微(纳米)塑料对淡水生物的毒性效应
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第41卷第1期吉林师范大学学报(自然科学版)Vol.41ꎬNo.1㊀2020年2月JournalofJilinNormalUniversity(NaturalScienceEdition)Feb.ꎬ2020收稿日期:2019 ̄11 ̄08
基金项目:吉林省教育厅 十三五 科学技术项目(JJKH20191027KJ)
第一作者简介:赵雪松(1983 )ꎬ女ꎬ吉林省双辽市人ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ硕士生导师.研究方向:持久性有毒物质对水生生物的生态毒理.doi:10.16862/j.cnki.issn1674 ̄3873.2020.01.017
微(纳米)塑料对淡水生物的毒性效应
赵雪松ꎬ许㊀晴
(吉林师范大学环境科学与工程学院ꎬ吉林四平136000)
摘㊀要:微塑料和纳米塑料逐渐成为人们研究探讨的热点.在自然条件下ꎬ直径小于5mm的塑料碎片(微塑料)可以进一步被降解为纳米级别(纳米塑料).微塑料和纳米塑料的粒径较小ꎬ很容易随着食物链富集ꎬ从而进入生物体内ꎬ甚至存在于人体内.微(纳米)塑料的化学性质稳定ꎬ可以在环境中长期存在ꎬ对环境造成一定的不良影响.本文主要综述了微(纳米)塑料对淡水环境的影响ꎬ包括微(纳米)塑料的来源和分布情况ꎬ微(纳米)塑料对淡水生物生长发育㊁繁殖㊁行为以及进入淡水生物体内或进一步进入生物体内各组织中对机体产生的毒性效应.
关键词:环境ꎻ微(纳米)塑料ꎻ淡水生物ꎻ来源ꎻ毒性效应
中图分类号:X171.5㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1674 ̄3873 ̄(2020)01 ̄0093 ̄07
㊀㊀人类开始使用塑料已经有上百年的历史ꎬ新型合成化学品的研发创造与大规模的生产使得塑料制品成为人类最受欢迎的材料之一.现今塑料材料的主要用途可以追溯到19世纪橡胶技术的发展.在这个领域中有一项关键突破ꎬCharlesGoodyear发现了天然硫化橡胶[1].塑料制品为人类的生产㊁生活提供了便利ꎬ但是也对环境造成了压力.2004年ꎬR.C.Thompson等[2]第一次提出了微塑料的概念.之后ꎬ许多研究人员开始对微塑料进行探究.国际上通常将直径小于5mm的塑料碎片或颗粒定义为微塑料[3].在自然条件下ꎬ微塑料可以进一步降解到纳米级别ꎬ被称为纳米塑料[4].据估计ꎬ到2020年ꎬ美国塑料制品中纳米塑料制品的份额将会上涨7%[5].微(纳米)塑料的化学性质比较稳定ꎬ可以长期存在于自然界中.由于微(纳米)塑料的颗粒直径较小ꎬ很容易随着食物链富集ꎬ从而进入生物体内ꎬ甚至存在于人体内.因此ꎬ对微(纳米)塑料的毒性研究刻不容缓.
