香港及全球的塑膠廢物

與很多在疫情下生活的人一樣，Eric 曾經常常購買樽裝飲品，以及使用塑膠外賣盒和餐具。但他們卻不知道，原來大家都正在不斷製造大量塑膠廢物。根據香港環境保護署公佈的「香港固體廢物監察報告 — 2020年的統計數字」顯示，香港每天產生的塑膠廢物量大約為 2,312 公噸（在都市固體廢物中排名第三，約佔總重量的21%）。

因應當時天然橡膠短缺，聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等最早期的合成塑膠早於 1930 年代推出市場。由於這些合成塑膠的成本相對較低，並且具備獨有的特性，因此全球塑膠的生產量從 1950 年代的 200 萬公噸，以幾何級數地增加到 2010 年的 2.7 億公噸，及至 2017 年的 3.5 億公噸。今天，我們的生活已經離不開塑膠產品，特別是膠袋、食品包裝、膠樽、飲管和攪拌棒等用完即棄的塑膠製品，但卻沒有考慮過這些塑膠廢物的最終下場。事實上，超過 42% 所生產的塑膠用作包裝用途，於使用後隨即被丟棄。而在世界各地產生的塑膠廢物中，只有 9% 會被回收，其餘均以都市固體廢物的方式處置。另外，約 60% 的老舊塑膠物料（在 2010 年達到 2.75 億公噸）被視為廢物棄置，數量已超過每年的生產速度。

除了堆填區和焚化爐外，人類亦會將塑膠廢物棄置於鄰近的棲息地。根據世界經濟論壇在 2016 年的一份報告估計，每年沿海地區最少有800 萬公噸塑膠廢物被丟棄至大海裡。由 Eriksen 等人在 2014 年透過表面網拖和目視調查，估計目前最少有 5.25 萬億塊塑膠碎片在全球海面上漂浮。

什麼是微塑膠，它們從哪裡來

在這些塑膠污染物中，我們發現一些小於 5 毫米的塑膠物質，數量上比較大型的塑膠廢物明顯較多。普利茅斯大學的海洋生態學家 Richard Thompson，於2004 年率先將海洋沉積物和水樣本中所發現如此大小的塑膠物質稱為「微塑膠」。與較大型的塑膠物質相比，微塑膠較容易能被生物攝入並積聚於體內，因此會對環境造成更嚴重的影響。對於微塑膠的下限大小，不同的研究提出了從納米到 20 微米等各種尺寸範圍。直至 2018 年，在 Gigault 等人所發表的一篇文章中提出了「納米塑膠」這一個術語，並將其定義為「因塑膠物質降解而產生的顆粒」和「尺寸範圍介乎 1 納米到 1 微米之間」，因而令微塑膠的尺寸下限有共識地設定為 1 微米。

至於源頭方面，微塑膠有可能被直接排放到環境中（即初級微塑膠），同時亦可以作為成份故意添加在產品中，例如在化妝品和個人護理產品中加入塑膠微珠以作為磨砂劑成份，於沖洗後便會通過污水系統排放到環境中。雖然加拿大、愛爾蘭、荷蘭和英國已立法禁止在化妝品中加入微珠，但是世界其他地區大量使用微珠的情況依然比比皆是。另外，某些產品於生命週期內經正常使用亦有可能產生初級微塑膠，例如清洗合成紡織品和輪胎磨損會分別釋放出纖維型和碎片型微塑膠。研究人員估計，洗衣機在每次正常運作可產生超過 700,000 件纖維型微塑膠並排放到污水系統中。於環境中所發現的微塑膠，初級微塑膠佔大約 15-31%；其餘 69-85% 則是透過機械、化學或微生物作用降解環境中的大型塑膠廢物而釋放出來的「次級微塑膠」。在各種不同的排放途徑下，微塑膠不僅存在於海水、河流、湖泊、沉積物、極地冰雪以及高海拔的喜馬拉雅山等棲息環境內，亦會存在於野生動物和食物當中，包括貝類、鳥類、食鹽、飲用水和啤酒。由瓦赫寧恩大學 Albert Koelmans 進行的一項調查預計，兒童和成年人每天可能攝入超過 100,000 件微塑膠，一年攝入量相當於一張信用卡的重量。

