香港及全球的塑胶废物
与很多在疫情下生活的人一样，Eric 曾经常常购买樽装饮品，以及使用塑胶外卖盒和餐具。但他们却不知道，原来大家都正在不断制造大量塑胶废物。根据香港环境保护署公布的「香港固体废物监察报告 — 2020年的统计数字」显示，香港每天产生的塑胶废物量大约为 2,312 公吨（在都市固体废物中排名第三，约占总重量的21%）。
因应当时天然橡胶短缺，聚氯乙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等最早期的合成塑胶早于 1930 年代推出市场。由于这些合成塑胶的成本相对较低，并且具备独有的特性，因此全球塑胶的生产量从 1950 年代的 200 万公吨，以几何级数地增加到 2010 年的 2.7 亿公吨，及至 2017 年的 3.5 亿公吨。今天，我们的生活已经离不开塑胶产品，特别是胶袋、食品包装、胶樽、饮管和搅拌棒等用完即弃的塑胶制品，但却没有考虑过这些塑胶废物的最终下场。事实上，超过 42% 所生产的塑胶用作包装用途，于使用后随即被丢弃。而在世界各地产生的塑胶废物中，只有 9% 会被回收，其余均以都市固体废物的方式处置。另外，约 60% 的老旧塑胶物料（在 2010 年达到 2.75 亿公吨）被视为废物弃置，数量已超过每年的生产速度。
除了堆填区和焚化炉外，人类亦会将塑胶废物弃置于邻近的栖息地。根据世界经济论坛在 2016 年的一份报告估计，每年沿海地区最少有800 万公吨塑胶废物被丢弃至大海里。由 Eriksen 等人在 2014 年透过表面网拖和目视调查，估计目前最少有 5.25 万亿块塑胶碎片在全球海面上漂浮。
什么是微塑胶，它们从哪里来
在这些塑胶污染物中，我们发现一些小于 5 毫米的塑胶物质，数量上比较大型的塑胶废物明显较多。普利茅斯大学的海洋生态学家 Richard Thompson，于2004 年率先将海洋沉积物和水样本中所发现如此大小的塑胶物质称为「微塑胶」。与较大型的塑胶物质相比，微塑胶较容易能被生物摄入并积聚于体内，因此会对环境造成更严重的影响。对于微塑胶的下限大小，不同的研究提出了从纳米到 20 微米等各种尺寸范围。直至 2018 年，在 Gigault 等人所发表的一篇文章中提出了「纳米塑胶」这一个术语，并将其定义为「因塑胶物质降解而产生的颗粒」和「尺寸范围介乎 1 纳米到 1 微米之间」，因而令微塑胶的尺寸下限有共识地设定为 1 微米。
至于源头方面，微塑胶有可能被直接排放到环境中（即初级微塑胶），同时亦可以作为成份故意添加在产品中，例如在化妆品和个人护理产品中加入塑胶微珠以作为磨砂剂成份，于冲洗后便会通过污水系统排放到环境中。虽然加拿大、爱尔兰、荷兰和英国已立法禁止在化妆品中加入微珠，但是世界其他地区大量使用微珠的情况依然比比皆是。另外，某些产品于生命周期内经正常使用亦有可能产生初级微塑胶，例如清洗合成纺织品和轮胎磨损会分别释放出纤维型和碎片型微塑胶。研究人员估计，洗衣机在每次正常运作可产生超过 700,000 件纤维型微塑胶并排放到污水系统中。于环境中所发现的微塑胶，初级微塑胶占大约 15-31%；其余 69-85% 则是透过机械、化学或微生物作用降解环境中的大型塑胶废物而释放出来的「次级微塑胶」。在各种不同的排放途径下，微塑胶不仅存在于海水、河流、湖泊、沉积物、极地冰雪以及高海拔的喜马拉雅山等栖息环境内，亦会存在于野生动物和食物当中，包括贝类、鸟类、食盐、饮用水和啤酒。由瓦赫宁恩大学 Albert Koelmans 进行的一项调查预计，儿童和成年人每天可能摄入超过 100,000 件微塑胶，一年摄入量相当于一张信用卡的重量。
在人体和动物中发现的微塑胶
