塑料因具备轻便耐用的便利性得到了广泛应用，生产量在过去50年里增加了约20倍，目前全球的塑料年产量约达4亿吨。其中30％以上的用途是包装容器等一次性产品。被倾倒进海洋里的“海洋塑料”由于塑料的稳定性优异不会自然分解，随着洋流漂流到了世界各地。这种状态持续的话，预计到2050年海洋里的塑料垃圾总重量将超过鱼类总量。所以对即使排放到环境中最终也会分解成二氧化碳（CO2）的“生物降解塑料”的需求愈发高涨。目前全世界已开始携手共同削减自然界中残留的塑料垃圾，并朝着建立一个低环境负荷的循环型社会迈进。
矶边笃彦
九州大学应用力学研究所附属大气海洋环境研究中心教授
2019年当选SATREPS研究代表
明确海洋塑料的实际情况
基于科学依据制定政策
全球每年大约有3000万吨塑料垃圾流入到地球环境中，其中约200万吨流入海洋，成为海洋塑料。海洋塑料对生态系统的不良影响令人担忧，但人类一直不清楚其在海洋中的扩散路径和确切的漂浮量。九州大学应用力学研究所附属大气海洋环境研究中心的矶边笃彦教授正与海洋塑料垃圾的主要排放源之一的泰国共同调查，以便查明实际情况。目标是基于科学依据制定出能让当地人接受的垃圾削减政策。
使用洋流模型推测发生源
与岛民一起拾垃圾验证结果
海洋塑料问题被广泛讨论由来已久，现在也有大量塑料被制造出来，每年大约有200万吨塑料垃圾会经由河流不断流入海洋。据说其中80％的排放源是近年来迅猛发展的亚洲各国。其中问题尤其严重的是已经碎成0.5毫米以下的“微塑料（MP）”。微塑料又轻又小，且非常结实，可以漂流到任何地方，最近就连在人口密度最低的南极海域也发现了微塑料。毫无疑问，世界各地的海洋已经被塑料垃圾所污染，目前全球正就海洋塑料对海洋生态系统的影响及其毒性展开积极研究。
九州大学应用力学研究所附属大气海洋环境研究中心的矶边笃彦教授是最早注意到海洋塑料问题并引领该研究的学术第一人。目前正在日本科学技术振兴机构（JST）与国际协力机构（JICA）共同推进的“全球性课题国际科学技术合作项目（SATREPS）”的支援下，与泰国开展联合研究（图1）。泰国的人均塑料垃圾排放量快速升至世界第五，对泰国主要产业的观光业和渔业带来的影响令人担忧。泰国目前正与矶边等人组成的日本研究团队共同开展实证研究，目标是制定出基于科学数据的垃圾削减政策。
图1：SATREPS系统图
矶边先生最初开始研究海洋塑料是在十几年前。最初他是一名研究东海和濑户内海等浅海域洋流的海洋物理学者，乍一看似乎与海洋塑料研究相去甚远。矶边回忆当时的情景说：“（研究海洋塑料的）契机源于散乱在长崎县五岛列岛美丽海岸上的垃圾。查看标签发现有很多海外产品，所以我就想知道这些垃圾来自哪里，又会漂向哪里，所以从2007年开始着手研究”。
矶边先生首先通过逆向再生计算机洋流模型推测了垃圾的来源。为验证获得的结果，还调查了实际被冲上海岸的垃圾。他用研究经费雇佣五岛列岛的岛民，在两年半的时间里每隔一到两个月回收一次被冲到海岸上的所有垃圾并进行分类（图2）。然后根据标签上的文字确定国家，由此确认计算机模拟的精度很高。
图2：在五岛列岛调查被冲上岸的垃圾
东亚是塑料垃圾的“热点”区域
建立规范的调查方法
在调查过程中，矶边先生注意到一件事。他介绍说：“（在调查过程中）发现了很多小塑料碎片。虽然现在已经被作为微塑料问题提出，但当时连名字都没有。也几乎没有研究报告，对这些塑料碎片顿感兴趣”。于是矶边从2010年开始在其当时所属的爱媛大学展开了海洋调查，2014年转职进入九州大学后在东京海洋大学、长崎大学、鹿儿岛大学和北海道大学的协助下继续进行调查。
