地球人丢弃的塑料垃圾，都去哪了？塑料生物降解

地球人丢弃的塑料垃圾，都去哪了？塑料生物降解

　　文章来源：星球科学评论

　　今年5月1日开始，最新制定的《北京市生活垃圾管理条例》正式启用，严格的垃圾分类举措将重新定义这座城市的街头巷尾。也许，类似去年上海市垃圾分类时的全网狂欢场面将再度出现，不知又有多少类似于"你是什么垃圾"的段子被网友们制造出来。

北京新型标准垃圾分类箱 | 2020年4月22日，新型垃圾分类箱亮相西城区金融街。图源@VCG

　　垃圾是"被放错位置的资源"。厨余垃圾和剩饭剩菜等有机垃圾可以用来生产肥料或者沼气，金属、玻璃、塑料、废纸、布料、大木材、废轮胎等垃圾可以回收，重新加工成产品。即便是看似无用的建筑垃圾，人们也可以用填海造陆的方式让它发挥一些余温。

垃圾分类从娃娃抓起 | 图源@VCG

　　在所有的垃圾中，有一大类垃圾非常特殊：合成高分子化合物，简称高聚物。它们是一大类相对纯粹的人类造物，是现代有机合成工业将许多简单有机物组合而成的物质。人们根据弹性、塑性等性能差异，又将这类物质划分为三种用途不同的材料：塑料、橡胶和合成纤维。

当代海岸垃圾一景 | 塑料制品，橡胶制品（如胶皮管等）和合成纤维制品（如渔网、缆绳）等是当代海洋"塑料污染"的主要来源。这里的"塑料污染"与"废塑料回收"，在对"塑料"的定义上有区别，后者不包括废橡胶。图源@VCG

　　尽管在自然界也有许多天然的高分子有机物，如松香等由树木分泌的天然树脂，但它们的分子更轻、结构更简单，通常作为工业合成塑料、橡胶和合成纤维的原料。换言之，经过人类有机合成工业制造的高聚物，在自然界中几乎没有类似物质。

琥珀里的鸟化石，鸟足清晰可见 | 琥珀是古代天然树脂转化形成的宝石。这块琥珀标本产自缅甸，形成于大约9900万年前的白垩纪中晚期，里面包裹着一只几乎完整的雏鸟，极为罕见。图源@VCG

　　正是凭借在自然界中的独特性和在人类生活中广泛的应用，高聚物制品具有十分特别的地位：一方面是在20世纪之前的世界里几乎不存在，另一方面则是在20世纪50年代后出现爆炸式增长，充斥在每个现代人的周围，这给了它们转变为人类文明纪念碑的机会。

　　它们将占领全球的每个角落，在地质历史中留下自己的印记，并最终转变为一种出人意料的物质。

　　但就像所有伟大的故事都有一个平凡的开头一样，这趟专属于塑料/橡胶/合成纤维的华丽变身之旅，也始于那辆早已默默消失在巷口的垃圾车。

堆积如山的塑料垃圾 | 图源@VCG

　　01 

　　踏上旅程：塑料去哪儿？

　　由于近年来国内的垃圾分类实在不理想，塑料垃圾（本节所指的塑料垃圾不包括废旧轮胎）在离开我们的视野后，通常仍与其他垃圾混合在一起，即便是北京也不例外。人们必须用机械和人工的方式进行分拣后，才能分别送往垃圾填埋场、焚烧站或回收企业[1-2]。大城市尚且如此，欠发达地区的情况可想而知。

　　2009至2013年，我国废塑料垃圾的回收率为23%-29%（发改委算法，为废塑料回收量/塑料总消费量）[3-4]。如果考虑到一些塑料制品的使用年限长，不会在短期内被人们丢弃，那么按照国际通行算法，这一数据将变成41%-47%（国际通行算法，为废塑料回收量/废塑料产生量）[4]。

2009-2013年中国内地废塑料回收率 | 以2013年为例，当年我国消费塑料5879万吨，产生废塑料3292万吨，通过垃圾分类回收了1366万吨废塑料，按照两种算法得到的废塑料回收率，分别为1366/5879≈42%（国际通行），或1366/3292≈23%（发改委算法）。制图@陈随/星球科学评论

　　但考虑到垃圾分类在中国还是一个新鲜事物，发达国家是否就做的更好呢？

　　在德国，2013年产生废塑料共计568万吨，其中有57%被焚烧，42%被分类回收。乍一看，这个比例似乎与中国在一个水平（按国际标准计算），但这里面也有一半以上作为"废塑料资源"出口到其他国家（如中国），真正自行处理加工的废塑料，只占到19%，其中仅有1%作为原料进行再利用[4]。

