海洋中微塑料的環(huán)境行為和生態(tài)影響

李富云，賈芳麗，涂海峰，孫翠竹，李鋒民

中國海洋大學(xué) 近海環(huán)境污染控制研究所，海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，青島 266100

微塑料一般是指直徑小于5 mm的微小型塑料顆粒或碎片[1]，海洋中的微塑料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯等類型。微塑料屬于高分子化合物，具有強(qiáng)烈疏水特性和抗生物降解能力，密度多變，可以在海洋環(huán)境中長期穩(wěn)定存在，對海洋生物產(chǎn)生慢性毒性效應(yīng)。

人們對微塑料的認(rèn)識起源于20世紀(jì)70年代，由Carpenter 和Smith (1972)[2]及Colton和Knapp (1974)[3]率先開展， 2001年Moore等[4]報道了北太平洋中心環(huán)流海域海水中微塑料的密度為9.7×105個·km-2，引起全球關(guān)注。海洋“微塑料”一詞正式引入科學(xué)界則始于2004年Thompson等[5]在美國Science雜志上發(fā)表的論文。此后，國際上關(guān)于微塑料的研究不斷開展。我國微塑料研究始于2013年[6]，之后部分學(xué)者開始注意到海洋微塑料的危害，近2年來逐漸成為人們關(guān)注的焦點。

微塑料因形狀、顏色、類型多變，粒徑較小，對海洋中不同營養(yǎng)級生物均會產(chǎn)生毒性作用，并可沿食物鏈傳遞，威脅人類健康，但是目前相關(guān)研究大多側(cè)重某一方面，系統(tǒng)的報道較少。因此本文針對微塑料對海洋病毒、細(xì)菌、浮游植物、浮游動物、游泳動物、底棲動物和海鳥的毒性效應(yīng)以及其在海洋食物鏈中的傳遞、微塑料與化學(xué)物質(zhì)的聯(lián)合毒性進(jìn)行全面、系統(tǒng)的介紹。

1 海洋微塑料的來源及分布 (Type and distribution of marine microplastics)

1.1 海洋微塑料的來源

海洋中微塑料的來源主要分為2類，即原生微塑料和次生微塑料。原生微塑料是指人工制造的直徑在5 mm以下的微型塑料顆粒，主要用于工業(yè)生產(chǎn)以及洗面奶、化妝品和醫(yī)療用品等的生產(chǎn)[7]；次生微塑料是指由大型塑料在海洋渦流、湍流等運動下破碎而來，或者經(jīng)過海水長時間的浸泡、紫外照射以及風(fēng)力等因素的作用下破壞了塑料結(jié)構(gòu)，造成表面脆化，進(jìn)而裂解而來[8]。

1.2 海洋微塑料的分布

微塑料的漂浮能力和移動能力較強(qiáng)，特別是在海洋獨特的水動力過程和洋流的作用下，其在海域中的分布范圍非常廣，幾乎存在于全球所有海洋環(huán)境中，有些甚至出現(xiàn)在兩極附近海域[9]。奧地利[10]、英國[11]、巴西[12]、加拿大[13]、韓國[6]及中國[14]等多個國家的海域和海岸帶都已經(jīng)檢測到了微塑料的存在，其中熱帶輻合區(qū)海域微塑料污染嚴(yán)重，北太平洋中心環(huán)流區(qū)海水中微塑料質(zhì)量遠(yuǎn)高于浮游生物質(zhì)量。不同海域微塑料的含量、顏色、形狀、類型、粒徑大小等均具有明顯區(qū)別[15-16]。

由于多變的形狀和比重，微塑料廣泛分布于海水表面、深海、海底沉積物中[17]。多數(shù)塑料密度低于海水，容易在海表漂浮，而一些密度較高的微塑料則會向下部轉(zhuǎn)移，到達(dá)深?；蛘吆５?；海表漂浮的一些低密度微塑料也可能在風(fēng)[18]、潛流或者生物的作用下會向深海或者海底轉(zhuǎn)移。Lattin等[20-21]研究了圣莫尼卡灣海域和加州海域，發(fā)現(xiàn)海底微塑料含量多于海水中部和海水表層[19]，進(jìn)入海底的微塑料很難重返上層水體中，進(jìn)而成為微塑料的最終儲藏庫。

2 微塑料對海洋生物的影響 (Effect of microplastics on marine life)

