在海洋环境中发现的塑料相关化学毒性可能由以下原因导致：

　　• 来自以塑料为原料的制造活动的残余单体，或塑料中使用的有毒添加剂，其可能从生物摄入的塑料中浸出，例如双酚A、邻苯二甲酸酯增塑剂和重金属；
　　• 塑料部分降解的中间产物的毒性，例如多环芳烃和聚苯乙烯中的苯乙烯。苯乙烯既是单体又是降解产物；
　　• 疏水化学物质，例如存在于海水中的持久性有机污染物，其被吸收或吸附，浓缩在微塑料碎片中。

挪威水研究所对从海洋环境中收集的塑料中测出的污染物做了全面核查，这些污染物包括：

　　 • 杀虫剂：滴滴涕和相关化合物、六氯环己烷、氯丹（Chlordanes）、环戊二烯类杀虫剂（Cyclodienes）、灭蚁灵（Mirex）和六氯苯
　　• 工业化学品和塑料添加剂：多氯联苯、多溴二苯醚、壬基酚（Nonyl-phenols）、辛基酚（Octylphenols）、双酚A和全氟/多氟烷基物质
　　• 副产物：多环芳烃和脂肪烃

　　塑料通常是聚合物、残留单体和化学添加剂的复杂混合物。塑料分为几大类，包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氯乙烯。诸如聚四氟乙烯（PTFE）和全氟烷氧基聚合物之类的含氟聚合物被用于许多不粘塑料和医疗产品中。一旦在海洋中释放，塑料的环境归宿主要取决于聚合物密度。比海水密度更大的聚氯乙烯等聚合物可能会下沉，而密度较低的聚合物（如聚乙烯和聚丙烯）则会漂浮在水体中。塑料表面的生物污垢（生物定殖）等过程增加了颗粒的重量。

　　邻苯二甲酸酯通常被用作增塑剂，存在于儿童玩具、个人护理产品和食品容器中。其中有些是已知的内分泌干扰物。研究人员在海洋塑料颗粒中测出了邻苯二甲酸酯。一项研究发现，超过一半的表面浮游生物样本含有带高浓度邻苯二甲酸酯（邻苯二甲酸二辛酯（DEHP）和单（2-乙基-己基）邻苯二甲酸酯（MEHP））的微塑料颗粒。该研究警告说，在搁浅的长须鲸的脂肪中发现的单（2-乙基-己基）邻苯二甲酸酯浓度可能表明微塑料及其污染物是须鲸面临的新威胁。

　　双酚A是世界范围内生产的大批量化学品。作为聚碳酸酯塑料和环氧树脂的单体，它被用于食品容器和罐装食品的环氧基衬里。双酚A通过塑料废弃物、污水、河流和沿海水域进入海洋环境。双酚A是一种已知的内分泌干扰物。四溴双酚A在某些塑料中用作阻燃剂，会降解为双酚A。在来自偏远海滩和公海的塑料碎片样本中检测出了相对高浓度的双酚A。从20多个国家（主要在东南亚和北美）的沙子和海水中发现了大量的双酚A（0.01-50 ppm）。聚碳酸酯和环氧树脂涂料和油漆曾被视为主要来源。

　　多溴二苯醚在计算机和电视的塑料外壳中被用作阻燃化学品，因此成为电子废弃物的关键有毒成分。电子废弃物的燃烧是水生环境和海洋环境的重要多溴二苯醚来源。

　　重金属被用作着色剂。在对海滩上的微塑料所做的研究中，在所有样本中都检测出了镉和铅，其中红色和黄色颗粒或碎片中的浓度较高。镉和铅的最大生物可给浓度超过了研究人员为当地海鸟的饮食估算的值，分别约为后者的50倍和4倍。

　　2011年，研究人员发现大多数塑料产品释放出雌激素化学物，称“不论树脂、产品或零售来源是何种类型，几乎所有商业塑料产品样本所浸出的化学物质都能够可靠地检测出内分泌活性，那些广告宣传为不含双酚A的产品也不例外。在某些情况下，无双酚A的产品所释放化学物质的内分泌活性比含双酚A的产品还更高。”常用的塑料添加剂，如邻苯二甲酸酯、双酚A、烷基酚（alkylphenols）和多溴二苯醚，均属于内分泌干扰物。邻苯二甲酸酯和双酚A都已被证明会影响软体动物、甲壳类动物和两栖动物的发育和繁殖，即使在非常低的环境浓度下也可能发生

