微塑料生物毒性及影响研究进展_张合彩.pdf
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1、2 0 2 3年7月第4 7卷第4期安徽大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fA n h u iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y2 0 2 3V o l.4 7N o.4d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 0-2 1 6 2.2 0 2 3.0 4.0 0 9收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 5基金项目:国家自然科学基金资助项目(2 1 7 0 2 0 1 0)作者简介:张合彩(1 9 7 7),女,河南平顶山人,河南师范大学副教授,博士,
2、E-m a i l:z h c a i 9 3 3 91 6 3.c o m;*陈广文(通信作者),河南师范大学教授,博士,E-m a i l:c h e n g w 0 1 8 3s i n a.c o m.微塑料生物毒性及影响研究进展张合彩,王彩会,石长应,陈广文*(河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡4 5 3 0 0 7)摘 要:随着塑料制品的大量使用,微塑料作为一种新型污染物普遍存在于当今生态系统中,其对生态环境和人类健康的影响越来越受到人们的关注.笔者从动物、植物、微生物以及人群等4个方面对微塑料生物毒性及影响进行综述,并指出该领域的现存问题及今后发展方向,以期为微塑料的生态安全
3、和环境风险评价提供数据资料,为其污染防治提供理论指导.关键词:微塑料;生物毒性;研究进展中图分类号:X 1 7 1.5;X 5 0 3.2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-2 1 6 2(2 0 2 3)0 4-0 0 6 7-1 0R e s e a r c hp r o g r e s s i nb i o t o x i c i t ya n d i n f l u e n c eo fm i c r o p l a s t i c sZ HANG H e c a i,WANGC a i h u i,S H IC h a n g y i n g,CHE NG u a n g w
4、 e n*(C o l l e g eo fL i f eS c i e n c e s,H e n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,X i n x i a n g4 5 3 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ee x t e n s i v eu s eo fp l a s t i cp r o d u c t s,m i c r o p l a s t i c sa san o v e l p o l l u t a n t e x i s t sw i d e l yi nc u r r e n te
5、 c o s y s t e m.I t si m p a c to ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t hh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ec o n c e r n s.I nt h i sp a p e r,t h eb i o l o g i c a lt o x i c i t ya n di m p a c to fm i c r o p l a s t i c s w e r er e v i e w e df r o m f o u r
6、a s p e c t s:a n i m a l s,p l a n t s,m i c r o o r g a n i s m sa n dh u m a n s.M e a n w h i l e,t h ee x i s t i n gi s s u e sa n df u t u r ed i r e c t i o n si nt h i sf i e l d w e r ef u r t h e ro u t l i n e d.T h i s r e v i e ww i l lp r o v i d e i n f o r m a t i o nf o rt h ee c o
