食物鏈新成員:無所不在的塑膠微粒 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

食物鏈新成員:無所不在的塑膠微粒

2014年07月09日
作者:馮加伶(中央研究院生物多樣性研究中心海洋環境微生物研究室研究助理)

塑膠,在各種商業行為、工業製程、醫療和市政管理系統中皆扮演相當重要的角色,就連最近讓大家瘋狂的世足賽也和塑膠息息相關。

就從足球談起吧!

在1950年代,足球是由18塊皮革手工縫製而成,但是當天氣潮濕時,皮革製成的足球容易吸附水氣,變得更重且不好操控。隨著科技和工藝設計的進步,塑膠足球在1986年的世界盃首次登場,由32片塑膠布料手工縫製的足球已經比1950年代的足球圓了許多,但還不夠完美。而今,世界盃的官方比賽球是由高品質的塑膠製成,加上熱黏合的專利技術,讓足球的表面完全無縫,使其觸感更好,吸水性更低,更能準確預測射程。

不僅足球是由塑膠製成,你我生活中所使用的各種物品幾乎都有塑膠。根據歐洲塑膠協會的資料,塑膠年產量從1950年代的1.7百萬噸,到了2012年,增加為288百萬噸。

雖然塑膠的種類繁多,但大部分的塑膠製品皆可透過回收系統,再製再利用。少部分的塑膠則因為人為意外或是任意丟棄,以失控的速度累積在自然環境中,再透過風力和河流的散播到了海岸。由於塑膠具有輕量和耐用等特性,迅速地成為海洋廢棄物中分布最廣泛的成員。

隨著塑膠產量和海洋廢棄物逐年增加,許多科學家都預估海洋中塑膠碎片的含量一定會持續上升。然而,最近一篇發表在美國國家科學院期刊(PNAS)的科學論文,卻有了不同的發現。

1公升海水 100顆塑膠微粒

Cózar等人組成的西班牙遠征船隊,在全球的開放海域中選取442個測站,共收集超過3千個海水樣本進行分析,發現大洋中漂浮性塑膠碎片的含量大約為7千至3萬5千公噸,含量最高的地區為北太平洋(如下圖),占了全球塑膠碎片總量的33% 至35%,其中又以1-5 mm大小的塑膠微粒(microplastics)特別多。根據美國海洋暨大氣總署(NOAA)的定義,塑膠微粒是指尺寸小於5mm的塑膠碎片,包括了初級和次級兩種來源:初級來源是原本就製作成微小尺寸的塑膠製品,而次級來源則是從較大的塑膠分解而來。

圖1.全球海洋表水塑膠廢棄物的濃度(圖片來源: Cózar et. al, 2014. Plastic debris in the open ocean)

過去80年間,這些微米、甚至是奈米等級的塑膠微粒,累積在世界各地的海洋和底泥中,甚至可達每立方公尺10萬顆粒,也就是說每1公升的海水裡面就含有100顆塑膠微粒。

海塑碎片新去向 藉食物鏈進入生物體內

Cózar等人發現塑膠微粒尺寸和數量的分布趨勢很奇特,2mm大小的微粒數量最多,小於1mm的微粒卻幾乎沒有,表示越小的塑膠微粒被分解或消失的速度越快。這種現象背後的原因有很多,可能是因為小塊的塑膠碎片受到陽光照射而分解的速率比大型塑膠廢棄物來得快,或是塑膠微粒上的微生物也參與了分解的過程,也可能是因為塑膠微粒上的附著物導致其正浮力減少而下沉,另一個可能原因則是這些塑膠微粒已經成為海洋生物的盤中飧。

會誤食塑膠微粒的生物五花八門,從大型的海洋生物鯨鯊、中深海層的小型魚類到沿岸底棲的海參、海星等棘皮動物,只要是濾食型的生物通通都有誤食的風險。被小型魚類誤食的塑膠微粒,再透過一連串的食物鏈加成作用,累積在食物鏈上層的動物體內,像是海狗、海獅等海洋哺乳類體內都發現有塑膠微粒。

酵素合成受阻 自由基增加

此外,這些塑膠微粒又容易吸附持久性有機汙染物(POPs),或是有些工業製程產生的微粒外層就直接包覆了一層矽、銀等離子,都會直接或間接影響到海洋生物的生殖能力和生理機能。

許多研究團隊開始在實驗室研究塑膠微粒對濾食性生物的影響。以地中海貽貝為例,許多不同材質的微粒被貽貝攝入後,會累積在消化管內,影響分解酵素的合成,並誘發血淋巴細胞產生氧化自由基和溶小體酵素等反應。

中央研究院湯森林副研究員實驗室的博士班學生楊姍樺,則利用美麗海葵當作刺絲胞生物的模式物種,觀察塑膠微粒在海葵體內累積的情形,發現海葵誤食塑膠微粒的傾向很高但有所偏好。若塑膠微粒大小同為5mm,立方體塑膠比扁平狀塑膠更容易被海葵誤食,但在攝入體內2個小時後就會被排出體外。若海葵誤食較小的塑膠微粒(9μm和100nm),則會累積在體內,散佈於觸手,中央體腔和底盤等各處(如下圖)。

海葵體內的塑膠微粒(透明圓球),其他紅棕色圓球為海葵體內的共生藻。(中央研究院湯森林副研究員實驗室 楊姍樺提供)

莫忘阿瑪拉定律

塑膠微粒,這個海洋食物鏈的新成員,會累積在海洋生物的體內多久?對海洋生物健康有何影響?會不會透過食物鏈回到人類體內? 許許多多的謎團,皆有待更多的研究才能窺見一斑。塑膠的好與壞,正好能套用阿瑪拉定律(Amara's Law) :人們總是高估一項科技所帶來短期效益,卻又低估它的長期影響。這些種種,或許都是當初塑膠的發明者始料未及的。

【參考資料】

  • Plastics, the environment and human health: current consensus and future trends. Richard C. Thompson, Charles J. Moore, Frederick S. vom Saal and Shanna H. Swan. 2009. Philosophical Transactions B (364): 2153–2166.
  • The physical impacts of microplastics on marine organisms: A review. Stephanie L. Wright, Richard C. Thompson, Tamara S. Galloway. 2013. Environmental Pollution (178): 483-492.
  • Plastic debris in the open ocean. Andrés Cózar, Fidel Echevarría, J. Ignacio González-Gordillo, Xabier Irigoien, Bárbara Úbed, Santiago Hernández-León, Álvaro T. Palma, Sandra Navarro, Juan García-de-Lomas, Andrea Ruiz, María L. Fernández-de-Puelles, and Carlos M. Duarte. 2014. doi: 10.1073/pnas.1314705111 (Published online before print)
  • Life in the “plastisphere”: Microbial ommunities on plastic marine debris. Zettler ER, Mincer TJ, Amaral-Zettler LA. 2013. Environmental Science & Technology 47(13):7137–7146.
  • Fouling of floating plastic debris under Biscayne Bay exposure conditions. Andrady AL, Song Y. 1991. Marine Pollution Bulletin 22(12):117–122.
  • Biomarkers in Mytilus galloprovincialis exposed to suspensions of selected nanoparticles (Nano carbon black, C60 fullerene, Nano-TiO2, Nano-SiO2). L. Canesia, R. Fabbria, G. Galloa, D. Vallottob, A. Marcominib, G. Pojanab. 2010. Aquatic Toxicology 100: 168–177.