至于微塑胶的数量和大小分布，一项从大西洋收集近地表的水样本研究显示，微塑胶越细小，数量便会越多，其中超过 64% 的微塑胶直径小于 40 微米。由于尺寸较小的塑胶颗粒较容易穿过生物屏障，因此越细小的微塑胶会对环境造成更强的毒性。对于微生物方面， Jeong 等人于2016 年研究不大于 6 微米非功能化聚苯乙烯微珠对单角轮虫（≈ 2 00 微米）的毒性，发现这种大小的微珠能够被单角轮虫摄入。研究观察到微珠颗粒大小对单角轮虫的反应呈现相反关系，颗粒越小，毒性便越强，并产生如减慢生长速度、缩短寿命和延长繁殖时间等影响。于鱼类方面，Lu 等人在 2016 年对斑马鱼（Danio rerio）进行了一项活体体内实验研究，以了解斑马鱼摄入和在身体组织中积聚小型微塑胶（即聚苯乙烯）的情况。当中显示直径为 5 微米的微塑胶不仅会在胃肠道中积聚，亦会在鱼鳃和肝脏中累积。在进行组织病理学分析时，研究人员亦在鱼肝中观察到炎症反应和脂质积聚。2021 年，Haave 等人分析了包括水獭、鸭子、海鸥、鳕鱼和比目鱼等野生动物的样本，并发现微塑胶（≥ 10 微米）不仅会透过进食而进入胃肠道，亦会迁移至肝脏和肌肉组织中。因此，小型微塑胶有机会会从肠道进入血液中。另外，有研究对阿拉伯海和孟加拉北部海湾地区虾的肠道进行了调查，分别发现有平均 7.80 和 6.78 件微塑胶。然而，由于这两项虾的研究均利用显微镜技术来识别微塑胶，因此无法识别小至 1 微米的小型微塑胶数量。根据报告，当海洋生物摄入环境中的微塑胶时，它们身上会出现如食欲下降、代谢率下跌，甚至死亡率上升等生理反应。部分研究亦发现，在海水鱼类养殖场中饲养的幼鱼和稚鱼更容易受到微塑胶污染影响。
除了影响微生物和环境外，微米／次微米级别的微塑胶亦有可能影响人体细胞。2019年，Wu 等人在另一项研究中调查了微塑胶对人类结肠腺癌细胞所产生的负面影响。其中发现 5 微米大小的聚苯乙烯微塑胶可抑制细胞膜上三磷酸腺苷(ATP) 结合匣运输蛋白的活性，导致砷的毒性增加。从数量和毒性的角度来看，环境研究有需要将重点放在小于 50 微米的小型微塑胶上。2022 年于荷兰进行的一项研究，分析 22 名健康志愿者的人体全血样本，当中 17 个样本中发现可量化的微塑胶，显示微塑胶可以透过血液运送到不同的器官。
联合国粮食及农业组织于2017 年发表了一份有关微塑胶对渔业及水产养殖的报告，当中指出「在可预见的将来，水生环境中的微塑胶污染情况将会持续恶化，同时有关较小的微塑胶（小于 150 微米）在水生环境和生物中所出现的问题，以致对海产安全可能造成的影响，目前明显存在著了解不足的情况」。因此，未来对微塑胶数量以及野生动物接触的风险评估研究，应著眼于较小的微塑胶，特别是那些小于 50 微米甚至 10 微米大小的微塑胶。至于较大的微塑胶，研究人员则认为较容易透过排泄将其排出体外。
传统方法在环境水中收集及量化微塑胶的局限
然而，现时大部分环境水的研究主要使用捕网和筛子来采集样本，例如魔鬼鱼网（≥ 333 微米）、浮游生物网（≥ 100 微米）和金属筛子（125-355微米），因此研究对象主要为大于 50 微米的微塑胶。举例而言，美国国家海洋及大气管理局（NOAA）在 2015 年发表的一份技术备忘录中，建议使用 335 微米的表面网来过滤微塑胶物质。Lindeque 等人在2020 年一项研究中尝试使用网格大小分别为 100、333 和 500 微米的捕网，以表面拖网方式来收集微塑胶。比较与 333 微米和 500微米捕网所收集到的微塑胶数量，100微米捕网分别多了 2.5 倍和 10 倍。此外，由于肉眼可能无法看见直径介乎 1-50 微米之间的细小微塑胶物质，因此令识别和量化工作变得更为困难。到目前为止，由于没有有效的方法来收集和量化尺寸小于 50 微米的微塑胶，因此针对这些微塑胶而进行的水样本调查研究并不多。因应这个情况，研究团队研发了一种新方法，能有效地收集、检测和量化环境水样本中 1-50 微米的小型微塑胶。
制订量化小型微塑胶的创新方法
