01
塑料是一种地质材料
塑料，一种合成聚合物，是这个新时代的代表物质，是一种非天然、无生命的有机碳（organic carbon），到目前为止人类共生产了接近100亿吨塑料。正如化石可表明不同生命形式何时出现一样，保存下来的塑料将成为人类在地球上崛起的地质记录。而塑料对环境的污染是一个全球性的问题，其规模足以证明塑料是地球历史上从未出现过的具有化学性质的新兴岩土材料。在元素水平上，塑料主要是碳。研究表明，在一些生态系统中存在的塑料数量与天然有机碳的量相当，可以认为塑料是一种地质材料，并采用地球化学的见解和方法，可以加快我们对地球系统中塑料的理解。塑料也可以作为全球范围的示踪剂来推进地球系统科学研究。
02
塑料碳循环
生物地球化学详细描述了从有机体到行星的尺度范围内的元素循环。示意图可以详细说明碳元素库存、来源、命运和转化。碳元素的循环具有特殊的生物地球化学和社会意义。有机碳为生命提供燃料并形成生物分子的元素骨架。石油（储存在化石燃料中的有机碳）的使用推动了我们的经济发展，为大多数塑料的生产提供了原材料，并使地球变暖。因此，与越来越多的文献报道一致，我们可将塑料视为地球碳循环的新兴组成部分。不同的聚合物具有不同的碳浓度，取决于它们的元素组成。此外，环境因素和加工工艺可能会改变塑料碳含量。例如，氧化过程会向塑料中引入氧和非碳元素。因此，将塑料质量精确转化为塑料碳 (plastic-C) 需要了解每种聚合物的贡献，以及环境中聚合物碳含量的经验测量。材料的碳含量通常通过元素分析来确定，但这些分析对于环境塑料来说很少见。一项研究报告称，来自北太平洋环流地表水的均质微塑料的碳质量为 83%。
大多数环境研究集中在0.05 至 0.08 Pg-C /年自然系统中的塑料泄露。然而，总塑料积累包括所有在用和丢弃的塑料。截至2015 年，估计全球塑料产量约为 0.34 Pg-C/年，0.07Pg-C/年塑料焚烧，后者相当于化石燃料燃烧和水泥生产（约8 Pg-C /年）等人为 CO2排放量的1%。生产和焚烧之间的差异表明，2015 年塑料的累积量为 0.26 Pg-C/年，与全球净初级生产（105 Pg-C/年）相比，这个数据是可信。然而，内陆水域（0.2 Pg-C /年）、深海沉积物（0.2 Pg-C /年）、森林生态系统（0.2 Pg-C /年)，以及沿海系统（以蓝碳的形式；0.1 Pg-C/年）的有机碳因为它们在碳循环中的重要性而被单独研究，但每一个都比当前的塑料碳积累慢，因为塑料的积累可能会在未来加速、塑料将成为日益突出的含碳地质材料。
（图1、2015年前后的全球塑料碳循环。黑色箭头表示隔点之间的塑料通量。蓝色的箭头代表去除塑料的过程(例如，焚烧成二氧化碳，或光降解成低聚物)。参考的塑性质量值显示在括号中。塑料碳值计算为0.83倍塑料质量。问号表示没有公布估算的塑料碳循环项。）
根据专家最近的估计，从现在开始到2050年全球塑料生产和焚化将累计排放560亿吨二氧化碳当量，占本世纪中叶根据当前的减排承诺可以“支出”的总碳预算的10-13％。到本世纪末，与塑料有关的排放量可能占碳总预算的一半。
03
塑料的迁移
塑料在地球的三个物理单元——陆地、大气和水中之间运移。在每个单元中，塑料可能有不同的生物地球化学影响和暴露在不同的环境条件下，后者影响塑料的降解和命运。塑料的数量和尺寸分布也影响有机碳的研究。地球的大气层中飘浮着大量的微塑料碎片，随着空气流动甚至能穿越整个大陆。研究人员表示，未来这一环境问题可能会变得更加严重，并可能对人类健康产生严重影响。微塑料颗粒可以在空气中的停留时间为 1 小时到 6.5 天，这一上限对于跨大陆运输而言已经足够了。这也意味着，即使像南极洲这样没有直接微塑料来源的偏远地方，也面临着污染的风险。