　　在美国，2013年废塑料产生量为2300万吨，分类回收了270万吨，毛回收率占到10%左右。而根据2012年数据，有215万吨分类好的废塑料出口到其他国家（其中出口中国169万吨，为历史峰值，占79%），本土加工利用废塑料的比例仅为2%[4]。

青岛海关工作人员查验进口"洋垃圾" | 2013年10月15日，4000余吨"洋垃圾"因实际类别与报关信息不符，从黄岛退运出境。图源@VCG。

　　如果要给"废塑料去哪儿了"找一个国家作答案，那便是中国。2018年"洋垃圾"进口禁令之前，中国每年进口超过700万吨塑料垃圾[5-6]。其中，绝大多数来源于欧美发达国家。根据联合国商品贸易统计数据库，自1992年以来，中国一共回收处理了1.06亿吨废塑料，占全球同期回收废塑料总量的45.1%以上[7-8]，为世界做出不可磨灭的贡献。

中国内地进口废塑料的主要来源 |  图源@文献[7]

　　由于多年为全世界处理废塑料，中国早已培养出一个胃口惊人的废塑料处理行业，对废塑料的实际回收利用水平明显高于美国和欧盟[4]。2018年1月1日"洋垃圾"进口禁令生效之后，这个全球最大规模的废塑料处理行业竟出现供不应求——2019年全年处理废塑料仅为1890万吨，分类回收工作遇到的瓶颈，直接制约了废塑料处理的能力。

近年来我国废塑料加工量变化图 | 2018年后，我国废塑料加工业出现供不应求。制图@陈随/星球科学评论，数据综合出自文献[4,7,9-10]

　　塑料回收利用率在全球范围内偏低的另一面，自然是居高不下的焚烧率、填埋率和遗弃率。2019年，中国产生废塑料6300万吨，其中有7%遭到遗弃，32%被填埋在垃圾场——这意味着，有39%进入了自然界[9]。

2019年中国废塑料的各种处理方式占比 | 填埋和遗弃的废塑料都进入自然界，占总量的39%。制图@陈随/星球科学评论，数据引自文献[9]

　　有学者做过估算，从1950年至2015年，人类已经生产出共计83亿吨的塑料，其中有25亿吨仍然在人们的生活中发挥作用（比如每个人家里都会有的一些"祖传老电器"），有7亿吨被扔进焚化炉烧成一缕黑烟，通过回收的方式重新进入人们生活的废塑料仅有5亿吨，剩下的46亿吨则以填埋和遗弃的方式，流失在自然界的各个角落[11]。

1950至2015年全球塑料的产量及塑料的命运 | 人类生产的所有塑料可达83亿吨，其中有49亿吨被遗弃/填埋到自然界。图源@Hannah Ritchie & Max Roser / Ourworldindata.org，文献[11-12]

　　5亿吨被回收的塑料经过二次利用后，又会有相当一部分被遗弃或焚烧。于是，最终被焚烧的废塑料达到8亿吨，而遗弃或填埋的废塑料达到49亿吨——这意味着，人类生产的所有塑料制品，有近59%留在了自然界。

　　在当代，废塑料的处置情况仅比历史总体情况好一点：有55%的废塑料被遗弃或填埋，25%被焚烧，20%得到回收利用[12]。

1980年至2015年全球废塑料处置比例变化图 | 尽管回收和焚烧占比越来越大，但填埋和遗弃仍是当代最主要的废塑料处置方式。图源@Hannah Ritchie & Max Roser / Ourworldindata.org，文献[12]

　　就这样，因为人类自己的漫不经心和乱扔垃圾，性质稳定的塑料垃圾正在以一种出人意料的方式"占领"地球，将自己变成这颗星球历史的一部分。

菲律宾马尼拉附近的一处大型垃圾填埋场 | 在可预见的未来，垃圾填埋仍将是一种重要的垃圾处理方式。注意图片中下部渺小的人影。图源@VCG

　　在时光的轻抚下，这些被人们抛弃在自然界的塑料垃圾将存在多久？

　　02 

　　旅程中：塑料有多难分解？

　　全球海洋和陆地上的塑料污染早已不是新闻，至少49亿吨的塑料已经成为这颗星球的一部分，参与到地球所有的生态系统里。其中可降解塑料的比例能够忽略不计——因为即便是可降解塑料占全球产能25%的中国，2018年的生物降解塑料产量仅有65万吨，还不到中国当年塑料产量的1%[13-14]。而其中可以完全降解的塑料，仅有不足10万吨。

