近日，中国科学院深海科学与工程研究所彭晓彤研究员团队在在深海塑料降解机制和降解时间方面取得新进展，相关研究成果近日发表于国际知名地球化学期刊Geochemical Perspectives Letters，张晓迪博士为论文第一作者，彭晓彤研究员为通讯作者。
海洋塑料污染是海洋环境突出的问题之一，严重影响到人类健康和海洋生态系统。塑料在海洋中的降解速度和机制备受国际学术界和全社会的关注。迄今为止，尚未开发出标准方法来量化海洋环境中塑料的年龄。深海海底已被证明是海洋塑料的最终归属地之一，然而相对海洋表层来说，深海缺乏紫外线，氧气含量和温度较低，目前对塑料在深海中是否能够被降解以及在深海中持续的时间知之甚少。
该团队于2018年至2020年使用载人潜水器“深海勇士”号通过22次下潜在中国南海海底（深度746-3997米）采集了共103个塑料碎片（采样位点如图1所示），随即采用扫描电子显微镜（SEM）、激光拉曼光谱仪（Raman）、傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)、光诱导力显微镜（PiFM）对这些塑料样品的成分、类型、表面降解特征进行了研究。
图1.塑料样品的取样位点和原位取样图像
研究结果表明这些来自深海的塑料垃圾中有80%都是聚乙烯(PE)，其中大部分样品表面都比较粗糙，有很多降解特征，包括褶皱、凸起、裂纹、划痕、不规则凹坑等。
有趣的是，在18片PE表面还发现了大量与杆状微生物的形态相一致的溶蚀坑结构（图2），所有凹坑的长度均为1-2μm。如图2a-d所示，该塑料表面有大片相互连接的蚀坑，主要包括短棒状和花生状两种结构，呈现高度降解。此外，在其他样品表面还观察到不同形态的蚀坑，例如蠕虫状和丝状结构（图2e-g）。
图2. 带有腐蚀坑的PE样品的SEM图像
通过光诱导力显微镜（PiFM）再现了典型蠕虫状结构的三维形态学（图3a，b）。Ra（粗糙度平均值）通常用于指示表面粗糙度。很明显，降解程度越高的塑料表现出较高的粗糙度。与扫描电镜（SEM）相比， PiFM在垂直方向上具有更高的准确度和精密度，可用于探测凹坑的深度。如图3所示，在相对早期的降解阶段，蠕虫状凹坑的宽度约为0.9μm（0.45×2μm），深度约为144.3-289.8nm。随着降解的发展，坑深度变大，约为572.2-663.2 nm。
图3. 表面有腐蚀坑的PE的PiFM图像、光谱和截面分析
通过SurfaceWorks（Molecular Vista，Inc.）软件对PiFM图像上所有宽度大于1μm，深度大于0.1μm进行统计分析可以得到每个样品表明腐蚀坑的体积。利用溶蚀坑和各样品的体积比来量化塑料降解的程度，经计算可得每块聚乙烯塑料约有1.08-13.72%被降解。由于目前还没有合适的方法来确定沉积在深海中的塑料的日期，但根据南海同一区域微塑料污染年代史推测这些塑料最长可能已经在海底存在了40年，那么降解最严重的塑料最长将需要大约292年才能完全降解。
本研究首次提供了深海塑料可以被降解的证据，并回答了塑料在深海中可能持续多长时间的问题，为研究深海塑料的命运提供了独特的见解。
相关论文信息：Zhang, X., Peng, X. (2022) How long for plastics to decompose in the deep sea? Geochemical Perspectives Letters 22, 20–25. https://doi.org/10.7185/geochemlet.2222
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