在人體和動物中發現的微塑膠

至於微塑膠的數量和大小分佈，一項從大西洋收集近地表的水樣本研究顯示，微塑膠越細小，數量便會越多，其中超過 64% 的微塑膠直徑小於 40 微米。由於尺寸較小的塑膠顆粒較容易穿過生物屏障，因此越細小的微塑膠會對環境造成更強的毒性。對於微生物方面， Jeong 等人於2016 年研究不大於 6 微米非功能化聚苯乙烯微珠對單角輪蟲（≈ 2 00 微米）的毒性，發現這種大小的微珠能夠被單角輪蟲攝入。研究觀察到微珠顆粒大小對單角輪蟲的反應呈現相反關係，顆粒越小，毒性便越強，並產生如減慢生長速度、縮短壽命和延長繁殖時間等影響。於魚類方面，Lu 等人在 2016 年對斑馬魚（Danio rerio）進行了一項活體體內實驗研究，以了解斑馬魚攝入和在身體組織中積聚小型微塑膠（即聚苯乙烯）的情況。當中顯示直徑為 5 微米的微塑膠不僅會在胃腸道中積聚，亦會在魚鰓和肝臟中累積。在進行組織病理學分析時，研究人員亦在魚肝中觀察到炎症反應和脂質積聚。2021 年，Haave 等人分析了包括水獺、鴨子、海鷗、鱈魚和比目魚等野生動物的樣本，並發現微塑膠（≥ 10 微米）不僅會透過進食而進入胃腸道，亦會遷移至肝臟和肌肉組織中。因此，小型微塑膠有機會會從腸道進入血液中。另外，有研究對阿拉伯海和孟加拉北部海灣地區蝦的腸道進行了調查，分別發現有平均 7.80 和 6.78 件微塑膠。然而，由於這兩項蝦的研究均利用顯微鏡技術來識別微塑膠，因此無法識別小至 1 微米的小型微塑膠數量。根據報告，當海洋生物攝入環境中的微塑膠時，它們身上會出現如食慾下降、代謝率下跌，甚至死亡率上升等生理反應。部分研究亦發現，在海水魚類養殖場中飼養的幼魚和稚魚更容易受到微塑膠污染影響。

除了影響微生物和環境外，微米／次微米級別的微塑膠亦有可能影響人體細胞。2019年，Wu 等人在另一項研究中調查了微塑膠對人類結腸腺癌細胞所產生的負面影響。其中發現 5 微米大小的聚苯乙烯微塑膠可抑制細胞膜上三磷酸腺苷(ATP) 結合匣運輸蛋白的活性，導致砷的毒性增加。從數量和毒性的角度來看，環境研究有需要將重點放在小於 50 微米的小型微塑膠上。2022 年於荷蘭進行的一項研究，分析 22 名健康志願者的人體全血樣本，當中 17 個樣本中發現可量化的微塑膠，顯示微塑膠可以透過血液運送到不同的器官。

聯合國糧食及農業組織於2017 年發表了一份有關微塑膠對漁業及水產養殖的報告，當中指出「在可預見的將來，水生環境中的微塑膠污染情況將會持續惡化，同時有關較小的微塑膠（小於 150 微米）在水生環境和生物中所出現的問題，以致對海產安全可能造成的影響，目前明顯存在著了解不足的情況」。因此，未來對微塑膠數量以及野生動物接觸的風險評估研究，應著眼於較小的微塑膠，特別是那些小於 50 微米甚至 10 微米大小的微塑膠。至於較大的微塑膠，研究人員則認為較容易透過排泄將其排出體外。

傳統方法在環境水中收集及量化微塑膠的局限

然而，現時大部分環境水的研究主要使用捕網和篩子來採集樣本，例如魔鬼魚網（≥ 333 微米）、浮游生物網（≥ 100 微米）和金屬篩子（125-355微米），因此研究對象主要為大於 50 微米的微塑膠。舉例而言，美國國家海洋及大氣管理局（NOAA）在 2015 年發表的一份技術備忘錄中，建議使用 335 微米的表面網來過濾微塑膠物質。Lindeque 等人在2020 年一項研究中嘗試使用網格大小分別為 100、333 和 500 微米的捕網，以表面拖網方式來收集微塑膠。比較與 333 微米和 500微米捕網所收集到的微塑膠數量，100微米捕網分別多了 2.5 倍和 10 倍。此外，由於肉眼可能無法看見直徑介乎 1-50 微米之間的細小微塑膠物質，因此令識別和量化工作變得更為困難。到目前為止，由於沒有有效的方法來收集和量化尺寸小於 50 微米的微塑膠，因此針對這些微塑膠而進行的水樣本調查研究並不多。因應這個情況，研究團隊研發了一種新方法，能有效地收集、檢測和量化環境水樣本中 1-50 微米的小型微塑膠。

