《Water》：Microplastics in the Marine Environment: Sources, Distribution, Transport, Ecological and Human Health Impacts and Mitigation Strategies
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微塑料（microplastics）因其广泛使用和不良管理（包括低回收率、不充分的废物管理、不当处置以及塑料泄漏到环境中的控制不足）已成为对人类健康和海洋环境的持久且普遍存在的威胁。塑料污染通过海洋来源和陆地来源途径被输送到海洋生态系统，并可碎裂成微塑料（<5
微塑料（microplastics）因其广泛使用和不良管理（包括低回收率、不充分的废物管理、不当处置以及塑料泄漏到环境中的控制不足）已成为对人类健康和海洋环境的持久且普遍存在的威胁。塑料污染通过海洋来源和陆地来源途径被输送到海洋生态系统，并可碎裂成微塑料（<5 mm）和纳米塑料（<1 μm）。研究人员阐述了海洋环境中的来源、分布、降解机制和迁移途径。陆地活动被认为是主要来源，导致约70-80%的海洋塑料污染。研究人员强调家庭灰水（greywater）是微塑料的重要且常见来源，因为它从不同来源（如洗衣、洗手盆和个人护理产品（PCPs））释放微珠和合成纤维。类似地，来自海船和游轮的灰水排放显著增加了海洋微塑料污染。研究人员讨论了生物和非生物降解机制。微塑料的健康和环境影响在不同营养级进行测量。摄入和生物累积（bioaccumulation）可导致生理和生殖干扰。通过海鲜消费和吸入的人类暴露可能引起皮肤感染、心血管并发症、胃肠道疾病和呼吸问题。缓解和控制措施包括改进废水处理、公众意识、政策法规和可生物降解替代品，以支持海洋环境的可持续保护。
1. 引言
现代常被称为“塑料时代”，全球每年约合成4亿吨塑料，主要用于一次性用途。塑料源自聚合物基材料，自20世纪50年代以来大规模使用。1950至2015年间，塑料总产量达83亿吨，产生约63亿吨塑料废物，其中约79%被释放到自然环境或填埋。超过26万吨塑料污染淹没在海洋环境中，每年约1000万吨塑料被输送到水体。塑料污染被认为是水生生态系统的主要威胁之一，通过紫外线（UV）暴露、氧化和生物过程逐渐降解和碎裂，将大型塑料（macroplastics >25 mm）转化为微塑料（microplastics <5 mm）和纳米塑料（nanoplastics <1 μm）。微塑料存在于日常商业产品（如个人护理产品（PCPs）和化妆品）中，并在环境中由大型塑料通过生物、化学和物理过程破碎形成。常见合成聚合物包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）和聚酯（PES）。微塑料在水中的分布受密度影响：低密度聚合物如聚丙烯（PP）和PE漂浮在水面，高密度聚合物如PVC、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚酰胺（PA）和聚苯乙烯（PS）倾向于下沉。生物污损（biofouling）通过增加表面粗糙度和密度改变微塑料的迁移行为，促进垂直运动。微塑料可分为初级微塑料（来自微珠、涂料、清洁剂等）和次级微塑料（来自大型塑料破碎）。塑料污染影响个体生物、物种群体和整个生态系统，通过食物链和食物网（food web）可影响高营养级物种和人类，同时与持久性有机污染物（POPs）、抗生素和重金属等有害化学物质相互作用，导致生态毒理学效应（ecotoxicological effects）。本综述旨在全面分析塑料污染及其在海洋环境中的分布，重点讨论不同类型塑料废物、来源、生态意义、途径，特别强调灰水作为微塑料污染的重要贡献者，并突出对人体健康和海洋环境的有害影响，以及关键管理和缓解方法。
