《Marine Pollution Bulletin》：Microplastics in the marine environment: development of a new citizen science tool
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塑料污染是一个在从土壤到深海乃至大气的所有环境中均被观测到的重大全球性问题。自20世纪70年代以来，全球塑料产量已从4700万吨增长至2022年的超过4亿吨，其中79%未得到有效管理，导致其在环境中不断累积。塑料碎片可能持续存在数十年甚至数世纪，并通过机械、化
塑料污染是一个在从土壤到深海乃至大气的所有环境中均被观测到的重大全球性问题。自20世纪70年代以来，全球塑料产量已从4700万吨增长至2022年的超过4亿吨，其中79%未得到有效管理，导致其在环境中不断累积。塑料碎片可能持续存在数十年甚至数世纪，并通过机械、化学和生物过程发生降解，降解强度取决于塑料的化学成分。这种降解导致塑料破碎成更小的颗粒，达到微塑料（MPs；1至5000 微米）的尺寸范围，具有不同的形状、颜色和聚合物组成，并出现在从城市地区到所有海洋栖息地的各种环境中。
在此全球背景下，地中海是污染最严重的海域之一，每年约有31万吨塑料废物输入。这种高污染水平源于其半封闭的地理环境与高强度人类活动的结合，包括高人口密度、渔业和旅游业。一些研究表明，聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）是地中海表层最常见的聚合物，因为它们密度低易于漂浮，而密度较大的聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）则趋于下沉。目前关于海表层微塑料的研究主要集中在北地中海地区，而南部地区仍存在显著的知识空白，在摩洛哥、突尼斯、阿尔及利亚、利比亚和叙利亚等国家数据稀少甚至没有。
公民科学为解决这种不平衡提供了重要途径。让当地社区参与采样和监测，有助于获取采样不足地点的数据，并有助于建立长期监测，特别是在科学资源有限的地区。此外，公众参与科学项目有助于提高对微塑料污染（包括环境影响和健康风险）的认识。这种参与还能促成实际行动和未来解决方案的开发，包括社区倡议和政策变革。
公民参与科学研究主要集中在报告海滩和海岸线上发现的大中型塑料的分布和组成。相比之下，涉及公民科学的微塑料研究则集中在海滩和沉积物中，与表层水研究相比相对较少。
然而，公民科学结果的可靠性一直受到关注，凸显了验证程序对于减少错误和提高数据质量的重要性。一个主要问题出现在微塑料的视觉识别过程中，无论是肉眼还是使用体视显微镜，由于形状和颜色的多样性以及颗粒降解程度的不同，可能导致结果低估或高估。为了解决这个问题，以往大多数公民科学项目将志愿者的参与限制在样本收集环节，所有进一步的分析则由研究人员在实验室后期进行。
在实验室中，采用了多种先进的分析技术。光谱方法，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱，被广泛用于根据化学成分检测微塑料。使用尼罗红（NR）或Idye Pink等染料的荧光染色方法也被应用，提供了额外的视觉检测手段。热分析提供了另一种途径，通过热降解来识别微塑料，这会导致微塑料从固态转变为液态。热技术既可以提供详细的组成信息，如热解气相色谱-质谱联用（py-GC/MS）和差示扫描量热法（DSC），也可以作为快速的视觉检测方法，例如热针测试。
所有这些先进的分析技术在受控的实验室条件下都是有效的。但它们的高成本、时间要求（染色可能需要30分钟到两天）、对专业设备的依赖以及对经验丰富操作人员的需求，使得它们不适合在公民科学项目中使用。