　　对于已经广泛分布在自然界中的难降解塑料，它们大多被人类工程师有意设计成经久耐用的结构，分解速度慢到令人发指。在海洋等环境中，塑料可以在紫外线、温度、水流、砂石和微生物的共同作用下，逐渐遭受物理破坏、化学分解和生物降解作用。

塑料在海洋中的变化示意图| "微塑料"是直径小于4.75mm的塑料颗粒，"纳米塑料"是直径小于0.1微米的塑料颗粒。图源@Cj Beegle-Krause/文献[15]

　　物理破坏，能将塑料破碎成大小不一的碎块，从大块塑料转变为小块塑料、微塑料甚至纳米塑料；化学分解可以将塑料转变为其他物质，有助于它们破碎甚至消失；生物降解对于塑料的最终消失至关重要，总有一些奇怪的微生物以塑料为食物，它们或许是未来帮助人们处理塑料垃圾问题的关键之一。

　　塑料分解所需要的时间也很重要。如果你关注环境话题，相信一定通过不同途径了解到许多关于塑料分解的时间数据，它们通常是数年到数百年不等，如下图所示。

常见塑料被完全生物降解所需的时间 | 只是，它的数据仍有较大商榷余地。图源@statista.com

　　但实际情况却是，塑料对于自然来说还是一种非常年轻的物质，类似上图的数据其实并不具有很大的参考价值，人们对于塑料在真实环境里的分解速率还缺乏明确的认识。在仅有的一些研究中，人们只是将塑料样品表面厚度、直径的减少作为"分解"的参考指标，强调一大块塑料的体积损失和质量损失，并未深究它到底变成什么[16-18]。

　　从废塑料残留质量的角度，有研究者效仿放射性物质的半衰期，建立起一个"质量半衰期"的塑料分解速率概念，如下表所示[17]。

不同材质和形态的塑料在不同环境中的质量半衰期 | 使用计算机模拟得出，其中地表和海面具有紫外线和较大热量等有利于分解的因素。"超过2500年"表示在计算中未观测到明显的降解，需要的时间可能很长。数据来源@文献[17]

　　由此可见，不同塑料在不同的环境中有截然不同的保存时间。一个漂在海面的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）矿泉水瓶，可能两年半后就能在紫外线、微生物和海浪的共同作用下损失一半的质量。

漂浮在海面的塑料垃圾 | 海洋表面是塑料分解很快的环境，类似图中右侧的水泡可能两年多就能损失过半。图源@NOAA

　　但是，一个埋在地下的HDPE（高密度聚乙烯）水管，可能需要5000年以上才能损失一半的质量。还有一些PS（聚苯乙烯）塑料制品，不排除要数千甚至数万年后才能损失一半的质量。

一处实验塑料在地下分解速率的微型垃圾填埋坑 | 最早的塑料是在30年前埋下的，但仍然保存完好，毫无分解迹象，这是因为隔绝了阳光和高温，也没有海洋的波浪拍打和盐分作用，分解速率很慢。图源@文献[19]

　　笼统地说，塑料可以在海面留存成百上千年，在土地里留存成千上万年，也不排除数万年之久，这是现阶段人们对塑料留存时间的初步认识。更多的细节，比如沉积到深海沉积物中的微塑料会存续多长时间，目前还是未知数。而且质量的损失不等于化学意义上的完全分解——它们也有可能只是碎成了微塑料，并且人们对微塑料留存在自然界时间更不了解。

　　虽然不是永恒，但对于人的寿命、国家的兴亡、王朝的更迭来说，胜似永恒。

　　但有没有一种可能，让塑料存续得更久？

　　还记得前文里的琥珀吗？目前已知最古老的琥珀，形成于3.2亿年的石炭纪[20]。琥珀由树木分泌的天然树脂形成，其有机质结构远比塑料简单。但是，在适当的环境中，固态树脂却能在地层里保存数亿年，在经过一系列化学改造后，转变为琥珀，为人们打开一扇通往古代的大门。

