微塑料對海洋環(huán)境的影響
密度是影響微塑料最終流向的重要影響因子, 例如聚氯乙烯等高密度的微塑料最有可能沉在海底沉積物中, 而比海水密度低的微塑料(聚丙烯)一般會漂浮在海面, 并逐漸分散在水體中。不管是懸浮在海水中微塑料, 還是沉積到沉積物中的微塑料, 由于其特殊的理化性狀, 其污染對海洋環(huán)境造成的影響遠比其他塑料顯著。
1 微塑料對海水水質的影響
塑料制品在生產過程中會使用各種化學添加劑, 這些塑料垃圾進入海洋后會逐漸破碎, 從而對海水水質造成一定的影響。此外, 大量的微塑料漂浮在海洋表面、懸浮在各層海水中, 因塑料對太陽光有遮擋作用和反射作用, 進而導致光線在海水中的傳遞受阻, 最終對藻類的光合作用造成抑制效應, 并對其他生物的生存、生長造成間接干擾。例如, Mao等將小球藻暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境中, 結果發(fā)現(xiàn), 隨著聚苯乙烯濃度的增加, 小球藻的光合作用降低, 這歸因于微塑料對其造成的物理損傷和氧化應激作用。而且, 藻類能夠通過光合作用起到凈化海水的作用, 因此, 海洋中藻類的光合作用受到影響會導致水體的自凈能力變低, 從而使海水水質受到一定的影響。
2 微塑料對沉積環(huán)境的影響
海洋環(huán)境中已經發(fā)現(xiàn)塑料會堆積在沿海沉積物中, 并在世界各地的海洋沉積物中大量積累。海底塑料碎片的堆積會對海洋生態(tài)系統(tǒng)構成潛在威脅。例如, 海底塑料碎片堆積會阻礙上層水和沉積物孔隙水之間的氣體交換, 從而導致底棲生物缺氧或由缺氧而影響正常的生態(tài)系統(tǒng)功能。而且, 微塑料會富集周圍環(huán)境中的有機污染物及重金屬, 例如, Mato等對日本海灘收集的聚丙烯微塑料樣品進行檢測, 結果發(fā)現(xiàn), 其樣品中含有多氯聯(lián)苯(PCBs)、滴滴涕(DDT)與壬基酚(NP)等有機污染物; Vedolin等對巴西圣保羅州海岸的19個海灘收集的樣品進行檢測, 結果發(fā)現(xiàn), 樣品中微塑料表面吸附多種重金屬。發(fā)生在沉積物界面上的氧氣和水的擴散與交換因吸附在微塑料表面的物質而被阻礙, 從而對發(fā)生在沉積物界面上的生物化學過程造成影響, 進而影響生物地球化學循環(huán), 同時, 這些富集物最終會與微塑料產生聯(lián)合毒性效應。
微塑料對海洋生物的影響
1 微塑料對海洋動物的影響
1.1 微塑料對海洋動物生理狀態(tài)的影響
微塑料對海洋動物生理的影響主要集中在消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)與生殖系統(tǒng)等, 進而對海洋生物的消化、呼吸與繁殖等造成影響, 相關結果在魚類、貝類、甲殼類動物、棘皮動物等中都有發(fā)現(xiàn), 如表2所示。
1.1.1 消化生理
在消化生理方面, 微塑料可以通過阻斷消化道和阻斷酶的產生而對水生動物造成傷害。在魚類中, 將斑馬魚(Danio rerio)暴露于不同濃度的聚苯乙烯微塑料后, 結果發(fā)現(xiàn), 微塑料會導致斑馬魚腸道中微生物多樣性降低, 變形桿菌和融合細菌等致病菌豐度增加, 進而導致斑馬魚腸道損傷和腸道菌群失調。相似的結果同樣在以大黃魚(Larimichthys crocea)為實驗動物的研究中也有報道, 將其暴露于納米塑料環(huán)境中后, 結果發(fā)現(xiàn), 幼魚腸道生理呈現(xiàn)病理狀態(tài), 腸道中擬桿菌, 變形桿菌和硬毛菌的比例發(fā)生了顯著變化, 同時擬桿菌和阿利培比斯等潛在致病菌顯著增加。對于貝類, 將地中海貽貝(Mytilus galloprovincialis)暴露于一定濃度、不同粒徑的聚乙烯微塑料后, 結果發(fā)現(xiàn), 貽貝消化管上皮細胞的形態(tài)趨于變薄且其消化道結構發(fā)生改變。在甲殼類動物中, Chae等將白蝦(Litopenaeus vannamei)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境中, 結果發(fā)現(xiàn), 其腸道中微生物活性發(fā)生改變。此外, 將中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 其腸道菌群組成和多樣性發(fā)生改變。