1㊀水环境中微(纳米)塑料的来源
众多研究表明ꎬ微(纳米)塑料广泛存在于水生生态系统当中.在2001年ꎬC.J.Moore等[6]发表了一篇关于北太平洋中微塑料的文章ꎬ引起了世界上许多研究人员的关注.不仅海洋中发现了微(纳米)塑料ꎬ甚至在世界上最偏远的地区ꎬ包括深海[7]和北极[8]都发现了微(纳米)塑料的存在.微(纳米)塑料从来源划分可以分为两类:初级微塑料和次级微塑料[9].初级微塑料主要是人工制造进入环境中的ꎬ如:个人护理品㊁化妆品㊁医药用品等.次级微塑料主要是较大的塑料在风力ꎬ海洋涡流㊁湍流ꎬ紫外辐射等外力作用下ꎬ破坏了其本身的结构ꎬ进而裂解形成的颗粒[10].微(纳米)塑料可以通过多种多样的方式进入到淡水环境中ꎬ几种潜在的环境释放途径包括:(1)通过污水处理厂排放ꎻ(2)从污水处理厂释放的微(纳米)塑料流入到农田[11]ꎻ(3)雨水溢流事件ꎻ(4)偶然释放ꎻ(5)从工业产品中释放ꎻ(6)纤维的大气沉积等[12].在水环境中ꎬ微(纳米)塑料的来源主要是以
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吉林师范大学学报(自然科学版)第41卷下三方面:含有微(纳米)塑料的污水排放ꎬ外力作用下陆地环境中微(纳米)塑料的引入以及生物排泄[9]ꎬ微(纳米)塑料可以在外力作用下于海洋和陆地之间迁移.例如:从陆地到河流系统的运动将取决于当时的天气状况㊁到特定河流的距离㊁以及土地覆盖类型[13].微(纳米)塑料从陆地到水环境中的运动可能通过地面径流或分散(通过切割作用)到路边的沟渠[14].W.D.Jean ̄Pierre等[15]发现ꎬ海洋中大部分的微塑料都是来自淡水环境的.因此ꎬ对于淡水环境中微(纳米)塑料的研究刻不容缓.M.Eriksen等[16]对美国五大湖的站点进行采样分析ꎬ发现几乎所有站点的样品都有微(纳米)塑料的存在.研究人员在瑞士的日内日瓦湖[17]㊁德国的莱茵河[18]㊁法国的塞纳河[19]㊁加拿大的安大略湖区[20]㊁英国西南部添马舰河口[21]中均检测到了微(纳米)塑料.F.T.Biginagwa等[22]在非洲大湖检测到了微(纳米)塑料.J.Lee等[23]在韩国洛东江河口也发现了微塑料的存在.在我国淡水环境中监测到的微(纳米)塑料的最高丰度甚至超过了国外报道的等级[24].在太湖[25]㊁洪湖和洞庭湖[26]㊁珠江[27]㊁三峡水库[28]㊁武汉市[29]和上海市水体[30]㊁长江口[31]㊁闽江口㊁椒江口和瓯江口[32]当中均发现了微(纳米)塑料.甚至在偏远的西藏北部的四湖中都检测到了微(纳米)塑料[33].由此可见ꎬ微(纳米)塑料已经广泛存在于整个地球.2㊀微(纳米)塑料对淡水生物的毒性效应
微(纳米)塑料颗粒直径很小ꎬ且不易降解ꎬ生物体很难区分微(纳米)塑料和食物ꎬ因此容易被水生生物摄入并在体内富集[34]ꎬ还会随着食物链由高营养级生物捕捉低营养级生物进行传递ꎬ产生一系列的生态毒理学效应.目前关于微(纳米)塑料对淡水生物影响的研究较少ꎬ相关资料数量有限ꎬ但是淡水环境是海洋环境与陆地环境之间的纽带ꎬ也和人类的健康息息相关ꎬ所以进行微(纳米)塑料对淡水生物的研究具有现实意义.
2.1㊀微(纳米)塑料对淡水生物生长发育的影响
许多科研人员通过研究发现ꎬ微(纳米)塑料对生物体的生长发育具有抑制作用.微(纳米)塑料被生物体摄食后ꎬ会累积并堵塞消化道ꎬ影响摄食能力ꎬ从而造成其生长发育迟缓ꎬ严重时还会造成死亡.Cloe等[35]通过研究发现ꎬ微(纳米)塑料会降低浮游动物对藻类的摄食量.A.Wegner等[36]对贝类进行研究ꎬ发现30nm的纳米塑料会影响贝类的摄食ꎬ从而对贝类的生长发育产生影响.R.Srssarellu等[37]对牡蛎进行研究ꎬ发现暴露在微塑料测试液中的亲本产出的子代牡蛎的发育率相较于正常牡蛎有所下降ꎬ而且微(纳米)塑料还会对牡蛎的摄食造成一定干扰.M.Ogonowski等[38]对暴露在微塑料溶液中的大型溞进行研究ꎬ发现微塑料降低了大型溞的摄食能力ꎬ影响其生长发育.S.Rist等[39]也对大型溞进行了实验ꎬ发现暴露在纳米级塑料下的大型溞摄食率更低ꎬ对大型溞的毒害作用比微米级塑料更为严重.Q.Q.Chen等[40]对斑马鱼幼体进行研究ꎬ发现微塑料和纳米塑料会造成其体长减小.O.M.Lonnstedt等[41]通过研究ꎬ发现微(纳米)塑料会抑制鲈鱼幼体的生长速率并改变幼鱼的进食喜好.
