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摘 要： 摘要:海洋環(huán)境中的微塑料主要來源于陸源塑料垃圾輸入、海上船只塑料垃圾的丟棄和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)漂浮裝置的廢棄等.微塑料的大
摘要:海洋環(huán)境中的微塑料主要來源于陸源塑料垃圾輸入、海上船只塑料垃圾的丟棄和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)漂浮裝置的廢棄等.微塑料的大小、形狀和顏色與海洋生物的食物相似，容易被海洋生物誤食，由于微塑料自身的毒性及其表面吸附的有毒化學(xué)物，對(duì)海洋生物及其生態(tài)系統(tǒng)具有直接和潛在的危害.本研究主要綜述了微塑料對(duì)海洋生物產(chǎn)生影響的途徑、毒性效應(yīng)及其效應(yīng)機(jī)制的研究進(jìn)展?fàn)顩r;提出未來應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)微塑料環(huán)境濃度的長期效應(yīng)、微塑料與其他污染物的聯(lián)合效應(yīng)及其機(jī)制、微塑料效應(yīng)的生物標(biāo)志物篩選以及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)的研究等.
關(guān)鍵詞:海洋生物學(xué);微塑料;海洋生物;毒性效應(yīng);效應(yīng)機(jī)制
1微塑料概況
微塑料通常是指直徑小于5mm的碎片、纖維、薄膜和顆粒[1-5].按來源可分為在微尺寸范圍內(nèi)生產(chǎn)的初級(jí)微塑料(如洗面奶和牙膏中的塑料顆粒)和大塊塑料垃圾在物理、化學(xué)和生物等作用下分解形成的次級(jí)微塑料[6].海洋環(huán)境中的微塑料主要是通過陸源塑料垃圾輸入、海上船只塑料垃圾的丟棄、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)漂浮裝置的廢棄等途徑進(jìn)入海洋環(huán)境[7].微塑料的主要種類有高/低密度聚乙烯、聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和源于漁業(yè)生產(chǎn)的尼龍纖維等[8].
盡管人類社會(huì)使用塑料制品已有近80a的歷史，然而由于微塑料粒徑太小，人們一直沒有意識(shí)到其對(duì)生物和生態(tài)系統(tǒng)可能產(chǎn)生直接或潛在的危害.國際上針對(duì)微塑料的研究始于20世紀(jì)70年代，但真正引起重視是在2000年之后.Thompson等(2004)首次提出microplastic(微塑料)這一英文術(shù)語[9].近年來關(guān)于微塑料作為海洋污染物相關(guān)的研究報(bào)道逐年增長，特別是2014年以來，研究人員分別在Science和Nature等期刊上發(fā)表了一系列關(guān)于海洋塑料/微塑料在世界范圍內(nèi)污染狀況及其潛在的生態(tài)危害研究.因此，微塑料對(duì)海洋生物的效應(yīng)及其生態(tài)系統(tǒng)的影響越來越受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[10-16].
2微塑料對(duì)海洋生物影響途徑
微塑料進(jìn)入海洋環(huán)境后，首先，因其大小、形狀和顏色與海洋生物的食物相似，容易引起海洋動(dòng)物誤食;其次，塑料本身含有的有毒物質(zhì)能夠隨著塑料降解而釋放出來，并且微塑料的性質(zhì)及其比表面積大，能夠吸附更多的海水中有毒化學(xué)物質(zhì);此外，微塑料可以作為有毒化學(xué)物質(zhì)和微生物的載體，海洋動(dòng)物誤食后，這些有毒物質(zhì)和有害微生物進(jìn)而對(duì)生物產(chǎn)生有害效應(yīng).