树干上的树脂块 | 从固态树脂到琥珀，中间经过了复杂的机械磨损、氧化破坏、有机化学反应、生物降解作用等变化，但终究有很多树脂挺了过来，变成琥珀。图源@VCG

　　塑料垃圾，在某种意义上会有着与天然树脂类似的命运，它们不会一直停留在海面或者地表一动不动，而是会逐渐停止运动，沉到泥沙中去，最后转变为地层中的物质。

　　这就为塑料转变成人类文明的纪念碑，提供了可能性。

　　03 

　　永恒的塑料：人类文明的纪念碑

　　塑料碎片已经实现了字面意义的"无处不在"：从天上的云中水滴到地下的石油钻井，从数千米高的高山之巅到几千米深的大海之渊，从赤道地区的偏远岛屿到两极和高原的冰层，从马里亚纳海沟的深海动物到夏夜路边摊上的小海鲜，大大小小的塑料碎片分布在你我不曾注意的地方，甚至也分布在你我体内，为人类世地球送上最独特的点缀[21-30]。

　　如前文所述，在不同的环境中，受塑料材质、紫外线强弱、温度高低、微生物种类多寡及活动是否活跃等因素影响，塑料在自然界的存续时间大为不同，短则数年数十年，长则数千数万年。但在一些地质过程的帮助下，塑料可能在地球上保存更久。

　　飘散到极地或者高山的微塑料，可能会比其他环境的微塑料保存得更好。当微塑料随着雨雪落到冰面上以后[30]，它们会被逐渐冻结在冰里。冰层会遏制大多数微生物的生命活动，也能渐渐隔绝氧气和紫外线，有利于塑料的保存。如果转变为冰川内的塑料，则能够在冰川的生命周期里一直保存——它可能是数十万至数千万年。

南极海岸的塑料垃圾 | 宏观塑料垃圾早已分布在南极洲各处，微塑料自然不会少。图源@VCG

　　在陆地上，数十亿吨计的塑料被埋在地下的垃圾坑里，可以保存至少成千上万年。但地下垃圾场并非一成不变，它们可能被后世的人们意外挖出，可能发生滑坡，也可能被河流侵蚀。最后，一部分填埋塑料可能在一段时间后，重新归于江河湖海。

美国加州的玻璃海滩是垃圾填埋场遭受破坏的结果 | 这里曾经有过一个垃圾填埋场，后来填埋场受到破坏，许多玻璃流落海边，被海水打磨成圆润的玻璃块，在俄罗斯也有一处类似的玻璃海滩景观。图源@VCG

　　如果埋藏地点未遭破坏，配合上地表一直缓缓下沉，最终让含有塑料的砂土深埋地下转变为岩石，那么天然树脂转变为琥珀的过程也有可能出现。这个过程可短可长，短则几十上百年，长则超过数十万年。

　　在一些地质过程活跃的地区，一些塑料经过几十年已经与周围的砂粒粘为一体，成为学术意义上成立、但超过人们平常认识的岩石，只不过此类岩石并不稳定，随后还会发生其他变化[37-38]。

塑料保存在岩石中的实物证据 | 一些特殊情况下，泥沙在几十年间就可以发生胶结，转化为岩石，但它并不稳定，会继续发生其他变化。塑料的样品被圈出。这处海滩位于巴西南澳格兰德州。图源@文献[32]

　　就像天然树脂一样，即使一些塑料已经保存在岩石中，它们也会发生复杂的化学变化，形成我们无法预知的模样。也许它们会保留一点塑料的外观，也许会变成碳化的颗粒，就像这片远古的树叶，曾经复杂的生命物质如今仅剩黑色的碳膜。

有机物发生碳化的植物化石 | 有机物在地层里逐渐分解，逐渐失去碳以外的大多数化学元素，变成碳膜。图源VCG

　　即便岩石里的塑料消失，但它的形状可以继续存在，会有其他的矿物充填这个空间，变成一个"带有形状信息的化石"，例如下图就是菊石的生物遗骸消失后，黄铁矿充填在遗骸存在过的空间里，长出菊石的形状和精细结构。换言之，后世的某处砂岩地层里，或许可以发现一串（塑料）珍珠耳坠形状的"黄铁矿充填物"，也许可以将它命名为"黄铁矿化耳坠化石"，作为人类世的一种"技术化石"，成为人类文明的纪念碑。

黄铁矿化的菊石化石 | 菊石是一种生活在海洋的古生物，主要生存在中生代（距今2.5亿年~0.66亿年前）。这类金光闪闪的菊石化石很受收藏家的欢迎。图源@fossilera.com

　　海底则是这颗星球上规模最大的微塑料埋藏地——垃圾填埋场里埋着的，主要是大块塑料。虽然海水里也漂浮着许多塑料，但微塑料最终会大部分沉到在幽深的海底（及湖底），与淤泥混合在一起[22，31]。

