这是由三部分组成的系列报道的第一篇，该系列报道审视了我们对微塑料污染范围和影响日益增长的认识。
1971年秋季，在前往马尾藻海的一次研究航行中，海洋生物学家埃德·卡彭特首次注意到棕色马尾藻海藻丛中漂浮着奇特的白色斑点。经过一番调查，他发现它们是微小的塑料碎片。他惊呆了。他说，如果大西洋中部，距离任何大陆550英里的地方都出现了成千上万的分解颗粒，“我认为它无处不在。”
卡彭特目前在旧金山州立大学工作，他于1972年3月17日在《科学》杂志上发表了他的观察结果。这是首次暗示塑料污染不仅限于沿着海岸线散落和聚集在臭名昭著的太平洋垃圾带（太平洋洋流漩涡，汇集了碎片）中的塑料袋、软饮料瓶和其他可见垃圾。阳光削弱，风和海浪粉碎，这些塑料产品碎裂成越来越小的碎片。连同合成织物脱落的微小、所谓的超细纤维和牙膏等产品中添加的微珠，这些碎片被称为微塑料。研究人员表示，每年生产3亿吨塑料——约等于整个人口的重量——数万亿降解的塑料碎片可能大量隐藏在环境中，鲜为人知。
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图片来源：阿曼达·蒙塔内兹
微塑料的微小尺寸——直径小于五毫米（大约相当于一粒米的大小）——意味着与较大的碎片相比，更广泛的物种可以摄入它，从小小的海洋浮游生物到人类。在动物体内，废物会对器官造成物理损害，并且像微小的特洛伊木马一样，携带危险化学物质并帮助它们在食物链中积累。
追踪微塑料的研究激增，揭示了不仅在海洋中，而且在世界各地的河流、湖泊、农田和土壤以及大小生物中隐藏着大量的塑料。这种物质甚至漂浮在空气中——从人口稠密的城市地区到偏远的北冰洋。“它无处不在，”多伦多大学的微塑料研究员切尔西·罗奇曼说。
为了了解其影响——以及如何遏制污染——科学家需要知道多少集中在哪些地方，它来自哪里以及如何移动。然而，检测微塑料的复杂性在于它们包含的数万种令人眼花缭乱的聚合物，以及它们广泛的尺寸范围——从米粒大小到病毒大小。“这不像您试图对汞或铅等污染物进行采样，”普利茅斯大学的海洋生物学家理查德·汤普森说，他帮助创造了微塑料这个术语。“它不是单一事物，而是许多不同的事物。”
寻找失踪的塑料
卡彭特的工作让人们看到了海洋中的塑料汤，因此科学家首先着眼于确定有多少入侵了环境。尽管花了数十年时间，但汤普森在2004年领导的一项开创性研究发现，英国普利茅斯附近的沙滩和沿海沉积物中充满了这种物质。那时，科学家们才真正坐下来注意到这一点。从那时起，他们发现超细纤维和碎片（主要被认为是来自一次性包装，占所有塑料产量的 40%）漂浮在每个海洋盆地，在海洋物种的腹部，甚至冻结在北极海冰中。
从加拿大安大略省奥罗克里克流域采集的河床沉积物样本（与水混合）。深色可能是由于有机物，而白色斑点可能是微塑料，尽管尚未通过测试证实。图片来源：吉尔·克罗斯曼
情况正在改善，但仍不完整。2015 年的一项研究得出结论，海洋微塑料调查仅发现了估计每年从城市固体废物进入海洋的塑料的 1%。这意味着“我们不知道 99% 的塑料实际上在哪里，”阿尔弗雷德·韦格纳极地和海洋研究所 (AWI) 的海洋生态学家梅兰妮·伯格曼说。
部分问题在于，迄今为止进行的许多研究都没有捕捉到最小的碎片，而这些碎片被认为是数量最多的。伯格曼共同撰写的一项研究最近发现，通过不依赖肉眼挑选颗粒（如许多研究那样），一项研究发现，北极海冰中冻结的微塑料颗粒数量是首次此类研究的 100 至 1,000 倍。该团队使用读取塑料化学特征的机器发现，三分之二的颗粒直径约为 11 微米（大约相当于人类红细胞的大小），低于之前研究的检测限。大多数采样也都在容易到达的表层水中进行，那里的水平可能会随着洋流和天气条件而变化。这些相同的条件，以及粘附在塑料颗粒上的细菌和其他物质薄膜，会导致许多颗粒沉入海底或聚集在海岸线附近。然而，海底难以采样，但研究人员可以查看现有的沉积物岩心，马萨诸塞州伍兹霍尔海教育协会的海洋学家卡拉·拉文德·劳说。她还提倡更好地采样“紧贴海岸线的东西”，那里很可能是塑料从河流和海滩进入海洋的地方，尤其是在人口中心附近，以及密度较大的颗粒很可能迅速下沉的地方。
