美国西部，1100吨微塑料在天上飘
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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美国西部，1100吨微塑料在天上飘
中国生物技术网
2021/04/23
论文
论文标题：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
数字识别码：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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所属学科：地球科学大气科学
图片来源：Fillipe Gomes from Pexels
常言道：出来混迟早要还，不是不报时候未到而已。就像目前的塑料污染，从人类胎盘，海洋动物胃肠道、到婴儿奶瓶，到各种日用品里。五大洲四大洋，甚至远到马里亚纳海沟，高到8440米的珠穆朗玛峰，可以说微塑料已经遍及世界各个角落。
2020年发表在Science上的一项相关研究显示，在未来二十年中，如果不进行广泛干预，将会有超过13亿吨的塑料废物流入世界海洋和陆地。
这不，美国西部已现“塑料压顶”了。扔出去的塑料，已经开始还回来了。
发表在《美国国家科学院院刊（PNAS）》上的一项最新研究中，来自美国加州大学圣地亚哥分校领导的国际研究团队表明，目前有1100吨微塑料漂浮在美国西部上空。它们从天而降，污染了北美一些偏远地区。这些不可生物降解的聚合物将继续在地球系统中循环。因此，也将慢慢污染整个世界。
但这些微塑料都是从哪儿来的呢？有人认为它们来自附近的城市，比如丹佛和盐湖城这样的西部大都市。
在这项研究中，研究人员使用高分辨率的空间和时间沉积数据与大气传输模型相结合，分析大气中微塑料的最可能来源。
结果显示，美国西部空气中84%的微塑料实际上来自城市以外的道路，11%的微塑料可能是从海洋中一路吹来的，剩下5%来自农业土壤和粉尘。与全球生物地球化学循环一样，塑料在以不同的大气、海洋、冰层和陆地停留时间在地球上盘旋。研究人员估计，微塑料在空气中停留不到一周的时间，就足以让它们穿越大陆和海洋。
已知这些直径小于5毫米的微塑料有多种来源，如：扔到环境中的塑料袋和塑料瓶被分解成越来越小的碎片。洗衣机也是微塑料的另一个主要来源：当洗合成衣物时，微小的超细纤维脱落，被冲到污水处理厂后被过滤掉一些，再被“截留”在污泥中。经过处理的废物会用于农田肥料。这就使土壤中的微塑料含量增加。污水处理厂再将已处理水中剩余的超细纤维冲向大海。这一过程已经发生几十年了。由于塑料只会分解不会真正消失，因此海洋中的微塑料数量一直在急剧上升。
事实上，这项新研究表明，现在从海洋中吹回来的微塑料都可能比进入海洋的数量更多。换句话说，海洋中积累了如此之多的微塑料，以至于陆地现在反倒可能成为海洋微塑料的“进口”方。
研究第一作者、犹他州立大学的环境科学家Janice Brahney说：“这真的突出了遗留污染的影响。与我们在陆地环境中任何一年生产的塑料相比，海洋中的塑料量实在是太大了。”
图片来源：Lucien Wanda from Pexels
这些微塑料不仅是被冲上岸堆积在海滩上，在海浪冲刷和海风的吹拂下，海水滴也会被卷到空气中，这些水滴里不仅含有盐，还含有有机物和微塑料。
研究人员表示，这些海水蒸发之后，剩下的只有悬浮颗粒物，通常，海盐会以这种方式进入空气中。此前已有研究证明微塑料也存在这一现象，这表明它们会被海风带入到空气中。
研究人员利用大气模型来显示海洋微塑料在飞到空中后可能传播的轨迹，并研究了释放微塑料的其他来源，如道路、城市和农田。
随后，研究人员将这种大气模型与现实世界的数据结合起来。Brahney使用分散在美国西部偏远地区的空气采样器，在给定的时间内确定有多少塑料颗粒从天空中掉落。
研究共同第一作者、康奈尔大学地球与大气科学研究员Natalie Mahowald的模型还可以显示给定时间内的大气和气候条件，使他们可以追踪微塑料的传播轨迹。
他们发现，在美国西部地区，只有5%的大气微塑料颗粒来自农业灰尘。令人惊讶的是，来自城市的塑料颗粒也仅占0.4%。
当机动车在道路上行驶时，轮胎上会飞出细小的颗粒，这是正常磨损的一部分。这种材料不是纯橡胶，它含有合成橡胶和大量其他化学物质。从技术上讲，轮胎颗粒也是微塑料。它们到处都是。2019年的一项研究计算出，每年有7万亿颗微塑料流入旧金山湾，其中大部分来自轮胎。
城市的道路和垃圾分解确实产生了惊人数量的微塑料，然而它们似乎并没有进入大气层。研究人员认为存在两个原因：一个是当风吹过时，建筑物阻挡了风将这些微塑料带走；此外，人们在城市街道开车的速度会比较慢，因此最终落在路面上的轮胎颗粒受到的搅动较少。但在州际公路上有更广阔的空间，风可以把颗粒吹得很远。另外，Mahowald说：“汽车以每小时100公里的速度行驶会产生很大的能量，而微小的颗粒也能借助这种能量进入大气层。”
但是，为什么这些科学家要费尽周折来模拟极端复杂的大气，而不是仅仅通过观察降落到地面的微塑料的特性来找出它们的起源呢？
可悲的现实是，这些微塑料已经完全渗透在环境里，从某种意义上讲，它们已经同质化了。合成衣物、降解瓶和包装中的微塑料似乎在空气、陆地和海洋之间流动，规律性很强，混合程度也很高，很难确定某一种聚合物的来源。
这就是为什么大气建模对于更好地了解微塑料如何在环境之间流动至关重要的原因。研究人员才刚刚开始这样做，到目前为止也只有几十篇相关研究。然而，科学家们需要更多的数据来说明有多少塑料从天上掉下来以及会掉落在哪里。例如，这项新研究关注的是美国西部，但微塑料的产生和分布在其他地方可能会有所不同。西部各州相对干燥，因此汽车轮胎摩擦路面可能比在潮湿的地区更容易产生微塑料。此外，在欧洲，废塑料通常作为建筑材料被融入道路，这是一个不错的想法，但这可能也意味着会从这些道路脱落更多的塑料，并与轮胎脱落的微塑料混合起来。
研究人员正在一步一步地研究这些微塑料如何在地球上循环，他们认为一个主要的驱动因素是大气传输。
斯特拉斯克莱德大学的塑料微粒研究员Steve Allen说：“我们生活在一个被气泡包围的星球上，没有边界，也没有边缘。这项研究清楚地表明，微塑料正在进入大海，然后又离开大海，回归陆地，然后又被吹到空中，转移到其他地方。一旦它们被释放出来就没办法再阻止了。”
Brahney同意这一观点，他说：“微塑料可能会在地球表面无休止地移动，想，这真的挺可怕的。