2. 海洋生态系统中的塑料类型
到达海洋的塑料废物主要源于不同聚合物类型的大量使用，其耐久性和密度强烈影响行为。海洋塑料污染主要由PP、PS、聚氨酯（PU）、PET、聚氯乙烯（PVC）、PE和尼龙（nylon）组成，其中PE和PP在海洋垃圾中常见，PVC因抗分解而持久。PE由乙烯气体聚合而成，低密度（约0.4-0.5 g/cm3）使其漂浮在海水中，常用于包装。PU由二醇聚合形成泡沫，用于建筑和家具，可能通过含PU产品的处理不当进入海洋。PET由乙二醇和对苯二甲酸缩聚而成，透明且耐水，常用于水瓶，对长期塑料积累贡献显著。PS由苯乙烯聚合，用于食品容器和包装，反复回收和释放致癌化合物。PVC由氯乙烯制成，添加增塑剂（如邻苯二甲酸酯）后具有弹性，用于管道和窗户，高密度使其下沉。尼龙由PA合成，用于帐篷、绳索、服装等。PP由丙烯气体聚合，密度低，漂浮于水面，用于食品包装和汽车部件。微塑料在高表面积和长停留时间的水体中更为丰富，对珊瑚礁构成高威胁，通过覆盖、缠绕和表面覆盖造成物理损伤，并影响气体交换和水流，导致组织损伤和坏死。研究还识别了新型塑料衍生材料，如热解塑料（pyroplastics）、塑料壳（plasticrust）和塑料沉积岩（plastiglomerate），以及轮胎磨损颗粒和道路颗粒等被忽视的来源。当前分析方法仍存在局限性，知识空白包括识别不同来源和途径，以及采样位置和地理覆盖不足。
3. 海洋塑料污染的不同来源、分布形式和途径
塑料污染通过直接和间接途径进入海洋环境，包括陆地来源和海洋来源。陆地来源贡献超过75%的海洋塑料颗粒，包括河流排放、旅游、居民和家庭活动。塑料废物来自垃圾填埋场、工业操作、农业塑料覆盖、聚合物涂料、废水固体和车辆轮胎磨损等。合成纤维在纺织品洗涤过程中释放，国际自然保护联盟（IUCN）将来自灰水（洗衣源）的合成纤维识别为主要来源，贡献35%的海洋塑料污染。轮胎磨损每年产生约4.7 kg/人微塑料，通过地表径流进入水道。大气来源的微塑料可通过风携带到海洋，甚至偏远地区，主要来源包括二次再排放（如农业土壤粉尘、道路和海洋）。海洋来源包括商业和休闲渔业、水产养殖、旅游和海洋作业（如石油平台），其中废弃、丢失和丢弃的渔具（ALDFG）由PP、尼龙和PE制成，约29%的钓线和5.7%的渔网成为ALDFG。极端自然事件（如海啸）可大量运输碎片。太平洋垃圾带（GPGP）面积约160万平方公里，集中约7.9万吨塑料碎片，其中微塑料占质量8%但占颗粒94%。河流是陆地塑料废物进入海洋的主要途径，估计每年通过1000多条河流释放0.8-270万吨塑料。个人护理和化妆品产品（PCCPs）中的微珠约10%进入海洋，其微尺寸导致被海洋生物摄入，通过食物链传递。微塑料被浮游生物和滤食性生物摄入，并通过营养级转移到顶级捕食者，促进POPs和附着污染物的转移。知识空白包括缓解策略的有效性不足和微塑料量化不确定性。
4. 塑料对海洋生态系统的影响
塑料污染在多个营养级高度污染海洋，影响从浮游植物到浮游动物，包括海面空气-水界面栖息的新鲜生物（neuston），以及高营养级生物如海洋哺乳动物、海龟、鱼类和人类。微塑料尺寸小、分布广，易被生物摄入，导致生物累积（bioaccumulation）。塑料污染影响单细胞和多细胞生物，引起细胞损伤、器官炎症、组织损伤，破坏免疫系统和肠道微生物群，干扰繁殖、摄食、生长、呼吸和运动等生理过程，并改变微生物群落结构。塑料摄入已在全球鱼类、海龟、海鸟和甲壳类动物中报道，导致肠道阻塞、胃酶分泌改变、摄食刺激减少、繁殖失败、排卵延迟和类固醇激素水平降低。海鸟因难以反刍塑料而最易受影响。塑料污染对珊瑚礁造成疾病概率增加（如白综合征、褐带病等），通过阻塞氧气和光照导致组织损伤。微塑料在红树林根系中易被捕获，抑制发育、导致根细胞变形和氧化应激，并作为有毒载体（如病原微生物和重金属）。