塑膠因具備輕便耐用的便利性得到了廣泛應用，生產量在過去50年裏增加了約20倍，目前全球的塑膠年產量約達4億噸。其中30％以上的用途是包裝容器等一次性產品。被傾倒進海洋裏的「海洋塑膠」由於塑膠的穩定性優異不會自然分解，隨着洋流漂流到了世界各地。這種狀態持續的話，預計到2050年海洋裏的塑膠廢棄物總重量將超過魚類總量。所以對即使排放到環境中最終也會分解成二氧化碳（CO2）的「生物降解塑膠」的需求愈發高漲。目前全世界已開始攜手共同削減自然界中殘留的塑膠廢棄物，並朝着建立一個低環境負荷的循環型社會邁進。
磯邊篤彥
九州大學應用力學研究所附屬大氣海洋環境研究中心教授
2019年當選SATREPS研究代表
明確海洋塑膠的實際情況
基於科學依據制定政策
全球每年大約有3000萬噸塑膠廢棄物流入到地球環境中，其中約200萬噸流入海洋，成爲海洋塑膠。海洋塑膠對生態系統的不良影響令人擔憂，但人類一直不清楚其在海洋中的擴散路徑和確切的漂浮量。九州大學應用力學研究所附屬大氣海洋環境研究中心的磯邊篤彥教授正與海洋塑膠廢棄物的主要排放源之一的泰國共同調查，以便查明實際情況。目標是基於科學依據制定出能讓當地人接受的廢棄物削減政策。
使用洋流模式推測發生源
與島民一起拾廢棄物驗證結果
海洋塑膠問題被廣泛討論由來已久，現在也有大量塑膠被製造出來，每年大約有200萬噸塑膠廢棄物會經由河流不斷流入海洋。據說其中80％的排放源是近年來迅猛隊形變換的亞洲各國。其中問題尤其嚴重的是已經碎成0.5毫米以下的「微塑膠（MP）」。微塑膠又輕又小，且非常結實，可以漂流到任何地方，最近就連在人口密度最低的南極海域也發現了微塑膠。毫無疑問，世界各地的海洋已經被塑膠廢棄物所污染，目前全球正就海洋塑膠對海洋生態系統的影響及其毒性展開積極研究。
九州大學應用力學研究所附屬大氣海洋環境研究中心的磯邊篤彥教授是最早注意到海洋塑膠問題並引領該研究的學術第一人。目前正在日本科學技術振興機構（JST）與國際協力機構（JICA）共同推進的「全球性課題國際科學技術合作專案（SATREPS）」的支援下，與泰國開展聯合研究（圖1）。泰國的人均塑膠廢棄物排放量快速升至世界第五，對泰國主要產業的觀光業和漁業帶來的影響令人擔憂。泰國目前正與磯邊等人組成的日本研究團隊共同開展實證研究，目標是制定出基於科學資料的廢棄物削減政策。
圖1：SATREPS系統圖
磯邊先生最初開始研究海洋塑膠是在十幾年前。最初他是一名研究東海和瀨戶內海等淺海域洋流的海洋物理學者，乍一看似乎與海洋塑膠研究相去甚遠。磯邊回憶當時的情景說：「（研究海洋塑膠的）契機源於散亂在長崎縣五島列島美麗濱海帶上的廢棄物。查看標籤發現有很多海外產品，所以我就想知道這些廢棄物來自哪裏，又會漂向哪裏，所以從2007年開始着手研究」。
磯邊先生首先透過逆向再生電腦洋流模式推測了廢棄物的來源。爲驗證獲得的結果，還調查了實際被衝上濱海帶的廢棄物。他用研究經費僱傭五島列島的島民，在兩年半的時間裏每隔一到兩個月回收一次被衝到濱海帶上的所有廢棄物並進行分類（圖2）。然後根據標籤上的文字確定國家，由此應答電腦模擬的精度很高。
圖2：在五島列島調查被衝上岸的廢棄物
東亞是塑膠廢棄物的「熱點」區域
建立規範的調查方法
在調查程序中，磯邊先生注意到一件事。他介紹說：「（在調查程序中）發現了很多小塑膠碎片。雖然現在已經被作爲微塑膠問題提出，但當時連名字都沒有。也幾乎沒有研究報告，對這些塑膠碎片頓感興趣」。於是磯邊從2010年開始在其當時所屬的愛媛大學展開了海洋調查，2014年轉職進入九州大學後在東京海洋大學、長崎大學、鹿兒島大學和北海道大學的協助下繼續操作進行調查。