1.1.2 代謝生理
在代謝生理方面, 在魚類中, 將雄性斑馬魚(D. rerio)暴露于不同濃度的聚苯乙烯微塑料后, 結果發(fā)現(xiàn), 其對斑馬魚肝臟中碳代謝、脂肪酸代謝和氨基酸代謝均有一定的影響, 此研究為了解微塑料對水生生物代謝生理紊亂提供了重要依據。同時, 將斑馬魚(D. rerio)幼魚暴露于一定濃度、不同粒徑的聚苯乙烯微塑料后, 結果顯示, 與對照組相比, 多種代謝物的含量在斑馬魚幼魚體內發(fā)生變化, 且造成其代謝物種類的變化與微塑料粒徑有關, 這些變化的代謝物集中在碳水化合物、脂肪酸、氨基酸與核酸等。由此可見, 暴露于不同粒徑的聚苯乙烯微塑料均能對斑馬魚幼魚的代謝產生影響, 且不同尺寸微塑料誘導變化的代謝產物也不同。在甲殼類動物中, 將紅鰲螯蝦(Cherax quadricarinatus)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 其肝胰腺和血淋巴中的脂質含量和脂肪酸含量顯著下降, 其脂質代謝受影響。
1.1.3 呼吸作用
在呼吸生理方面, 在魚類中, 將青鳉魚(Oryzias latipes)分別暴露于不同濃度聚酯纖維和聚丙烯纖維環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 兩組暴露組中均發(fā)現(xiàn)青鳉魚鰓弓表面糜爛、鰓絲融合, 造成鰓物理損傷, 可能由于微纖維頻繁穿過所致, 同時還發(fā)現(xiàn)魚鰓腔黏液增加。因此, 微纖維與鰓相關結構接觸會導致鰓病變, 影響魚類呼吸。在貝類中, 將歐洲牡蠣(Ostrea edulis)暴露于不同濃度聚乙烯微塑料后, 結果發(fā)現(xiàn), 牡蠣呼吸速率與其暴露濃度有關。相似的結果同樣在以貽貝為實驗動物的研究中也有報道, Rist等將翡翠貽貝(Perna viridis)暴露于聚氯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 貽貝的呼吸速率隨著聚氯乙烯濃度的增加而降低, 由此可見, 微塑料對其呼吸率有一定的影響。在甲殼類動物中, 將普通濱蟹(Carcinus maenas)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 其氧氣消耗量與聚苯乙烯顆粒暴露量呈現(xiàn)劑量-效應關系。
1.1.4 生殖效應
在生殖生理方面, 在魚類中, 將鱸魚(Perca fluviatilis)仔苗暴露于不同濃度的聚苯乙烯微塑料中, 結果發(fā)現(xiàn), 微塑料會抑制魚類孵化, 由此可見, 微塑料可對魚類的生殖造成一定影響。在貝類中, Sussarellu等為了評估聚苯乙烯微塑料對太平洋牡蠣(Pacific oyster)生理的影響, 將牡蠣暴露于一定濃度、不同粒徑的聚苯乙烯顆粒溶液后, 結果發(fā)現(xiàn), 經暴露后牡蠣的卵母細胞數(shù)、直徑與精子速度顯著下降, 其幼蟲產量和幼蟲發(fā)育率降低, 由此可見, 聚苯乙烯微塑料顆粒可對牡蠣的生理產生干擾。在甲殼類動物中, 將美洲鉤蝦(Hyalella azteca)暴露于不同粒徑的聚乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 美洲鉤蝦的繁殖率顯著下降。此外, 研究發(fā)現(xiàn)將太平洋沙蟹(Emerita analoga)暴露于聚丙烯環(huán)境后, 其胚胎發(fā)育率受影響。在棘皮動物中, Nobre等評估聚乙烯微塑料對綠海膽(Lytechinus variegatus)胚胎發(fā)育的毒性作用, 研究表明, 受聚乙烯微塑料污染的海膽胚胎的發(fā)育異常率較對照組顯著增加。此外, 將海膽(Paracentrotus lividus)受精卵暴露于聚苯乙烯納米塑料環(huán)境中24 h和48 h后, 其EC50值分別為3.85mg/L和2.61mg/L, 由此可見, 微塑料對海膽幼蟲及其卵有一定的毒害作用。
