論文入選ES&T內封面
生產出能夠存在幾百年卻只使用不到幾天的東西是不可取的。
然而我們都習以為常了。
轟轟烈烈的限塑令似乎早已成為過去，現在外賣層層的包裝，仿佛比以前更加肆意地使用著方便快捷的塑膠：
說它方便，確實隨處可見；
說它快捷，確實扔得很快。
隨著空氣汙染十幾年來的治理，大氣細顆粒物（PM2.5，空氣動力學直徑≤ 2.5 μm）的濃度越來越低。然而，在塑膠問題上， 對塑膠汙染的了解卻遠遠不夠 。
2月發表於【Environmental Science and Technology】的一項研究提出了一種高時間分辨率定量和表征大氣中微納米塑膠的方法。
研究者透過一百次采樣的質譜定量發現，在上海PM2.5中微納米塑膠（FPPs）的占比可能超乎想象的高，達到了13.2%。考慮到FPPs來源與人為活動密切相關，對生態系和人類健康構成潛在威脅。鑒於過去 70 年來塑膠產量的急劇增加，這在提醒著我們：必須更好地量化和控制大氣中的 FPPs 汙染。
本研究平均FPPs濃度為5.6 μg/m³，主要成分為PVC、PS、PE。根據MPPD模型估計（aerosol concentration = 5.6 μg/m³, breathing frequency = 12/min; tidal volume = 625 mL; pause fraction = 0; breathing scenario =nasal）， 僅僅一個月時間，透過鼻子呼吸，一個人便足以吸入1.8 mg的塑膠顆粒 。值得註意的是，這裏統計的是對人體影響最大的空氣動力學粒徑小於2.5 μm的顆粒量，與更大的顆粒（如PM10）相比，它在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，能夠進入人體更深的部位，影響和危害也更大。
關鍵詞 ：大氣微納米塑膠；高時間分辨率定量系統；大氣塑膠溯源
大氣中塑膠及塑膠添加劑的時間變化規律
圖1 | 3種FPPs和2種PAEs的濃度分布模式。
在城市環境中，使用VACES和TD/ Py-GC-MS對PM2.5中的FPPs和PAEs(鄰苯二甲酸酯)進行了鑒定和量化。在98個樣品中幾乎全部檢測到FPPs, FPPs的檢出率為63.3%，PAEs的檢出率為99.0%。我們檢查了六種主要塑膠和十六種主要塑膠添加劑，其中PE、PS和PVC，以及兩種塑膠添加劑(DIBP和DBP)在人類活動加劇期間被大量發現。
FPPs質素濃度在一天內波動明顯，且塑膠含量的波動與PM2.5的波動相關性極弱，表明兩者可能具有不同的來源。 PM2.5中FPPs的平均濃度為5.6 μg/m³，FPPs是城市PM2.5的重要組成部份，但其高貢獻常被忽視。透過高時間分辨率的采樣和定量發現，聚氯乙烯、聚氯乙烯和聚乙烯之間存在顯著相關性，表明這些微納米塑膠顆粒有一個共同的來源。FPPs與PM2.5濃度之間沒有顯著相關性，表明FPPs與PM2.5的模式不同。
DBP和DIBP是聚氯乙烯產品中最常用的PAEs，也是環境中PAEs濃度的主要成分。空氣中的微納米塑膠卻並非PAEs的來源，因為PAEs與空氣中的細顆粒物之間沒有顯著的相關性。PAEs與PM2.5之間存在高度的時間相關性，表明它們可能有共同的來源，並一起運輸。PAEs可能是形成PM2.5的前體物質。
因此，可能需要不同的方法來控制FPPs和PAEs的環境濃度，因為它們可能有不同的來源。而協同控制FPPs和PAEs在PM2.5中的含量是改善城市空氣質素的重大挑戰。
如何鑒別大氣中的微納米塑膠？
圖 2 | PM2.5中納米塑膠和微塑膠的表征和成像。
利用SERS和高分辨率SEM-EDS表征PM2.5樣品中的納米級和微米級FPPs。收集到的FPPs呈現出多種形態，包括褶皺、不規則邊緣、碎片和不規則菱形的片狀形態。
透過形貌學對含碳量高的顆粒進行進一步判斷。其中，Tar balls很容易被辨識，因為它們的球形形態是由氣體到顆粒轉化的結果，然後是初級生物質燃燒顆粒的冷凝生長。soot含有小球粒，形成碎形鏈結構，大小從納米到幾微米不等。因此，SEM-EDS可以辨識和表征納米塑膠顆粒，根據碳含量將納米級FPPs與其他納米顆粒區分開來。對於具體塑膠種類的鑒別，使用表面增強拉曼（SERS）辨識了PS和PVC顆粒。
