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美國(guó)西部，1100噸微塑料在天上飄

中國(guó)生物技術(shù)網(wǎng)

2021/04/23

論文

論文標(biāo)題：Constraining the atmospheric limb of the plastic cycle

作者：Janice Brahney, Natalie Mahowald, Marje Prank, Gavin Cornwell, Zbigniew Klimont, Hitoshi Matsui, Kimberly Ann Prather

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期刊：PNAS

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日期：2021-04-20

數(shù)字識(shí)別碼：10.1073/pnas.2020719118

摘要：

Plastic pollution is one of the most pressing environmental and social issues of the 21st century. Recent work has highlighted the atmosphere’s role in transporting microplastics to remote locations [S. Allen et al., Nat. Geosci. 12, 339 (2019) and J. Brahney, M. Hallerud, E. Heim, M. Hahnenberger, S. Sukumaran, Science 368, 1257–1260 (2020)]. Here, we use in situ observations of microplastic deposition combined with an atmospheric transport model and optimal estimation techniques to test hypotheses of the most likely sources of atmospheric plastic. Results suggest that atmospheric microplastics in the western United States are primarily derived from secondary re-emission sources including roads (84%), the ocean (11%), and agricultural soil dust (5%). Using our best estimate of plastic sources and modeled transport pathways, most continents were net importers of plastics from the marine environment, underscoring the cumulative role of legacy pollution in the atmospheric burden of plastic. This effort uses high-resolution spatial and temporal deposition data along with several hypothesized emission sources to constrain atmospheric plastic. Akin to global biogeochemical cycles, plastics now spiral around the globe with distinct atmospheric, oceanic, cryospheric, and terrestrial residence times. Though advancements have been made in the manufacture of biodegradable polymers, our data suggest that extant nonbiodegradable polymers will continue to cycle through the earth’s systems. Due to limited observations and understanding of the source processes, there remain large uncertainties in the transport, deposition, and source attribution of microplastics. Thus, we prioritize future research directions for understanding the plastic cycle.

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所屬學(xué)科：地球科學(xué)大氣科學(xué)

圖片來(lái)源：Fillipe Gomes from Pexels

常言道：出來(lái)混遲早要還，不是不報(bào)時(shí)候未到而已。就像目前的塑料污染，從人類(lèi)胎盤(pán)，海洋動(dòng)物胃腸道、到嬰兒奶瓶，到各種日用品里。五大洲四大洋，甚至遠(yuǎn)到馬里亞納海溝，高到8440米的珠穆朗瑪峰，可以說(shuō)微塑料已經(jīng)遍及世界各個(gè)角落。

2020年發(fā)表在Science上的一項(xiàng)相關(guān)研究顯示，在未來(lái)二十年中，如果不進(jìn)行廣泛干預(yù)，將會(huì)有超過(guò)13億噸的塑料廢物流入世界海洋和陸地。 

這不，美國(guó)西部已現(xiàn)“塑料壓頂”了。扔出去的塑料，已經(jīng)開(kāi)始還回來(lái)了。

發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）》上的一項(xiàng)最新研究中，來(lái)自美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)表明，目前有1100噸微塑料漂浮在美國(guó)西部上空。它們從天而降，污染了北美一些偏遠(yuǎn)地區(qū)。這些不可生物降解的聚合物將繼續(xù)在地球系統(tǒng)中循環(huán)。因此，也將慢慢污染整個(gè)世界。

但這些微塑料都是從哪兒來(lái)的呢？有人認(rèn)為它們來(lái)自附近的城市，比如丹佛和鹽湖城這樣的西部大都市。

在這項(xiàng)研究中，研究人員使用高分辨率的空間和時(shí)間沉積數(shù)據(jù)與大氣傳輸模型相結(jié)合，分析大氣中微塑料的最可能來(lái)源。

結(jié)果顯示，美國(guó)西部空氣中84%的微塑料實(shí)際上來(lái)自城市以外的道路，11%的微塑料可能是從海洋中一路吹來(lái)的，剩下5%來(lái)自農(nóng)業(yè)土壤和粉塵。與全球生物地球化學(xué)循環(huán)一樣，塑料在以不同的大氣、海洋、冰層和陸地停留時(shí)間在地球上盤(pán)旋。研究人員估計(jì)，微塑料在空氣中停留不到一周的時(shí)間，就足以讓它們穿越大陸和海洋。

已知這些直徑小于5毫米的微塑料有多種來(lái)源，如：扔到環(huán)境中的塑料袋和塑料瓶被分解成越來(lái)越小的碎片。洗衣機(jī)也是微塑料的另一個(gè)主要來(lái)源：當(dāng)洗合成衣物時(shí)，微小的超細(xì)纖維脫落，被沖到污水處理廠后被過(guò)濾掉一些，再被“截留”在污泥中。經(jīng)過(guò)處理的廢物會(huì)用于農(nóng)田肥料。這就使土壤中的微塑料含量增加。污水處理廠再將已處理水中剩余的超細(xì)纖維沖向大海。這一過(guò)程已經(jīng)發(fā)生幾十年了。由于塑料只會(huì)分解不會(huì)真正消失，因此海洋中的微塑料數(shù)量一直在急劇上升。

事實(shí)上，這項(xiàng)新研究表明，現(xiàn)在從海洋中吹回來(lái)的微塑料都可能比進(jìn)入海洋的數(shù)量更多。換句話說(shuō)，海洋中積累了如此之多的微塑料，以至于陸地現(xiàn)在反倒可能成為海洋微塑料的“進(jìn)口”方。

