Това проучване предоставя широкомащабни данни за дълбочината на замърсяването на Атлантическия океан от PE, PP и PS микропластици. Нашите наблюдения показват много високи концентрации на тези полимери в диапазон на размери 32–651 µm, разпространяващ се по всички ширини и проникващ от близкия повърхностен океан, през смесения слой и във вътрешността на океана (> 200 m).
Като цяло относителните масови концентрации на полимер-специфичните микропластмаси в нашите проби (PE> PP> PS) съответстват на полимерния състав на пластмасовите отпадъци, генерирани в световен мащаб 19 и уловени в повърхностния океан и в морското дъно (преглед от реф. 20 и справки в тях).
Предизвикателно е прякото сравнение на данните за изобилието ни в близост до предишните атлантически изследвания на микропластичното замърсяване, тъй като почти всички от тях прилагат различни подходи за вземане на проби и анализи. Като такова, нашето проучване оценява по последователен, целенасочен начин по-малката категория микропластмаси в обширен океански регион и на три дискретни дълбочини и ги анализира, използвайки FTIR образна техника. Нашият метод даде възможност за откриване на много малки частици и не изисква визуален подбор на съмнителни пластмаси преди анализа 33 . По този начин ние открихме много по-голямо изобилие в близост до повърхността на изследваните полимерни групи (комбиниран обхват, 990–6999 частици m −3) в сравнение с атлантическите записи на предварително подбрани насипни микропластични отломки с диапазон на размери ≥10 µm (обхват, 13–801 частици m −3 ; ref. 34 ). По същия начин открихме повече отломки PE (64 частици m −3 ), PP (29 частици m −3 ) и PS (12 частици m −3 ) в обхват> 250 µm от предишните проучвания на насипни микропластмаси в Атлантическия океан (напр. обхват 0–8,5 частици m −3 в справка 35 и 0–22,5 частици m −3 в справка 36 ). Нашите полимер-специфични концентрации, обаче, значително по-ниски от натоварването на насипни пластмасови отпадъци от> 25 цт по размер открива в морски лед полярния (10 5 -10 8 частици m- 3 ), използвайки същия подход за откриване 33 . Обърнете внимание, че PE също доминира в полимерния състав в повечето арктически ледени ядра, изследвани в реф. 33 .
Въпреки различните методологии, нашите измервания в близост до повърхността са сравними с оценките, коригирани от вятъра за 25–1000 µm насипни микропластици, плаващи в Северния Атлантически океан (610–36 000 частици m- 3 ; реф. 31 ). Разпределението на размера на частиците на микропластиците PE, PP и PS е доминирано от фракция 50–80 µm, в съответствие с резултатите от ref. 34 . Комбинираната масова концентрация на PE, PP и PS в близката повърхност (диапазон, 259–1969 µg m −3 ) също беше със същия порядък като концентрациите на плаващи насипни пластмасови отломки с размер> 300 µm (100 –1000 µg m −3 и справка 10 и 5–14 000 µg m −3 в справка 31). В допълнение към референции. 31 , 34 , нашите констатации сега осигуряват силна подкрепа за по-малките микропластмаси, които са доминираща съставка на океанския пластмасов инвентар, по-рано неотчетени от общите техники за вземане на проби и следователно не включени в оценките на океанската тежест на пластмасите 7 , 37 , 38 .
Наблюденията на микропластичното изобилие в открития океан и на дълбочини под смесения слой са направени само в Арктическия централен басейн 8 . Тези данни са ограничени и до предварително подбрани микропластици с размер по размер> 250 µm, от които 96% са синтетични влакна. Останалата фракция е микропластмаса без влакна от полимерни видове, различни от PE, PP и PS и комбинирани концентрации 0–4 частици m −3 , което пречи на директното сравнение с нашите данни.