綜上所述, 微塑料對魚類、貝類以及其他海洋動物的生理均產生一定的影響。
1.2 微塑料對海洋動物行為的影響
微塑料對海洋動物的影響不止是對生理的影響, 對其行為也有一定的影響。
1.2.1 攝食行為
眾多研究表明, 魚類、貝類、棘皮動物等均可通過直接或間接的方式攝取微塑料, 且微塑料可對其攝食行為造成一定影響。對于魚類, 研究者對華南最大紅樹林濕地采集的魚類進行實驗, 結果發(fā)現(xiàn), 采集的32個魚類樣品中30個樣品檢測出微塑料的存在。通過傅里葉變換紅外光譜鑒定, 主要聚合物為聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚丙烯和玻璃紙, 這些非營養(yǎng)物質不斷積累會導致其體內堵塞, 進而減少食物攝取, 引起營養(yǎng)不良, 最終可能導致魚類數(shù)量大大減少。同時, 研究發(fā)現(xiàn), 大多數(shù)豐度為0.2~17.2個/g, 粒徑小于5 mm的微塑料會影響魚類攝食, 降低攝食率, 嚴重則導致魚類死亡。例如, Mattsson等將黑鯽(Carassius carassius)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 經暴露后其特定時間內攝食時間延長一倍, 其原因可能是攝食微塑料導致能量儲備降低。在貝類中, 近岸貝類如牡蠣、貽貝與人類生活密切相關, 其軟體組織含有微塑料將隨著飲食進入人體, 對人類健康造成潛在威脅。研究者為了調查聚苯乙烯微塑料對紫貽貝(Mytilus edulis)攝食行為的影響, 將紫貽貝暴露于不同濃度的聚苯乙烯微塑料后, 結果發(fā)現(xiàn), 紫貽貝濾食速率改變。在甲殼類動物中, 對澳大利亞東部淡水水體中淡水蝦(Paratya australiensis)進行取樣實驗, 結果發(fā)現(xiàn), 36%樣品中檢測出微塑料存在, 其主要聚合物為纖維。Wang等將日本新糠蝦(Neomysis japonica)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 其攝食率降低, 捕食行為減弱。在棘皮動物中, Messinetti等將海膽(P. lividus)幼蟲暴露于不同濃度聚苯乙烯微塑料中, 結果發(fā)現(xiàn), 微塑料在海膽消化道中大量積累, 進而影響其攝食率, 最終損害海膽營養(yǎng)物質攝入并造成動物死亡。同時, Kaposi等發(fā)現(xiàn)聚乙烯塑料顆?？山档秃Ｄ?Tripneu-stes gratilla)的攝食率, 從而對其生長造成影響。Mohsen等發(fā)現(xiàn)刺參養(yǎng)殖場中普遍存在微塑料, 刺參(Apostichopus japonicus)可以直接攝食微塑料顆粒, 且刺參攝入微塑料顆粒物隨水中顆粒物濃度的增加而增加。
1.2.2 運動行為
將海洋生物暴露于微塑料環(huán)境中會影響其運動行為。在魚類中, 將斑馬魚(D. rerio)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境中, 用DanioVision視頻跟蹤系統(tǒng)監(jiān)視其幼蟲, 結果發(fā)現(xiàn), 斑馬魚運動行為發(fā)生改變。此外, 將斑馬魚(D. rerio)暴露于不同濃度、不同粒徑聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 與對照組相比, 斑馬魚幼魚運動軌跡都有下降的趨勢, 在黑暗條件下自由游泳的距離和速度都顯著下降, 表明微塑料會對斑馬魚的游泳行為產生影響。