暴露条件控制着海洋环境中塑料的降解过程：来自紫外线处理、漂浮实验和潮间带实验的证据

《Environmental Pollution》：Exposure conditions control plastic degradation in marine environments: evidence from UV, floating, and intertidal experiments

　　埃斯特万·帕斯夸尔-帕拉（Esteban Pascual-Parra）|艾尼奥亚·埃尔南德斯-加西亚（Ainhoa Hernández-García）|哈维尔·佩雷斯-巴贝里亚（Javier Pérez-Barbería）|安德烈斯·阿里亚斯（Andrés Arias）|何塞·M·里科（José M. Rico）
西班牙阿斯图里亚斯地区奥维耶多大学（University of Oviedo）生物与系统生物学系

**摘要**
进入海洋环境的塑料垃圾会经历逐渐的降解过程，最终碎裂成微塑料。然而，聚合物类型和环境暴露途径对降解动态的相对影响尚未得到充分量化。本研究通过实验评估了六种常见消费塑料（PET、HDPE、PVC、LDPE、PP和PS）在三种具有环境代表性的条件下的降解情况：海水中受控的UV-A辐射、模拟海洋漂浮垃圾的浮力作用，以及受潮汐循环影响的潮间带环境。在3至6个月的时间里，利用包含变色、光泽度损失、表面侵蚀、微裂纹、颗粒脱落和孔隙率在内的六项标准指标，结合比色法、图像分析和扫描电子显微镜技术，对塑料的物理和光学性能进行了评估。采用贝叶斯累积序数回归模型来综合分析不同处理条件下的降解反应。

研究结果表明，不同聚合物的降解模式具有明显差异，并且受环境因素影响显著。在潮间带条件下，由于光化学、机械、热、氧化和生物因素的综合作用，塑料表面损伤最为严重。广泛的微裂纹、孔隙率增加以及颗粒释放表明塑料正在发生活跃的破碎过程，可能产生二次微塑料。漂浮条件下的降解程度中等，而单独的实验室UV辐射仅导致有限的性能下降。这些发现表明潮间带是二次微塑料生成的关键热点区域，并强调仅靠实验室UV实验无法完全反映实际海洋环境下的降解动态。

**引言**
自20世纪中叶大规模工业化生产以来，塑料因其低密度、高耐久性、化学多样性和成本效益而广泛应用于人类活动的各个领域（Khan和Iqbal，2023；Stanley等人，2025）。目前估计全球每年塑料产量超过4亿吨（Nayanathara Thathsarani Pilapitiya和Ratnayake，2024），其中大部分塑料管理不善，最终被排放到自然生态系统中（Lebreton等人，2018），对多种陆地和海洋生物造成致命或亚致死影响（Roman等人，2021；Butterworth，2016；Ullah等人，2023），并促进生物入侵（García-Gómez等人，2021）。塑料已遍布从海洋表面到最深海沟的整个海洋生态系统（Miyake等人，2011；Peng等人，2020），海底成为其最终沉积场所。尽管约60%的塑料密度低于海水（Andrady，2011），因此具有浮力，但物理化学降解和生物污损会逐渐增加颗粒密度，使其向更深层次沉积（Gennip等人，2019；Peng等人，2020）；同时，浮力塑料会被表面水流重新分布到沿海区域或卷入海洋环流（Kako等人，2014；Lebreton等人，2018）。全球已识别出五个主要的塑料堆积区（Andrade等人，2021），其中大太平洋垃圾带（GPGP）最为人所知，估计含有7.9万吨分散在约160万平方公里范围内的塑料（Lebreton等人，2018）。这些塑料堆积通过直接物理作用（如缠绕、吞食）（Butterworth，2016；Roman等人，2021）和间接毒理学途径（包括重金属、药物、持久性有机污染物和内分泌干扰化学物质的吸附与释放）（Maity等人，2021；Guo等人，2021；Ullah等人，2023）对生态系统构成威胁。

在所有环境中，塑料都会因机械磨损、紫外线（UV）辐射和光氧化反应等机制而逐渐破碎，形成微塑料（<5毫米）和纳米塑料（<1微米）。降解的速度和程度受聚合物组成、化学添加剂和环境暴露条件的影响（Zhang等人，2024）。逐渐的破碎过程增加了塑料的比表面积，从而增强了其对重金属和药物化合物的吸附能力（Gomes de Arag?o Belé等人，2021），并加剧了塑料垃圾对海洋生物的生态毒性影响（Mattsson等人，2018）。尽管平流层臭氧层在过去几十年有所恢复（Fang等人，2019），但全球气温持续上升的趋势（Alfonso等人，2021；López-Alonso等人，2023；Stroeve等人，2025）可能会通过紫外线辐射和热应力的协同作用加剧塑料降解过程（Zhang等人，2024）。然而，尽管人们对这些因素的认识日益增加，但在实际沿海和海洋环境中，多种应力因素共同作用时，紫外线辐射、温度和环境暴露条件对不同聚合物类型降解的影响仍知之甚少。阐明这些气候和环境因素对沿海和海洋系统中多种聚合物类型降解动态的综合影响，对于理解全球变化背景下的塑料降解过程至关重要。此类知识对于制定更健全和可持续的国际监管框架也至关重要，不仅在发展中国家（这些国家的塑料生产、利用和废物管理方面的生态可持续政策和技术能力有限，Uzochukwu等人，2021；Nayanathara Thathsarani Pilapitiya和Ratnayake，2024），而且在工业化国家（现有管理策略仍需改进）也是如此。