2014年的調查發現，主要以日本海爲中心的東亞海域是微塑膠漂浮密度高達世界其他海域27倍的「熱點」區域。2017年的調查還全球首次發現微塑膠已經到達南極周邊海域（圖3）。
圖3：拖拽浮游生物網採集微塑膠的作業（左）與採集到的微塑膠（右）
磯邊先生在推進海洋調查的同時，還不斷改進了調查方法。因爲他開始進行研究的10年前論文比較少，有些論文即使記載了調查方法，内容也大多比較模糊。他就當時經歷的艱辛表示：「我想透過實地調查知道哪片海域有多少微塑膠，但幾乎沒有過去的調查資料。不得不邊試錯邊確定調查方法」。
例如，關於微塑膠污染情況的調查方法只記載「用船拉網10分鐘」是不夠的。因爲逆着洋流拉網和順着洋流拉網所採集到的海水量是不一樣的。不知道採水量的話就無法計算出密度，也就無法評估污染程度。因此，我和團隊逐一確立了利用捕撈浮游生物的浮游生物網在海面附近採集的方法，以及在網上安裝流量計進行採集的方法。2010年代中期開始與國内外的研究人員共同彙總確立的調查方法，2019年並公開爲環境省發行的指南。
這份指南還涉及了採集後的分析方法。以前是用鑷子從混有各種浮游物的海水中手工分揀塑膠（圖4）。但目測判斷是否是塑膠並非易事。因此採納了利用名爲傅立葉轉換紅外線光譜儀（FTIR）的分析裝置來判斷是否是塑膠的方法，提高了調查效率。磯邊信心十足地表示：「目前全世界的研究人員都在按照這份指南開展調查。不遵循這份指南的話，論文就不會被身份鑑定。這些透過試錯確立的方法正逐漸成爲全球標準」。
圖4：手工分類採集的海洋塑膠
起動與泰國的聯合研究
驗證廢棄物削減計劃
隨着海洋塑膠的污染實態逐漸清晰，要求主要污染源的亞洲各國採取對策的呼聲也越來越高。中國和東南亞各國的塑膠廢棄物隨着經濟的快速隊形變換而增加，但垃圾焚化設施不足。不過磯邊指出，光增加焚燒設施還不夠。因爲即使有設施，但如果沒建立能讓使用者對廢棄物進行合理分類並運送到設施的系統，設施也無法發揮作用。磯邊先生介紹了採取對策所面臨的困難：「還必須思考爲什麼會使用塑膠。因爲塑膠既便宜又結實，還衛生。如果採取全面禁止使用塑膠的不合理對策，弱勢群體可能會單方面處於不利地位」。
在磯邊先生打算利用此前的研究成果解決社會課題時，得知SATREPS正在徵集專案。在國際合作專案中，SATREPS的特點是不單方面向合作國提供技術，而是與合作國共同開展研究，共同取得成果。他介紹說：「在泰國，有一篇論文報導了海洋塑膠對珊瑚的影響，並且有這個領域的研究人員。我們也聽說泰國政府和國民對海洋塑膠都高度關注，所以我認爲泰國是理想的合作夥伴」。
之後，磯邊先生開始與泰國朱拉隆功大學理學部海洋科學科的沃拉諾普·維亞罕副教授等人合作開展聯合研究。進行實地調查明確排放的塑膠廢棄物變成海洋塑膠的程序後，將制定符合當地居民生活方式的廢棄物削減計劃。計劃實施驗證實驗，最終提供政策制定建議。開展聯合研究的舞臺是位於泰國首都曼谷以南約180公里的沙邁珊島（圖5）。
圖5：開展調查的泰國沙邁珊島。旅遊指南中也將其作爲一座美麗的島嶼進行了介紹。
這是一座擁有美麗濱海帶觀光景點與中等規模城鎮共存的島嶼，島上既有產生廢棄物的人，也有附近的廢棄物漂過來的濱海帶，所以適合追蹤海洋塑膠的發生程序，因此泰方推薦了這裏。磯邊先生親自到島上視察發現，景區被打掃得乾乾淨淨，沒有任何廢棄物，但當地人生活的住宅區則沒有充分進行處理，到處都是廢棄物。磯邊信心十足地表示：「我覺得這是東南亞常見的城鎮類型。建立讓全島協助我們開展研究的體制也很重要。如果削減廢棄物的措施能在這裏取得成功，那麼不僅是泰國，該計劃在東南亞各國的很多城鎮都有可能實施」。
利用無人航空載具拍攝計算總量
可實施高效的廣域調查
