。

【密度分层滞留大微塑料】
当微塑料大于密度跃层特征长度L(100μm-1 mm)时，会在层化界面堆积。如波罗的海温跃层出现大微塑料丰度峰值，而<100μm颗粒无此现象。层化通过增加拖曳力和抑制垂直运动，使不规则大颗粒沿等密度面缓慢"滑翔"，滞留时间随粒径平方增长。这种"选择性滞留"机制解释了为何深海观测到的大多是<100μm的微塑料。

【微塑料聚集区的垂直延伸】
中纬度亚热带环流区不仅是表层"塑料垃圾带"，其高丰度区可延伸至100米水深。分析显示，环流区内100米以浅的大微塑料丰度显著高于外围(P=0.03)，但此差异在100米以深消失。风生埃克曼流(Ekman transport)和颗粒自身浮力共同塑造了这个"水下塑料烟羽"。高纬度地区也出现异常高值，可能与极地向极输送和大洋深层环流有关。

【塑料碳进入海洋颗粒碳库】
微塑料碳与POC的比值随深度递增——从30米的0.1%升至2,000米的5%。这是因为90%的POC在500米以浅被降解，而顽固的塑料碳持续下沉。更值得警惕的是，¹⁴C缺失的塑料碳会使深层POC表观年龄偏老约420年，可能干扰海洋环流和古气候的重建。微生物对塑料的降解潜力(如红酵母Rhodotorula mucilaginosa能降解聚乙烯)或将重塑深海碳循环。

【模型与观测的对话】
当前模型大多忽略亚中尺度过程(1-10 km)和生物介导的运输(如粪便颗粒)。当引入这些机制后，模型能较好再现小颗粒的均匀分布和大颗粒的层化富集。北大西洋模型预测与观测的吻合证实：粒径是决定微塑料三维分布的首要因素，而聚合物密度的影响在<100μm时减弱。

这项研究建立了海洋微塑料垂直分布的全球基准，揭示了"小颗粒广分布、大颗粒快沉降"的基本规律。其意义不仅在于填补了水下塑料污染的认知空白，更警示我们：微塑料已通过生物泵(biological pump)深度介入海洋碳循环，其影响可能持续数百年。研究者呼吁建立标准化监测网络，开发自主观测平台，并改进模型参数——特别是要量化生物膜结构、粪便颗粒运输效率等关键过程。随着塑料产量持续增长，理解这个"立体污染场"的生态效应将成为海洋科学的重要命题。