2.1 微塑料對海洋中細(xì)菌、病毒的影響

微塑料具有疏水和硬質(zhì)特性以及較強(qiáng)的漂浮能力，比海洋中一般的自然漂浮物穩(wěn)定時間更長，其表面有利于微生物建群和生物膜的形成，因而成為海洋中病毒、細(xì)菌及微生物幼體等的新型生態(tài)棲息地[22]。例如，在海水中密度很低的弧菌屬細(xì)菌，其在微塑料表面的密度卻很高，是微塑料表面所有微生物中的優(yōu)勢種[23]。病毒、細(xì)菌聚集后的微塑料相比于普通微塑料，具有更強(qiáng)的生物毒性，進(jìn)入生物體后，容易引起生物體感染[1]。

2.2 微塑料對海洋浮游植物的影響

浮游植物作為海洋中的初級生產(chǎn)者，為海洋生物提供食物來源和氧氣保障。但是，海洋中微塑料的廣泛存在對其生長產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致浮游植物群落的變化，從而破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。海面上漂浮的微塑料對太陽光的遮擋與反射作用會阻礙浮游植物對太陽光的吸收，影響其光合作用能力[24]；微塑料的分解碎化是海洋中納米塑料顆粒的主要來源之一，納米塑料對小球藻和柵藻的暴露可以降低藻細(xì)胞中葉綠素a的含量，增加藻細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[25]。角毛藻、鹽沼紅胞藻等可以在生長條件受限制時分泌多糖等黏性物質(zhì)而形成藻團(tuán)，并與周圍存在的微塑料聚合[26-28]，這種行為不僅可以改變藻團(tuán)密度，影響其在海水中的分布[29]，而且可以促進(jìn)低密度微塑料向海底轉(zhuǎn)移[30]。另外，單細(xì)胞藻類在微塑料表面的附著行為可以大幅度提高其水平遷移能力，到達(dá)新海域后容易形成優(yōu)勢種，甚至導(dǎo)致外來物種入侵現(xiàn)象發(fā)生[31]。藻團(tuán)作為海洋生物的主要食物，微塑料通過與其聚合可以增加被海洋生物攝食的機(jī)會[32]。

2.3 微塑料對海洋浮游動物的影響

微塑料與浮游動物的相互作用方式主要有2種，包括被浮游動物攝入體內(nèi)和在浮游動物的附肢、攝食器、觸角、尾叉等體外器官進(jìn)行粘附。浮游動物對微塑料的攝入量與物種種類、生活史階段及微塑料的粒徑、濃度、表面污染情況有關(guān)[33, 37]。攝入的微塑料除少量隨排泄物排出體外，大部分在浮游動物的消化系統(tǒng)中積累，阻塞消化道，降低食欲，影響進(jìn)食，造成其營養(yǎng)不良、生長緩慢、體重減輕甚至死亡[34]。還有一小部分微塑料可以轉(zhuǎn)移到組織中，造成潛在危害，例如，一些懸浮濾食性的雙殼類可以通過櫛鰓捕捉懸浮在水流中的塑料顆粒，再由前端的纖毛經(jīng)過背部粘液鏈或者腹部的粘液—水系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到口腔，進(jìn)一步到腸道中，最終通過腸道上皮細(xì)胞進(jìn)入到消化盲囊中[35]。微塑料產(chǎn)生的生物效應(yīng)與粒徑、暴露時間具有顯著相關(guān)性[34]。而等足類動物對微塑料沒有區(qū)分能力，對不同形狀、濃度的微塑料的攝食情況沒有明顯區(qū)別。但由于其具有復(fù)雜的胃部結(jié)構(gòu)，微塑料只在其胃、腸道中出現(xiàn)并未進(jìn)入其中腸腺內(nèi)；等足類動物可以將攝入體內(nèi)的微塑料隨排泄物全部排出體外，因此對其死亡率、生長狀況及蛻皮時間不會產(chǎn)生明顯影響[36]。海膽幼蟲對微塑料的攝入量取決于微塑料的濃度和微塑料表面的生物附著情況，濃度較高且表面未被生物污染的微塑料容易被海膽幼蟲攝入；而排泄量則與時間相關(guān)，經(jīng)過420 min的排泄，微塑料幾乎被全部排出體外5 d的微塑料暴露并未對海膽幼蟲的存活率產(chǎn)生顯著影響，但與對照組相比體重減輕，且減輕量與暴露濃度呈正相關(guān)[37]。輪蟲對微塑料的排泄能力以及微塑料暴露對輪蟲產(chǎn)生的毒性效應(yīng)(生長速率和繁殖能力降低、壽命縮短、繁殖時間延長、抗氧化酶和絲裂原活化蛋白激酶被激活)均與粒徑具有顯著相關(guān)性，粒徑為6 μm的微塑料24 h之內(nèi)可以全部排出輪蟲體外，所造成的影響也明顯低于粒徑為0.5 μm和0.05 μm的微塑料[38]。