由此可見, 聚苯乙烯微塑料暴露對斑馬魚運動行為均有一定的抑制。在貝類中, Bringer等將太平洋牡蠣(Crassostrea gigas)暴露于帶有熒光標記的微塑料顆粒環(huán)境中, 結果發(fā)現(xiàn), 經暴露后與對照組相比, 其最大游泳速度降低。在甲殼類動物中, Gambardella等將豐年蝦(Artemia franciscana)暴露于不同濃度聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 經暴露后其游泳速度發(fā)生改變。類似的研究成果同樣在以日本新糠蝦(N. japonica)為實驗動物的研究中也有報道, 將其暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境中, 結果發(fā)現(xiàn), 其游泳活動范圍和速率總體下降, 經暴露對其運動行為具有負面影響。在棘皮動物中, 將刺參(A. japonicus)暴露于微塑料環(huán)境一定時間后, 其短期內運動速度與移動距離無顯著改變。
1.3 微塑料對海洋動物毒性作用的分子機制
在魚類中, 使用轉錄組分析技術分析聚苯乙烯微塑料暴露后斑馬魚轉錄狀態(tài), 結果發(fā)現(xiàn), 成年雄性斑馬魚肝臟中共有1 388個基因在暴露后發(fā)生變化。Rochman等將青鳉魚(O. latipes)暴露于聚乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 其體內基因表達發(fā)生顯著改變。此外, 將斑馬魚(D. rerio)暴露于不同濃度、不同粒徑聚苯乙烯處理組中, 發(fā)現(xiàn)其Gfap、Shha、Elavl3、Gap43 的基因轉錄水平均顯著改變。
微塑料還可以導致生物體內產生氧化應激反應。在魚類中, Qiao等將斑馬魚(D. rerio)暴露于不同濃度的聚苯乙烯微塑料后, 結果發(fā)現(xiàn), 微塑料會導致斑馬魚腸道中出現(xiàn)腸道炎癥和氧化應激反應。Paul-Pont等發(fā)現(xiàn)將貽貝(M. eduli)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 可導致其氧化應激通路激活。類似的研究結果同樣在以豐年蝦(A. franciscana)、中華絨螯蟹(E. sinensis)為實驗動物的研究中也有所報道, 將其暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 其體內均產生氧化應激反應。由此可見, 微塑料可導致水生生物產生氧化應激反應, 進而對其細胞造成損傷。
微塑料對生物體內的酶活性也有一定影響。Oliveira等發(fā)現(xiàn)鰕虎魚(Pomatoschistus microps)的乙酰膽堿酯酶(AChE)和異檸檬酸脫氫酶(IDH)的活性經微塑料與芘的混合物暴露后會降低, 從而可能會增加魚類種群死亡率。此外, 將斑馬魚(D. rerio)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 可導致其超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性明顯增加。在甲殼類動物中, 將豐年蝦(A. franciscana)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果顯示, 其乙酰膽堿酯酶(AChE)活性被顯著抑制。Liu等將中華絨螯蟹(E. sinensis)暴露于聚苯乙烯微塑料環(huán)境后, 結果發(fā)現(xiàn), 經暴露后其免疫酶活性和免疫相關的基因表達受影響。微塑料還可以導致生物體內某些蛋白表達受影響。研究者將牡蠣(P.oyster)暴露在聚苯乙烯塑料中, 結果發(fā)現(xiàn), 其體內編碼胰島素信號傳導的幾種蛋白質的轉錄物 mRNA活性降低。