　　一些具有内分泌干扰性的塑料添加剂，如多溴二苯醚，在塑料中的浓度可能非常高，约为1,000 - 500,000毫克/千克。这些物质已被广泛用作塑料和聚氨酯泡沫中的阻燃剂。六溴环十二烷仍被用于聚苯乙烯泡沫塑料（EPS/XPS）。四溴双酚A被用作环氧树脂、乙烯基酯树脂和聚碳酸酯树脂的阻燃剂，也具有内分泌活性。

　　烷基酚聚乙氧基化物也是内分泌干扰物。壬基酚可导致水生物种的雌性化或雄鱼的去雄性化。这降低了雄鱼的生育能力和幼鱼的生存率。实验室研究证明了壬基酚可导致水生生物的繁殖能力受影响。上述影响包括：

　　• 大菱鲆的雄性和雌性激素水平变化；
　　• 降低青蟹和斑马鱼的配子生产和受精率；
　　• 降低虹鳟鱼胚胎的孵化率；
　　• 接触壬基酚的牡蛎的后代性别比例改变；
　　• 双性鳟鱼、鲷鱼和青蛙的发育，即后代具有两性特征。

　　壬基酚还可能诱发多种非繁殖效应，例如无法维持海鲷和大西洋鲑鱼的液体和电解质平衡，这可能会阻止它们从淡水迁移到海水中。暴露于壬基酚的蛤蜊和海胆分别表现出呼吸减少和畸形增加现象。

　　塑料和树脂中未反应的单体以及降解产物均可能从聚合物中浸出到环境中，来自聚苯乙烯部分降解的化学中间体就是一例。

　　膨胀聚苯乙烯泡沫在海洋环境中普遍存在。它是美国加利福尼亚州橘县沿岸43个地点中数量第二多的海滩垃圾。在沿海地区的海水和沙子中检测出苯乙烯单体和降解副产物，可能来自聚苯乙烯垃圾。已有证据显示苯乙烯副产物来自聚苯乙烯产品，例如聚苯乙烯制造的方便面杯。苯乙烯是一种动物致癌物质，可能是人类致癌物质和神经毒素。

　　发泡聚苯乙烯还可能含有属于持久性有机污染物类别的阻燃剂六溴环十二烷。在使用含有六溴环十二烷的聚苯乙烯泡沫塑料浮标的水产养殖场的牡蛎中发现六溴环十二烷浓度升高。在一些欧洲水域的鱼类体内发现了高浓度的六溴环十二烷。

　　塑料树脂颗粒是塑料制造原料，它伴随其它塑料废弃物广泛出现于世界各地的海洋中。这类颗粒所含的持久性有机污染物和其它污染物的浓度可能取决于它们被冲上海滩之前在海洋或重污染地区停留了多长时间。树脂颗粒的颜色可能会影响污染物的浓度。根据对葡萄牙海滩上收集的颗粒所做的测试，黑色颗粒中浓度最高的污染物不是多环芳烃，而是持久性有机污染物（多氯联苯、滴滴涕）。

　　 多氯联苯和滴滴伊易被聚丙烯树脂颗粒吸附，浓度随时间的推移而上升，最多时是周围海水的106倍。人们从日本四个海岸的聚丙烯树脂颗粒中收集了大量的多氯联苯、滴滴伊和壬基酚。多氯联苯（4-117纳克/克）、滴滴伊（0.16-3.1纳克/克）和壬基酚（0.13-16微克/克）的浓度因采样点而异。聚丙烯树脂颗粒中的壬基酚含量比东京湾沉积物中的壬基酚含量高2个数量级（0.1-0.6微克/克）。

　　 2007年，研究人员在北太平洋环流以及加利福尼亚州、夏威夷和墨西哥瓜达卢佩岛的选定地点收集了主要由聚丙烯和聚乙烯聚合物组成的颗粒。在所有塑料样本中都发现了多环芳烃和滴滴涕及其代谢物。多氯联苯的总浓度范围为27-980纳克/克，滴滴涕为22至7,100纳克/克，多环芳烃为39-1,200纳克/克，脂肪烃为1.1-8,600微克/克。从英格兰西南海岸采集的颗粒含有金属，其中镉的浓度最大值为3,390微克/克，铅的最大值为5,330微克/克

　　 在希腊沿海地区的塑料颗粒和海滩沉积物中测出了18种全氟/多氟烷基物质。塑料颗粒中的浓度高于沉积物中的浓度，研究人员提出颗粒表面全氟/多氟烷基物质的来源是周围水的吸附。

　　 塑料颗粒的生产原料可能是原始塑料，或是可能含有持久性有机污染物和其它有毒物质的再生塑料。在英格兰西南部海岸收集的颗粒中，超过10%发现了溴。高浓度（13,000微克/克）表明存在溴化阻燃剂，源自电热设备外壳塑料的循环利用。