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塑料污染对地中海海洋多样性的风险评估
摘要：塑料海洋污染对全球海洋多样性的威胁日益严重。量化这种威胁极其困难和复杂，尤其是在评估具有不同生态需求的多个物种时。在这里，我们研究了地中海的半封闭盆地，在那里塑料污染的输入及其对海洋多样性的影响仍然是广泛未知的。对来自6个类别的84个物种进行了评估，以评估摄入塑料海洋碎片的风险，并综合了塑料暴露率和生活史特征(如运动性、栖息地和体型)等特定因素。利用文献资料、物种分布图和塑料分散模型，在空间范围内对物种进行建模，以识别和估计它们在地中海的塑料摄入情况。我们的研究方法确定了地中海多个分类群中塑料摄入风险的热点，强调沿海物种在海洋环境中摄入塑料的风险高于公海物种。塑料接触分析表明，居住范围较大的物种，随着距离的增加，接触塑料的风险更大，而本地物种更有可能接触到距离其居住范围中心更近的塑料。本研究使用的方法可用于支持整个地中海和其他地理区域的管理和减轻努力，以尽量减少塑料污染对海洋多样性的影响。
关键词：危险框架；塑料摄入；海洋垃圾；海洋生态评估；生物多样性
1.介绍
塑料污染是全球海洋和陆地生态系统的主要威胁。据估计，全球每年有400万吨至1200万吨塑料进入海洋，主要来自沿海地区。随着区域和地方政府、社区和利益攸关方采取措施将海洋塑料对海洋和沿海社区的影响降到最低，海洋塑料已成为全球日益关注的问题。近年来，这些担忧导致越来越多的研究强调有必要统一研究和行动，以更好地理解、评估和管理塑料废物进入海洋环境的机制。
据报道，海洋中有大量塑料污染，这引起了人们对可能对海洋动植物产生广泛影响的担忧。在过去的几十年里，关于塑料暴露对全球海洋物种影响的实验室和实地研究增加了。塑料污染已被证明会导致海洋物种摄入塑料材料，缠绕除了殖民导致外来物种迁移外，还会导致直接和间接的伤害或死亡。在全球范围内，从深海无脊椎动物到大型哺乳动物，以及不同的栖息地，包括底栖和远洋栖息地。海洋垃圾的一些主要来源是海岸带、河流排放和丢失或丢弃的渔具。塑料污染对海洋生态系统的影响是深远的，确定高风险区域是必不可少的步骤，特别是作为减少这些影响的管理工具。全球对塑料污染对不同种类的海鸟和海龟的影响的预测表明，塑料污染的风险远远超出了受影响的地区，延伸到了公海。
尽管海洋塑料是一个全球性问题，但地中海已被确定为污染最严重的地区之一。最近的模型根据海面拖网作业过程中使用Neuston网收集的数据，估计海面上漂浮着3.2times;1012 - 28.2times;1012个小塑料颗粒。总的来说，估计有873到2576吨的塑料碎片漂浮在海面上。这是令人担忧的，因为地中海是海洋多样性的热点地区，据估计拥有世界上4%到18%的海洋物种。有一个高度的地方性，超过600的海洋物种在盆地是脊椎动物。人类活动是地中海生物多样性丧失的主要威胁，因为它们导致海洋资源的过度开发、生境丧失和污染。随着时间的推移，生物多样性的空间格局显示出整个盆地物种丰富度的总体下降。通过地点和特定物种的调查，塑料污染已被确定为对海洋多样性的威胁;然而，热点区域的位置和海洋群落受到威胁的程度仍然存在很多不确定性。尽管这些风险已经在全球范围内对几种物种进行了量化，比如海龟和海鸟，有必要在多个物种的区域尺度上对风险进行量化，纳入该地区的栖息地范围和生活史特征等因素。为了考虑多个物种之间的动态变化，重要的是考虑家的范围，因为它提供了一个可能性，一个物种可能在任何给定的时间被发现，考虑多个物种的动态变化。此外，为了更好地评估塑料污染对海洋生物群落的总体影响，必须将具有相似生态位的海洋物种纳入更精细的空间分辨率中。
地中海流域塑料污染风险评估将提供必要的数据，以突出受到威胁的物种，并确定热点风险区域。在本研究中，我们将数值海面塑料估计和物种分布图与已发表和未发表文献中观察到的塑料摄入情况结合起来，以评估哪些物种受到的威胁最大，并确定热点危险区域的位置，以保证物种的多样性。通过纳入具有不同生态历史的物种，有必要纳入每个物种的栖息地范围，以解释物种迁移的地点和方式的差异。除了家的范围外，生活史特征也被综合起来，以确定地中海海洋动物接触塑料和预测摄入塑料的风险。该风险评估的目的是:a)利用本地和区域范围建立物种暴露模型;b)预测跨物种摄入风险;c)评估塑料污染对该地区海洋多样性的威胁。
2.方法
2.1 塑料摄入文献综述