研究第一作者、猶他州立大學(xué)的環(huán)境科學(xué)家Janice Brahney說(shuō)：“這真的突出了遺留污染的影響。與我們?cè)陉懙丨h(huán)境中任何一年生產(chǎn)的塑料相比，海洋中的塑料量實(shí)在是太大了?！?/p>

圖片來(lái)源：Lucien Wanda from Pexels

這些微塑料不僅是被沖上岸堆積在海灘上，在海浪沖刷和海風(fēng)的吹拂下，海水滴也會(huì)被卷到空氣中，這些水滴里不僅含有鹽，還含有有機(jī)物和微塑料。

研究人員表示，這些海水蒸發(fā)之后，剩下的只有懸浮顆粒物，通常，海鹽會(huì)以這種方式進(jìn)入空氣中。此前已有研究證明微塑料也存在這一現(xiàn)象，這表明它們會(huì)被海風(fēng)帶入到空氣中。

研究人員利用大氣模型來(lái)顯示海洋微塑料在飛到空中后可能傳播的軌跡，并研究了釋放微塑料的其他來(lái)源，如道路、城市和農(nóng)田。

隨后，研究人員將這種大氣模型與現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)。Brahney使用分散在美國(guó)西部偏遠(yuǎn)地區(qū)的空氣采樣器，在給定的時(shí)間內(nèi)確定有多少塑料顆粒從天空中掉落。

研究共同第一作者、康奈爾大學(xué)地球與大氣科學(xué)研究員Natalie Mahowald的模型還可以顯示給定時(shí)間內(nèi)的大氣和氣候條件，使他們可以追蹤微塑料的傳播軌跡。

他們發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)西部地區(qū)，只有5%的大氣微塑料顆粒來(lái)自農(nóng)業(yè)灰塵。令人驚訝的是，來(lái)自城市的塑料顆粒也僅占0.4%。

當(dāng)機(jī)動(dòng)車(chē)在道路上行駛時(shí)，輪胎上會(huì)飛出細(xì)小的顆粒，這是正常磨損的一部分。這種材料不是純橡膠，它含有合成橡膠和大量其他化學(xué)物質(zhì)。從技術(shù)上講，輪胎顆粒也是微塑料。它們到處都是。2019年的一項(xiàng)研究計(jì)算出，每年有7萬(wàn)億顆微塑料流入舊金山灣，其中大部分來(lái)自輪胎。

城市的道路和垃圾分解確實(shí)產(chǎn)生了驚人數(shù)量的微塑料，然而它們似乎并沒(méi)有進(jìn)入大氣層。研究人員認(rèn)為存在兩個(gè)原因：一個(gè)是當(dāng)風(fēng)吹過(guò)時(shí)，建筑物阻擋了風(fēng)將這些微塑料帶走；此外，人們?cè)诔鞘薪值篱_(kāi)車(chē)的速度會(huì)比較慢，因此最終落在路面上的輪胎顆粒受到的攪動(dòng)較少。但在州際公路上有更廣闊的空間，風(fēng)可以把顆粒吹得很遠(yuǎn)。另外，Mahowald說(shuō)：“汽車(chē)以每小時(shí)100公里的速度行駛會(huì)產(chǎn)生很大的能量，而微小的顆粒也能借助這種能量進(jìn)入大氣層?！?/p>

但是，為什么這些科學(xué)家要費(fèi)盡周折來(lái)模擬極端復(fù)雜的大氣，而不是僅僅通過(guò)觀察降落到地面的微塑料的特性來(lái)找出它們的起源呢？

可悲的現(xiàn)實(shí)是，這些微塑料已經(jīng)完全滲透在環(huán)境里，從某種意義上講，它們已經(jīng)同質(zhì)化了。合成衣物、降解瓶和包裝中的微塑料似乎在空氣、陸地和海洋之間流動(dòng)，規(guī)律性很強(qiáng)，混合程度也很高，很難確定某一種聚合物的來(lái)源。

這就是為什么大氣建模對(duì)于更好地了解微塑料如何在環(huán)境之間流動(dòng)至關(guān)重要的原因。研究人員才剛剛開(kāi)始這樣做，到目前為止也只有幾十篇相關(guān)研究。然而，科學(xué)家們需要更多的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明有多少塑料從天上掉下來(lái)以及會(huì)掉落在哪里。例如，這項(xiàng)新研究關(guān)注的是美國(guó)西部，但微塑料的產(chǎn)生和分布在其他地方可能會(huì)有所不同。西部各州相對(duì)干燥，因此汽車(chē)輪胎摩擦路面可能比在潮濕的地區(qū)更容易產(chǎn)生微塑料。此外，在歐洲，廢塑料通常作為建筑材料被融入道路，這是一個(gè)不錯(cuò)的想法，但這可能也意味著會(huì)從這些道路脫落更多的塑料，并與輪胎脫落的微塑料混合起來(lái)。

研究人員正在一步一步地研究這些微塑料如何在地球上循環(huán)，他們認(rèn)為一個(gè)主要的驅(qū)動(dòng)因素是大氣傳輸。

斯特拉斯克萊德大學(xué)的塑料微粒研究員Steve Allen說(shuō)：“我們生活在一個(gè)被氣泡包圍的星球上，沒(méi)有邊界，也沒(méi)有邊緣。這項(xiàng)研究清楚地表明，微塑料正在進(jìn)入大海，然后又離開(kāi)大海，回歸陸地，然后又被吹到空中，轉(zhuǎn)移到其他地方。一旦它們被釋放出來(lái)就沒(méi)辦法再阻止了?！?nbsp;

Brahney同意這一觀點(diǎn)，他說(shuō)：“微塑料可能會(huì)在地球表面無(wú)休止地移動(dòng)，想，這真的挺可怕的。