被水生生物吃掉的塑料，给环境研究带来新视角
科学辟谣 2020-04-15
一些科学家认为，我们对塑料的分布研究过度，而对其实际危害研究不足。塑料尺寸可能是一个切入点。
巴厘岛的塑料污染 | 图虫创意
作者 | 于淼 西奈山伊坎医学院 环境医药与公共卫生系
相信很多朋友都看过一个从海龟鼻孔中拔出塑料吸管的视频，作为近四万年来地球上的优势物种，人类不仅仅通过开采从自然界攫取资源与能源，也通过有意无意之间的排放向自然界输送了人造废物。
在所有人造废物中，塑料可能是最被熟知的一种。最近《自然·通讯》上发表了一篇文章，研究了水生动物体内摄取塑料的粒径分布，发现动物能摄取的最大塑料尺寸与其自身体积比例大概20:1。
该研究提示我们，在估测塑料污染造成的风险时，应该把尺寸也考虑在内。
尺寸与生物代谢率：神奇的四分之三定律
地球已被塑料包围，是不容争辩的事实。之前就有报道，在马里亚纳海沟10000米深处发现塑料袋和微塑料颗粒。太平洋上还有一座垃圾岛，被称为“第八块大陆”，大量塑料和各类生活垃圾聚在一起，四处漂流。
在讨论塑料对各种生物的具体影响之前，我们先回顾一个经典问题：尺寸与生命活动的关系。这有助于理解，我们为什么要研究尺寸，而不是简单说一句：生物体型越大，吃的塑料越大。
地球上的生物小如细菌，大如蓝鲸，大都是由细胞结构堆砌而成，但如果我们将细胞生物与外环境作为一个系统来看，你会发现，单细胞生物与外界环境的接触面积最大，而多细胞生物只有表面与外界接触。
因此，如果单一细胞代谢率相同，就会出现一个很明显的问题：多细胞生物比表面积小而代谢散热不足。（注：比表面积，即表面的总面积和体积/质量之比）
如果维持与单细胞生物等同的整体代谢速率，那么尺寸越大的生物，其单一细胞的代谢速率就一定不能太高，否则物理上其内部就是高温反应炉，形成过程就会伴随内爆。
事实上，过往研究也确实发现，体积越大的生物，相对代谢速率越慢，代谢率与体重的3/4次幂相关（克莱伯定律，Kleiber‘s law）。
克莱伯定律：生物体型越大，代谢速率越慢 | 《规模》，杰弗里·韦斯特
这是一个很神奇的事实。按照这个定律，物种A有物种B一万倍的细胞数，但物种A的代谢速率却只能是物种B的一千倍。所以，大型哺乳动物通常心率更慢，更长寿，发育速度也更慢。
但有意思的是，其实所有哺乳动物一生的心跳次数都是在十亿次量级，且血压也类似。也就是说，当你遇到让你心跳加速的人，你的身体在以燃烧生命的方式提醒你珍惜当下。从能量供应角度看，心脏结构物理上能支持的心跳次数确实是类似的。
可以认为，“四分之三定律”是不同物种根据自身体积或代谢速率的不同发展出的不同的生存策略。其本质在于生物体内（以血管及气管分布为基础）的网式能量交换过程，即绝大多数生物体的物质能量循环系统都是通过体内空间的“分形填充”来最大化利用能量。
注：分形是一种“自我相似”的现象，即一个东西放大之后其局部和整体形态具有相似性（比如海岸线，云朵，河流，人的血管、肺等），它在自然界无处不在。而分形填充，可以认为是一种特殊的“复制”行为，就像不停地往更小的尺度复制自己，以达到长度、表面积等在所处维度无限增加的效果。
当我们研究动物尺寸与其摄入物的关系，将有助于了解其对生命过程的影响。
被吃掉的塑料：不止是“吃进去”这么简单
回到本研究的内容，为了搞清楚塑料这种外源物质对生物的影响，尤其是第一步——被吃下去的风险，研究人员收集了两千多种野生生物塑料摄取的数据，里面包括75%的鱼类，9%的哺乳动物，11%的无脊椎动物与5%的爬行动物。
在这些生物中，有91%是水生或两栖的，从水下25米的大闸蟹到深处4000米的座头鲸都有，可以说是一篇综合性很强的论文。研究结果用一张图就可以概括：
动物身长与最长摄取塑料关系图 | ref1
其中，红点表示无脊椎动物（如乌贼、螃蟹等），绿点表示哺乳动物（如鲸、海豹等），蓝点表示鱼类（如带鱼、石斑鱼等），淡蓝点表示爬行动物（如海龟等）。
可以看出，动物身长越长，能吃下去的最长塑料尺寸也越大。这也符合大众常识。研究人员试图从中找到一个幂指数关系（图中黑线）来预测更多生物的情况，由于塑料并不好代谢，所以摄入多少基本就是多少，最终得出指数为0.934，接近1，也就是线性关系，而非符合克莱伯定律的3/4关系。
但该关系似乎仅适用于动物身长平均值附近的预测，而极值部分因为数据量不足，预测能力有限。这也提示该研究的结论是有局限性的。
不过，研究人员仍然在此基础上，将全球海洋的浮游动物密度与之结合，给出了一张全球塑料风险分布图。简单来说，就是用模型预测的可摄入塑料(0.33~1毫米)的密度除以全球海洋浮游生物的密度（上图），以及用总塑料密度除以全球海洋浮游生物的密度（下图）。
全球浮游动物塑料暴露风险图：上，可摄入塑料密度/浮游生物密度；下，总塑料密度/浮游生物密度 | ref1
