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PET瓶子碎片在海底的降解机制及环境影响研究，通过显微和光谱分析发现其降解受聚合物特性与海洋环境共同作用，产生微塑料并释放锑元素。
伊莎贝尔·沃尔特斯 | 安德鲁·特纳
普利茅斯大学地理、地球与环境科学学院，德雷克广场，普利茅斯，PL4 8AA，英国
摘要
关于塑料垃圾在海底的降解途径及其影响，目前了解得相对较少。在这项研究中，我们从风暴过后被冲上岸的海带沉积物中收集了70个聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶子碎片，并通过多种视觉和光谱技术对其进行了分析。这些碎片有多种颜色，包括瓶身侧壁和底部结构，有时还包含瓶盖。透明碎片通常会出现氧化黄变现象，而底部部分则可能出现局部染色或污染。立体显微镜观察发现碎片表面有磨损痕迹、泥沙嵌入，以及底部出现起泡、分层和增厚现象；电子显微镜则揭示了微塑料碎片和薄片的形成。与全新PET相比，傅里叶变换红外光谱法显示出酯键断裂和氧化降解的迹象，而X射线荧光光谱法显示锑（Sb）浓度有所降低。PET的降解过程似乎受到聚合物自身性质（包括瓶子形状）和环境因素的共同影响，最终导致微塑料的产生和锑的释放。针对暴露在紫外线下的PET的独立研究表明其降解寿命为20至1200年，但一旦沉积在海底，其持久性可能会显著延长。
引言
聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是一种半结晶聚酯，通常由石油衍生的单体合成。其分子结构由乙二醇和对苯二甲酸反应形成的重复单元构成，包含芳香族和脂肪族结构，通用化学式为：(C10H8O4)n。这种材料通过三氧化二锑（Sb2O3）催化的酯化反应聚合而成，具有较高的拉伸强度、化学稳定性和光学透明度，因此特别适合用于需要阻隔性能和耐用性的饮料包装（Tsironi等人，2022年）。
每年生产的PET瓶子超过5000亿个，尽管这种塑料具有可回收性，但据估计自1973年发明以来，大约80%的PET瓶子被不当处理，其中约8%最终流入了海洋（Hossain等人，2023年；Tamburini等人，2025年）。由于PET的物理和化学特性，这些瓶子成为广泛存在且难以清除的垃圾（Veerasingam等人，2020年；Lawen等人，2024年；Cerri等人，2025年）。完整的PET瓶子含有空气，具有正浮力，可能随洋流漂浮或被冲上岸，在光氧化作用下逐渐降解，直到被回收（Ryan等人，2024年）。然而，由于PET的密度较高（约1.4克/立方厘米），在没有瓶盖或受损的情况下，瓶子或碎片往往会沉入海底，在那里它们会在没有外界干扰的情况下缓慢降解，可能还会发生水解反应（Ioakeimidis等人，2016年）。
目前尚不清楚海底PET污染的实际情况，但要准确评估瓶子碎片的持久性、影响及其最终命运，需要更深入地了解其降解途径、速率和性质。一些环境降解研究集中在实验室条件下对新鲜或已知特性的PET进行加速老化实验（Edge等人，1991年；Niaounakis等人，2019年；Hoseini等人，2023年；Rostampour等人，2024年），但这些条件无法反映海底受损或被生物污染的PET碎片的实际状况。另一种研究方法是将对海洋中回收的塑料与未老化的同类材料进行视觉和光谱对比（Turner等人，2020年）。Ioakeimidis等人（2016年）曾将这种方法应用于从希腊海岸拖网捕获的PET瓶子。不过，该研究仅限于对少数（最长18年）透明PET瓶子的官能团分析和扫描电子显微镜观察。
在本研究中，我们采用了更广泛的分析技术，对从英国康沃尔郡北部海岸风暴过后被冲上岸的海带沉积物中回收的PET样本以及新购买的PET瓶子进行了研究。具体方法包括显微镜观察、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和带厚度校正的X射线荧光（XRF）光谱分析，以实证不同颜色、外观和状态的PET组分的形态、结构和化学特性。这些信息和对比结果将有助于我们更好地理解影响PET在海洋环境中老化的聚合物和环境因素。
采样
采样工作在康沃尔郡北部海岸的波特海滩（Porth Beach）进行，该海滩位于北纬50.428°、西经5.056°。在强烈风暴过后，大量低潮带海带（主要是Laminaria属）以及从海底冲上来的负浮力塑料垃圾会被堆积在海滩上。Turner和Williams（2021年）详细描述了采样地点的具体环境、过程和相关塑料类型。
视觉与结构观察
在降解的样本中，26个原本透明的碎片出现了黄变现象，这是氧化降解的典型特征（图1a和1b）。黄变现象在底部碎片（n=19）中更为常见，且程度更严重，伴随表面硬度增加。立体显微镜观察显示，新的PET碎片仅有轻微的表面磨损和瑕疵。相比之下，一些碎片还受到了海洋生物膜的污染。
讨论
由于PET的密度高于海水，它有自然下沉的趋势。这表明从海带中回收的许多碎片可能来源于船舶排放或陆地丢弃。当瓶盖（通常由高密度聚乙烯制成）仍然附着在瓶子上时，完整的瓶子可能随洋流漂浮，并在破碎前经历波浪引起的机械降解、沉没和沉积过程。
作者贡献声明
安德鲁·特纳：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源协调、数据管理及概念构思。伊莎贝尔·沃尔特斯：负责撰写初稿、资源准备、方法设计、实验实施、数据分析及数据管理。
未引用参考文献
Dimassi等人，2023年；Gewert等人，2015年。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。
致谢
我们感谢Tracey Williams（纽基的“Lego Lost at Sea”项目）提供PET样本，以及Billy Simmonds、Vannia dos Santos-Durndell和Richard Harley（普利茅斯大学）在整个研究过程中提供的技术支持。两位匿名审稿人的宝贵意见极大地提升了论文质量。