2.1微塑料被海洋動(dòng)物的誤食
由于微塑料大小、形狀和顏色與普通海洋動(dòng)物的食物相似[17]，海洋動(dòng)物在攝食過程中將微塑料一同攝入體內(nèi)，可能會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生機(jī)械損傷，堵塞食物通道，或者引起假的飽食感，進(jìn)而減少對(duì)其它營養(yǎng)物質(zhì)的攝入，導(dǎo)致攝食效率降低、能量缺乏、功能受損甚至死亡[1].研究表明，浮游動(dòng)物、底棲無脊椎動(dòng)物、雙殼類、魚類和大型海洋哺乳動(dòng)物等不同種類的生物均能夠攝食微塑料.Carpenter等(1972)在發(fā)表的關(guān)于魚類攝取海洋廢棄物的報(bào)告中，就已經(jīng)記錄了塑料粒子在幼魚和成魚體內(nèi)的存在[18].Boerger等(2010)對(duì)捕自北太平洋環(huán)流食浮游生物的中層魚類進(jìn)行解剖發(fā)現(xiàn)，微塑料占魚類胃含物的35%[19].此外，低營養(yǎng)級(jí)生物中許多類群不能有效區(qū)分塑料顆粒和食物顆粒的差異，而且低密度的塑料容易漂浮聚集在海洋的表層，因此浮游生物更容易受到微塑料的影響.法國卡爾維海灣海水中微塑料含量與浮游動(dòng)物體內(nèi)含量的比例達(dá)到2.73，高濃度的微塑料廣泛分布在海洋表層，引起了上層捕食者對(duì)微塑料的誤食[20].室內(nèi)實(shí)驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)了海洋動(dòng)物攝食微塑料的現(xiàn)象.將糠蝦(Neomysisinteger)、橈足類(Acartiaspp.、Limnocalanusmacrurus、Eurytemoraaffinis)、枝角類(Bosminacoregoni、Evadnenordmannii)、輪蟲(Synchaetaspp.)、多毛類幼體(Marenzelleriaspp.)和纖毛蟲(Tintinnopsislobiancoi)暴露于含有直徑為10μm的不同濃度聚苯乙烯微塑料顆粒(1000、2000、10000個(gè)/cm3)水體中，所有受試生物都表現(xiàn)出對(duì)微塑料的攝食行為[21].比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，4種海參(Thyonellagemmata、Holothuriaoridana、Holothuriagrisea、Cucumariafrondosa)暴露于微塑料與沉積物的混合物中20～25h后，其攝入體內(nèi)的微塑料與沉積物的占比比其暴露環(huán)境中的微塑料與沉積物的占比更高，說明微塑料也能夠被不同種類海參誤當(dāng)作食物攝入體內(nèi)[22].Besseling等(2013)的研究也證明了這一點(diǎn)，暴露在水體中聚苯乙烯微塑料含量(0.000%、0.074%、0.220%、0.740%、2.200%和7.400%)越高，海蚯蚓(Arenicolamarina)對(duì)微塑料顆粒誤食也越多[23].然而，微塑料對(duì)有些種類生物攝食與積累的影響并不明顯.濾食性生物如海膽(Tripneustesgratilla)幼蟲[24]、太平洋牡蠣(Crassostreagigas)幼蟲[25-26]和歐洲扁平牡蠣(Ostreaedulis)[27]，以及腐屑食性生物如等足類動(dòng)物[28]和端足目動(dòng)物[29]攝食微塑料后，能夠在數(shù)小時(shí)內(nèi)迅速從腸胃中排出.
2.2塑料降解過程釋放的有毒物質(zhì)
盡管塑料被認(rèn)為是惰性的，但是由于其較大的比表面積，亞微米添加劑越來越多地應(yīng)用于商業(yè)熱塑性中[30].大多數(shù)添加劑如塑化劑、表面活性劑、顏料、分散劑、潤滑劑、抗靜電劑、納米粒子、納米纖維、惰性填料、甚至香料分子量都很小，并且不是化學(xué)性質(zhì)的聚合物.因此，塑料在降解過程中，添加劑很容易從塑料中浸出.從海洋環(huán)境中收集到的塑料顆粒物中已經(jīng)檢測到塑化劑的存在[31-32].除添加劑外，塑料生產(chǎn)中還使用其他化學(xué)品，如輔助物質(zhì)聚合催化劑和引發(fā)劑等，可能在塑料降解過程中釋放到環(huán)境中[33].同時(shí)，添加劑可以與聚合物混合或化學(xué)結(jié)合，顯著地改變它們的浸出能力和塑料顆粒的潛在毒性[34].這些化合物能夠滲透動(dòng)物的細(xì)胞膜，參與生化反應(yīng)和誘導(dǎo)毒性效應(yīng)[35];但是由于植物細(xì)胞壁的存在，這些效應(yīng)在植物細(xì)胞中不太明顯[36].