预计很快将从旧金山湾获得更多见解。在环境团体和废水行业的资助下，旧金山河口研究所收集了来自海湾水域和沉积物、排放到其中的废水和雨水以及附近海洋保护区的数千个样本，以了解不同类型的微塑料来自哪里以及最终去向。样本分析应在秋季末完成。然后，这些信息将被输入计算机模型，以预测来自不同来源的微塑料如何在该地区河流中移动，进入海湾并进入海洋。预计这将揭示塑料在哪里聚集，以及更有可能影响动植物生命的地方。结果应有助于研究人员提出如何有针对性地努力从源头阻止塑料排放——通过袋子禁令等政策或洗衣机中收集纤维的设备等技术。“我们非常有希望从这一切中获得一些有力的结果，”项目经理丽贝卡·萨顿说。
更接近源头
从一开始，科学家们就推断海洋中的微塑料主要来自陆地，通过河流进入。这意味着淡水系统中也应该存在这种物质。但直到 2013 年，才有人进行研究并最终在湖泊中发现了它。从那时起，研究人员在世界各地的湖泊、河流和淡水海滩中发现了微小的碎片——甚至在看似原始、偏远的水体中，例如蒙古的山区湖泊。在许多这些地方，研究人员还在各种淡水物种的胃中发现了它。五大湖一直是特别的研究重点。那里的微塑料水平至少与充满垃圾的海洋环流一样高，而海洋环流本身仅包含估计全球海洋中 15 万亿至 51 万亿塑料颗粒的一部分。由于河流和湖泊更接近塑料污染的原始来源，特别是废水处理厂和城市，纽约州立大学弗雷多尼亚分校的化学教授谢里·梅森曾预计，塑料颗粒会比海洋中的颗粒更大，因为它们的降解时间会更少。但事实并非如此，这向她表明“我认为陆地上正在发生大量降解”。研究人员仍在努力将湖泊和溪流中发现的微塑料与它们的来源更牢固地联系起来，以证实这一点，并绘制它们沿着水道移动的轨迹。
爱尔兰最北端的马林角，朱利安·阿赫恩从爱尔兰气象局的降水收集器中采集样本，以寻找从空气中落下的微塑料。图片来源：朱利安·阿赫恩特伦特大学环境学院
安大略省西部大学的沉积地质学家帕特里夏·科克伦一直在进行这项工作，她一直在检查安大略省泰晤士河的沉积物，该河流流入休伦湖和伊利湖之间的圣克莱尔湖。她发现的大部分是超细纤维，可能来自废水处理厂，其次是通常用于一次性包装的聚合物分解的碎片。城市地区附近的水平通常较高，并且可以通过水流引导到特定区域。
由于她最初的工作仅提供了一个快照，科克伦今年夏天正在重新采样泰晤士河。这一次，她正在收集更小的颗粒，直径小至 20 微米。她还想了解春季大洪水如何影响沉积物中微塑料的浓度——三月份发表的一项研究发现，冬季洪水从英格兰的河床中冲走了数百亿个微塑料颗粒，据推测是将它们冲入大海。科克伦还将研究流入伊利湖的格兰德河，以了解两条河流的比较情况。她希望继续对它们进行采样，以了解浓度如何随时间变化。“当涉及到塑料的积累时，情况非常动态，”科克伦说，因此需要持续监测才能获得完整的画面。
闪闪发光的土壤
微塑料的储集层不仅限于水道，还包括农民种植食物的土壤。为了给田地施肥，一些农民使用富含营养物质的处理过的污水污泥——但也含有从废水中撇去的团状超细纤维。来自欧洲和北美的估计表明，每年可能有数万至数十万吨的超细纤维被添加到这些国家的农田中——并且它们在施用后可以在土壤中持续多年。“基本上，这是一座山，”挪威水研究所的研究科学家卢卡·尼泽托说。
其他来源也在增加地面上的塑料质量，包括农民用于保持土壤水分和阻止杂草的降解塑料薄膜、生物垃圾处理厂的堆肥以及所谓的混合垃圾——食物残渣和不可回收材料的研磨混合物。2014 年中国的一项研究表明，每公顷农田的塑料碎片高达 260 公斤，这些碎片来自薄膜。澳大利亚的一个农场施用了如此多的混合垃圾，“实际上整个表土都在闪闪发光，”新南威尔士大学专门研究微塑料的生态学家马克·布朗说。