По отношение на модела на разпространение в басейна, не наблюдаваме значително увеличение на подпочвеното изобилие от малки микропластмаси в субтропичните извивки на Атлантическия океан, където по-големи плаващи пластмаси, предшественици на микропластика, изглежда се натрупват според предишните усилия за вземане на проби 10 , 34 , 39 , 40 и прогнози от мащабните модели за транспортиране на повърхностен океан 7 , 37 , 38 . В северната стена повишеното изобилие от микропластмаси PE, PP и PS се наблюдава само при 15 ° северна ширина (фиг. 2 ) и вероятно се доставят от Кабо Верде (разположено ~ 600 км източно от мястото за вземане на проби (фиг. 1))) от преобладаващите течения и ветрове. Концентрациите и на трите полимерни групи бяха най-ниски в станции 15–19 в южната част на Атлантическия субтропичен извор (фиг. 2 ). Понастоящем това пространствено несъответствие не може да бъде обяснено със сигурност. Една от причините е, че все още не е измерена пълната степен на натрупване на пластмасови отломки от различни класове по размери, докато по-голямата част от повърхността на океаните и подземните води също е недостатъчно 7 . Това въвежда сериозни несигурности при идентифициране на модели на разпространение на замърсяване с пластмаса на басейни и глобални скали 7 , 41 . Забележителен е фактът, че по-ранни проучвания 10 , 34 , 39 , 40съобщават за силно променливо изобилие от нетно събрани пластмаси в кръговете с различни местоположения на измерените горещи точки в Атлантическия океан спрямо нашите места за вземане на проби. Друга причина се отнася до основните процеси, които доставят, разпространяват, трансформират и премахват пластмасите в океана, които трябва да бъдат ограничени, за да се обяснят разликите в изобилието на пластмаса в морската повърхност и в дълбочина. По този начин повърхностният опис на пластмаси във всеки клас на размерите на дадено място отразява входящите и степента на отстраняване във времето. Скоростта на въвеждане е функция от количеството пластмасови отломки, влизащи в океана, и от скоростта, с която те се фрагментират до размери, които могат да бъдат уловени от наличните техники за вземане на проби. Веднъж в повърхностния океан, пластмасата се разпределя наоколо от преобладаващите ветрове, повърхностни течения и малки характеристики на циркулация7 , 42 , 43 . Процесите на отстраняване ще разреждат пластичните концентрации в повърхността и ще определят тяхното изобилие във вътрешността на океана 34 . Тези процеси включват адвекция 37 , 44 , поглъщане от зоопланктон 17 и по-големи морски организми 45 , гравитационно потъване след биообрастване и включване на микропластмаси във фитодетритни агрегати 15 и фекален материал 18. Механистичният характер, силата и скоростта на тези процеси на преразпределение и отстраняване понастоящем са неизвестни, но вероятно ще варират в различните региони на океанографията в Атлантическия океан и в световен мащаб. Нашата оценка на дълбочината на микропластично замърсяване върху пространствено обширен трансект в Атлантическия океан разкрива сложността на взаимодействията между океанските процеси и пластмасовите отломки. За разрешаване на тези взаимодействия в различни океански региони са необходими интензивни, последователни и многократни усилия за вземане на проби, подобни на ежегодно повтарящите се AMT пътувания или включващи автономни наблюдения in situ. Това е критично, ако искаме да разберем и предвидим съдбата и въздействието на пластмасовите отломки върху морските екосистеми.
Нашето проучване показва силна хетерогенност в хоризонталното и вертикалното изобилие на отделните видове пластмаса. Повсеместното присъствие на PE и PP микропластмаси в повърхностните океани 33 , 34 , 35 и седиментите 9 е документирано по-рано. Сега показваме, че подповърхностното замърсяване с тези полимери също е широко разпространено и достига до много отдалечени райони на Южния Атлантически океан (фиг. 2а, б ). PE и PP са най-използваните и замърсени в световен мащаб 19, а също така първоначално са плаващи в морска вода и по този начин могат да изминат дълги разстояния, преди да се изгубят в океана 33. Възможно е повишените количества микропластици PE и PP (до 2553 и 726 частици m −3 , съответно), открити около Южна Джорджия (станции 27 и 30), са били рекламирани от Южния фронт на ACC, пътуващи от боклука на Rapa Nui в южноатлантическия 39 , 46 или от Субантарктическия фронт, който би могъл да завладее замърсени с пластмаса води, превозвани от Бразилските течения 39 . Приносът от местните риболовни дейности около архипелага също е вероятен. Например части от риболовни съоръжения, като сплетени въжета от парагади и тралове, често са изработени от PE и PP или композитни материали от PE с други полимери 47 , 48 , 49 .