2.3微塑料作為有毒化學(xué)物和有害微生物的載體
微塑料對(duì)海洋生物的效應(yīng)，除了塑料本身有害作用之外，還涉及吸附在其表面的化學(xué)污染物對(duì)生物體的危害.由于微塑料具有大的比表面積和疏水特性，使其在海洋環(huán)境中能夠富集較高濃度的持久性有機(jī)污染物和重金屬等，如多氯聯(lián)苯[37]、滴滴涕[38]、多環(huán)芳烴[39-40]和重金屬[41-42]等.這些有毒有害物質(zhì)可以隨著微塑料被攝食而進(jìn)入生物體內(nèi).Browne等(2013)用預(yù)先吸附了污染物(壬基酚和菲)和添加劑(三氯生和多溴二苯醚)的聚氯乙烯微塑料與沙子混合(微塑料占比為5%)后，將蠕蟲(Arenicolamarina)暴露于混合物中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料被蠕蟲攝食進(jìn)入蠕蟲腸道后，污染物和添加劑在蠕蟲腸道體壁累積[43].Avio等(2015)將紫貽貝(Mytilusgalloprovincialis)暴露于吸附芘的微塑料水體中，微塑料被攝食后，轉(zhuǎn)移到血淋巴、鰓和消化道中，并在這些組織中觀察到芘顯著積累的現(xiàn)象，表明微塑料可以吸附并將污染物轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)[44].
細(xì)菌可以在物質(zhì)表面上形成生物膜，獲得營養(yǎng)物質(zhì)，從而不斷地增殖和擴(kuò)散.弧菌是形成塑料生物膜的常見海洋細(xì)菌[45]，也是許多種類海洋生物的致病菌.通過分析來源于海洋表層風(fēng)化微塑料碎片表面的生物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了異養(yǎng)生物、自養(yǎng)生物、捕食者和共生菌的存在[46].因此，微塑料可以作為弧菌等有害微生物的載體，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在威脅.
3微塑料對(duì)海洋生物的毒性效應(yīng)及其機(jī)制
微塑料被海洋動(dòng)物誤食后，微塑料自身的毒性和其表面吸附的有毒化學(xué)污染物會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生一定的有害效應(yīng).目前，表征微塑料毒性效應(yīng)的指標(biāo)主要包括攝食率、死亡率、生長情況、繁殖力、細(xì)胞及分子水平效應(yīng)等[47].
3.1微塑料對(duì)海洋生物毒性效應(yīng)
生物體長時(shí)間接觸微塑料，降低了其攝食能力，導(dǎo)致能量不足，降低了生長作用和繁殖力等[48].微塑料在腸道通道滯留的時(shí)間越長，就會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生越多的不利影響.性成熟的太平洋牡蠣在整個(gè)生殖周期連續(xù)8周暴露于直徑為2μm和6μm的聚苯乙烯微球(質(zhì)量濃度為0.023mg/dm3)，導(dǎo)致了其精子活力下降、卵子數(shù)量減少和卵子粒徑變小;受精后，牡蠣幼蟲停止微塑料暴露，但其從母體攜帶的微塑料降低了存活率，生長受阻，后代幼體數(shù)量比對(duì)照組減少了41%[26].此外，日本虎斑猛水蚤(Tigriopusjaponicus)[49]、海島哲水蚤(Calanushelgolandicus)[50]、朝鮮臂尾輪蟲(Brachionuskoreanus)[51]、海洋橈足動(dòng)物(Paracyclopinanana)[52]經(jīng)0.05、0.50、6.00μm3種直徑的聚苯乙烯微塑料(質(zhì)量濃度為0.1、1.0、10.0、20.0μg/cm3)暴露12d后，繁殖力、卵子大小、孵化成功率和后代存活率也均下降.當(dāng)鰕虎魚(Pomatoschistusmicrops)幼魚同時(shí)接觸到與餌料鹵蟲大小、數(shù)量均相近的聚乙烯微球時(shí)，捕食鹵蟲的數(shù)量下降了65%，攝食率降低了50%[5].研究表明，40nmNH2和50nmCOOH涂層的聚苯乙烯納米顆粒(質(zhì)量濃度為5～100μg/cm3)損害了鹵蟲(Artemiafranciscana)幼體的攝食和運(yùn)動(dòng)能力，并引發(fā)鹵蟲多次蛻皮[53].自然環(huán)境中，微塑料的含量從幾十到幾千個(gè)/m3(或者mg/m3)，如東北大西洋的平均塑料豐度為2.46個(gè)/m3[54]，北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)的塑料顆粒含量為3276個(gè)/m3和250mg/m3[55].而實(shí)驗(yàn)室中常采用遠(yuǎn)高于環(huán)境濃度的微塑料開展毒性試驗(yàn)，微塑料甚至可以直接導(dǎo)致生物的死亡.翡翠貽貝(Pernaviridis)暴露于質(zhì)量濃度為2160mg/dm3聚氯乙烯(直徑為1～50μm)中91d，其死亡率為100%[56];大型蚤(Daphniamagna)暴露于含量為105個(gè)/cm3聚乙烯(直徑為1～5μm)中14d，其死亡率達(dá)到50%[57].然而，至今關(guān)于微塑料對(duì)生物L(fēng)C50值研究報(bào)道甚少.