7、 l o g i c a l s e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n to fm i c r o p l a s t i c sa sw e l l a st h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r i t sp o l l u t i o nc o n t r o la n dt r e a t m e n t.K e y w o r d s:m i c r o p l a s t i c s;b i o t o x i c i t y;r e s e
8、a r c hp r o g r e s s微塑料(m i c r o p l a s t i c s,简称MP s)作为一种新型污染物,在当今生态系统中普遍存在.微塑料是粒径从几微米到几毫米、形状不一的塑料混合体的总称,通常被定义为小于5mm的聚合物颗粒,并且呈现出各种形态,包括珠状、碎片状、纤维状、薄膜状等,其主要成分包括聚乙烯(P E)、聚丙烯(P P)、聚苯乙烯(P S)、聚氯乙烯(P V C)、聚氨酯(P UR)和聚对苯二甲酸乙二酯(P E T)等6种1-2.在机械磨损、紫外辐射和生物降解等环境及生物因素的综合作用下,环境中的塑料垃圾降解速度加快,大的碎片会逐渐分解成更小的颗粒,如果
9、大小在5mm和1m之间,称为微塑料;在1m以下则称为纳米塑料3-4.根据其来源不同,微塑料又可分为原生微塑料和次生微塑料.由人类制造的粒径小于5mm的专门用于某些产品(如去角质剂和牙膏)或工业(如钻井液和工业磨料)的塑料颗粒、碎片等被称为原生微塑料;而那些由大块塑料排入环境后通过自然或生物因素降解破碎成粒径小于5 mm的微塑料则被称为次生微塑料5-6.塑料制品由于其轻便、耐用、成本低、可塑性强等特性被广泛应用于航空航天、军事、农业、工业以及日常生活等多个领域.自1 9 5 0年以来,全球塑料产量呈指数级增长.伴随着塑料制品的大量使用,塑料垃圾在海洋、淡水和陆地环境中堆积、碎裂而造成的环境威胁日
10、益明显7.据估算,2 0 1 0年1 9 2个沿海国家产生了2.7 5亿吨塑料垃圾,其中4 8 0万至12 7 0万吨进入海洋.预计到2 0 2 5年,从陆地进入海洋的塑料垃圾累积量将增加一个数量级8.而在我国微塑料的污染也非常严重.调查显示,在武汉2 0个城市淡水湖泊以及汉江、长江城区的表层水中微塑料浓度已达到(16 6 06 3 9.1)(89 2 515 9 1)p a r tm-3,在厦门沿海地区表层海水中微塑料的浓度已达到1 0 320 1 7p a r tm-3,沉积物中也达到7 63 3 3p a r tk g-19-1 0.与环境中较大的塑料碎片不同,微塑料相对来说很小,不能简
11、单机械地从动物栖息地中去除或回收利用,由于其稳定的化学性质,可在环境中存在数百年到几千年,已成为海洋环境污染不容忽视的问题1 1-1 2.除了污染海洋,微塑料还会污染淡水、沉积物、土壤、空气,甚至人类饮食(例如啤酒、海盐和自来水)等1 3.大量文献表明,多种动物可直接或间接吞食微塑料并在体内富集,其中水生动物尤甚,包括浮游动物、双壳类、甲壳类及鱼类等1 4.另外,微塑料对植物和微生物也有一定的毒性和影响1 5-1 6.微塑料存在的广泛性与持久性使其生物毒性效应及环境风险评价越来越受到人们的关注.在W e bo fS c i e n c e数据库中用主题关键词“m i c r o p l a s
12、 t i c s&t o x i c i t yo re f f e c t”进行文献检索,可发现微塑料生物毒性及影响相关论文的数量在最近1 0年显著上升(图1).笔者就国内外关于微塑料生物毒性及影响的研究从动物、植物、微生物以及人群等4个方面进行综述,以期为微塑料的生态毒性和环境风险评价提供数据资料,为其污染防治提供理论指导.图1 报道微塑料(蓝色)及微塑料毒性(红色)的期刊论文数的即时变化(2 0 0 32 0 2 1年)1 微塑料对动物的毒性动物由于其毒性指标丰富而成为环境毒理学和生态毒理学研究常用的受试生物.截至目前,关于微塑料对动物毒性的研究有很多,涉及水生动物和陆生动物.总体而言,