От изследваните групи, PS е единственият полимер, който показва значително намаление на южното му изобилие от повърхностна маса (Mann-Whitney, W = 233, p = 0.0053, α = 0.01; фиг. 2е ), което вероятно се дължи на по-ниското производство, потребление и отпадъци от този полимер от страните в Южното полукълбо 4 , 50 . PS микропластиката е оскъдна в близката повърхност, в съответствие с предишни наблюдения 35 , 40 ; те рядко се срещат в мезопелагичния слой и не се откриват на тази дълбочина в Южния Атлантик (фиг. 2в, f). Относително ниската стабилност и високите нива на разграждане на PS в морската вода могат да бъдат едно от обясненията за ниското изобилие, както и по-малките размери на частиците на този полимер в сравнение с тези на PE и PP 51 . Освен това PS се произвежда в два различни химически класа, които могат да повлияят на съдбата му във водния стълб. Микропластмасите от кристален клас PS (използвани в домакински съдове и твърди опаковки) са по-плътни от морската вода ( ρ = 1,04–1,05 g cm −3 ) и следователно може да са по-склонни да се транспортират надолу по водния стълб и да надминат дълбочините, взети в нашето проучване . Като алтернатива, но не изключително, микропластмасите, получени от експандирания PS материал, който представлява 98% газ по състав с плътност ~ 0,05 g cm −3, може да бъде задържано за предпочитане над най-малката дълбочина, взета в нашето изследване и / или разпръснато хоризонтално чрез преобладаващи повърхностни течения 44 и ветрове.
Отбелязваме по-висока грешка на концентрациите на PS в сравнение с тази на PE и PP (фиг. 2 ) поради ниския абсолютен брой на PS микропластиците в отделните проби (допълнителна таблица 1 ). Преди това беше предложено значението на оценката на микропластмасите, базирана на класа, в пробите от околната среда 2. Нашите данни показват важността на приспособяването на методите за вземане на проби от микропластици и анализ на конкретни полимерни типове с оглед на вероятното им изобилие в околната среда. По този начин, целенасоченото извличане на полимерни видове, които представляват интерес, предварително концентрирането им чрез филтриране на по-големи обеми вода и сканиране на по-големи области на изображението върху филтъра може да намали несигурността при изучаване на сравнително редки пластмаси, като PS. Подобен подход е разработен за измервания на основни и микроелементи в океана 52 , който би могъл да се използва като насока за подобряване и хармонизиране на методите в морските пластмасови изследвания.
Ние съобщаваме, че комбинираните масови концентрации на PE, PP и PS микропластици под MLD и в мезопелагиката са средно (± sd) съответно 511 ± 440 и 642 ± 916 µg m −3 . Въпреки че са изключително променливи с географска ширина, тези стойности са от същия порядък като масовите натоварвания на по-големи пластмасови отпадъци, предшестващи курсори от микропластмаси, за които се съобщава, че плават в Атлантическия океан 10 , 31 . Наблюдаваното запазване на пластмасовата маса в дълбочина сочи към транспортиране на повърхностни пластмаси надолу след раздробяване. Това също така показва, че отстраняването на тези малки микропластмаси във вътрешността на океана е важна мивка, която предотвратява натрупването на пластмаса в повърхностните води.
Преобладаването на микропластмасите <100 µm на всички наши места за вземане на проби показва, че хоризонталното разпръскване на микропластмасите и загубата им във вътрешността на океана е селективен по размер процес 10 , 34 , 42. Предполагаме, че част от отпадъците от PE, PP и PS са били освободени в морската среда с размер под милиметър (например като умишлено произведени микропластмаси), докато механичните сили и фотохимичните процеси фрагментират по-големи пластмаси в микропластмаси както на място, така и по време на тяхното преминаване до отдалечените води на Атлантическия океан. Независимо от произхода, малкият размер на микропластмасите изглежда е важен стимул за възникване на транспорт надолу. По-малките микропластмаси са по-склонни към вертикално разпръскване чрез смесване и дифузия, особено в смесения слой 30 , 34 , 43 . Биообрастване на пластмасови повърхности, процес, който намалява плаваемостта на пластмасите достатъчно, за да ги накара да потънат 53 , 54, 55 , е доказано, че е по-бърз за по-малките частици поради високото им съотношение между повърхността и обема 56 . На свой ред, покритите с биофилм микропластмаси се агрегират по-бързо с морски сняг 57 , което може да улесни техния износ надолу в дълбокия океан. Наблюдавано е и преференциално поглъщане на по-малки пластмаси от морски зоопланктон 17 , 58 , с последици за последващото им влагане в бързо потъващи фекални пелети 18 .