2.4 微塑料對海洋游泳動物的影響

研究顯示，大型塑料會造成游泳動物纏繞、窒息，甚至因誤食引起食管刺穿、劃傷消化道等危害[24]；目前為止，受廢棄塑料傷害的海洋生物有260多種，其中游泳動物占絕大多數(shù)，主要包括魚類、海龜、海獅、海豹和鯨等[39-40]。類似浮游動物，微塑料會造成海洋游泳動物攝食器官和消化道阻塞[23]，進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)和組織，還會影響酶活性、干擾代謝等[41]。

游泳動物中，在部分魚類(如燈籠魚科、巨口魚科、秋刀魚科)胃和腸道中發(fā)現(xiàn)微塑料。微塑料的攝入與魚的種類、體型以及微塑料的種類、形狀、顏色相關(guān)。不同種類的魚攝入的微塑料不同，當(dāng)魚的體型在一定范圍內(nèi)變化時，微塑料的攝入量會隨著魚體型的增大而增加；與魚類的天然食物越相近的微塑料被魚類捕食的幾率就越大。研究表明，粒徑為0.5～5 mm的微塑料和顏色為黑色的微塑料容易被魚類攝入[42-43]。微塑料在魚類體內(nèi)的分布也與粒徑相關(guān)。研究顯示，用微塑料對斑馬魚暴露7 d后，發(fā)現(xiàn)粒徑為20 μm的微塑料只在斑馬魚的鰓和腸道中出現(xiàn)，而直徑為5 μm的微塑料則還可以進(jìn)入到斑馬魚的肝臟中，導(dǎo)致肝臟發(fā)生氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、脂質(zhì)積累，還會干擾脂質(zhì)和能量的代謝[44]。微塑料存在會影響幼魚正常的攝食行為，降低河鱸受精卵的孵化率、幼魚的成活率以及逃避天敵捕食的能力，嚴(yán)重影響魚類幼體的生長發(fā)育，增加幼魚的死亡率[45]。Denuncio[46]等在調(diào)查海豚的塑料碎片攝入情況時發(fā)現(xiàn)，28%的海豚胃中含有塑料碎片，且攝入量與海豚的年齡和體型相關(guān)，體長大于130 cm的成年海豚明顯比體長110～130 cm之間的幼年海豚攝入量少。Maria等[47]對海龜?shù)难芯匡@示，在海龜卵的孵化過程中，其性別會受海底沉積物溫度的影響，微塑料在海底的聚集會阻礙沉積物與海水界面的熱量交換，使沉積物變暖的速率減慢并使沉積物的最大溫度降低，因此會間接對海龜?shù)男詣e產(chǎn)生影響。世界上第二大海洋哺乳動物須鯨，在喝水和濾食時會攝入大量微塑料，在體內(nèi)長期積累，產(chǎn)生慢性毒性作用[48]。