正當磯邊準備在沙邁珊島開展調查時，新冠疫情席捲了全球。被迫中斷研究的磯邊決定先在日本開發用於實施塑膠廢棄物廣域調查的技術。他表示：「光靠眼睛目測觀察塑膠廢棄物的去向無法掌握全貌。另外，這種調查雖然很可靠，但必須堅持定期進行調查才有意義。因此，需要開發一種無需付出人力和資金就能持續進行大範圍調查的方法」。
負責開發的是以鹿兒島大學的加古真一郎副教授爲中心的研究團隊。開發時重視以下三點：可以在短時間内測量廣闊濱海帶的機動性、可以從海里的各種廢棄物中準確分別出塑膠的客觀性，以及可以在任何地方使用的通用的性。透過使用無人航空載具，20分鐘即可測量100平方公尺。如果使用可以自動飛行並能即時獲得位置資訊的機型，則任何人都可以測量。另外，與自然物體不同，塑膠的顏色和形狀都很有特點，因此透過用類比廢棄物讓AI反復學習塑膠廢棄物的特徵，還可以自動辨別（圖6）。
圖6：使用類比廢棄物實施的實驗。利用無人航空載具拍攝了放在濱海帶上的類比塑膠廢棄物的照片（左），AI僅將照片中的塑膠標記爲紅色（右）。準確地識別出了塑膠的各種形狀。體積是根據重建爲三維物體時的底面積和高度的推測值計算出來的。（出處：Kakoetal.,2020,MarinePollutionBulletin,155,111127）
塑膠的種類很多，既有塑膠袋那樣的薄型產品，也有聚苯乙烯泡沫那樣的立體產品，但AI可以根據從不同角度拍攝的照片再現空間結構，並計算出體積。在長崎縣的大串濱海帶實際進行測量發現，推測值與實測值之間的誤差在5％以内（圖7）。雖然在石頭較多的地方精度略有下降，但從上空17米處拍攝的話可以檢測到500毫升的PET瓶。磯邊先生笑着說：「利用該技術應該可以在儘量不費工夫的情況下長期進行定點海洋觀測站。今後將在不同的環境下進行野外測量，以進一步提高精度」。
圖7：大串濱海帶（長崎縣奈留島）的分析結果。使用的無人航空載具配備2000萬畫素的攝影頭，還可以測量位置資料。讓AI學習對漂浮到岸邊的廢棄物手工分類後的資料，構建出了自動分辨廢棄物的模式。有彩顏色區域（藍、黃、白）是AI判斷爲廢棄物的場所。（出處：Kakoetal.,2020,MarinePollutionBulletin,155,111127）
兼顧經濟隊形變換和環境對策
日本也無法置身事外
另外，研究團隊還考慮將嵌入無人航空載具的系統作爲智慧型手機APP利用。市民在街上發現廢棄物後可以當場拍照，透過在資料中心收集資訊，不僅是濱海帶，還能掌握陸地上的塑膠廢棄物，可以瞭解到哪種類型的廢棄物在哪裏被大量排放。市民透過親自參與調查，還有望進一步關注廢棄物問題。堅持採取這些措施可以明確沙邁珊島的海洋塑膠的產生路徑，推進海洋塑膠對策。
當然，情況不會一下子立即得到改善。磯邊先生接着說：「雖然已經發現了有效的對策，但如果身爲日本人的我們突然向當地政府提出建議，進展可能也不會順利。應該由本國人透過認真討論來決定適合自己生活方式的政策。對我們科學家來說，最重要的是提供作爲判斷依據的科學資料」。曾在朱拉隆功大學做過一段時間的研究、精通泰國環境政策的中央大學經濟學部佐佐木創教授也加入了SATREPS。希望在佐佐木先生的研究夥伴的協助下，鋪平向泰國政府提供建議的道路。
沙邁珊島的措施如果取得成功，應該還會作爲兼顧經濟隊形變換和環境對策的典範應用於東南亞各國、中南美洲和非洲等有望進一步實施經濟隊形變換的國家。磯邊先生強調說：「如今全世界正朝着減量塑膠和一次性產品使用的方向邁進。日本也不能置身事外。對塑膠購物袋收費只是一個開始。每個人都要減量塑膠的使用量」。爲了幫助全世界解決海洋塑膠問題，磯邊先生今後將繼續操作積累科學證據。
文：JSTnews 2021年7月號
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