Общото отсъствие на ясен модел във вертикално изобилие на изследваните полимерни групи показва, че тяхното снабдяване, разпределение и съдба, а оттам и времето на престой във водния стълб, се влияят от разнообразни и сложни процеси 10 . Полимерният тип би могъл да повлияе на скоростта на тези процеси, както вече е видно от различен модел на вертикално разпределение на отпадъци от PE, PP и PS. Цялостната устойчивост на PE, PP и PS в горния мезопелагик обаче е неясна, тъй като изобилието на тези полимери в бездната на океана и на морското дъно все още предстои да бъде измерено на съответните пространствено-времеви скали.
Нашият набор от данни за дълбочина, специфичен за полимера, показва, че (i) микропластмасите с по-малки размери са били силно подценени при предишни оценки на замърсяването с морска пластмаса и (ii) значителни количества малки микропластмаси се губят от повърхностните води и се съхраняват в океана интериор. Фокусирайки се върху Атлантическия океан и включвайки специфични за полимера микропластмаси в размер 32–651 µm, вече можем да примирим съществуващата загадка от липсващите океански пластмаси 7 , 10. Ние признаваме, че разликите в размера на частиците и типовете пластмаси (насипни спрямо специфични полимери) на въвеждането и запасите трябва да бъдат сведени до минимум, за да се даде възможност за тяхното пряко сравнение. Несигурността на нашите данни поради границата на размера на измерваните частици и превръщането на 2D изображения в масови концентрации също трябва да бъде намалена. Отбелязваме също, че пространствените и вертикални тенденции на изобилието и разпространението на пластмаса в Атлантическия океан вероятно ще варират поради различни пътища на доставка и отстраняване на пластмаси, които тепърва ще бъдат ограничени. Въпреки тези ограничения, основният извод за бюджета на атлантическия пластмаса ще бъде непроменен, тъй като нашите оценки са много консервативна минимална оценка за общото ниво на замърсяване на масата.
Въз основа на тенденциите за генериране на пластмасови отпадъци от 1950 до 2015 г. (реф. 19 ) и ако приемем, че Атлантическият океан непрекъснато е приемал 0,3–0,8% от глобалните пластмасови отпадъци 4 в продължение на 65 години, ние изчисляваме, че атлантическите води и седименти съдържат 17– 47 милиона тона (MT) пластмасови отпадъци („Методи“ и допълнителна таблица 2 ).
Средно за всички места и дълбочинни слоеве, взети в това изследване, масовите концентрации на изследваната полимер-специфична микропластика в категория с размер 32–651 µm са 389–719 µg m −3 (PE), 216–324 µg m −3 (PP ) и 58–95 µg m −3 (PS). Ако приемем, че тези концентрации са представителни за цялата площ на Атлантическия океан 59 и до 200 m дълбочина (средна дълбочина на мезопелагичния слой, взет в пробата в това проучване), изчисляваме комбинираното тегло на тези три полимерни групи да бъде 11,6–21,1 MT (PE = 6–14 MT, PP = 4–5 MT и PS = 0,95–1,6 MT) (Фиг. 5 ). Това е значителен принос за ~ 0,1 MT по-големи пластмасови отломки (> 300 µm), за които се очаква да бъдат разпръснати в повърхностните води на Атлантическия океан7 , 39 и натрупани на морското дъно (5,6–13,5 MT пластмасови отломки с размер> 5 mm; справка 60 ) („Методи“ и допълнителна таблица 2 ). Обърнете внимание, че приносът на полимер-специфични микропластици от категория с размери 300–651 µm е незначителен предвид ниското им изобилие в пробите (<5%). Следователно големите количества малки специфични за полимера пластмаси, които смятаме, че се съхраняват в горните 200 m от Атлантическия океан, са поразителни, като се има предвид, че те представляват само 5,3% от обема на Атлантическия океан 59 и не включват 44% от другата пластмасова пластмаса типове 19 и микропластмаси в категория по размер под границата на откриване на това проучване 9 , 33 , 61включително нанопластика 62 , 63 . Нашите оценки на басейновия мащаб също не отчитат пластмасовия боклук, който би могъл да бъде прикрепен към бреговата линия 44, или големи количества малки пластмасови отломки, които вече са били заровени в дълбоководните утайки (например ~ 80% от пластмасовите частици, докладвани в арктическите утайки са в ≤25 µm размер категория 9 ).