此外，微塑料被攝食后，能夠在生物體不同組織和器官中富集和轉(zhuǎn)移，進(jìn)而對(duì)生物產(chǎn)生有害作用.貽貝(Mytilusedulis)攝取直徑分別為3、10μm的聚苯乙烯微球，進(jìn)入腸道后可以轉(zhuǎn)移到血淋巴中;而且發(fā)現(xiàn)直徑較小的粒子比較大的粒子更容易轉(zhuǎn)移[58].微塑料顆粒(直徑小于80μm)能夠進(jìn)入貽貝消化系統(tǒng)的上皮細(xì)胞中，暴露3h后引起強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)[2].Kashiwada(2006)報(bào)告了日本青鳉(Oryziaslatipes)暴露于10mg/dm3聚苯乙烯微塑料(直徑為39.4nm)7d后，體內(nèi)聚苯乙烯微塑料顆粒的積累主要在鰓絲和腸道，且在精巢、肝臟和血液中也發(fā)現(xiàn)有少量存在;令人關(guān)注的是，在日本青鳉的大腦中也發(fā)現(xiàn)了這些粒子，提示納米粒子能夠通過血腦屏障，進(jìn)而可能對(duì)生物體產(chǎn)生不利影響[59].
微塑料浸出物和表面吸附的化學(xué)物質(zhì)對(duì)生物同樣具有有害作用.Nobre等(2015)將綠海膽(Lytechinusvariegatus)胚胎暴露于塑料顆粒，并模擬了2種添加劑脫附微塑料的方式，利用微塑料顆粒分析了添加劑浸出液的潛在毒性.結(jié)果表明，兩種方式浸出的添加劑都表現(xiàn)出胚胎發(fā)育異常的毒性效應(yīng)，異常率分別增加了58.1%和66.5%[60].此外，塑料的瀝出物甚至能夠造成海洋橈足類動(dòng)物死亡[61].
期刊推薦：《應(yīng)用海洋學(xué)學(xué)報(bào)》(季刊)創(chuàng)刊于1982年，由國家海洋局第三海洋研究所、中國海洋學(xué)會(huì)、福建省海洋學(xué)會(huì)主辦。本刊為全國性海洋科學(xué)學(xué)術(shù)期刊。主要刊載臺(tái)灣海峽及其鄰區(qū)海域(東海、南海)的物理海洋學(xué)、海洋化學(xué)、海洋環(huán)境學(xué)、海洋生物與水產(chǎn)學(xué)、海洋地質(zhì)與地震學(xué)、海洋開發(fā)與管理等方面的學(xué)術(shù)論文和研究報(bào)告等。讀者對(duì)象主要是國內(nèi)外海洋生物、水產(chǎn)、化學(xué)、環(huán)保、水文、氣象、港工、地質(zhì)、地震等單位和部門的科技人員、管理人員、高等院校相應(yīng)專業(yè)的師生等。
3.2微塑料對(duì)海洋生物毒性效應(yīng)機(jī)制
目前關(guān)于微塑料毒性效應(yīng)機(jī)制方面的研究報(bào)道較少，已報(bào)道的主要集中在以下3方面.