通过对Scopus、ISI知识网和谷歌Scholar三大科学数据库的检索，我们编辑了关于海洋塑料摄入的研究文章。我们使用Deudero和Alomar, 2015年报道的关键研究术语来搜索1986年至2017年发表的文献。搜索返回了26个文件，包括科学论文、博士论文和灰色文献，从中我们提取了地中海塑料垃圾摄入的数据。我们收集了在我们的文献综述中发现的每个物种的生态和生活史特征的信息，并将从综述中确定的以下参数纳入到模型中:地理位置、运动性(家的范围)、体型、栖息地、类群和研究重点。
对于每一个物种的研究观测，都分别考虑了地理坐标。这就产生了每个物种和研究地点的数据点。然而，并不是所有的研究物种的观察都是基于地理位置的，它们的位置是根据文献中提供的研究位置来估计的。考虑到家的范围的变异性，通过将每个分布范围指定为局部(能够局部移动)或区域(区域/盆尺度移动)，运动性被定义为代表每个物种的家的范围。例如，小型远洋鱼类牛眼鲷被认为具有局部运动性，剑鱼被认为具有区域运动性。至于身体大小，只要有文献记载，总长度(mm)就会被记录下来。如果研究中没有报告鱼的总长度，则报告两种鱼的共同长度。物种被分为两种生境，远洋生境和底栖生境，以覆盖优势生境的范围。摄食是一种生态栖息地功能，与摄食地的使用或至少与成虫的存在有关;因此，为每个物种分配了与成虫关系最密切的饲养栖息地。由于本研究涉及的物种范围广，且在分类群内的复制存在局限性，我们在类似水平上模拟了研究物种之间的生态差异。最后,给一个指标的客观性研究包括在文献综述中,集中分类的一项研究二进制是的/不被分配到每个研究不同决定塑料摄入的主要目标还是塑料被确认在一般饮食分析在检查肠道的内容。
2.2 物种分布
AquaMaps提供的物种分布图进行评估每个被选择的海洋物种在地中海不同位置出现的相对概率。利用物种分布和生境利用的发生数据，包括深度范围、温度、盐度和地理范围限制等参数，生成物种分布的本地范围图。如果本地范围图有多个模型预测可用，则选择包含最新可用数据的最新计算机生成模型。本研究使用两种分布范围图。第一种类型的物种分布是一个二元范围，在这个范围内，种群被认为是均匀的，如果存在细胞值为1，如果不存在细胞值为0。二值范围模型是用发生概率为0的概率簇范围作为amask，并在发生概率大于零的地方赋值为1(二值范围)。第二个考虑的物种分布是概率发生范围，选择它来表示该范围内的物种异质性。对于这些范围，每个细胞值表示其范围内物种发生的概率(概率范围)(见补充材料S1b和S1d)。
2.3 数值塑料模型
最近对塑料垃圾分布的数值模拟让我们了解了全球海洋中漂浮塑料的数量。比较地中海塑料循环的三个独立模型:Lebreton、Maximenko和van Sebille模型。最简洁的数值模型是Lebreton 2012模型。Lebreton模型的表面建模是使用人为材料和海洋环流的实际输入情景对0.2°times;0.2°网格上的塑料垃圾进行概率预测，以模拟地中海内30年的垃圾运输和积累。基于这些原因，本文采用塑料堆积模型来计算塑料垃圾对地中海海洋多样性的暴露程度。
2.4 造型的塑料接触
两种主要方法被用来估计物种接触塑料污染的情况。首先，为了估计每个物种在其本土范围内遭遇塑料污染的几率，我们使用了之前用于海鸟和海龟风险评估的类似方法。第一种方法使用物种分布范围作为物种丰富度的衡量标准，要么是二元(存在/不存在)，要么是概率(物种丰富度)。二元暴露模型将数值塑料模型与二元暴露范围相乘，估算出各物种分布范围内海洋塑料的暴露量。另一方面，概率暴露模型将数值塑性模型与每种物种的种类概率范围相乘，同时考虑物种存在的概率。这些是非加权曝光模型，考虑了一个物种在整个分布范围内的曝光，而不考虑一个物种在其家乡范围内的塑料距离。第二种方法是在物种分布的每个范围上使用距离加权来估计密度暴露，考虑物种是否更有可能在更靠近它们的核心家园范围的地方根据它们的采样位置遇到海洋塑料。对于每个加权情景(二元分布和概率分布)，在半径距离约束为250 km的每个物种研究地点，使用记录库2标度的大圆距离矩阵估计塑料凋落物的中位数和平均密度。这250公里半径的权重被用作反距离加权的代理，允许物种研究观察附近的塑料污染比塑料污染更远的重量。对于每个场景，为每种方法以及加权模型和非加权模型的组合计算了平均值和中位数两个度量标准。表1总结了8种可能的暴露模型，包括样本权重、暴露模型和度量。
表1采用加权和非加权方法及中位数，建立了地中海塑料污染摄取率的广义加性模型(GAM)