13、微塑料对动物的毒性效应主要表现在影响基因表达,引起氧化损伤、细胞凋亡、组织病理改变、神经毒性以及生殖毒性等分子/细胞/组织/器官/系统水平的变化,以及影响运动、抑制摄食、延缓生长发育、降低繁殖率、增加死亡率等个体/整体水平的变化.86安徽大学学报(自然科学版)第4 7卷1.1 微塑料对水生动物的毒性水环境中的微塑料一般有3个去向:一是广泛分散到水体中;二是沉降到水底沉积物中;三是被滤食动物和底栖动物摄食,并可能进入食物网,最终通过饮食到达人体1 4,1 7.由于大多数水生生物主要依赖形状、大小和颜色判断食物,缺乏进一步的选择机制,因此很多低密度的微塑料可以被浮游的滤食性动物摄取,而高密度沉降的
14、微塑料则可以被以沉积物为食的底栖动物摄取1 8.微塑料的摄取会对水生动物产生毒性作用,主要表现在影响其免疫反应和氧化应激,引发组织病理改变及神经毒性,抑制动物的摄食率,降低其繁殖率和生长速度等1 7,1 9-2 7.塑料垃圾已经成为海洋生态环境最严重的威胁之一,据统计超过6 9 0种海洋物种受到垃圾碎片的影响,其中塑料碎片占比超过9 0%2 8.河流、雨水和污水是塑料碎片进入海洋的主要途径6,2 9.海洋微塑料被称为海洋中的“PM2.5”,因其会对海洋生物产生生物毒性,已成为全世界环境学家、海洋生物学家研究的热点3 0.浮游动物摄食时会过滤大量被微塑料污染的地表水,作为鱼类等许多次级消费者的重
15、要食物来源会增加处于较高营养级水平的物种接触和食用微塑料的风险1 9,3 1.卤虫(A r t e m i as a l i n a)作为一种浮游动物在从湖泊到海洋不同咸水系统食物链能量流动中占有重要地位.S u m a n等1 9发现卤虫在聚苯乙烯(P S)微塑料急性和慢性暴露后,生物富集和活性氧(R O S)产生呈浓度依赖性增加;组织病理分析显示其中肠区上皮细胞在急性和慢性暴露一定浓度P S微塑料后均发生变形;慢性暴露后的转录组分析结果则提示与1 5 6个K E G G通路相关的7 2 1个基因发生了差异表达.P S微塑料暴露潮间带纹藤壶(Am p h i b a l a n u sa m
16、p h i t r i t e)的研究表明,其对藤壶的毒性影响具有显著的代际效应:亲代虫体暴露于不同浓度的微塑料会显著增加子代幼虫的死亡率,延缓子代幼虫的发育2 0.这种有害的代际影响可能会显著抑制浮游动物幼虫种群增长,从而影响其长期的种群可持续性.而微塑料聚乙烯(P E)和聚酰胺-尼龙6(P A 6)暴露日本虎斑猛水蚤(T i g r i o p u s j a p o n i c u s)的研究则表明微塑料对日本虎斑猛水蚤的摄食、排泄、繁殖和生存以及二甲基硫醚(DM S)和二甲基巯基丙酸(DM S P)的产生均有不利影响,并且该影响呈现显著的剂量-效应关系2 1.上述研究表明微塑料对海洋动
17、物有明显的毒性作用,主要表现在引发组织损伤,影响特定基因表达、氧化应激以及摄食、繁殖等生理过程,增加子代死亡率,抑制种群增长等.微塑料对淡水动物的毒性研究主要集中在淡水鱼类.大量研究表明微塑料广泛存在于鱼类的肠道和鳃中.S u n等3 2调查了广东省北部和西部1 1个城市尼罗罗非鱼(O r e o c h r o m i sn i l o t i c u s)和鲮鱼(C i r-r h i n u sm o l i t o r e l l a)两种经济淡水鱼的MP s污染状况,结果发现在调查的7 6个个体中有4 3.4%的个体胃肠道内发现微塑料,2 5%的个体鳃中含有微塑料.而在珠三角河网水域
18、中检测到8种常见野生鱼类平均每条摄入1.6个微塑料,鳃部的平均丰度为(0.6 3 81.2 7 6)i t e m sg-1,肠道的平均丰度为(0.2 5 60.3 2 6)i t e m sg-13 3.斑马鱼(D a n i or e r i o)原产于南亚的河流,主要分布在印度北部、巴基斯坦、不丹和尼泊尔,在行为研究以及环境毒理学和生态毒理学相关研究中被广泛用作模式生物,通常在其发育的早期阶段用于筛选化学物或者颗粒物的毒性3 4-3 5.d eO l i v e i r a等2 2的研究表明聚乳酸生物微塑料(P L A-B i o MP s)暴露可降低斑马鱼幼鱼游动的距离及速度,使斑马鱼
19、产生焦虑样行为,这说明微塑料对斑马鱼有神经毒性作用;该研究还发现P L A-B i o MP s可在斑马鱼体内积累,并抑制其乙酰胆碱酯酶活力.同年,另一项关于微塑料暴露斑马鱼的毒理学研究发现微塑料纤维可被不同发育时期的斑马鱼摄取,并引起纤维长度依赖的肠道损伤和摄食抑制;代谢组分析表明其潜在毒性机制涉及甘油磷脂代谢上调,加剧氧化损伤和炎症以及与营养缺乏相关的脂肪酸代谢下调2 3.在生态毒理学研究中,金鱼(C a r a s s i u sa u r a t u s)和鲤鱼(C y p r i n u s c a r p i o)也是常用的水生实验动物.R o m a n o等2 4用聚氯乙烯(P
