近日，中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所彭曉彤研究員團(tuán)隊(duì)在在深海塑料降解機(jī)制和降解時(shí)間方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果近日發(fā)表于國際知名地球化學(xué)期刊Geochemical Perspectives Letters，張曉迪博士為論文第一作者，彭曉彤研究員為通訊作者。
海洋塑料污染是海洋環(huán)境突出的問題之一，嚴(yán)重影響到人類健康和海洋生態(tài)系統(tǒng)。塑料在海洋中的降解速度和機(jī)制備受國際學(xué)術(shù)界和全社會的關(guān)注。迄今為止，尚未開發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)方法來量化海洋環(huán)境中塑料的年齡。深海海底已被證明是海洋塑料的最終歸屬地之一，然而相對海洋表層來說，深海缺乏紫外線，氧氣含量和溫度較低，目前對塑料在深海中是否能夠被降解以及在深海中持續(xù)的時(shí)間知之甚少。
該團(tuán)隊(duì)于2018年至2020年使用載人潛水器“深海勇士”號通過22次下潛在中國南海海底（深度746-3997米）采集了共103個(gè)塑料碎片（采樣位點(diǎn)如圖1所示），隨即采用掃描電子顯微鏡（SEM）、激光拉曼光譜儀（Raman）、傅里葉變換紅外光譜儀(ATR-FTIR)、光誘導(dǎo)力顯微鏡（PiFM）對這些塑料樣品的成分、類型、表面降解特征進(jìn)行了研究。
圖1.塑料樣品的取樣位點(diǎn)和原位取樣圖像
研究結(jié)果表明這些來自深海的塑料垃圾中有80%都是聚乙烯(PE)，其中大部分樣品表面都比較粗糙，有很多降解特征，包括褶皺、凸起、裂紋、劃痕、不規(guī)則凹坑等。
有趣的是，在18片PE表面還發(fā)現(xiàn)了大量與桿狀微生物的形態(tài)相一致的溶蝕坑結(jié)構(gòu)（圖2），所有凹坑的長度均為1-2μm。如圖2a-d所示，該塑料表面有大片相互連接的蝕坑，主要包括短棒狀和花生狀兩種結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)高度降解。此外，在其他樣品表面還觀察到不同形態(tài)的蝕坑，例如蠕蟲狀和絲狀結(jié)構(gòu)（圖2e-g）。
圖2. 帶有腐蝕坑的PE樣品的SEM圖像
通過光誘導(dǎo)力顯微鏡（PiFM）再現(xiàn)了典型蠕蟲狀結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)學(xué)（圖3a，b）。Ra（粗糙度平均值）通常用于指示表面粗糙度。很明顯，降解程度越高的塑料表現(xiàn)出較高的粗糙度。與掃描電鏡（SEM）相比， PiFM在垂直方向上具有更高的準(zhǔn)確度和精密度，可用于探測凹坑的深度。如圖3所示，在相對早期的降解階段，蠕蟲狀凹坑的寬度約為0.9μm（0.45×2μm），深度約為144.3-289.8nm。隨著降解的發(fā)展，坑深度變大，約為572.2-663.2 nm。
圖3. 表面有腐蝕坑的PE的PiFM圖像、光譜和截面分析
通過SurfaceWorks（Molecular Vista，Inc.）軟件對PiFM圖像上所有寬度大于1μm，深度大于0.1μm進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得到每個(gè)樣品表明腐蝕坑的體積。利用溶蝕坑和各樣品的體積比來量化塑料降解的程度，經(jīng)計(jì)算可得每塊聚乙烯塑料約有1.08-13.72%被降解。由于目前還沒有合適的方法來確定沉積在深海中的塑料的日期，但根據(jù)南海同一區(qū)域微塑料污染年代史推測這些塑料最長可能已經(jīng)在海底存在了40年，那么降解最嚴(yán)重的塑料最長將需要大約292年才能完全降解。
本研究首次提供了深海塑料可以被降解的證據(jù)，并回答了塑料在深海中可能持續(xù)多長時(shí)間的問題，為研究深海塑料的命運(yùn)提供了獨(dú)特的見解。
相關(guān)論文信息：Zhang, X., Peng, X. (2022) How long for plastics to decompose in the deep sea? Geochemical Perspectives Letters 22, 20–25. https://doi.org/10.7185/geochemlet.2222
文章來源：深?？茖W(xué)與工程研究所