将微塑胶（特别是透明的微塑胶）与其他有机和无机颗粒区分，是研究的一大难题，而使用萤光染料可以是检测塑胶颗粒的一个解决方案。Maes 等人于2017 年在一项研究中使用称为尼罗红（NR，化学名称：9-diethylamino-5H-benzo[a]phenoxazine-5-one）的萤光染色剂以标记微塑胶，于蓝色 LED 灯光的照射下，可透过显微镜来识别被染色的微塑胶。透过这种方法，只需要很短的时间便可将微塑胶染色，并且得到非常高的回收率（96.6%）。如图 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）等一些常见的微塑胶，均能被 NR 染色，于蓝色激光（波长 ~ 450 – 480 纳米）照射下并透过 515 纳米波长的射光过滤片下观察以来进行检测。染了色的微塑胶表面上会见到深红色甚至深金黄色的萤光。
图 1.一些常见的微塑胶被尼罗红染色后在显微镜下的影像。
NR 是一种亲脂性染料，除了可以为塑胶物质染色外，其他有机物质亦会被染色，而被 NR染色的其他有机物质，会产生干扰问题令微塑胶所造成的污染程度被高估。为了减轻环境水中有机物质的干扰，在NR染色前会先进行消解程序，利用过氧化氢（H2O2）将水样本中的有机物质氧化。过氧化氢能有助减少有机碳，但不会导致微塑胶降解。
研究人员利用了流式细胞分析仪的这个创新技术以检测和量化细小的微塑胶。流式细胞分析仪原本是一种光学讯号的仪器，利用激光来检测流体中的细胞和颗粒。图2是流式细胞分析仪的示意图，当中包含细胞／颗粒悬浮液的样本会借助鞘液以流体动力学于管嘴聚焦，让细胞／颗粒逐一通过流动槽的激光。透过这个方法，研究人员可以检测到激光照射后所产生的前散射、侧散射和萤光讯号，从而了解细胞／颗粒的化学和物理特性。2020 年，由爱尔兰、挪威和丹麦科学家合作进行的一项初步研究显示，流式细胞分析仪能够检测到超纯水中某些细小的微塑胶。虽然这项研究只是在超纯水中加入大量同一类型的微塑胶，但是利用流式细胞分析仪这方法有可能以更准确地检测环境水样本中的小型微塑胶。相比使用人手利用显微镜来进行识别，使用流式细胞分析仪的优点如下：
- 能自动量化而无需人手点算，从而提高准确度（减少假阳性／阴性）和效率（每个样本只需 < 10 分钟）
- 能识别大小细至 1 微米（甚至更小）的小型微塑胶
- 由于整个过程无需对颗粒进行目视判辨，因此能避免了人为的主观影响（可节省人力）
图 2. 流式细胞分析仪示意图
由香港都会大学和斯德哥尔摩大学的合作团队希望利用流式细胞分析仪，将微塑胶分析下限降至 1 微米，以监测环境水样本中的微塑胶。由于流式细胞分析仪的样本数量一般都很少（最多几毫升），而环境样本中的小型微塑胶浓度可能很低，因此必须采用一种有效的提纯方法以将细小的微塑胶从大容量的水样本中浓缩，从而提高灵敏度以及保持样本的代表性。图 3 显示了这个方法的流程图。在分析环境水样本中的微塑胶时，需要注意的事项包括：
- 避免使用塑胶器具。采样和准备样本时应使用玻璃器皿和金属器皿
- 使用前，所有玻璃器皿都必须使用超纯水冲洗，并在马弗炉中以 450°C 高温裂解 5 小时，以清除所有残留的有机物质。为了尽量减低空气污染，所有玻璃器皿在使用前都必须以铝箔覆盖
- 使用前，所有试剂和溶液均需经过 0.22 微米的针筒式滤材过滤，以尽量减低污染风险
图 3.微塑胶的分析流程图，将水样本预先浓缩、湿式氧化、染色后以流式细胞分析仪分析。
简单而言，这个方法的流程如下：先以5 毫米的金属筛子过滤 5 升的环境水样本，以清除大型碎片，然后以 50 微米的金属筛子将两种不同大小的微塑胶（亦包括非塑胶颗粒）分隔开来。将剩余在筛子上大于或等于 50 微米的微塑胶以传统的显微镜方法来进行分析；而滤出液中所含有小于 50 微米微塑胶则以真空过滤法将浓缩。之后，用10 毫升的超纯水将残留在真空过滤滤膜上的小型微塑胶洗脱 （即由最初 的5 升样本进行 500 倍浓缩）。预先浓缩过程不仅能减少样本体积以提升灵敏度和检测限度，亦能清除可溶性有机碳和无机盐以降低样本基质所造成的干扰效应。由于不同类型塑胶的密度有所不同，因此需要在洗脱溶液中加入表面活性剂（Tween 20），以降低水的表面张力令微塑胶悬浮于洗脱溶液中。接著，利用过氧化氢将洗脱溶液中的有机物质湿式氧化。完成湿式氧化后，以萤光 NR 染料将1-50 微米大小的微塑胶染色，并且以流式细胞分析仪进行量化。图 4 显示 超纯水中添加了三种不同大小（1 微米、10微米及 38微米）的微塑胶，经流式细胞分析仪分析后所得出的萤光讯号（显示被染色的微塑胶数量）及前散射（显示微塑胶大小）对比图，当见流式细胞分析仪能够分辨微塑胶的尺寸。
