微米和纳米塑料如何渗透北极冰层

环境科学家爱丽丝·普拉德尔(AlicePradel)在实验室培养冰芯，以研究微塑料和纳米塑料的运输和积累。她这样做的目的是更好地了解北极冰层中的物质流动。

“击败微珠”是2012年发起的一项活动的名称，旨在减少化妆品中微塑料的使用，以尽量减少对环境和人类的负面影响。对于爱丽丝·普拉德尔(AlicePradel)来说，这次活动敲响了警钟。“作为一名年轻的环境科学家，我感到震惊的是，我们将所有这些化学物质放入环境中，却没有费心去了解它们的去向，”她回忆道。大约在同一时间，太平洋垃圾带的图像在网上流传：太平洋中部有一块巨大的垃圾地毯，主要由塑料垃圾组成，象征着人为塑料过剩。2020年，全球塑料产量约为4亿吨;其中9%被回收，12%被焚烧，其余的最终进入垃圾填埋场、环境或海洋。

分解成新的属性

“环境科学让我着迷的是，它们让我能够不断了解更多关于我们与环境的关系，”普拉德尔说。“对我来说，关心地球也意味着更好地了解它。”在法国西北部雷恩大学的硕士学位研究中，她专注于研究杀虫剂等不同化学物质如何在土壤和其他多孔介质中积累。2018年，她参加了法国国家科学研究中心化学家JulienGigault的讲座。他告诉学生们，环境中的塑料如何通过生物和非生物过程分解成更小的颗粒，以及材料如何因此呈现出新的特性。这种微型化使得粒子能够遍及所有生态系统——这一事实让普拉德尔既着迷又震惊。

随后，她在Gigault的指导下撰写了博士论文，主题是微米和纳米塑料如何以及在何处积聚在多孔材料中。当这个项目接近尾声时，她惊讶地发现北极海冰中也积累了大量的微塑料。不久前的研究证实了这一点。冰是一种多孔物质;它具有较高和较低密度的区域，以及冰晶之间的空腔和微观盐水流。结果，海水和冰之间不断发生交换，普拉德尔对这种现象的兴趣开始增长。“微米颗粒和纳米颗粒可能会滞留在冰晶之间。这是一个很大的问题，因为这些正是微藻最茂盛的地方，”她解释道。其他研究人员表明，这些藻类吸收有毒的塑料添加剂，从而使它们能够进入北极食物链。

2018年的一项研究表明，海冰中最常见的是最小的微塑料颗粒。根据定义，微塑料小于5厘米，纳米塑料小于1微米。研究人员无法量化小于10微米的塑料颗粒，这是分析极限。“这表明我们既无法看到也无法准确测量海冰中存在的大部分塑料，”普拉德尔说。

博士后致力于更好的分析

在撰写博士论文时，普拉德尔开发了一种在实验室中生长海冰的方法。自2022年4月以来，作为苏黎世联邦理工学院环境科学系博士后奖学金的一部分，她一直在培育这些冰芯。她的方法的第一步是在玻璃柱中冷却海水，温度梯度范围从1°C(下端)到-5°C(上端)。19小时后，上端形成约10厘米厚的冰芯。如果一开始就将微米和纳米塑料颗粒添加到海水中，普拉德尔可以追踪这些颗粒如何从水中进入冰，并留在冰中。

如今，普拉德尔在丹尼斯·米特拉诺教授领导的小组内进行研究，她是在一次会议上认识的。Mitrano的小组研究人为颗粒及其毒性和对环境的影响。除此之外，她开发了分析方法，使他们能够更精确地测量微米和纳米塑料——这是对普拉德尔研究的理想补充。微米和纳米塑料量化的一个核心问题是区分藻类等天然材料中的碳与塑料中的碳。研究人员可以通过在塑料颗粒中添加无机示踪剂来规避这个问题。这些示踪剂恰好是微量元素，它们可以作为塑料的替代品，并且可以使用标准环境分析方法(包括电感耦合等离子体质谱法)有效测量冰中的塑料颗粒。

第一次北极探险

Pradel还与瑞士联邦森林、雪和景观研究所(WSL)的研究人员合作进行分析。她在达沃斯WSL实验室使用断层扫描技术分析了−15°C的冰芯，所得图像提供了有关冰的孔隙率和结构的数据。“这为我们提供了有关微米和纳米塑料颗粒聚集位置的重要信息，”普拉德尔说。目前的实验表明，纳米塑料颗粒通过冰的运输方式与溶解在海水中的盐类似。相比之下，微塑料如何在海冰中积累，更多地取决于颗粒的密度。

普拉德尔相信她的实验也可以为其他研究领域开辟新的可能性。“全球变暖使所有北极海冰变得更加活跃。冰本身变得越来越薄，融化过程越来越快，盐和颗粒在整个冰中的重新分布速度也在加快。”通过普拉德尔的实验，研究人员可以在实验室中模拟此类发展，而无需研究人员飞往北极。“这也是有道理的，因为我们的目标是以气候友好的方式进行环境研究，”她说。然而，她的研究并不能让她完全避免前往遥远的北方：明年冬天，普拉德尔将首次前往北冰洋，尽可能准确地测量人类在冰层中的“塑料足迹”。