Включването на натоварванията от малки микропластмаси само от три вида полимери, натрупващи се в горната мезопелагия, в предварително изчислените морски запаси от пластмаса вече може да балансира и, предвид гореспоменатите ограничения, да надвишава кумулативното предлагане на пластмаса в Атлантическия океан от 50-те години насам.
Нашите резултати показват, че не липсва мивка от океанска пластмаса; по-скоро предишните оценки на замърсяването с пластмаса в океана не бяха достатъчни по отношение на размера на частиците, събрани и изследваните водни слоеве. Те също така разкриват критичното значение на много малки, повърхностни микропластмаси за океанската пластмасова тежест, особено по отношение на по-големи пластмасови отломки, плаващи на повърхността или отложени на морското дъно. Важното е, че нашите наблюдения са несъвместими с предварително изчислените нива на доставка на пластмаса в океана и заключаваме, че последните са значително подценявани. Има няколко обяснения, които могат да бъдат предложени. Първо, прогнозното количество наземни пластмасови ресурси в основата си се основава на данните за генериране на отпадъци в мащаб, за които се предполага, че част от тях ще влезе в океана4, но все още не е измерено директно. Реф. 2 , 11 , обаче, използва измервания на микропластични концентрации в реки, за да калибрира моделните коефициенти за пластмасовите входове през реки. Освен това нито един от моделите не отчита атмосферните 3 и морските влагания на пластмаси. Най-важното е, че те напълно представят микропластмасите <300 µm и по този начин не отчитат микропластмасите, които са умишлено произведени в микроскопични размери (например микрозърна) и които са фрагментирани / разградени до по-малки размери преди навлизането в морската среда. Последните проучвания показват, че микропластмасите, които се освобождават директно в околната среда като малки пластмасови частици (<5 mm), могат да бъдат значителен източник на пластмаса в океана 64, 65 , 66 . Моделираните оценки на глобалното снабдяване на произведените микропластици в океана са от порядъка на 0,8–2,5 MT година -1 (ref. 67 ), но те са много несигурни и изискват валидиране с емпирични данни.
Въпросът за липсващите пластмасови мивки в океана 7 , 10 стимулира приемането на по-добри аналитични инструменти, които позволиха надеждно и безпристрастно откриване на малки микропластмаси в морската среда. Подобно на нашата методология, FTIR изображението, което сканира цялата проба от филтрирани частици, позволява ref. 33 за откриване на 2-3 порядъка повече микропластмаси> 11 µm в арктическия морски лед в сравнение с предишните оценки, базирани на техники, които изискват ръчен предварителен подбор на потенциални пластмаси 68. Тъй като способността ни за вземане на проби и откриване на пластмаси с по-малки размери в океана се подобрява, възниква критичната необходимост също така да се ограничат стабилно влагането на пластмаса в океана от земни и морски източници, като се гарантира, че малките размери на пластмасите, включително нанопластмасите, се включват бъдещи полеви наблюдения и прогнозни модели.
Пластмасата играе важна роля в живота ни, предоставяйки огромни ползи и спестявания по отношение на здравето и безопасността, потреблението на ресурси и енергия, емисиите на CO 2 и производствените разходи 69 . Понастоящем тези характеристики не могат да бъдат съпоставени с друг материал 70 . И все пак трайността на материала, което е такова предимство при използването му, също е причина за безпокойство, когато пластмасата се изпуска в по-широката околна среда поради лоши практики за управление на отпадъците. Към днешна дата ключова несигурност е степента на замърсяване на океана и нашите открития показват, че това е много по-голямо по отношение на масата, отколкото е било изчислено по-рано. Тъй като най-вероятно пластмасата ще бъде широко използвана в продължение на много години напред 71, необходимостта от количествено определяне на този материал по отношение на неговите източници, мивки и отговорните процеси е въпрос от голяма спешност. Без това фундаментално знание няма да е възможно заключение, основано на доказателства за вредите, свързани с излагането на пластмаси, както и решения относно начините, по които обществото произвежда, използва и изхвърля този много ценен и необикновен материал.