制訂量化小型微塑膠的創新方法

將微塑膠（特別是透明的微塑膠）與其他有機和無機顆粒區分，是研究的一大難題，而使用螢光染料可以是檢測塑膠顆粒的一個解決方案。Maes 等人於2017 年在一項研究中使用稱為尼羅紅（NR，化學名稱：9-diethylamino-5H-benzo[a]phenoxazine-5-one）的螢光染色劑以標記微塑膠，於藍色 LED 燈光的照射下，可透過顯微鏡來識別被染色的微塑膠。透過這種方法，只需要很短的時間便可將微塑膠染色，並且得到非常高的回收率（96.6%）。如圖 1 所示，聚苯乙烯（PS）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚丙烯（PP）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚氯乙烯（PVC）、聚乳酸（PLA）和丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）等一些常見的微塑膠，均能被 NR 染色，於藍色激光（波長 ~ 450 – 480 納米）照射下並透過 515 納米波長的射光過濾片下觀察以來進行檢測。染了色的微塑膠表面上會見到深紅色甚至深金黃色的螢光。

圖 1.一些常見的微塑膠被尼羅紅染色後在顯微鏡下的影像。

NR 是一種親脂性染料，除了可以為塑膠物質染色外，其他有機物質亦會被染色，而被 NR染色的其他有機物質，會產生干擾問題令微塑膠所造成的污染程度被高估。為了減輕環境水中有機物質的干擾，在NR染色前會先進行消解程序，利用過氧化氫（H²O²）將水樣本中的有機物質氧化。過氧化氫能有助減少有機碳，但不會導致微塑膠降解。

研究人員利用了流式細胞分析儀的這個創新技術以檢測和量化細小的微塑膠。流式細胞分析儀原本是一種光學訊號的儀器，利用激光來檢測流體中的細胞和顆粒。圖2是流式細胞分析儀的示意圖，當中包含細胞／顆粒懸浮液的樣本會借助鞘液以流體動力學於管嘴聚焦，讓細胞／顆粒逐一通過流動槽的激光。透過這個方法，研究人員可以檢測到激光照射後所產生的前散射、側散射和螢光訊號，從而了解細胞／顆粒的化學和物理特性。2020 年，由愛爾蘭、挪威和丹麥科學家合作進行的一項初步研究顯示，流式細胞分析儀能夠檢測到超純水中某些細小的微塑膠。雖然這項研究只是在超純水中加入大量同一類型的微塑膠，但是利用流式細胞分析儀這方法有可能以更準確地檢測環境水樣本中的小型微塑膠。相比使用人手利用顯微鏡來進行識別，使用流式細胞分析儀的優點如下：

• 能自動量化而無需人手點算，從而提高準確度（減少假陽性／陰性）和效率（每個樣本只需 < 10 分鐘）
• 能識別大小細至 1 微米（甚至更小）的小型微塑膠
• 由於整個過程無需對顆粒進行目視判辨，因此能避免了人為的主觀影響（可節省人力）

圖 2. 流式細胞分析儀示意圖

由香港都會大學和斯德哥爾摩大學的合作團隊希望利用流式細胞分析儀，將微塑膠分析下限降至 1 微米，以監測環境水樣本中的微塑膠。由於流式細胞分析儀的樣本數量一般都很少（最多幾毫升），而環境樣本中的小型微塑膠濃度可能很低，因此必須採用一種有效的提純方法以將細小的微塑膠從大容量的水樣本中濃縮，從而提高靈敏度以及保持樣本的代表性。圖 3 顯示了這個方法的流程圖。在分析環境水樣本中的微塑膠時，需要注意的事項包括：

• 避免使用塑膠器具。採樣和準備樣本時應使用玻璃器皿和金屬器皿
• 使用前，所有玻璃器皿都必須使用超純水沖洗，並在馬弗爐中以 450°C 高溫裂解 5 小時，以清除所有殘留的有機物質。為了盡量減低空氣污染，所有玻璃器皿在使用前都必須以鋁箔覆蓋
• 使用前，所有試劑和溶液均需經過 0.22 微米的針筒式濾材過濾，以盡量減低污染風險

圖 3.微塑膠的分析流程圖，將水樣本預先濃縮、濕式氧化、染色後以流式細胞分析儀分析。

簡單而言，這個方法的流程如下：先以5 毫米的金屬篩子過濾 5 升的環境水樣本，以清除大型碎片，然後以 50 微米的金屬篩子將兩種不同大小的微塑膠（亦包括非塑膠顆粒）分隔開來。將剩餘在篩子上大於或等於 50 微米的微塑膠以傳統的顯微鏡方法來進行分析；而濾出液中所含有小於 50 微米微塑膠則以真空過濾法將濃縮。之後，用10 毫升的超純水將殘留在真空過濾濾膜上的小型微塑膠洗脫 （即由最初 的5 升樣本進行 500 倍濃縮）。預先濃縮過程不僅能減少樣本體積以提升靈敏度和檢測限度，亦能清除可溶性有機碳和無機鹽以降低樣本基質所造成的干擾效應。由於不同類型塑膠的密度有所不同，因此需要在洗脫溶液中加入表面活性劑（Tween 20），以降低水的表面張力令微塑膠懸浮於洗脫溶液中。接著，利用過氧化氫將洗脫溶液中的有機物質濕式氧化。完成濕式氧化後，以螢光 NR 染料將1-50 微米大小的微塑膠染色，並且以流式細胞分析儀進行量化。圖 4 顯示 超純水中添加了三種不同大小（1 微米、10微米及 38微米）的微塑膠，經流式細胞分析儀分析後所得出的螢光訊號（顯示被染色的微塑膠數量）及前散射（顯示微塑膠大小）對比圖，當見流式細胞分析儀能夠分辨微塑膠的尺寸。