3.2.1誘導(dǎo)氧化應(yīng)激損傷機(jī)制不同表面涂層的聚苯乙烯微球(直徑為8μm)的急性暴露普通濱蟹(Carcinusmaenas)，對(duì)其鰓裂功能具有顯著但短暫的影響:暴露1h，對(duì)氧氣消耗量與吸入鰓腔內(nèi)的聚苯乙烯微球表現(xiàn)出顯著性的劑量效應(yīng)關(guān)系;暴露16h后，恢復(fù)到正常水平;暴露24h后，血淋巴鈉離子濃度顯著下降，而鈣離子濃度升高[62].Paul-Pont(2016)將貽貝暴露于直徑為2～6μm的聚苯乙烯微球水體中(質(zhì)量濃度為2000個(gè)/dm3)7d，亞細(xì)胞氧化應(yīng)激通路被激活[63].Jeong等(2016、2017)分析了朝鮮臂尾輪蟲和矮小擬鏢劍水蚤(Paracyclopinanana)分別在0.05、0.50、6.00μm聚苯乙烯熒光微球暴露下幾種與抗氧化相關(guān)的酶活性和絲裂原活化蛋白激酶的磷酸化狀況，首次提出了微塑料的有害結(jié)局路徑:微塑料在細(xì)胞中的毒性主要通過產(chǎn)生活性氧引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞損傷，進(jìn)而降低生長率和繁殖力;與直徑為0.50、0.60μm微塑料球相比，更小直徑的0.05μm微塑料球能夠滲透細(xì)胞膜，可以導(dǎo)致更強(qiáng)的氧化應(yīng)激反應(yīng)[51-52].
3.2.2免疫毒性效應(yīng)機(jī)制許多種類環(huán)境污染物可以通過損害生物免疫系統(tǒng)功能，引起生物免疫力下降，最終導(dǎo)致生物個(gè)體的死亡.已有研究發(fā)現(xiàn)，將海洋動(dòng)物暴露于微塑料水體中，其肝臟組織病理損傷水平增加[64-65].Greven等(2016)通過體外實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)呆鰷魚(Pimephalespromelas)中性粒細(xì)胞經(jīng)聚苯乙烯微塑料(直徑為41.0nm，質(zhì)量濃度為100.0μg/cm3)和聚碳酸酯微塑料(直徑為158.7nm，質(zhì)量濃度為0.1μg/cm3)分別暴露2h后，通過測定中性粒細(xì)胞功能，發(fā)現(xiàn)微塑料暴露后引發(fā)初級(jí)顆粒的去顆粒作用、刺激氧化爆發(fā)的活性和增加中性粒細(xì)胞胞外陷阱的釋放，其先天性免疫功能受到顯著性抑制，進(jìn)而可能影響魚群對(duì)疾病的抵抗能力[66].
3.2.3干擾內(nèi)分泌作用機(jī)制塑料生產(chǎn)過程中許多添加劑是內(nèi)分泌干擾物，可能嚴(yán)重影響生物體的正常功能.比如，鄰苯二甲酸酯和雙酚A等塑化劑能夠影響動(dòng)物的發(fā)育和繁殖過程，誘發(fā)遺傳畸變[67].此外，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，魚類攝食富集了海水中有機(jī)污染物的微塑料，干擾了魚類內(nèi)分泌標(biāo)志物基因的表達(dá):雄性個(gè)體的卵殼前體蛋白重鏈(CechoriogeninH，ChgH)基因顯著下調(diào);雌性個(gè)體的卵黃蛋白原I基因、ChgH基因和雌激素受體α基因表達(dá)也都顯著下調(diào)[64].Karami等(2016)將革胡子鯰(Clariasgariepinus)幼魚暴露于低密度聚乙烯(50、500mg/dm3)和菲(10、100mg/dm3)混合物的水體96h，也發(fā)現(xiàn)魚類體內(nèi)分泌水平受到干擾:革胡子鯰大腦中叉頭盒L2(ForkheadboxL2)和色氨酸羥化酶2兩種基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著降低.叉頭盒L2是調(diào)節(jié)合成雌激素的關(guān)鍵酶———芳香化酶基因轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子.色氨酸羥化酶是色氨酸轉(zhuǎn)化為5-羥色胺過程中一種重要催化酶.5-羥色胺主要調(diào)節(jié)促性腺激素釋放激素的轉(zhuǎn)錄水平.色氨酸羥化酶2的轉(zhuǎn)錄水平降低導(dǎo)致促性腺激素釋放激素轉(zhuǎn)錄水平降低.因此，叉頭盒L2和色氨酸羥化酶2轉(zhuǎn)錄水平降低可能進(jìn)一步導(dǎo)致生物體激素失衡，從而影響繁殖過程[65].