塑料摄入还导致缠绕和物理伤害，约92%的摄入和缠绕案例由塑料引起。塑料污染作为水溶性化学污染物（如多氯联苯（PCBs）、滴滴涕（DDT）和多环芳烃（PAHs））的载体，促进其从无脊椎动物向高营养级生物转移。微塑料中PCBs浓度可比周围海水高百万倍，在肠道模拟条件下脱附更快。塑料污染对海洋生态系统服务造成巨大经济损失，每年约0.5-2.5万亿美元。微塑料的定义通常为小于5 mm，通过直接引入和大型塑料破碎产生。纳米塑料可通过内吞作用进入细胞，微塑料的摄取高度依赖颗粒大小。塑料表面可吸附POPs，导致高浓度污染。
4.1. 塑料降解机制
微塑料由大型塑料破碎产生，降解过程包括生物和非生物途径。
4.1.1. 生物降解途径
微生物分解导致塑料降解，但大型塑料不易被微生物降解，需先降解为小碎片（如单体）。细菌（如蜡样芽孢杆菌Bacillus cereus和枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis）通过释放胞外水解酶（如脂肪酶、几丁质酶、蛋白酶等）降解塑料。Achromobacter denitrificans可高效降解PVC，Rhodococcus ruber通过漆酶降解PE，Azotobacter分泌氢醌过氧化物酶降解PS。藻类（如Uronema africanum降解LDPE，Dunaliella salina降解HDPE，以及Fragilaria、Spirulina等）通过形成生物膜和分泌PETase酶降解PET、PP和PE。真菌（如Aspergillus clavatus降解LDPE，Zalerion maritimum降解PE）通过附着表面、分泌酶（如木质素过氧化物酶和漆酶）降解PU、PET和PE。古菌（如Candidatus Bathyarchaeota Archaeon分泌PET46酶）可降解PET，且嗜盐古菌可产生聚羟基脂肪酸酯（PHAs）用于可持续生物塑料。
4.1.2. 非生物降解途径
非生物降解包括机械应力、化学反应、热效应和光暴露。阳光中的紫外线（UVB，290-315 nm）比UVA更有效，引发光降解，通过自由基形成和氧化促进塑料降解。机械降解由波浪、风等物理作用引起，如塑料与沙石摩擦，或在冰中反复冻融碎裂。热降解在高温下触发热氧化反应，形成自由基，但在海洋中因低温、低氧和生物污损而受限。塑料碎屑在海岸上经历热氧化降解，产生醛、酯、醇和酮。盐度（0.5-35 PSU）影响化学降解。塑料降解可能释放有毒添加剂和单体，并产生次级微塑料污染。缓解策略包括去除现有碎片、减少新塑料释放和保护海洋生物，先进处理技术如电凝和膜生物反应器（MBRs）但受限于大规模实施。
4.2. 灰水对海洋微塑料污染的贡献
灰水（greywater）来自家庭活动（如洗衣、厨房、沐浴），是微塑料污染的重要来源。洗衣灰水因合成纤维释放大量微纤维，清洁产品（如磨砂膏、牙膏、洗涤剂）和PCPs也贡献微塑料。灰水常未经处理或有限处理，导致大量微塑料释放到土壤和海洋。家庭灰水中微塑料浓度可达7216颗粒/L（250 mg/L）。陆基污水处理厂（WWTPs）可去除约90%的微塑料，但大量灰水仍排放。海洋来源（如船舶）通过海洋涂层、颗粒、污水、油漆和灰水释放微塑料，游轮灰水微塑料浓度达2000-50,000 nL?1。游轮产生的灰水（约773吨/船/天）含有高浓度微塑料，包含PCPs、药物、全氟和多氟烷基化合物（PFAs）等。游轮使用两种污水处理系统：II型海洋卫生设备（MSDs）如先进废水处理（AWT）系统可去除约95%的微塑料，但大量废水仍导致高释放；III型处理系统将灰水储存于储罐（最多56小时），全球约323艘游轮每年可能释放约10万吨微塑料颗粒。
4.3. 微塑料对人类的影响