2 微塑料對海洋植物的影響
作為對海洋生態(tài)系統(tǒng)中功能至關重要的生產者, 海洋植物同樣受微塑料污染, 其會對整個食物網造成嚴重的影響, 從而破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。相對于海洋動物, 微塑料對海洋植物的生態(tài)毒性研究較少且集中在對藻類生長、葉綠素含量以及光合作用活性等指標的影響。Sjollema 等將杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)暴露于不同粒徑的聚苯乙烯微塑料環(huán)境中, 結果顯示, 微塑料對其光合作用和生長產生影響, 且小粒徑微塑料會導致負面作用的加深。類似的結果同樣在以綠藻(Scenedesmus obliquus)、扁藻(Tetra-selmis chuii)等為受試生物的研究中也有報道。Bhattacharya等研究發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯納米球可導致小球藻(Chlorella Scenedesmus)藻細胞中葉綠素a的含量降低, 藻細胞內活性氧的產生增加。此外, 藻類是海洋動物的主要食物, 微塑料與其他污染物聚合可以增加被海洋動物攝食的機會。
研究展望
微塑料作為一種新型污染物, 不僅對海洋環(huán)境產生很大的影響, 而且廣泛存在于海洋生物中, 其對海洋生物的影響也備受關注。目前, 雖已開展海洋中微塑料的環(huán)境與生物效應相關研究工作, 但有關微塑料的豐度和理化性質、微塑料對海洋水體環(huán)境和沉積環(huán)境的影響、微塑料對海洋生物以及人類的影響過程與機制亟待進一步揭示。
(1) 微塑料調查與分析方法標準化
目前, 關于各類型微塑料的參數(shù)、豐度單位、理化性質等還缺乏系統(tǒng)的研究, 對于其調查、采集與分析方法還沒有統(tǒng)一的評估標準, 未來應加強對微塑料的具體參數(shù)、理化性質、調查與分析方法等研究, 建立完善的數(shù)據庫, 開展微塑料的調查、采集與分析方法相關標準化研究工作, 對于更加全面研究微塑料對海洋環(huán)境與生物效應具有重要意義。
(2) 微塑料對海洋水體環(huán)境與沉積環(huán)境的影響
海洋雖對污染物有著巨大的稀釋、擴散、氧化等功能, 但當污染物濃度高于它本身的自凈能力時, 就會產生一系列的負面影響。因此, 未來應關注微塑料對海水物理、化學與生物指標的影響, 及時評估海洋環(huán)境狀況, 并科學研究微塑料對海洋水體環(huán)境和沉積環(huán)境具體指標的影響。
(3) 微塑料對海洋生物的毒性效應
目前, 微塑料對海洋生物毒性效應研究主要集中在對魚類與貝類生理、行為等的影響, 對其他底棲動物、浮游動物、浮游植物等的研究相對較少, 但因其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能也發(fā)揮著重要作用。因此, 在未來的研究中, 需進一步加強微塑料對底棲生物、浮游生物等的影響及其調控途徑研究工作。
(4) 微塑料及多種污染物作用對海洋生物的疊加效應
近年來, 國內外重點開展了聚苯乙烯、聚乙烯等常見的微塑料對海洋生物的影響研究, 目前研究主要集中在單一微塑料對海洋生物的毒性效應, 未來研究應該更貼合實際, 關注微塑料與其他污染物復合影響對生物的毒性作用, 同時結合實際區(qū)域的環(huán)境特點進行綜合研究, 這對更加全面地認識微塑料對生物的毒性效應十分重要。
(5) 微塑料對人類健康的影響
微塑料污染已經滲透到幾乎所有的生物中, 其對人類的潛在危害可通過食物鏈傳遞至人體并產生作用, 目前已有研究證實微塑料可以通過食物進入人體, 但其對人體健康影響的研究還缺乏, 所以未來應加強其對人體健康的影響, 從基因、細胞、組織各層面揭示其影響機制。
作者：劉香 茹小尚 張立斌