微(纳米)塑料不仅对水生动物的生长发育有所影响ꎬ还会影响水生植物的生长发育.Y.Mato等[42]发现微(纳米)塑料会影响藻类的光合作用.因为微(纳米)塑料能遮挡并反射太阳光ꎬ所以会对藻类吸收太阳光造成阻碍ꎬ还会使藻类细胞中活性氧的含量增高.P.Bhattacharya等[43]也发现ꎬ暴露在微塑料下的单细胞小球藻和栅藻细胞中叶绿素a的含量减少ꎬ产生活性氧ꎬ形成氧化压力ꎬ阻碍藻类进行光合作用.作为水生生物的食物ꎬ藻类与微(纳米)塑料聚合会增加水生生物摄食微(纳米)塑料的概率[44].2.2㊀微(纳米)塑料对淡水生物的急性毒性
微(纳米)塑料会导致生物体发生畸变ꎬ并增加死亡率.有研究表明ꎬ微(纳米)塑料对鱼类会产生生物浓缩作用ꎬ导致生物体发生畸变ꎬ并造成生物体生理出现异常现象[45 ̄46].D.Mazurais等[47]通过研究ꎬ发现挪威舌齿鲈仔鱼的死亡率会随微(纳米)塑料暴露剂量的增加而升高.R.Srssarellu等[48]发现微(纳米)塑料的存在会增加牡蛎的死亡数量.S.E.Rist等[49]通过研究发现ꎬ暴露在微(纳米)塑料的翡翠贻贝在91d后全部死亡.M.Ogonowski等[38]研究大型溞ꎬ发现微(纳米)塑料的存在会使其死亡率升高.也有研究发现ꎬ高浓度的微(纳米)塑料会引起大型溞幼体发生畸变[50].K.W.Lee等[51]通过对浮游动物的研究ꎬ发现微(纳米)塑料会造成幼虫的死亡率增加ꎬ高浓度的微(纳米)塑料则会引发母代死亡.
59第1期赵雪松ꎬ等:微(纳米)塑料对淡水生物的毒性效应
2.3㊀微(纳米)塑料对淡水生物的内分泌毒性效应
微(纳米)塑料中有许多添加剂ꎬ这些添加剂有许多成分都是内分泌干扰物ꎬ进入生物体内会影响酶的活性ꎬ扰乱内分泌系统ꎬ影响生物体正常功能.M.Cole等[52]通过研究ꎬ发现微(纳米)塑料会降低桡足动物的产卵率和孵化率.I.Paulpont等[53]用微(纳米)塑料对贝类进行暴露实验ꎬ发现微(纳米)塑料会造成贝类血细胞的死亡ꎬ还会增大贝类组织中谷胱甘肽酶的含量.A.Karami等[54]对革胡子鲶进行研究ꎬ发现微(纳米)塑料会降低其大脑中叉头盒酶和色氨酸氢化酶2基因的转录水平ꎬ使其内分泌水平发生扰乱.L.G.A.Barboza等[55]通过研究发现ꎬ暴露在微(纳米)塑料中的挪威舌齿鲈稚鱼的游泳速率明显降低ꎬ部分个体阻抗时间缩短.L.G.A.Barboza等[56]还发现ꎬ微(纳米)塑料会抑制挪威舌齿鲈稚鱼脑部乙酰胆碱酶的活性ꎬ升高过氧化脂水平ꎬ进而产生神经毒性.D.Mazurais等[57]也对挪威舌齿鲈仔鱼进行了研究ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料45d后的仔鱼的生物毒性转化基因表达量有明显的升高ꎬ产生了内分泌干扰作用.K.Shosaku等[58]在青鳉鱼的脑部㊁鳃㊁内脏㊁睾丸和血液中均发现了纳米级塑料颗粒.C.M.Rochman等[59]也对日本青鳉鱼进行暴露实验ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料中的日本青鳉鱼出现肝脏胁迫现象.K.Mattsson等[60]通过研究ꎬ发现摄入纳米塑料颗粒会造成黑鲫仔鱼活动能力低下ꎬ脑组织肿胀ꎬ含水率升高等现象.Oliveira等[61]对小眼长臀沙虎鱼进行研究ꎬ发现微(纳米)塑料颗粒会使其乙酰胆碱酶和异柠檬酸脱氢酶的活性下降ꎬ阻碍神经递质的传递ꎬ从而使神经肌肉功能受到影响.S.L.G.Lu等[62]对斑马鱼进行了研究ꎬ发现微(纳米)塑料可以富集在斑马鱼的鳃㊁肠道和肝脏等部位ꎬ还能从肠道进入循环系统.Lu等[63]对虾虎鱼进行研究ꎬ发现微(纳米)塑料会对其神经功能造成干扰ꎬ从而引发神经毒性.