**先前研究**
以往的实验研究在受控条件下考察了特定聚合物的降解情况，为降解机制提供了基础性见解。基于实验室的UV辐射实验显示，聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯在质量损失、表面裂纹和羰基指数发展方面存在聚合物特异性差异（Gewert等人，2015；Cai等人，2018；Burrows等人，2024）。而在沿海和开阔海域进行的中间尺度和原位现场实验则强调了机械磨损和生物污损在加速破碎过程中的作用（Fazey和Ryan，2016；Pauli等人，2017；Finlay等人，2025）。在潮汐或波浪作用条件下进行的研究进一步表明，光降解与物理应力之间的相互作用决定了动态沿海环境中的降解路径（Cooper和Corcoran，2010；Zaini等人，2024）。然而，同时评估UV辐射、浮力驱动的海洋暴露和潮汐沿海动态的多聚合物、多场景实验设计仍然较少。这一知识空白限制了海洋系统中塑料命运预测框架的发展，尤其是在气候变化加速的背景下。

**本研究目的**
本研究旨在探讨UV辐射是否是影响沿海和海洋环境中塑料降解行为的关键环境因素，特别关注其在实际多应力暴露条件下的作用。为此，在不同的时间和环境条件下进行了受控实验，包括三种暴露时间（0个月、3个月和6个月）和三种处理方式：仅暴露于UV辐射、模拟海洋漂浮塑料的浮力条件，以及在受潮汐影响的沿海环境中暴露。该综合实验设计旨在区分不同海洋环境中光化学、热和机械因素的相对和综合效应。实验中使用了六种常见的聚合物类型，系统评估了降解反应与聚合物组成和环境因素的关系，从而了解它们对环境相关降解过程的敏感性。

**实验设计**
根据树脂识别代码（Resin Identification Code，RIC）选择了六种常见塑料：（1）聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），（2）高密度聚乙烯（HDPE），（3）聚氯乙烯（PVC），（4）低密度聚乙烯（LDPE），（5）聚丙烯（PP），（6）通用聚苯乙烯（GPPS）。PVC和GPPS从工业供应商处购买商用板材，其他塑料则从超市购买的日常消费品中获取。

**模型估计与收敛性**
使用196个观测数据和12,000次后验抽样（4条链；每条链4,000次迭代；1,000次预热）拟合了一个贝叶斯累积逻辑回归（proportional-odds）模型，用于六个序数降解指标（颜色、光泽度、侵蚀、裂纹、颗粒脱落和孔隙率）（补充材料1，2）。大多数参数的收敛性诊断结果令人满意（Rhat值约为1.00，有效样本量通常足够），支持对颜色和光泽度的稳定后验推断。

**讨论**
研究表明，海洋环境中的塑料降解强烈依赖于暴露条件、聚合物类型和暴露时间。在潮间带条件下降解最为严重，在漂浮海水中次之，在受控实验室UV辐射条件下最低。不同聚合物之间存在显著差异，其中聚丙烯（PP）和低密度聚乙烯（LDPE）是最容易降解的聚合物。

**结论**
海洋环境中的塑料降解受暴露条件强烈控制，其中潮间带环境导致所有评估指标的最严重恶化。浸没和暴露的循环、高UV辐射、温度波动、较高的氧气可用性和机械磨损共同加速了降解过程，使沿海区域成为快速破碎和生成较小塑料颗粒的关键区域。

**作者贡献声明**
埃斯特万·帕斯夸尔-帕拉（Esteban Pascual Parra）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、资源提供、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。
何塞·M·里科（Jose M. Rico）：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、数据分析、概念化。
安德烈斯·阿里亚斯（Andrés Arias）：验证、监督。
哈维尔·佩雷斯-巴贝里亚（Javier Pérez Barbería）：撰写——审稿与编辑、验证、数据分析。
艾尼奥亚·埃尔南德斯-加西亚（Ainhoa Hernández García）：资源提供、方法论设计、调查实施。

**利益冲突声明**
哈维尔·佩雷斯-巴贝里亚（Javier Pérez Barberia）表示获得了西班牙国家研究委员会的财政支持。埃斯特万·帕斯夸尔-帕拉（Esteban Pascual Parra）表示获得了阿斯图里亚斯地区政府的行政支持、设备、试剂和旅行费用。其他作者声明没有已知的财务利益或个人关系冲突。

**致谢**
作者衷心感谢奥维耶多大学气候变化研究课题组（Cátedra de Cambio Climático de la Universidad de Oviedo）提供的财政支持，该支持涵盖了项目开发和参与项目的学生奖学金。本研究还得到了SEKUENS机构以及欧盟通过欧洲区域发展基金（ERDF）的资助，该基金属于阿斯图里亚斯公国研究小组的资助计划（IDE/2024/000800）。