为了克服这些限制，本研究提出了一种结合视觉识别与简化热技术的替代方法，该方法建立在Kedzierski等人先前探索的方法基础上。这使得参与者能够在现场直接验证他们的观察结果。这种结合确保了志愿者不被排除在分析过程之外，同时提高了数据的可靠性。据我们所知，这种基于现场的方案从未在公民科学微塑料研究中实施过。
本项目的目标是开发一种简单、低成本且适应现场环境的方案，适用于公民科学，通过根据熔融温度区分微塑料和有机物来识别和量化微塑料。具体目标为：1）设计和制作专用的样品处理支撑工具；2）基于初步实验室测试，开发一种利用受控时间和温度暴露的加热确认技术；3）与来自不同环境协会的志愿者一起，在现场条件下测试完整的方案。
**论文解读：海洋微塑料监测新工具——公民科学现场熔融验证法的开发与应用**
**研究背景与问题**
塑料污染已成为全球性的环境挑战，其降解产生的微塑料（MPs，尺寸范围1-5000微米）广泛分布于海洋等各类环境介质中。地中海作为半封闭海域，受高强度人类活动影响，成为全球微塑料污染的热点区域，每年有约31万吨塑料废物输入。然而，现有监测数据存在显著的空间不平衡性，南地中海地区数据严重匮乏。公民科学通过动员公众参与，为解决大范围、长期监测资源不足提供了可能。但传统公民科学项目通常将志愿者角色局限于样本采集，后续复杂的实验室分析（如傅里叶变换红外光谱FTIR、拉曼光谱、热分析等）仍依赖专业人员和设备，导致项目周期长、成本高，且数据质量常因志愿者视觉识别错误（如将有机碎片误认为微塑料）而受到质疑。因此，开发一种能在现场由志愿者操作、简单可靠且低成本的微塑料验证工具，对于提升公民科学监测的数据质量、时效性和覆盖范围具有重要意义。
**研究方法概要**
为应对上述挑战，本研究开发并测试了一套适用于公民科学的海表微塑料现场监测方案。该方案的核心是结合视觉分选与一种简化的热熔融验证步骤。关键技术方法包括：
1. **新型陶瓷支撑板开发**：手工模制粉红色陶瓷板（70 x 70 mm），表面预制105个均匀凹槽用于放置单个颗粒。经过程序化窑炉烧制（最终温度1000°C），使其能耐受反复加热。该设计旨在替代实验室常用的培养皿或塑料微孔板，实现颗粒分离、耐高温且成本低廉（约0.04欧元/块）。
2. **熔融验证方案优化**：通过差示扫描量热法（DSC）测定环境样品中聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）颗粒的实际熔融温度，并利用加热板实验确定现场验证的最佳参数。最终确定将陶瓷板置于预热至200°C的加热板上加热20分钟，足以使PE和PP颗粒完全熔融。
3. **公民科学现场实施与评估**：方案在2024年及2025年地中海考察（Expedition MED）期间，以及2025年在法国布列塔尼的预现场试验中，由来自多个环境协会的共计39名志愿者进行测试。志愿者在简化的协议指南、图片识别手册和数据记录表的辅助下，完成样品（使用330微米网目Manta网采集）的湿筛分选、视觉识别（按形状、颜色分类）以及熔融验证操作。通过比较志愿者识别结果与熔融验证结果，计算误报率，并收集志愿者反馈以评估方案的可行性与难点。
**研究结果**
1. **方案优化结果**：DSC分析显示，从环境样品中收集的PE和PP颗粒熔融温度范围分别为108-158°C和165-169°C，与文献值一致。加热实验证实，200°C加热20分钟可确保所有PE（5分钟内熔化）和PP（8-16分钟内熔化）颗粒完全熔融。尽管陶瓷板存在手工制作导致的温度分布不均（中心比边缘平均高8.55°C），但该条件仍能满足验证要求。
2. **实验室方案验证（2024年样品）**：对2024年地中海考察采集的10个样品中志愿者视觉识别的926个潜在微塑料颗粒进行熔融验证，其中883个熔化，43个未熔化，误报率为4.64%。未熔化颗粒中约46.5%被确认为有机碎片，53.5%为因接触不充分而未完全熔化的微塑料（主要是黑色碎片和透明薄膜）。误报率与颗粒丰度或尺寸级别（1-2 mm vs 2-5 mm）无显著相关性。约66%的颗粒在5分钟内熔化。