2.4㊀微(纳米)塑料对淡水生物氧化应激损伤和代谢的影响
微(纳米)塑料可以诱发生物体细胞中活性氧浓度增加ꎬ引发氧化应激反应ꎬ对细胞造成损害[64].I.Paul ̄Pont等[65]通过研究ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料球水体中的贻贝ꎬ其亚细胞氧化应激通道被激活.Q.Q.Chen等[40]对斑马鱼仔鱼进行研究ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料中的仔鱼谷胱甘肽含量下降ꎬ抑制了乙酰胆碱酶活性ꎬ导致了氧化应激损伤.而Y.F.Lu等[62]对斑马鱼成鱼的研究ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料中的斑马鱼SOD和CAT水平增强ꎬ使其产生了氧化应激反应ꎬ对能量和脂质代谢有所扰乱.T.Cedervall等[66]发现ꎬ纳米级塑料可以通过食物链的传递进入鲫鱼体内ꎬ影响其脂质代谢.Barboza等[62]对挪威舌齿鲈稚鱼进行了研究ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料中的挪威舌齿鲈稚鱼肌肉组织中LPO水平和LDH活性有所提升ꎬ乳酸脱氢酶的活性发生了诱导.而且微(纳米)塑料还抑制了异柠檬酸脱氢酶的活性ꎬ从而导致氧化应激损伤和肌肉损伤.
2.5㊀微(纳米)塑料对淡水生物的免疫毒性与炎症反应
微(纳米)塑料进入生物体内ꎬ会对生物的免疫系统造成损伤ꎬ使生物体的免疫力下降ꎬ还会造成生物体组织病变和炎症反应ꎬ严重时会导致生物体死亡.N.V.Moos等[67]对蓝贻贝进行暴露实验ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料下的贝类溶酶体膜的稳定性下降ꎬ有强烈的炎症反应.A.C.Greven等[68]对呆鲦鱼进行实验ꎬ发现微(纳米)塑料抑制其先天性免疫功能ꎬ会造成呆鲦鱼对病毒的抵抗能力下降.C.Peda等[69]对欧洲鲈鱼进行了研究ꎬ发现微(纳米)塑料会对欧洲鲈鱼的肠道造成炎症反应ꎬ而且随着时间的推移ꎬ肠道末端的炎症变化越来越明显.C.Pedà等[70]对挪威舌齿鲈进行研究ꎬ发现健康的成鱼暴露在微(纳米)塑料中30d会造成肠细胞空泡㊁绒毛肿胀并缩短㊁绒毛顶部细胞增加等现象ꎬ使肠道组织出现中等受损.而暴露在微(纳米)塑料中90d的健康成鱼ꎬ有半数的个体出现白细胞浸润㊁黏膜肌水肿㊁浆膜层水肿和血管扩张等现象ꎬ使肠道组织严重受损.作者认为微(纳米)塑料会造成肠道组织受损发生病变ꎬ并有炎症反应.L.L.Lei等[71]对斑马鱼进行了研究ꎬ发现健康成鱼暴露在微(纳米)塑料后ꎬ大部分都出现了绒毛破裂和肠细胞破裂的情况ꎬ对斑马鱼的肠道组织造成明显的损伤.Y.F.Lu等[62]也对斑马鱼健康成鱼进行了研究ꎬ发现暴露在微(纳米)塑料21d后ꎬ成鱼的肝细胞坏死ꎬ还出现了空泡化和脂滴现象ꎬ说明微(纳米)塑料会造成肝脏组织炎症和脂质累积.C.M.Rochman等[72]对日本青鳉鱼进行研究ꎬ发现摄取微(纳米)塑料颗粒会造成其肝脏发生异常ꎬ产生肝脏毒性.还有研究表明ꎬ微(纳米)塑料会降低多齿新米虾和淡水长脚大虾的免疫活性[73 ̄74].