为了确定哪一种加权和非加权的曝光模型最适合解释塑料的曝光，我们使用二项分布的广义加性模型(GAM)来估计每个范围场景;每个物种的摄食情况-研究观察是反应变量。对模型进行拟合优度检验，并使用Akaiki的信息准则(AIC)选择最节俭的模型，AIC通常用于确定最佳拟合模型。
2.5 估计摄入概率
在估计物种的摄食风险时，一个关键的不确定因素是确定摄食区域。这个区域决定了一个物种接触塑料的程度。由于这通常是未报告的(通常只报告研究地点或采样地点)，我们使用信号回归方法估计了相关的暴露面积。信号回归允许在线性模型项的上下文中估计函数，而不是单个系数，因此允许依赖于预测函数。在这个应用中，我们计算了从研究位置向外辐射的半径增加的带的塑料密度中值。然后，在计算塑料密度与摄入概率之间的关系时，我们估计了一个函数，该函数为每个波段提供了权重。该函数根据我们收集的研究中观察到的塑料摄入量百分比，估算出塑料暴露在离研究地点越来越远的地方的相对重要性。最后，在运动类与信号回归项之间加入一个交互项，使不同运动水平的生物体对塑料污染具有不同的距离加权函数。采用二项分布的广义加性模型(GAM)(使用线性运动函数项的信号回归方法)预测塑料暴露的风险。结果得到如下完整模型:
g(mui)-s1(sumjLijf(Xij)) s2(sumjLijf(Zij)) s3(body size)
habitat class study focus
其中依赖g(mui)为响应变量，表示每种研究组合中摄入塑料的发生率。g(梅)取决于密度矩阵的线性函数的塑料垃圾区域物种(Xij)和当地物种(Zij)和固定重量的距离矩阵从最好的垃圾暴露模型(他们)的平滑的和跨距离(作为代表物种的能动性范围)。我们使用修正后的Akaike信息准则(AICc)对上述完整模型中的子模型进行比较，以找到最节省的模型。子模型包括体型(mm)、栖息地、研究重点和分类群。然后使用二项逻辑回归模型的最佳拟合来确定哪些协变量对预测产仔量有重要意义。然后，使用后向逐步过程对包含所有预测变量的初始模型进行简化，以删除贡献不显著的项。所有统计模型均使用R统计语言进行。
2.6 地中海的热点地区
最佳拟合模型的结果在每个物种的栖息地范围内的每个集中单元位置进行预测，以确定物种最容易因接触海洋塑料而摄入塑料的热点区域，从而在物种水平上预测塑料污染的风险。然后对每个物种的预测细胞值进行汇总，以根据其分类水平确定物种摄入塑料的风险。最后，计算一个全球风险模型，通过对84个被考虑的物种的细胞值的总和，从预测的摄入风险的结果，以确定全球风险的塑料垃圾摄入整个地中海。
3 结果
在文献综述中的26项研究中，共从84个物种中鉴定出143个物种-研究组合(图1A)。据报道，有32种物种的区域运动，据报道有111种。海底物种研究占62.9%，其次是深海物种研究37.1%。研究中以辐鳍观察的最多，占74.8%，以头足观察的最少，占2.1%(图1B)。体型(按类)0.10plusmn;0.70m(软甲纲)到9.05plusmn;7.44m(哺乳类)不等(图1C)。最后，近三分之二(65%)的已发表的研究专门寻找塑料摄入。关于塑料摄入的文献综述确定了在饮食研究或尸检中发现塑料的几项研究，尽管这不是最初研究的主要目标。为了考虑文献中确定的来自塑料的潜在偏见，研究重点被纳入其中。
图1 文献综述中物种多样性的空间分布:A)每个细胞是该地区发现的物种数量的总和。对每种生境类型、底栖(绿色)和远洋(蓝色)的每个分类单元类别的物种研究观察摘要;B)每种物种的体型范围;(要解释图中对颜色的引用，请参考本文的web版本。)
3.1 塑料曝光建模
总共计算了8种暴露重塑，以确定哪种模型最能解释每种物种暴露于塑料碎片范围的情况。根据Akaike最低信息准则(AICc = 1348.4)，考虑到每个物种的活动性，250 km缓冲区内塑料碎片的加权中值密度是模拟塑料暴露的最佳预测因子。这解释了回归模型中14%的偏差(表1)。国内较大的塑料接触分析表明物种范围更暴露的风险增加的距离(GAM, plt;0.001),而本地物种更容易被暴露于塑料接近他们的活动范围的中心位置(GAM, plt;0.001)(图2 C和D)。这些结果为预测塑料摄入风险提供了基线，当塑料暴露在每个物种的分布范围内时。
图2 通过结合物种运动的概率均值(A,B)、概率
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