2.5 微塑料對海洋底棲動物的影響

微塑料的垂直轉(zhuǎn)移，使其大量存在于海底沉積物中，對海洋底棲生物產(chǎn)生巨大的威脅。貽貝作為全球海洋底棲生物的重要組成物種，是大量食肉動物及人類的食物來源。貽貝可以通過鰓收集微塑料并經(jīng)口腔轉(zhuǎn)移到消化道中積累，最終通過內(nèi)吞作用內(nèi)化到消化系統(tǒng)細(xì)胞中，其積累部位、體內(nèi)存留量以及生物效應(yīng)與微塑料的粒徑、濃度以及暴露時間呈顯著相關(guān)性。例如，用粒徑范圍為大于0～80 μm的聚苯乙烯微粒對藍(lán)貽貝進(jìn)行暴露，3 h后微粒在消化管中出現(xiàn)，6 h后消化腺中粒細(xì)胞增多，導(dǎo)致溶酶體系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。且與對照組相比實驗組出現(xiàn)了較明顯的病理學(xué)變化，包括出現(xiàn)了強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)、溶酶體膜穩(wěn)定性降低等現(xiàn)象[49]；粒徑為2 μm、4 μm、16 μm的聚苯乙烯顆?？梢赃M(jìn)入到貽貝的腸腔和消化管中。粒徑為3 μm和9.6 μm的聚苯乙烯微?？梢酝ㄟ^循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入到貽貝的血細(xì)胞和血淋巴細(xì)胞中，在循環(huán)系統(tǒng)中的存留時間超過48 d，最大值出現(xiàn)在12 d，然而，這些貽貝在實驗期間并未出現(xiàn)血淋巴氧化狀態(tài)降低、血細(xì)胞活力和吞噬活性下降，或者影響貽貝的攝食行為等現(xiàn)象[50]；微塑料可以增加牡蠣的死亡數(shù)，減緩生長，影響牡蠣對能量的吸收和分配，干擾生殖系統(tǒng)，影響產(chǎn)卵量和后代幼體的發(fā)育[51]；在我國，沿海紫貽貝[52]、扇貝等雙殼類[53]也同樣受到了微塑料污染的威脅。此外，微塑料暴露會降低沙蠶的攝食量、攝食活性和體重[54]，沙蠶對微塑料具有良好的排泄能力，但當(dāng)其胃腸道中積累過多微塑料無法排泄時，體內(nèi)的微塑料會影響沙蠶的抗病菌能力，對其生存產(chǎn)生威脅[55]。海參在攝食過程中會攝入沉積物中的微塑料，微塑料的大小決定了它是否會被海參攝入以及攝入量的多少[56]。微塑料可以在蟹類的鰓部積聚，結(jié)果降低了鰓對水中溶解氧的吸收速率，降低血淋巴細(xì)胞中鈉離子濃度并同時增加鈣離子濃度，且效應(yīng)強(qiáng)度與暴露濃度呈正相關(guān)，但對螃蟹的行為和死亡數(shù)不會產(chǎn)生影響[57]。

2.6 微塑料對海鳥的影響

海鳥的大部分食物都是從海里獲得，因此海洋中存在的微塑料會對海鳥產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。到2007年，已知的海鳥中，能夠攝入塑料垃圾的海鳥至少占總數(shù)的44%[58]。

海鳥對塑料的攝食與塑料大小、形狀及顏色等密切相關(guān)，因此一些研究者通過海鳥對塑料的攝食情況來監(jiān)測海洋塑料數(shù)量和組成的變化[59]。海鳥對微塑料的攝入情況隨海鳥種類、體型、生長階段、生存區(qū)域的改變而改變。不同種類的海鳥對微塑料的攝食情況不同[60]；大型海鳥攝入的塑料粒徑較小型海鳥大[61]；幼鳥攝入的塑料顆粒多于成年海鳥；低緯度地區(qū)受塑料碎片影響的海鳥多于高緯度地區(qū)[62]。海鳥對塑料碎片的攝入情況還與海鳥覓食水層的深度有關(guān)，Jennifer等[63]發(fā)現(xiàn)，在海洋表層水中覓食的海鳥塑料碎片的攝入量明顯高于在海水其他層次中覓食的潛水海雀。這些攝入的大型塑料會引起海鳥消化系統(tǒng)或者內(nèi)臟劃傷、甚至發(fā)炎，微塑料則會在砂囊或胃中積累，影響食物的正常消化，從而對海鳥造成不同程度的傷害，威脅其生存。

圖1 海洋微塑料的空間分布Fig. 1 The spatial distribution of marine microplastic

3 微塑料的生物傳遞性 (Biological transportation effects of marine microplastics)

微塑料具有生物傳遞性，對人類健康構(gòu)成潛在威脅，因此成為研究者關(guān)注的焦點。而此方面研究甚少，目前僅發(fā)現(xiàn)，貽貝與螃蟹[64]、橈足類與糠蝦[65]、及魚類與海鰲蝦[66]等動物之間存在微塑料的傳遞效應(yīng)。具體表現(xiàn)為，用直徑為0.5 μm的熒光聚苯乙烯微粒對貽貝(可食貽貝)進(jìn)行暴露，之后將帶有微塑料的貽貝軟組織喂給紅色雌性螃蟹(青蟹)，微塑料在螃蟹的血淋巴中出現(xiàn)，24 h時數(shù)量達(dá)到最高，最大值為貽貝暴露的微塑料數(shù)量的0.04%，但可在21 d時幾乎全部清除；此外，微塑料還在螃蟹的鰓、胃、肝胰腺及卵巢中出現(xiàn)[64]；以攝入直徑為10 μm的熒光聚苯乙烯微粒的橈足類(真寬水蚤)為食喂養(yǎng)糠蝦(新糠蝦)，培養(yǎng)3 h后，聚苯乙烯微粒在糠蝦腸道中出現(xiàn)，且熒光聚苯乙烯微粒的傳遞率與糠蝦種類有關(guān)[65]；用體內(nèi)含有小段聚丙烯纖維的魚肉喂食挪威龍蝦(海螯蝦)，經(jīng)過12 h后，所有海螯胃中均有塑料微粒的出現(xiàn)，停止喂食后，其數(shù)量在實驗期間持續(xù)減少[66]。醫(yī)學(xué)研究還顯示，小于150 μm的聚苯乙烯和聚氯乙烯顆?？梢詮娜祟惖哪c道轉(zhuǎn)移到淋巴和循環(huán)系統(tǒng)中[67]。