图 4. 水样本中添加了三种不同大小（1 微米、10微米及 38微米）的微塑胶，经流式细胞分析仪分析后所得出的萤光讯号（显示被染色的微塑胶数量） 及前散射（显示微塑胶大小）对比图。
为了验证这个新方法，我们在超纯水和环境水样本中添加了已知数量的微塑胶，利用统计分析方法比对了新方法和以目视进行显微镜鉴别的方法两者介乎 10-50微米的大小微塑胶结果，发现两者分析出来的数量非常接近。总括而言，这个新方法透过真空过滤预先浓缩微塑胶以提高灵敏度；以过氧化氢进行湿式消解来降低干扰；以 NR萤光染色来提升特异性；以及以流式细胞分析仪进行测定以提高效率和一致性，能够从环境淡水和海水样本中，量化 1-50 微米大小的微塑胶。
测定海水中的微塑胶
研究人员分别在 2021 年 7 月及 2022 年 4 月，于香港马料水渡轮码头和荃湾西海域大约 1米的深度，收集了两个海水样本。表 1 总结了不同尺寸（即 1-10微米、10-50微米，以及 50 微米）的微塑胶浓度。
| 微塑胶尺寸 | 马料水渡轮码头 （每升海水的颗粒数量） |
荃湾西 （每升海水的颗粒数量） |
|---|---|---|
| ≥ 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
结果显示，大部分发现的微塑胶都小于 10 微米；在马料水和荃湾西，1-10 微米的微塑胶数量比 ≥ 50 微米的分别多 4,029 倍及 9,600 倍。结果反映香港沿岸海域的微塑胶含量相当高（每升大约超过 100,000粒）。由于过往很多在香港和世界各地对环境水中微塑胶的评估都只是检测 ≥ 100 微米大小的微塑胶，因此这些评估结果可能低估了环境中微塑胶的总含量。
由于微塑胶的数量和分布情况可能会随时间和地点而有所不同，只在特定地点检测微塑胶污染水平一次，并不足以反映整体的污染情况。因此我们需要在香港多个地点进行为期两年的全面研究，以得出微塑胶数量的地点分布和时间变化之结论。
微塑胶监测及污染的前景与挑战
我们利用自制的方法，成功地将微塑胶的检测大小下限值降至 1 微米，因此评估能够涵盖水环境样本中所有大小的微塑胶。可是，若要全面了解微塑胶污染，当中仍有很多让人困扰的问题有待解决。目前，我们的团队正在针对这些问题寻找解决方案，当中包括
- 监测香港海域微塑胶污染在地点分布和时间上的变化；
- 采用更有效的湿式氧化／消解方法，以尽量减少有机碳的干扰；
- 使用其他萤光染料来识别塑胶种类，及
- 在其他水环境（例如废水）和基质（例如沉积物）中扩展微塑胶的量化方法。
由于不同的实验室可能各采用自订的取样和微塑胶评估方法，因此无法将彼此不同的结果直接进行比较。而协商标准方法将有助环境科学家比较彼此研究的结果，并提供一个全球科学平台以评估微塑胶污染。
另一方面，我们有迫切需要减少微塑胶污染和塑胶废物的排放，但由于无法即时停用塑胶，社会上暂未有一个万全之策应对。即使我们现在能够停止生产新的合成塑胶，但目前在市场、堆填区中和不同环境中存在的塑胶废物，仍会继续推高微塑胶的现存水平。国家、地区和国际间必须推行政策，以减少使用即弃的食物容器、餐具、包装和个人护理产品，以及提升废物的回收率。另外，社会亦可能需要改善污水和雨水处理设施，以减少微塑胶排放到环境水中。
作者︰
香港都会大学科技学院副教授史东甫博士
香港都会大学科技学院助理教授陈文艺博士
瑞典斯德哥尔摩大学环境科学学系后博士研究员卢凯诚博士
香港都会大学科技学院研究生谢悦童先生
2022年9月