圖 4. 水樣本中添加了三種不同大小（1 微米、10微米及 38微米）的微塑膠，經流式細胞分析儀分析後所得出的螢光訊號（顯示被染色的微塑膠數量） 及前散射（顯示微塑膠大小）對比圖。

為了驗證這個新方法，我們在超純水和環境水樣本中添加了已知數量的微塑膠，利用統計分析方法比對了新方法和以目視進行顯微鏡鑑別的方法兩者介乎 10-50微米的大小微塑膠結果，發現兩者分析出來的數量非常接近。總括而言，這個新方法透過真空過濾預先濃縮微塑膠以提高靈敏度；以過氧化氫進行濕式消解來降低干擾；以 NR螢光染色來提升特異性；以及以流式細胞分析儀進行測定以提高效率和一致性，能夠從環境淡水和海水樣本中，量化 1-50 微米大小的微塑膠。

測定海水中的微塑膠

研究人員分別在 2021 年 7 月及 2022 年 4 月，於香港馬料水渡輪碼頭和荃灣西海域大約 1米的深度，收集了兩個海水樣本。表 1 總結了不同尺寸（即 1-10微米、10-50微米，以及  50 微米）的微塑膠濃度。

微塑膠尺寸	馬料水渡輪碼頭 （每升海水的顆粒數量）	荃灣西 （每升海水的顆粒數量）
≥ 50 微米	28 ± 6	35 ± 9
10 – 50 微米	1,800 ± 208	29,336 ± 2,134
1 – 10 微米	112,813 ± 10,209	336,024 ± 55,603

表1

結果顯示，大部分發現的微塑膠都小於 10 微米；在馬料水和荃灣西，1-10 微米的微塑膠數量比 ≥ 50 微米的分別多 4,029 倍及 9,600 倍。結果反映香港沿岸海域的微塑膠含量相當高（每升大約超過 100,000粒）。由於過往很多在香港和世界各地對環境水中微塑膠的評估都只是檢測 ≥ 100 微米大小的微塑膠，因此這些評估結果可能低估了環境中微塑膠的總含量。

由於微塑膠的數量和分佈情況可能會隨時間和地點而有所不同，只在特定地點檢測微塑膠污染水平一次，並不足以反映整體的污染情況。因此我們需要在香港多個地點進行為期兩年的全面研究，以得出微塑膠數量的地點分佈和時間變化之結論。

微塑膠監測及污染的前景與挑戰

我們利用自制的方法，成功地將微塑膠的檢測大小下限值降至 1 微米，因此評估能夠涵蓋水環境樣本中所有大小的微塑膠。可是，若要全面了解微塑膠污染，當中仍有很多讓人困擾的問題有待解決。目前，我們的團隊正在針對這些問題尋找解決方案，當中包括

• 監測香港海域微塑膠污染在地點分佈和時間上的變化；
• 採用更有效的濕式氧化／消解方法，以盡量減少有機碳的干擾；
• 使用其他螢光染料來識別塑膠種類，及
• 在其他水環境（例如廢水）和基質（例如沉積物）中擴展微塑膠的量化方法。

由於不同的實驗室可能各採用自訂的取樣和微塑膠評估方法，因此無法將彼此不同的結果直接進行比較。而協商標準方法將有助環境科學家比較彼此研究的結果，並提供一個全球科學平台以評估微塑膠污染。

另一方面，我們有迫切需要減少微塑膠污染和塑膠廢物的排放，但由於無法即時停用塑膠，社會上暫未有一個萬全之策應對。即使我們現在能夠停止生產新的合成塑膠，但目前在市場、堆填區中和不同環境中存在的塑膠廢物，仍會繼續推高微塑膠的現存水平。國家、地區和國際間必須推行政策，以減少使用即棄的食物容器、餐具、包裝和個人護理產品，以及提升廢物的回收率。另外，社會亦可能需要改善污水和雨水處理設施，以減少微塑膠排放到環境水中。

作者︰
香港都會大學科技學院副教授史東甫博士
香港都會大學科技學院助理教授陳文藝博士
瑞典斯德哥爾摩大學環境科學學系後博士研究員盧凱誠博士
香港都會大學科技學院研究生謝悅童先生

2022年9月