4 海洋微塑料與有機(jī)污染物的聯(lián)合作用 (The combined effects of marine microplastics and organic pollutants)

微塑料除了可以對海洋生物產(chǎn)生物理損傷之外，還可以通過其他方式對海洋生物產(chǎn)生化學(xué)毒性效應(yīng)[68]。在塑料的生產(chǎn)和加工過程中常常會有雙酚A等有毒單體的殘留，同時，為使微塑料具有更好的性能，會人為向其中加入塑化劑等有毒物質(zhì)[69-70]。另外，微塑料本身的疏水特性和巨大的比表面積使其可以大量富集海水中的微量有機(jī)物，其中壬基酚在塑料中的濃度比其在海底沉積物中的濃度高出2個數(shù)量級[71]，吸附在微塑料上的菲的濃度是周圍海水中菲的濃度的61倍[72]。這些微塑料進(jìn)入生物體后，其中一些化學(xué)物質(zhì)在消化道中表面活性劑的作用下迅速釋放，儲存在脂質(zhì)含量高的組織中或者通過食物網(wǎng)放大，對生物體產(chǎn)生毒性作用[73]。例如，日本青鳉攝入帶有內(nèi)分泌干擾物質(zhì)的聚苯乙烯微粒，會嚴(yán)重干擾其內(nèi)分泌系統(tǒng)，其中雄魚卵殼蛋白原基因表達(dá)明顯下調(diào)，雌魚的卵黃蛋白原、卵殼蛋白原和雌激素受體基因的表達(dá)也都明顯下調(diào)，對雌魚的繁殖能力產(chǎn)生影響，甚至還使一些雄魚出現(xiàn)了生殖細(xì)胞增生的現(xiàn)象[74]。

然而，微塑料與有機(jī)污染物的聯(lián)合作用機(jī)制尚不明確，甚至存在相互矛盾的研究結(jié)果。例如，與天然沉積物相比微塑料更容易攜帶菲進(jìn)入海蚯蚓，增加菲在其組織中的濃度，向含有菲的沉積物中加入被菲污染了的微塑料可以明顯提高海蚯蚓組織中菲的濃度，使毒性作用增強(qiáng)[72]；微塑料吸收的壬基酚入沙蠶腸道后可以快速釋放出來并在其腸道中積累，濃度約為沉積物中初始濃度的3～30倍[75]；當(dāng)對鰕虎魚用微塑料和芘共同暴露時，微塑料的存在可以顯著降低乙酰膽堿酯酶和異檸檬酸脫氫酶的活性，增加魚類死亡率。但與此同時，微塑料的加入又會推遲鰕虎魚的死亡時間，降低芘的毒性作用[41]。

5 展望 (Outlook)

目前，微塑料還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，使得各研究之間數(shù)量差距較大。根據(jù)微塑料的生物效應(yīng)將其進(jìn)行分類是目前分類研究的一個主要趨勢，因此需要增加微塑料的生物效應(yīng)研究，清楚掌握不同粒徑范圍的微塑料對生物體的毒性效應(yīng)，積累足夠的數(shù)據(jù)作為支撐。分離、鑒定是微塑料定量的前提和基礎(chǔ)，然而目前并沒有成熟、可靠的技術(shù)，因此建立一種能夠準(zhǔn)確區(qū)分微塑料與其他組分的方法(染色、熒光標(biāo)記等)是研究微塑料豐度和分布的關(guān)鍵。微塑料在食物鏈中的傳遞與放大效應(yīng)與海洋生物生存息息相關(guān)，但是，海洋微塑料生物毒性效應(yīng)研究大多都停留在生物個體水平上，而對其在食物鏈中的傳遞和放大效應(yīng)研究甚少。所以，清楚掌握微塑料海洋生物毒性作用機(jī)理和影響因素，并重點開展微塑料在食物鏈中傳遞效應(yīng)的研究工作，以期控制其傳遞途徑，避免對人體健康造成危害。

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