3. **预现场试验结果**：志愿者分析已知微塑料含量的制备样品时，显示出高估微塑料丰度的倾向。视觉识别总数（122个）高于初始数量（120个），熔融验证后确认75个为真阳性，回收率为62.5%，误报率较高。结果强调了训练的重要性。
4. **最终现场试验（2025年样品）**：对2025年考察的19个样品中志愿者识别的3421个潜在微塑料进行验证，3119个熔化，302个未熔化，误报率为8.8%。未熔化颗粒中约49.1%被判断为因接触不良而未熔化的微塑料（如透明薄膜、有色纤维）。高丰度、小尺寸（1-2.5 mm）样品的误报差异更明显。85%的颗粒在10分钟内熔化。空间分布显示，第勒尼安海微塑料浓度高度异质，科西嘉海峡和科西嘉岛东北部海域是持续热点区域，平均浓度为0.9 ± 1.01 个/立方米，高于该区域部分历史研究数据，但比较时需考虑尺寸范围定义的差异。
**讨论与结论**
**讨论部分总结**：研究表明，视觉识别微塑料易产生误报，尤其在颗粒丰度高或富含有机质（如春季夏季的浮游生物、大洋海神草碎片）的样品中。本研究开发的陶瓷板工具克服了传统材料的局限，实现了颗粒分离、耐高温（可达200°C以上）、低成本和高可定制性。与热针测试等方法相比，该方案能同时处理105个颗粒，效率更高，适用于污染较重的海域。尽管存在陶瓷板温度分布不均、纤维等形状颗粒因接触面小可能导致熔化不完全等局限性，但熔融验证步骤成功将误报率降至较低水平（现场试验8.8%）。该方案主要针对海表最常见的PE和PP聚合物，未来可通过调整加热温度和时间扩展到更高熔点的聚合物（如PA）。
与志愿者合作的经验表明，该方案对无经验的参与者也具有可行性，但充分的面对面培训和任务轮换对于减少错误和防止疲劳至关重要。环境条件（如风浪）会影响采样和分析操作，需在平静气象下进行。该方案的一个关键优势是能极大缩短从数据采集到结果产出的时间（本研究2025年数据在2个月内处理完毕），而依赖实验室分析的公民科学项目通常有数年延迟，这使得本方案能更及时地反映环境污染现状。
2025年的监测数据揭示了第勒尼安海微塑料分布的空间异质性，热点区域与已知的海洋环流系统（如卡普拉亚涡旋、科西嘉海峡）和人类活动密集区（沿海城市、港口、旅游区）吻合，与此前TARA等科学考察的结果具有一致性，印证了公民科学数据的可靠性。
**研究结论翻译**：本研究证明了一种用于监测漂浮微塑料的简化公民科学方案的可行性和科学价值。通过整合快速加热验证步骤和开发可复制的陶瓷板，该方案能够在现场进行高效的聚合物筛查，减少误报，确保志愿者生成的数据可直接与实验室分析产生的数据媲美。该方法特别适用于全球海洋表层中最丰富的聚合物——PE和PP，同时保持了可操作性和低成本，从而促进了大规模和长期监测。
2025年地中海考察期间的现场应用凸显了公民科学家在广泛地理范围内收集有意义数据的能力。结果揭示了微塑料高度异质的分布，在科西嘉海峡和科西嘉岛东北部持续识别出的热点区域，与之前TARA考察等科学活动的结果一致。这强化了公民生成数据集对于增进我们对微塑料污染空间变异性理解的可靠性。
然而，也观察到一些局限性，特别是志愿者疲劳、采样期间的环境限制以及无法识别PE和PP以外的聚合物类型。这些挑战凸显了结构化培训、任务轮换、在最有利的环境条件下安排考察以及当需要更高分析精度时进行补充实验室验证的重要性。
总体而言，本研究表明公民科学可以补充传统的微塑料研究，特别是弥补了与实验室分析和数据发布相关的延迟。虽然这种低成本方法不能取代先进的分析仪器，但它提供了一种快速的现场筛查替代方案。通过提供近实时的数据集，该方案增强了对时间趋势的追踪能力，并加强了公民科学在环境监测中的作用。