由图可见，在全球尺度上，中国东海与南海、孟加拉湾、黑海、地中海、马尾藻海与北大西洋欧洲海岸线都属于浮游生物种群暴露塑料污染的高风险地区，需要优先评价其生态影响。
总的来说，这是一篇很有意思的论文，属于当下比较流行的数据驱动型研究。文中数据全部来自 web of science（一个专业论文网站） 及其他数据库，共计20000多个数据，属于荟萃（总结）分析而非实验室研究。
伴随着学术界对数据共享和重复使用的接纳，这类文章会越来越多，我们也可以看到不同视角下的信息。
但有一些遗憾的是，这篇文章并未深入解释形成这个关系的原因。囿于数据驱动型研究的本质，无法协调研究之间的差异，也就得不出更有深度的结论。比如，摄食系统尺寸与塑料的关系、不同塑料成分摄食后降解过程的动力学、摄入与环境中塑料分布有何关系等。
而这些都是目前欠缺的。我们很希望可以看到后续研究，帮助从生物代谢的层面去理解塑料污染带来的实际风险。
当前热点：微塑料对环境的影响
不过，在环境科学领域，最近的研究热点其实是微塑料。在这篇论文中也有涉及：如果把塑料最长的尺寸换成最短的尺寸，会发现，动物大小并不能充分解释小尺寸塑料的摄入量。而这很可能是该论文的出发点，只是在研究中无意发现了最长尺寸与动物大小的相关性。
那么话说回来，微塑料对环境造成的风险又如何呢？当然，这里就不存在吃不吃得下去的问题了，而是吃多少，吃下去之后会怎样的问题。
早在2017年，密歇根大学的 Allen Burton 教授就在环境领域顶级期刊《 环境科学与工程》上发了篇评论，对微塑料研究泼冷水，认为当前微塑料研究太多侧重环境中的分布而对风险研究不足，好比环境里枯枝烂叶也很多，如果没危害不应投入太大精力。而微塑料对生物的具体影响及风险评价，却一直缺少研究。
一个有意思的现象是，媒体非常喜欢这类新闻，而政策制定者也受其影响，例如禁止掉可能产生微塑料的微珠行业，而其实微塑料的主要来源是多聚物纤维或碎片。而且 Allen Burton 教授认为，危害更大的可能不是微塑料，而是尺度更小的纳塑料（nanoplastics/nanoparticles）。
微珠被禁用，对化妆品、服饰等行业造成了一定冲击 | 图虫创意
这里要注意的是，微塑料跟大气细颗粒物类似，都是根据尺度界定的污染物载体，有害的可能是颗粒物本身的粒径效应，也可能是其上面负载或吸附的污染物小分子。
在过去的三年里，微塑料研究其实一直在进行。来自中国的研究组测试了海盐、湖盐和井盐中的塑料纤维，发现海盐里微塑料明显多于井盐。这个视角比较独特，直接跟食品挂钩，不过依然缺少风险评价。
2018年的一份综述则指出，聚乙烯塑料比其他种类微塑料更容易吸附污染物。
更宏观的调查则发现，世界范围内只有7%的塑料被循环利用，而亚洲特别是中国基本没有良好的管控，全球90%的海洋微塑料是来自于10条主要河流的输入，其中8条来自亚洲，长江尤为严重。
而针对 Allen Burton 教授那篇认为塑料毒性缺乏证据的文章，德国科学家发文回应，虽然毒性数据欠缺，但也不能等着出了问题再亡羊补牢。合理的解决方法似乎只有一个：建模。
同时，作为一个前沿研究方向，刚开始各家对微塑料的分类标准都不统一。后来，对于塑料纤维所代表的一大类污染物，终于有人坐不住出来统一划分了标准。这是一个问题研究走向成熟的表现。
伴随研究的深入，海洋微塑料这个概念也进化了，去年（2019年）有人提出了一个环境地球化学循环的新概念：全球尺度的塑料循环，这意味着之前碳氮循环的研究范式有可能平移过来进行更系统的研究。
媒体对自来水中微塑料的报道，也使得公众逐渐关注到这个领域。有研究发现，饮用瓶装水中的微塑料暴露要远高于自来水；然而自来水又存在消毒副产物暴露。说白了就是个两害相权取其轻，或者用玻璃瓶？
瓶装水中的微塑料暴露远高于自来水 | 图虫创意
在风险研究方面，研究人员发现，加入了微塑料的土壤理化性质会发生改变，植物生长与根际生物也会受到影响，这提示除了对水生生态有影响外，陆生生态或农业也会产生影响。
总之，关于微塑料，科研工作者从揭示环境暴露水平到研究其危害，都进行了大量的工作，但不得不承认的是，确凿的流行病学证据目前不充分，但逻辑层面微塑料作为一种污染物载体的确存在风险。
而我相信海洋生物吃掉最多的应该也是微塑料。
（责编 高佩雯）
参考文献
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2 克莱伯定律 https://zh.wikipedia.org/zh-hans/%E5%85%8B%E8%8E%B1%E4%BC%AF%E5%AE%9A%E5%BE%8B
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