所有这些塑料都可能通过改变土壤保持水分或浓缩其他污染物（如杀虫剂）的方式来影响土壤的健康。如果塑料渗透得足够深，它们可能会到达地下水；如果它们非常小，农作物可能会吸收它们。如果蚯蚓和其他小型生物摄入这些物质，它可能会沿着陆地食物链向上移动。
对土壤中微塑料的首次专门研究刚刚开始。安大略省温莎大学的水生生物地球化学家吉尔·克罗斯曼和尼泽托是欧洲委员会资助的国际合作项目的一部分，该项目正在测量加拿大和西班牙污泥施用前后农田中的微塑料水平，并检查有多少流入水中以及塑料渗透到地下的深度。他们的目标是将这些数据输入计算机模型，以了解减少微塑料负荷的不同策略（如消除污泥施用）的效果如何。
从天而降
微塑料的另一个来源就在头顶。科学家长期以来一直受到风从地面吹起或从衣服上掉落的超细纤维的困扰，这些纤维试图限制实验室中的污染，因此巴黎-东大学的拉希德·德里斯和他的同事决定测量从天而降的微塑料。在 2014 年的三个月里，他们收集了落入大学屋顶漏斗中的物质。他们发现的大部分是纤维——其形状和轻便性使其更容易在空气中传播——而且数量超出预期。平均而言，他们每天每平方米收集 118 个颗粒，长度从 5 毫米到 100 微米不等，或相当于一张纸的厚度。但“我们不完全知道这意味着什么，因为这是第一个公布的数字，”德里斯说，他现在是德国拜罗伊特大学的生态学家。
其他数字即将到来，来自几个在偏远地区收集样本的小组，在这些地区，大气是微塑料的唯一推定来源。安大略省特伦特大学的污染建模师朱利安·阿赫恩对他的家乡爱尔兰偏远西海岸气象站收集的雨水进行了采样，那里的风从海洋吹来。他的初步结果显示，主要是在数量上与德里斯一致的纤维。今年夏天，他正在对加拿大北极地区的湖泊沉积物进行采样。其他研究人员正在对北极海冰顶部的积雪进行采样（与冻结在冰中的不同，后者来自下方的海洋）。AWI 的伯格曼说，降雪“携带了大气中的所有物质——在这种情况下是塑料纤维。”
由于大气科学家已经很好地掌握了烟尘和二氧化硫（导致酸雨）等其他污染物在大气中如何移动，阿赫恩认为，有可能估计不同尺寸和形状的微塑料可能在风中传播多远，以及它们可能在空中停留多久。随着更多测量结果的出现，他设想创建一个类似降雨量地图的东西，识别全球微塑料沉降的热点地区。
下一个大问题
随着科学家们梳理微塑料并从视觉识别转向机器传感器，他们发现的物质尺寸越来越小。大多数研究人员认为，微塑料正在进一步降解为他们所谓的纳米塑料。这些无限小的斑点将更令人担忧，因为如果摄入，它们更有可能穿透肠道内壁到达血液，或者如果吸入，则会深深地留在肺部。实验室实验表明，已经形成了这种纳米尺寸的碎片，因此大多数研究人员都确信它们存在于环境中。但目前，“我们没有任何方法可以在那里分离纳米塑料，”汤普森说。包括 AWI 的研究人员在内的几个小组正在努力开发方法来揭示这种隐藏的威胁，到目前为止，AWI 的研究人员已经展示了一种识别样本中已知纳米塑料的方法。当这些方法取得成果时，伯格曼预计“我们将发现海洋比我们现在认为的污染严重得多。”其他环境也是如此。
研究界还在努力消除可能低估或高估微塑料数量的方法，并使方法标准化，以便他们可以比较不同研究的结果。正如梅森所说，尽管“在了解所有这些不同系统的来源、途径和丰度方面还有很多工作要做”，但微塑料，特别是超细纤维，正在变得普遍，一些热点地区靠近人口稠密地区。专家们感到兴奋。“科学的发展非常迅速，我认为在 5 年或 10 年内，我们将了解更多，”萨顿说。届时，他们将更好地了解哪些生物和生态系统受到最严重的威胁，并可能就应在何处进行干预以首先防止塑料进入环境向政策制定者提供建议。
在寻找微塑料的工作继续进行的同时，科学家们并没有浪费任何时间来追踪它可能对生物和生态系统造成的危害。这包括人类，通过我们种植食物的土壤的健康状况、饮用水的质量，甚至更直接地通过我们摄入和吸入它。“这是每个人都想回答的问题，”梅森说。