城市大气中微塑料与纳米塑料的丰度分布及环境效应研究

《SCIENCE ADVANCES》：Abundance of microplastics and nanoplastics in urban atmosphere

本研究针对大气环境中微塑料(MPs)和纳米塑料(NPs)定量分析的技术瓶颈，通过开发半自动化显微分析技术，首次实现了对200纳米级塑料颗粒的精准定量。研究人员在广州和西安两大城市开展多介质采样，发现大气悬浮颗粒中MPs浓度高达1.8×105个/立方米，湿沉降是主要清除途径。该研究为全球塑料循环模型提供了关键数据，对评估塑料颗粒的气候效应和健康风险具有重要意义。

　　

当我们谈论塑料污染时，最先想到的可能是海洋中漂浮的塑料瓶或缠住海龟的塑料袋。然而近年来，科学家们将目光投向了更隐蔽的威胁——微塑料(Microplastics, MPs)和纳米塑料(Nanoplastics, NPs)。这些直径小于5毫米甚至达到纳米级别的塑料碎片，正通过大气环流悄无声息地笼罩着整个地球。从珠穆朗玛峰的积雪到北极冰芯，塑料颗粒的踪迹无处不在，它们就像当代的"特洛伊木马"，以看不见的形式入侵地球各个角落。

尽管塑料污染已成为全球性环境问题，但科学界对大气中MPs和NPs的认知仍存在巨大空白。传统检测方法受限于技术瓶颈，难以精准识别200纳米以下的塑料颗粒，导致环境样本中的塑料浓度被严重低估。更棘手的是，这些大气塑料颗粒的迁移路径、转化机制及其对气候系统和人类健康的影响，至今仍是未解之谜。正是这些关键问题的悬而未决，促使中国科学家开展这项开创性研究。

研究人员选择广州和西安这两座特征迥异的超大城市作为观测点——前者是湿润的沿海 metropolis，后者是半干旱的内陆城市。通过自主研发的半自动化显微分析技术，团队对气溶胶、干湿沉降物及道路扬尘等环境介质中的塑料颗粒进行系统分析。令人震惊的是，研究发现在广州的大气悬浮颗粒中，MPs浓度达到每立方米1.8×10⁵个，NPs浓度也达到每立方米4.2×10⁴个。这些数值比传统方法测得的结果高出2-6个数量级，揭示了大气塑料污染的真实规模。

关键技术方法

本研究创新性地采用计算机控制扫描电镜(CCSEM)结合能谱仪(EDX)技术，建立了针对环境样本的半自动化分析方法。通过三步预处理流程（水透析去除可溶物、过氧化氢消化生物材料、盐酸溶解碳酸盐）纯化样品后，利用CCSEM系统对硅片上的数千个颗粒进行自动定位和元素分析。基于碳含量≥10.0 wt%的标准识别塑料颗粒，并通过形态学特征排除烟尘等干扰物。结合采样参数和气象数据，计算得出不同环境介质中塑料颗粒的通量估值。

研究结果

大气微塑料和纳米塑料的丰度与通量估算

通过系统测量发现，大气塑料颗粒的通量在不同环境介质间存在显著差异。湿沉降通量尤为突出，西安地区通过降雨的MPs湿沉降通量达到7.0×10⁷个/平方米/天，表明降水是大气塑料颗粒的主要清除机制。道路扬尘再悬浮模拟实验显示，在0.54米/秒的摩擦风速下，广州道路扬尘中MPs排放通量高达4.0×10⁹个/平方米/天，证实城市交通是大气塑料颗粒的重要来源。

粒径分布与形态特征

塑料颗粒的粒径分布呈现单峰模式，峰值集中在1.0-2.0微米范围内。值得注意的是，通过元素特征识别的塑料颗粒中，纤维状塑料占比不足5%，这与传统显微镜观察中纤维状MPs占主导的认知形成鲜明对比。地理对比显示，广州的MPs和NPs表面更粗糙、形状更接近圆形，可能反映了不同气候条件下塑料老化过程的差异。

讨论

超出预期的大气塑料负荷

本研究首次通过半自动化方法揭示了大气中塑料颗粒的真实丰度。检测到的塑料浓度比基于视觉识别技术的研究结果高出数个数量级，这一发现将对全球塑料循环模型的参数化产生重要影响。尤其值得注意的是，尽管CCSEM系统的检测下限为200纳米，但在真实环境样本中并未发现小于260纳米的塑料颗粒，暗示超细塑料碎片可能通过光化学降解等途径转化为可溶性有机物。

大气纳米塑料颗粒的特殊行为

与通常认为NPs会通过逐步破碎持续变小的假设不同，本研究观察到环境中的NPs平均粒径稳定在600-800纳米范围。这一现象挑战了传统认知，表明塑料在环境中的降解不仅涉及物理破碎，更包含复杂的化学矿化过程。紫外线诱导的自由基氧化可能使聚合物分子量降低并增强其水溶性，从而促使超细颗粒转化为非聚合形态。

大气塑料颗粒的异质聚集现象

EDX元素 mapping 显示，65.7%的塑料颗粒与烟尘和/或矿物粉尘形成异质聚集体。这种聚集行为具有明显的环境介质特异性：矿物粉尘-塑料聚集体在气溶胶和沉降样本中普遍存在，而烟尘-塑料聚集体则主要出现在湿沉降样本中。在降水样本中更观察到塑料同时与烟尘和矿物粉尘形成的多组分聚集体，可能是云内异质聚集过程的结果。

城市道路扬尘的塑料排放

研究证实道路扬尘再悬浮是城市大气NPs的重要来源。与其它环境介质相比，扬尘样本中塑料聚集体比例显著偏低，表明异质聚集主要发生在颗粒进入大气之后。这一发现为理解城市大气塑料的源-汇关系提供了关键证据。

研究结论与意义

该研究通过创新性的分析方法，首次系统量化了城市大气环境中MPs和NPs的丰度分布和迁移通量。研究结果不仅揭示了大气塑料污染被严重低估的现实，更阐明了塑料颗粒与其它大气组分（如矿物粉尘、烟尘）的复杂相互作用。这些发现对准确评估塑料颗粒的气候效应（如辐射强迫）和生态风险具有重要意义。

特别值得关注的是，本研究开发的CCSEM-EDX联用技术为环境纳米颗粒研究提供了新范式。虽然当前方法在聚合物精准识别方面存在局限，但通过未来与拉曼光谱等技术联用，有望实现单颗粒水平的全面表征。这些技术进步将极大推动大气塑料颗粒的源解析、环境行为模拟和健康风险评估研究。

论文发表于《科学进展》(Science Advances)，为全球塑料循环研究提供了重要的观测数据基础。该研究不仅填补了大气环境塑料污染定量研究的空白，更为制定针对性的污染防控策略提供了科学依据。随着塑料污染问题的日益严峻，这类基础性研究将成为理解"塑料星球"生态效应的关键一环。