2014年的调查发现，主要以日本海为中心的东亚海域是微塑料漂浮密度高达世界其他海域27倍的“热点”区域。2017年的调查还全球首次发现微塑料已经到达南极周边海域（图3）。
图3：拖拽浮游生物网采集微塑料的作业（左）与采集到的微塑料（右）
矶边先生在推进海洋调查的同时，还不断改进了调查方法。因为他开始进行研究的10年前论文比较少，有些论文即使记载了调查方法，内容也大多比较模糊。他就当时经历的艰辛表示：“我想通过实地调查知道哪片海域有多少微塑料，但几乎没有过去的调查数据。不得不边试错边确定调查方法”。
例如，关于微塑料污染情况的调查方法只记载“用船拉网10分钟”是不够的。因为逆着洋流拉网和顺着洋流拉网所采集到的海水量是不一样的。不知道采水量的话就无法计算出密度，也就无法评估污染程度。因此，我和团队逐一确立了利用捕捞浮游生物的浮游生物网在海面附近采集的方法，以及在网上安装流量计进行采集的方法。2010年代中期开始与国内外的研究人员共同汇总确立的调查方法，2019年并公开为环境省发行的指南。
这份指南还涉及了采集后的分析方法。以前是用镊子从混有各种浮游物的海水中手工分拣塑料（图4）。但目测判断是否是塑料并非易事。因此采纳了利用名为傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的分析装置来判断是否是塑料的方法，提高了调查效率。矶边信心十足地表示：“目前全世界的研究人员都在按照这份指南开展调查。不遵循这份指南的话，论文就不会被认可。这些通过试错确立的方法正逐渐成为全球标准”。
图4：手工分类采集的海洋塑料
启动与泰国的联合研究
验证垃圾削减计划
随着海洋塑料的污染实态逐渐清晰，要求主要污染源的亚洲各国采取对策的呼声也越来越高。中国和东南亚各国的塑料垃圾随着经济的快速发展而增加，但垃圾焚烧设施不足。不过矶边指出，光增加焚烧设施还不够。因为即使有设施，但如果没建立能让使用者对垃圾进行合理分类并运送到设施的系统，设施也无法发挥作用。矶边先生介绍了采取对策所面临的困难：“还必须思考为什么会使用塑料。因为塑料既便宜又结实，还卫生。如果采取全面禁止使用塑料的不合理对策，弱势群体可能会单方面处于不利地位”。
在矶边先生打算利用此前的研究成果解决社会课题时，得知SATREPS正在征集项目。在国际合作项目中，SATREPS的特点是不单方面向合作国提供技术，而是与合作国共同开展研究，共同取得成果。他介绍说：“在泰国，有一篇论文报道了海洋塑料对珊瑚的影响，并且有这个领域的研究人员。我们也听说泰国政府和国民对海洋塑料都高度关注，所以我认为泰国是理想的合作伙伴”。
之后，矶边先生开始与泰国朱拉隆功大学理学部海洋科学科的沃拉诺普·维亚罕副教授等人合作开展联合研究。进行实地调查明确排放的塑料垃圾变成海洋塑料的过程后，将制定符合当地居民生活方式的垃圾削减计划。计划实施验证实验，最终提供政策制定建议。开展联合研究的舞台是位于泰国首都曼谷以南约180公里的沙迈珊岛（图5）。
图5：开展调查的泰国沙迈珊岛。旅游指南中也将其作为一座美丽的岛屿进行了介绍。
这是一座拥有美丽海岸观光景点与中等规模城镇共存的岛屿，岛上既有产生垃圾的人，也有附近的垃圾漂过来的海岸，所以适合追踪海洋塑料的发生过程，因此泰方推荐了这里。矶边先生亲自到岛上视察发现，景区被打扫得干干净净，没有任何垃圾，但当地人生活的住宅区则没有充分进行处理，到处都是垃圾。矶边信心十足地表示：“我觉得这是东南亚常见的城镇类型。建立让全岛协助我们开展研究的体制也很重要。如果削减垃圾的措施能在这里取得成功，那么不仅是泰国，该计划在东南亚各国的很多城镇都有可能实现”。
利用无人机拍摄计算总量
