[論文レビュー] A threshold model of plastic waste fragmentation: New insights into the distribution of microplastics in the ocean and its evolution over time

Matthieu George, Frédéric Nallet+1 more|PubMed|Jul 9, 2023

Microplastics and Plastic PollutionEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、海洋中のマイクロプラスチックの二峰性サイズ分布を説明するしきい値破壊モデルを提案する。1 mm前後という臨界サイズ未満の粒子は、物理的制限により破壊が非効率になる。サイズに依存する破壊効率と指数関数的廃棄物入力を用いて、1 mm近辺の観察された豊度ピークを再現し、時間に依存しない指数則スケーリング（指数ν ≈ 1.8）を予測する。これは、時間経過に伴う観察されたマイクロプラスチックトレンドの不一致を解消する。

ABSTRACT

Plastic pollution in the aquatic environment has been assessed for many years by ocean waste collection expeditions around the globe or by river sampling. While the total amount of plastic produced worldwide is well documented, the amount of plastic found in the ocean, the distribution of particles on its surface and its evolution over time are still the subject of much debate. In this article, we propose a general fragmentation model, postulating the existence of a critical size below which particle fragmentation becomes extremely unlikely. In the frame of this model, an abundance peak appears for sizes around 1 mm, in agreement with real environmental data. Using, in addition, a realistic exponential waste feed to the ocean, we discuss the relative impact of fragmentation and feed rates, and the temporal evolution of microplastics (MP) distribution. New conclusions on the temporal trend of MP pollution are drawn.

研究の動機と目的

• 海洋中のマイクロプラスチックの観察された二峰性サイズ分布を説明すること、特に1 mm近辺の豊度ピークと150–1000 µm範囲における不足を解明すること。
• 理論的破壊モデル（指数則スケーリングを予測）と環境データ（ピークとその後の低下を示す）の間の矛盾を解消すること。
• 時間依存的廃棄物入力と破壊効率が、マイクロプラスチックサイズ分布の時間的進化にどのように寄与するかを調査すること。
• 破壊しきい値効果が、海洋環境における長期的マイクロプラスチック蓄積パターンに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 臨界サイズ（p_max）未満の粒子はさらに破壊できないという物理的限界を導入するしきい値破壊モデルを提案する。
• サイズに依存する効率を持つ確率的プロセスとして破壊をモデル化し、大きな粒子ほど破壊されやすいことを想定する。
• 現実の時間依存的廃棄物入力と老化効果を模擬するため、破壊プロセスにインフレーション（年率7%）を導入する。
• 28個のサイズクラスを対数スケールで配置した離散的サイズクラスモデルを用い、時間（n ≤ 40）と世代（g ≤ 40）ごとに豊度を追跡する。
• 長さと幅にランダムな初期サイズ分散をもつ「シュガーランプモデル」を用い、現実的なプラスチック破片の幾何形状を模擬する。ただし厚さは固定される。
• 標準的およびインフレート済み破壊モデル下での累積豊度（S_n）の解析的表現を導出し、観察された指数則スケーリングと比較可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ観察されたマイクロプラスチックサイズ分布は1 mm近辺に広いピークを示し、その後低下してから150 µm未満で再び増加するのか？
• RQ2 物理的破壊しきい値の導入が、古典的破壊モデルが予測する時間に依存しないサイズ分布の性質にどのように影響するのか？
• RQ3 時間変動する廃棄物入力（指数的供給）が、マイクロプラスチック豊度とサイズ分布の時間的進化に果たす役割は何か？
• RQ4 サイズに依存する破壊効率が、実海洋データにおける観察された指数則スケーリング（指数ν ≈ 1.8）をどの程度説明できるのか？
• RQ5 年率7%のインフレーション効果（破壊効率の年間増加）が、時間経過に伴うスケーリング行動と累積豊度にどのように影響を及けるのか？

主な発見

• 物理的しきい値を導入することで、破壊が極めて非効率になる領域が形成され、1 mm近辺の観察された豊度ピークが再現される。
• 年率7%の破壊効率インフレーションを想定すると、マイクロプラスチック豊度のサイズ依存性は時間に依存しない指数則スケーリング（指数ν ≈ 1.8）を示し、環境観察とよく一致する。
• n > p_maxの領域では累積豊度S_nが指数的増加を示すため、破壊が継続しているにもかかわらず、システムはサイズ分布において準安定状態に達していることが示唆される。
• モデルは、時間に依存しないサイズ分布の特徴が、スケーリング行動の観点では保持されることを示しているが、古典的モデルと比較して指数νがわずかに低下している（ν < 2）。
• サイズに依存する破壊効率の導入により、150 µmから1 mmの範囲におけるマイクロプラスチックの不足が説明され、長年の文献における矛盾が解消される。
• シュガーランプモデルを用いたシミュレーションは、非100%の破壊効率、特に原子限界付近で、世代（g）とサイズクラス（p）のインデックスを区別することが不可欠であることを確認した。