海底是塑料的主要汇聚地 | 虽然海水中也悬浮着很多塑料，但他们最终也有很大一部分会沉降到海底。图源@grida.no

　　即便是地球上最深的马里亚纳海沟，也早在1998年就发现了塑料垃圾。近年来研究也进一步表明，此处的淤泥中存在数量惊人的微塑料[33-34]。

1998年，深潜器在马里亚纳海沟10898米深处发现的一摊塑料垃圾 | 图源@JAMSTEC

　　总有一天，这些海底或湖底的淤泥，将会一如亿万年前的淤泥，变成富含有机物的泥岩。微塑料也会借此机会混进深海/深湖泥岩里，将旅途进行到底。它们的终极命运并不会与周围的生物残渣存在什么不同——都会遭受微生物降解、都会遭受氧化破坏、都会在高温高压的作用下释放出一些物质、都会残留下一些东西。这些释放出来的物质，被我们叫作石油和天然气[35]。

阿拉斯加北坡中上三叠统Shublik组岩石露头 | 这些黑色的深水泥岩就是当地产生油气的烃源岩，也是页岩气的蕴藏地层。图源@文献[36]

　　殊途终将同归。

　　千百万年前乃至更古老时代的生物残骸，将石油和天然气馈赠给当代地球，人们将它们加工成塑料；千百万年以后，保存在地层里的塑料将有可能重新转变为石油或天然气，完成一个精彩的超级轮回[19,37-38]。

　　在实验室里，人们早已可以利用特定的催化剂，在高温高压条件下，使塑料分解成简单的烃类，生产出柴油、汽油甚至更简单的甲烷、乙烯[39-43]。，类似的过程一样可以在自然环境中出现，只是需要的时间十分漫长。

将塑料转化为燃料油 | 只需要一些催化剂，特定的温度和压力条件，就能将废塑料重新转化为烃类物质，如汽油和柴油。图源@北卡罗来纳大学威尔明顿分校。文献[44]

　　也许，数百万年或数千万年后，这颗星球上的石油资源里，会有一部分来源于今日人类排放到大自然里的数十亿吨塑料，和未来将会继续排放的N亿吨塑料。

　　而只有到了那时，塑料的旅程才算真正结束。

　　源于石油，归于石油，这是专属于塑料垃圾的终极旅程。而在这个旅程里，它也留下了一些"技术化石"，作为记录人类文明的永恒纪念碑。

Plastiglomerate，一种当代形成的全新岩石 | 这个单词来源于塑料（plastic）和砾岩（conglomerate），用来描述在自然火场中融化的塑料将一些砂石、贝壳或其他生物硬体，及其他人造物质粘合起来的产物，也许可以翻译为"塑化砾岩"。它质地比较坚硬，也许可以作为"技术化石"，在自然界里存在很久。图源@文献[45]

　　该如何评价塑料的终极旅程，和它给人们留下的文明丰碑？

　　从石油到塑料，人类的工业文明将自然造物转变为工业造物，创造出一种自然界不曾拥有的物质形态，创造出古人不曾享有的便捷材料和便利生活。这是塑料旅程的前半段，辉煌并且荣耀。

石油化工的力量点亮暗夜 |  石油化工业是塑料的起点，也是现代生活的起点。图源@VCG

　　从塑料原材料到微塑料垃圾，人类的无序活动为世界加入了一种新的物质，却没有很好地处置它们，使之散布全球，成为"人类世地球"的一部分，保留在这个时代形成的地质记录里，默默记载下人类活动后果。它们就像一座座丰碑，定格下这个时代的剪影。这是塑料旅程的后半段，苍白并且沉默。

白色垃圾污染海洋 | 在石油化工装置轰鸣作响的同时，白色污染也早已蔓延到每个角落。图源@VCG

　　从微塑料到地层中的分散高分子有机质，再到未来将要形成的石油和天然气，自然的伟力终将接手一切，用漫长的时光来消弭人类无序活动引发的种种后果。这是塑料旅程的终点，波澜不惊，但却也有几分精彩的回味。

　　这样的旅程应该对人们有所启迪。增加可降解塑料的产能、增加塑料无害化分解途径的研究、增加废塑料制油的产能、增加塑料回收利用的力量，都是人们应该从中学到的东西。

　　但人改变自己的意识和行为同样需要一个过程。如果一定要在现在找出一个第一步，严格的垃圾分类措施，或许是改变未来的一个小小起点。

分类家庭生活垃圾，从我做起 | "再也不能如此豪放地扔垃圾了……" 图源@VCG

　　末了，是时候问自己一声了：

　　严格的垃圾分类要来了，家里的分类垃圾桶，都准备好了吗？

　　参考文献

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