可实现高效的广域调查
正当矶边准备在沙迈珊岛开展调查时，新冠疫情席卷了全球。被迫中断研究的矶边决定先在日本开发用于实施塑料垃圾广域调查的技术。他表示：“光靠眼睛目测观察塑料垃圾的去向无法掌握全貌。另外，这种调查虽然很可靠，但必须坚持定期进行调查才有意义。因此，需要开发一种无需付出人力和资金就能持续进行大范围调查的方法”。
负责开发的是以鹿儿岛大学的加古真一郎副教授为中心的研究团队。开发时重视以下三点：可以在短时间内测量广阔海岸的机动性、可以从海里的各种垃圾中准确分别出塑料的客观性，以及可以在任何地方使用的通用性。通过使用无人机，20分钟即可测量100平方米。如果使用可以自动飞行并能实时获得位置信息的机型，则任何人都可以测量。另外，与自然物体不同，塑料的颜色和形状都很有特点，因此通过用模拟垃圾让AI反复学习塑料垃圾的特征，还可以自动辨别（图6）。
图6：使用模拟垃圾实施的实验。利用无人机拍摄了放在海岸上的模拟塑料垃圾的照片（左），AI仅将照片中的塑料标记为红色（右）。准确地识别出了塑料的各种形状。体积是根据重建为三维物体时的底面积和高度的推测值计算出来的。（出处：Kakoetal.,2020,MarinePollutionBulletin,155,111127）
塑料的种类很多，既有塑料袋那样的薄型产品，也有聚苯乙烯泡沫那样的立体产品，但AI可以根据从不同角度拍摄的照片再现立体结构，并计算出体积。在长崎县的大串海岸实际进行测量发现，推测值与实测值之间的误差在5％以内（图7）。虽然在石头较多的地方精度略有下降，但从上空17米处拍摄的话可以检测到500毫升的PET瓶。矶边先生笑着说：“利用该技术应该可以在尽量不费工夫的情况下长期进行定点观测。今后将在不同的环境下进行野外测量，以进一步提高精度”。
图7：大串海岸（长崎县奈留岛）的分析结果。使用的无人机配备2000万像素的摄像头，还可以测量位置数据。让AI学习对漂浮到岸边的垃圾手工分类后的数据，构建出了自动分辨垃圾的模型。彩色区域（蓝、黄、白）是AI判断为垃圾的场所。（出处：Kakoetal.,2020,MarinePollutionBulletin,155,111127）
兼顾经济发展和环境对策
日本也无法置身事外
另外，研究团队还考虑将嵌入无人机的系统作为智能手机APP利用。市民在街上发现垃圾后可以当场拍照，通过在数据中心收集信息，不仅是海岸，还能掌握陆地上的塑料垃圾，可以了解到哪种类型的垃圾在哪里被大量排放。市民通过亲自参与调查，还有望进一步关注垃圾问题。坚持采取这些措施可以明确沙迈珊岛的海洋塑料的产生路径，推进海洋塑料对策。
当然，情况不会一下子立即得到改善。矶边先生接着说：“虽然已经发现了有效的对策，但如果身为日本人的我们突然向当地政府提出建议，进展可能也不会顺利。应该由本国人通过认真讨论来决定适合自己生活方式的政策。对我们科学家来说，最重要的是提供作为判断依据的科学数据”。曾在朱拉隆功大学做过一段时间的研究、精通泰国环境政策的中央大学经济学部佐佐木创教授也加入了SATREPS。希望在佐佐木先生的研究伙伴的协助下，铺平向泰国政府提供建议的道路。
沙迈珊岛的措施如果取得成功，应该还会作为兼顾经济发展和环境对策的典范应用于东南亚各国、中南美和非洲等有望进一步实现经济发展的国家。矶边先生强调说：“如今全世界正朝着减少塑料和一次性产品使用的方向迈进。日本也不能置身事外。对塑料购物袋收费只是一个开始。每个人都要减少塑料的使用量”。为了帮助全世界解决海洋塑料问题，矶边先生今后将继续积累科学证据。
文：JSTnews 2021年7月号
翻译编辑：JST客观日本编辑部