在上海大氣中發現大量納米塑膠。發現三種類別的FPPs (PS, PVC和PE)對城市PM2.5的有機氣溶膠部份有顯著貢獻。而這三種塑膠是全球消費最多的塑膠，占2021年歐洲塑膠消費總量的45.9%。考慮到納米塑膠的環境不穩定性和顆粒異質性，關註這三種類別的FPPs的環境行為和命運對人類健康和生態系安全至關重要。
大氣微納米塑膠的可能來源
圖 3 | FPPs的潛在來源和相對豐度。
透過PSCF發現高濃度汙染事件源自西北方向，那裏有許多工廠和社區。而FPPs水平的快速增長並不總是與PM2.5同時出現，這表明存在其他強烈的爆發性來源。大氣中FPPs的時空行為可能與PM2.5不同，單純依賴PM2.5作為大氣顆粒物汙染的指標可能低估大氣微納米塑膠暴露的風險。海洋可能成為沿海市區大氣中浮遊生物的一個潛在來源，原因是塑膠排放到海洋中，以及海洋中的塑膠漂浮物透過泡沫破裂從海洋轉移到大氣中。
在市區，人類活動是FPPs的主要來源，其日變化模式顯示，在繁忙的交通、購物和戶外活動期間，FPPs的豐度最高。同時，人的活動時間也是暴露FPPs最多的時間。FPPs的豐度在假期較高，尤其是在戶外活動期間，而在室內休息和假日用餐期間則較低。在平日，FPPs豐度波動，但整體呈上升趨勢。 但夜晚睡眠時間FPPs濃度極低 。
道路交通對大氣中行人數目有顯著影響，道路擠塞指數與行人數目在平日及假期均呈顯著正相關。市區交通是市區大氣中FPPs的主要來源之一。
以往模型的缺陷，我們能做什麽？
圖 4 |POC & PM2.5 & POA & PAEs的相關性。
大氣微納米塑膠的濃度與WRF-CMAQ模型中傳統的初級有機碳(POC)和初級有機氣溶膠(POA)的相關性不高，說明它們可能來源不同、或模型清單不準確。然而FPPs是屬於以碳鏈為主要結構的塑膠，屬於POC的範圍。既然在定義上FPPs屬於POC，那問題應該出在模型上。我們發現MEIC清單裏的POC的來源有野火燃燒、發動機積碳和工廠排放。而塑膠並未被妥善地納入模型和清單的考慮範圍中。
考慮到FPPs受人類活動(例如道路交通和戶外活動)產生的塑膠顆粒的影響，而PAEs可能與PM2.5有相同的來源，例如工業過程。不同的生產源可能導致與PM2.5汙染事件不同步的高FPPs汙染事件。因此，監測具體人為活動或工業生產的塑膠排放，是塑膠質素控制建模的關鍵。 本研究提供了高時間分辨率測量和表征大氣微納米塑膠（FPPs）的系統是大氣微塑膠研究的有力幫手。
綜上，我們開發了一種可靠的系統方法，用於采樣和表征大氣FPPs，實作高時間分辨率的靈敏連續監測。並行現，人類活動，特別是城市交通，是大氣中FPPs的主要來源。上海大氣FPPs的平均濃度為5.6 μg/m³，占PM2.5的13.2%，對人體健康的潛在影響令人擔憂。鑒定了了納米尺寸和微尺寸的FPPs，其中納米塑膠是重要的組成部份。我們呼籲進一步研究在全球範圍內確定環境FPPs的時空分布規律，以評估它們對空氣質素和人類健康可能產生的影響。
論文的一作為復旦大學級直博生陳昀芊和西湖大學直博生景思源，通訊作者為浙江工商大學的俞紹才教授、西湖大學的Thomas C. Wanger教授、和復旦大學環境科學與工程系陳建民教授。
論文資訊：
Chen, Y., et al. (2024). Quantification and Characterization of Fine Plastic Particles as Considerable Components in Atmospheric Fine Particles. Environmental Science & Technology 58(10): 4691-4703. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c06832