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吉林师范大学学报(自然科学版)第41卷3 总结与展望
微(纳米)塑料作为一种新型的污染物ꎬ在给我们的生活带来便利的同时也对环境造成了巨大的压力ꎬ如今微(纳米)塑料污染问题已经上升为全球性问题ꎬ需要引起我们的高度重视.本文主要综述了微(纳米)塑料对淡水生态系统中水生生物造成的影响以及危害ꎬ通过综述可以看出微(纳米)塑料会对淡水生物造成不利影响ꎬ对淡水环境产生负面效应.目前对于微(纳米)塑料的研究尚在起步阶段ꎬ还有许多深入的问题值得我们去研究.
对于微(纳米)塑料对淡水生物的毒性效应ꎬ主要有以下几点展望:
(1)国内外关于微(纳米)塑料在淡水环境中富集和分布情况的数据相对较少ꎬ各种环境因素和人为因素对微(纳米)塑料的富集和分布情况的影响研究还有待加强.
(2)受试物种相对单一ꎬ不够全面.目前对淡水生物的研究主要集中在淡水鱼类ꎬ斑马鱼几乎是研究率最高的一个品种ꎬ关于其他物种的研究相对匮乏ꎬ可供参考的依据较少.应该丰富受试物种的多样性ꎬ完善微(纳米)塑料对淡水生物毒性效应研究的基础数据ꎬ为日后更加深入的研究提供参考依据. (3)开展微(纳米)塑料与淡水中其他物质复合污染的研究.微(纳米)塑料具有疏水性ꎬ而且比表面积比较大ꎬ因此可以负载环境中的有机污染物.复合污染物能否对淡水生物产生毒性效应ꎬ造成不利影响还需要我们不断地探索发现ꎬ关于复合污染物在食物链中的传递ꎬ生物累积和分布都是日后研究的方向.
(4)建立微(纳米)塑料管控机制.针对微(纳米)塑料的来源ꎬ政府制定相关法律法规ꎬ严格控制微(纳米)塑料的排放.同时加强对微(纳米)塑料危害的宣传ꎬ增强公众意识ꎬ提高公民素质ꎬ减少塑料制品的使用.
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Toxiceffectsofmicroplasticsandnanoplasticsonfreshwaterorganisms
ZHAOXue ̄songꎬXUQing
(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineeringꎬJilinNormalUniversityꎬSiping136000ꎬChina)
Abstract:Inrecentyearsꎬmicroplasticsandnanoplasticshavegraduallybecomethefocusofpeople sresearch.Undernaturalconditionsꎬmicroplasticswereplasticfragmentslessthan5mmindiameterandcouldbefurtherdegradedtonanoscale(nanoplastics).Micro ̄plasticsandnano ̄plasticsweresmallparticlesizesandeasilyenrichedinthefoodchaintoentertheorganismandeveninthehumanbody.Moreoverꎬtheywerechemicallystableandcouldexistintheenvironmentforalongtimeꎬwhichhadcertainadverseeffectsontheenvironment.Thisarticlereviewstheeffectsofmicro(nano)plasticsonthefreshwaterenvironmentꎬincludingtheoriginanddistributionofmicroplastics.Thetoxiceffectsofmicro(nano)plasticsonthegrowthꎬreproductionꎬbehaviourandentryintofreshwaterorganismsortissuesoffreshwaterorganisms.
Keywords:environmentꎻmicro(nano)plasticsꎻfreshwaterorganismsꎻsourcesꎻtoxiceffects
(责任编辑:林险峰)。