微塑料的特征（形状、化学组成、疏水性、尺寸）可影响细胞反应和细胞毒性。微塑料具有大表面积和疏水性，可吸附重金属、POPs和抗生素，通过摄入进入人体。海鲜消费是微塑料进入人体的主要途径，微塑料可在消化系统中积累并通过生物放大（biomagnification）传递。已发现微塑料存在于鱼类、虾类和贝类中，蓝贻贝（blue mussels）含有200-1500 μm的微塑料颗粒。摄入微塑料可能导致激素失衡、消化问题、毒性效应、皮肤感染、过敏和心血管问题。吸入空气中的微塑料可引起严重呼吸效应，如炎症、刺激、咳嗽、喘息，加重哮喘。纤维毒性取决于尺寸，15-20 μm纤维难以被肺清除，小于0.3 μm且长于10 μm的纤维被认为最致癌。PP暴露与肺功能下降相关，微塑料表面可携带多环芳烃（PAHs）和有毒金属，导致基因毒性损伤。胃肠道（GIT）暴露导致肠道微生物群紊乱、炎症、便秘和肠漏，纤维在肠道中积累毒性最高（8.0 μg/mg），导致黏膜损伤、炎症增加和代谢活动破坏。
5. 缓解和控制措施
全球倡议强调可持续生产和消费，联合国环境大会（UNEA）2022年通过决议5/11，启动全球约束性协议谈判。缓解策略包括从源头减少塑料释放、改进废物管理系统、促进吸附和开发生态替代材料。关键方式包括生产环保塑料、限制生产、回收替代材料、开发生物塑料和可生物降解塑料，以及废水处理。扩展生产者责任（EPR）在多个国家实施，对产品按回收量征税。限制一次性塑料在欧盟等地实施。鼓励使用回收塑料，通过宣传生态效益和促进公司生产更多回收塑料。开发可生物降解材料和生物塑料是长期方法，生物塑料由可再生生物来源制成，如海洋绿藻可替代传统石油基塑料。处理技术包括化学、生物和物理方法，如高级氧化工艺（AOPs）、生物修复、吸附、过滤、混凝、光催化等，但多限于水生生态系统。膜生物反应器（MBRs）可去除99.9%的微塑料，结合生物处理和膜过滤（0.4 μm孔径），但运营成本高。混合膜系统（如MBR反渗透）实现99.5%去除效率。AOPs通过产生羟基自由基矿化微塑料，可去除20-190 μm尺寸的微塑料，效率99%，但成本高且可能产生纳米塑料。混凝/絮凝通过添加混凝剂（如铁基或铝基）促进颗粒聚集，但受pH和操作条件影响，产生化学污泥。生态标签（Ecolabelling）用于识别产品环境性能。海滩清理和全球海岸清理项目有效移除碎片。生物技术通过酶和微生物降解塑料，如真菌Zalerion maritimum和细菌Pseudomonas、Agromyces等可降解PVC、尼龙和PE。关键利益相关者（政策制定者、制造商、研究人员、消费者）共同努力，制造商通过生态设计、EPR和可生物降解材料减少污染，消费者通过减少塑料使用和负责任处置，研究人员通过长期监测和技术开发，政府通过监管措施（如限制塑料袋）减少30%使用。公众意识和社区参与至关重要。
6. 结论（总结部分）
塑料污染包括大型塑料、中塑料和微塑料，微塑料已成为持久性威胁。大型塑料通过生物、化学和物理降解过程转化为小尺寸，增强其环境效应和生物可利用性。微塑料的小尺寸、稳定性和吸附能力使其易于进入食物链，导致生物放大和生物累积。陆基和海洋活动均贡献塑料污染，灰水成为重要但被低估的途径。微塑料对海洋生物造成化学、物理和生物效应，包括疾病易感性、组织损伤、免疫破坏和行为改变。微塑料携带POPs、病原微生物和重金属，增加毒性。对人类健康，通过海鲜消费、吸入和饮用水暴露，导致氧化应激、肠道微生物群紊乱、内分泌破坏、呼吸问题和炎症。经济影响包括破坏沿海服务、渔业和旅游业。本综述识别了家庭和海洋灰水作为重要但被忽视的途径，并在单一框架中展示了人类和生态影响、来源、运输和缓解策略。知识空白包括长期生态效应、污染物协同毒性、灰水贡献数据不足。未来研究应聚焦于标准化报告、分析技术、一致采样、长期监测和先进分析技术。缓解策略需要综合预防方法，包括减少塑料合成、改进废物管理、限制一次性塑料、使用可生物降解材料、改进废水处理技术，以及公众意识、生态标签和国际政策协调。
