[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文提出了一种阈值破碎模型，用以解释海洋中微塑料的双峰尺寸分布，其中尺寸低于临界值（约1毫米）的颗粒由于物理限制而破碎效率低下。通过引入与尺寸相关的破碎效率及指数型废物输入，该模型再现了接近1毫米处的丰度峰值，并预测了时间不变的幂律标度，指数ν ≈ 1.8，从而调和了观测到的微塑料随时间变化趋势之间的矛盾。

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.

研究动机与目标

• 解释海洋中观测到的微塑料双峰尺寸分布，特别是1毫米附近的丰度峰值以及150–1000 µm范围内的匮乏。
• 调和理论破碎模型（预测幂律标度）与环境数据（显示峰值后下降）之间的矛盾。
• 研究随时间变化的废物输入与破碎效率如何共同塑造微塑料尺寸分布的时序演化。
• 量化破碎阈值效应对海洋环境中长期微塑料累积模式的影响。

提出的方法

• 提出一种阈值破碎模型，其中低于临界尺寸（p_max）的颗粒无法进一步破碎，引入了尺寸减小的物理极限。
• 将破碎建模为具有尺寸依赖效率的随机过程，其中较大颗粒比小颗粒更容易破碎。
• 在破碎过程中引入通货膨胀（τ = 每年7%），以模拟现实世界中的随时间变化的废物输入和老化效应。
• 使用对数间距划分的28个尺寸类别的离散尺寸类模型，追踪丰度随时间（n ≤ 40）和世代（g ≤ 40）的变化。
• 采用糖块模型，对长度和宽度方向的初始尺寸分布施加随机性，而厚度保持固定，以模拟真实的塑料碎片几何形态。
• 推导出在标准和膨胀破碎模型下累积丰度（S_n）的解析表达式，从而可与观测到的幂律标度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的微塑料尺寸分布呈现1毫米附近的宽峰，随后下降，再在150 µm以下出现二次上升？
• RQ2 引入物理破碎阈值后，如何影响经典破碎模型所预测的尺寸分布的时间不变性？
• RQ3 随时间变化的废物输入（指数型供给）在塑造微塑料丰度和尺寸分布的时序演化中起到何种作用？
• RQ4 尺寸依赖的破碎效率在多大程度上解释了真实海洋数据中观测到的指数ν ≈ 1.8的幂律标度？
• RQ5 通货膨胀效应（每年7%的破碎效率提升）如何改变随时间的标度行为和累积丰度？

主要发现

• 通过引入低于某一物理阈值后破碎效率极低的机制，该模型成功再现了1毫米附近的观测丰度峰值。
• 在破碎效率每年增加7%的条件下，模型预测微塑料丰度与尺寸之间的幂律标度保持时间不变，指数ν ≈ 1.8，与环境观测结果高度吻合。
• 累积丰度S_n在n > p_max时呈现指数增长模式，表明尽管持续破碎，系统在尺寸分布上仍达到准稳态。
• 该模型表明，尽管指数ν略低于经典模型（ν < 2），但尺寸分布的时间不变性在标度行为上得以保持。
• 引入尺寸依赖的破碎效率可解释150 µm至1 mm范围内微塑料数量匮乏的现象，解决了文献中长期存在的矛盾。
• 使用糖块模型的模拟结果表明，由于破碎效率并非100%，区分世代（g）与尺寸类（p）索引至关重要，尤其是在接近原子极限时。