清華大學環境學院2023年4月18日電 自工業革命以來，全球人口的快速增長與經濟的飛速發展對地球地貌與環境造成了巨大影響，人類活動對地球系統的改變開創了一個全新的地質年代——人類世（Anthropocene）。近日，清華大學環境學院侯德義教授團隊首次報道了陸地生態系統中人類世的標志物——塑巖，為人類活動對地質循環造成的影響提供了新的直接證據。
在此次野外考察研究中發現的塑巖樣品里，低密度聚乙烯塑料與以石英為主要礦物組分的巖石（成土母質）發生了不可逆的化學結合作用，致使塑料成為沉積巖地層的一部分，進而能夠被長期保存在地球的地質記錄中，成為人類世的標記。這一新的沉積巖類型是人類活動作為一種新的地質營力，影響地球地質周期的直接證據。該研究結果發表后引起學界普遍關注。《自然》（Nature）期刊發表專題新聞文章，對該研究成果進行了大篇幅的詳細報道（圖1）。曾于2008年首次提出Anthropocene概念的英國著名地質學家、人類世國際工作組主席Jan Zalasiewicz在Nature的報道中稱贊該研究給人類世賦予了更多的現實意義。《中國科學報》以“科學家首次發現塑料巖石”為題進行相關報道。
圖1 《自然》（Nature）期刊專題新聞報道
研究團隊在西南地區開展野外工作時，偶然發現了塑巖，其塑料組成包括低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP），其粘附的沉積巖的主要礦物成分為石英。結合塑料厚度、氧化程度與當地土地利用類型推測，LDPE與PP分別來源于農膜投加與一次性塑料袋使用。根據周邊的水文和地質、土壤等條件推斷，歷史洪水泛濫，攜帶上游塑料沖刷、撞擊多棱角的巖石，是塑巖形成的前提條件（圖2）。
圖2 塑巖的發現地
多個證據顯示，LDPE塑料與巖石發生不可逆的化學結合：1）SEM-EDS圖譜顯示出代表塑料與巖石的元素發生交疊；2）XPS Si 2p圖譜出現了Si-O-C化學鍵的特征峰；3）FTIR圖譜呈現出含有Si-O的吸收峰；4）XRD圖譜出現代表石英的衍射峰（圖3）。針對PP薄膜，XPS Si 2p圖譜中并未出現產生化學鍵的證據，預示其主要通過物理作用而不是化學鍵附著于巖石之上。
圖3（a）塑巖的形態學特征；（b）塑巖XPS Si 2p譜圖；（c）塑巖紅外光譜譜圖；（d）塑巖的XRD譜圖
研究團隊在實驗室內通過干濕循環實驗，探究了塑巖釋放微納米塑料的能力。與利用吹膜法制備的相同厚度塑料薄膜相比，相同循環次數下塑巖中的LDPE和PP可釋放更多微塑料顆粒。微塑料的釋放過程遵從零級動力學，顯示出持續的微塑料釋放能力。10次干濕循環過程中，LDPE與PP分別可累積釋放1.03×108個/m2、1.28×108個/m2微塑料顆粒（圖4），其釋放速率比文獻報告的垃圾填埋場、海洋環境下微塑料的釋放速率高2個數量級以上（圖5）。除此之外，干濕循環同樣造成了納米塑料的釋放。NTA表征結果顯示，單次干濕循環即可從塑巖結合的LDPE與PP中釋放4.20×1012個/m2，9.01×1012個/m2納米塑料顆粒（圖6）。在全球變化的大背景下，洪水泛濫事件造成的干濕循環頻次增加，這一塑料的賦存形式與其它賦存形式相比，存在較高的生態風險。這一發現是塑料這一人造材料進入自然界地質循環過程的直接證據，闡釋了塑料制品在環境中一種新的風險機制與歸趨。
圖4 干濕循環情形下微塑料的零級釋放過程
圖5 微塑料釋放速率與文獻報道速率的對比
圖6 單次干濕循環產生納米塑料計數
4月3日，該項研究成果以《塑料-巖石復合體與微塑料的釋放》（Plastic?Rock Complexes as Hotspots for Microplastic Generation）為題在線發表于國際學術期刊《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）并獲選封面文章（front cover），環境學院2020級博士研究生王劉煒為論文第一作者，環境學院侯德義教授為論文通訊作者，論文共同作者包括挪威海洋研究所的Bank教授和德國伍珀塔爾大學的Rinklebe教授。該研究得到了國家杰出青年科學基金項目的支持。
ES&T論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c00662
Nature專題新聞報道鏈接：https://www.nature.com/articles/d41586-023-01037-6
轉載自頭條號：蘇沃生態農業科技。（侵刪）
