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隊在在深海塑料降解機制和降解時間方面取得新進(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)的時間知之甚少。
該團隊于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個塑料碎片（采樣位點如圖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)計分析可以得到每個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)多長時間的問題，為研究深海塑料的命運提供了獨特的見解。
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