为了了解塑料的分布和影响，必须定义它们的迁移特性和反应活性。天然无机沉积物，如石英粘土、粉砂和沙子（密度2.65 g/cm-3），比普通塑料密度大。因此，土壤或沉积物中的塑料更易于在地表附近迁移。塑料的疏水性、大小和形状也使塑料聚集后产生进一步迁移。生物扰动、人们耕作和水流运输可以使塑料进入土壤。示意图可以详细说明碳元素库存、来源、命运和转化。沉积物（石油和天然气），对于塑料这种新兴岩土材料也未必不可能如此。密度、大小、形状和加工工艺都影响塑料颗粒的迁移。虽然大多数自然沉积物比淡水和海水密度大，但塑料密度因聚合物而异。纯聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)密度比水小，但固体聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚氯乙烯(PVC)的密度比水大。在空气中以及在水中下沉的塑料中，颗粒往往会在床层表面聚集，随着载体流量的增加，更小、更不球形、更有棱角的颗粒会优先混入介质中。相反，当水流停滞时，比重小的塑料会在水面聚集，随着水体湍流的增加，更小、更不规则的颗粒会优先在较深的区域聚集。塑料的聚集程度和生物作用也会改变塑料的有效密度、形状、大小和表面化学性质，并对迁移产生影响。
（图2、塑料在水和空气中的分布。在水中，考虑了4个层：表层微层、浮载(在水中最常被研究的部分)、悬载(在水中很少被研究)和床载(在水中作为沉积物质，有些被研究)。密度小于水的塑料倾向于漂浮，并在表层微层和浮动荷载中集中，而密度大于水的塑料倾向于在床层荷载中积累。所有塑料都比空气密度大。因此，在空气中，只考虑两层荷载：悬移荷载和床层荷载。）
04
塑料的降解改变循环
塑料可以通过机械、光化学、热和生物化学等机制降解。聚合物化学结构是决定可降解性的关键。添加剂和聚合物的结晶性与非晶性质也可改变塑料的降解性。PS 容易发生机械碎裂，因为它在环境温度下呈玻璃态，而 PE 在 -100°C 下仍保持非玻璃态，并且在断裂前可以伸长九倍。塑料可以通过机械破碎降低颗粒尺寸并增加比表面积。
光学老化被认为是环境中塑料最有效的化学降解途径。要进行光降解，材料必须包含吸收阳光的光化学活性发色基团或与发色基团相互作用。天然水中的芳香族化合物是主要发色基团。PS 含有芳香族发色基团，这可以解释其相对较高的光降解性。PP 和 PE 也具有光活性，但纯 PP 和 PE 不含发色基团，它们的光活性归因于氯离子杂质，包括添加剂、可从环境中吸收的芳烃以及在热处理过程中结合到聚合物中的氧化自由基。许多有机物的光降解性遵循一级动力学，速率随着暴露的增加而减慢。相比之下，塑料光降解通常会加速，塑料在阳光下停留的时间越长，降解效率越高。速率的加速可能源于塑料光氧化时光活性物质——氧化自由基的积累，以及塑料光降解时比表面积的增加。热氧化在环境温度下进行缓慢 。然而，许多塑料在大气氧浓度下燃烧实验时都是易燃的（它们的极限氧指数 <21%）。因此，在野外火灾和生物质燃烧期间，热降解应该很快。在地热环境中也可能发生有效的热降解，尽管向这些地热地区输送大量塑料短期内还无法实现。热降解和光降解都能氧化塑料，降低聚合物的分子量，产生气态产物，并产生可促进或抑制微生物生长的可溶性有机物。但一般情况下光氧降解仅能降低塑料的分子量，并不能使其全部降解。全部降解需要生物的协同作用。
05
塑料的生物降解需要进化时间
微生物的进化变异性是降解塑料的基础，同时塑料可以成为异养生物的潜在能源。为了降解塑料并获得这种能量，异养生物必须破坏结合塑料聚合物链的键。常见的水解酶可以破坏 PET 和聚氨酯中的酯键和氨基甲酸酯键。但是，具有碳-碳 (C-C) 键合链的塑料具有更高的生物耐受性。一些昆虫幼虫的肠道微生物，加上一些罕见的、自由生活的微生物，可以在实验室控制下降解 C-C 键合的 PE 和 PS，但这个实验室降解速率在自然界中能否实现尚不清楚。降解C-C结合的塑料的酶仍然是个谜。具有C-C键裂解能力的酶可以降解木材的聚合组分木质素，并能缓慢降解PE。木质素出现在化石记录之后，木质素降解酶的进化似乎花了1.25亿年的时间。相比之下，一些细菌已经适应现有的脂肪酶和角质酶来利用PET。然而，这些PET降解酶（PETase）基因在微生物群落中并以PET的酯键为靶点的仍然很少见。因此，目前还不清楚PET降解是否会变得普遍，或者是否可以在其他塑料的生物降解中找到类似的进化捷径，特别是那些C-C键更强的塑料。含C-C键塑料很可能在未来一段时间内不会被有效的生物降解。山东大学微生物技术国家重点实验室牵头的中欧合作项目“解塑再用”正在致力于此方面的研究。
供稿：祁庆生
编辑：徐娅 张彤 李晓萌
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