20、 V C)微塑料暴露金鱼后检测其鳃、肝、肠的组织病理改变,脑、肝、鳃的抗氧化系统改变以及肝I G F-1、I G F B P-1、C Y P1A等基因的表达改变,结果表明环境相关P V C微塑料暴露会引起金鱼脑、肝的氧化损伤,导致小肠及肝组织病理改变及相关基因表达改变.而X i a及其同事2 5在对鲤鱼的研究中也得到了类似的结论,P V C微塑料可显著抑制鲤鱼幼鱼的生长,引起肝脏、肠道和鳃的氧化损伤及肝脏的组织病理损伤.大型溞由于对毒物敏感性较高而被广泛用于化学品毒性评价、水污染检测等领域.李勤等2 6选择大型溞为96第4期张合彩,等:微塑料生物毒性及影响研究进展受试动物,研究了P V C微塑
21、料的生物毒性,结果表明P V C暴露对大型溞的摄食率、心率及抗氧化系统均有一定影响,并会对其后续生长及繁殖产生不利影响.而同年方海燕等2 7的研究也证明P V C微塑料暴露会显著降低大型溞的繁殖量,上调大型溞S O D、C A T、HS P7 0等基因的表达.淡水涡虫是一类较为低等的无脊椎动物,由于具有强大的再生能力而成为评估污染物暴露影响再生过程和细胞稳态的理想模型.G a m b i n o等1 7用拌有不同大小、不同形态P E微塑料的鸡肝喂食日本三角涡虫(D u g e s i aj a p o n i-c a),发现不同类型的微塑料并未改变涡虫的摄食活动,但是微塑料在涡虫体内的存留时间
22、却与其大小有关,粒径越小的塑料微粒和长度越短的微塑料纤维在涡虫体内存留的时间越长;透射电镜观察发现部分微塑料被涡虫肠上皮细胞吞噬;微塑料的慢性暴露引起了涡虫肠上皮厚度和肠上皮细胞脂含量的显著下降,同时诱导细胞凋亡,调节D j g a t a4/5/6基因表达,生长率下降.总之,一定浓度的微塑料会对斑马鱼、金鱼、鲤鱼等淡水鱼类以及大型溞、日本三角涡虫等淡水无脊椎动物产生物理损伤及毒性效应,如消化道的病理损伤、氧化损伤、神经毒性、基因表达改变、生长和繁殖抑制等.除了直接影响,微塑料由于具有较大的比表面积和表面功能团还可以吸附水体中的重金属等污染物从而改变其生物利用度及对水生生物的毒性.近来,微塑料
23、与重金属的联合污染研究成为热点,已有研究表明不同类型的微塑料可促进N i,C u,Z n,C d以及其他重金属的积累3 6.P S微塑料与重金属C d共暴露能够对草鱼的鳃、肾、肝和肌肉造成不同程度的损伤,表现出明显的毒性增强效应,即P S的存在可提高鱼体内C d的浓度,加速鱼的死亡,且随着浓度的增加,协同作用增强.其原因可能是P S表面的羰基与C d之间的静电吸引促进了C d在P S上的吸附.而S a n t o s等3 7的研究也发现微塑料单独或与C u联合暴露在分子、细胞和生理水平上均对斑马鱼大脑有影响,主要表现为调节抗氧化系统,诱导细胞凋亡,降低神经元增殖,上调A C h E活力及改变多
24、巴胺系统,并最终导致斑马鱼游泳活动和社会行为中断等行为的改变.总体而言,MP s与C u之间存在显著的相互作用,塑料颗粒的存在比单独C u暴露毒性更强,这表明MP s效应可能具有重叠的C u毒性.1.2 微塑料对陆生动物的毒性研究表明进入陆地环境的微塑料远高于海洋和淡水环境中微塑料含量的总和,每年释放到陆地上的微塑料是海洋中的42 3倍3 8.但是,目前关于微塑料对陆生动物影响的研究较少,主要见于以土壤动物和哺乳动物为受试对象的毒理学研究.1.2.1 对土壤动物的毒性微塑料对土壤动物的毒性影响研究较少,目前仅见少数关于微塑料对土壤动物毒性效应的报道.蚯蚓是土壤动物中生物量相对较大的一类动物,由
25、于其比较脆弱,因而被广泛用作检测微塑料、多环芳烃、农药等污染物毒性的模式动物.Kw a k和A n3 9的研究揭示P E微塑料暴露安德爱胜蚓(E i s e n i aa n d r e i)会明显损害其精子发生,影响精子束在精囊中的排列,同时还会抑制体腔细胞的存活,这说明微塑料对蚯蚓有明显的生殖毒性.微塑料对土壤动物的毒性研究除了以蚯蚓为实验动物,跳虫也是研究食物链中微塑料迁移毒性合适的实验对象.有研究发现经过生物降解,在食物链中迁移的微塑料对土壤白符跳(F o l s o m i ac a n d i d a)具有毒性作用,主要表现在抑制生长率、降低繁殖率和成活率,从而减少跳虫的生物量4
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