海洋酸化與重金屬、有機(jī)污染物和人工納米顆粒的聯(lián)合毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

王昊，趙信國，陳碧鵑，夏斌,*，孫雪梅，朱琳，曲克明

1. 上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省漁業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島 266071 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室，青島 266237

自18世紀(jì)工業(yè)革命以來，在化石燃料燃燒等人類活動的影響下，大氣CO2濃度不斷增加，目前已達(dá)到409.65 ppm，增長了約45%。由于大氣和海洋之間的氣體交換作用，人類活動排放的CO2中約有1/3被海洋吸收，從而造成海水酸度的增大和碳酸鹽平衡體系的變化，即“海洋酸化”現(xiàn)象(Ocean Acidification)[1-2]。當(dāng)前表層海水的pH值為8.1～8.2，根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的預(yù)測，到2100年，表層海水pH值將下降至7.8～7.7；到2300年，表層海水pH值將下降至7.4～7.3[1,3-4]。海洋酸化勢必會引起海洋環(huán)境的變化，直接影響到海洋生物賴以生存的環(huán)境條件，嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定[5]。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大量的污染物(重金屬、有機(jī)污染物和人工納米材料等)不斷進(jìn)入到海洋環(huán)境中。重金屬作為一類海洋環(huán)境中常見的污染物，在沿海、河口以及沉積物中高濃度富集。Cu、Pb等是許多沿海與河口的水體和沉積物中最常見的重金屬污染物[6]，可以在海洋生物的脂肪組織中發(fā)生累積，并通過食物鏈的營養(yǎng)傳遞對人類健康產(chǎn)生潛在的危害[7]。溢油事故的頻繁爆發(fā)及農(nóng)藥化肥的不合理使用，使得大量有機(jī)污染物最終匯入海洋，對海洋生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重威脅[8]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，納米材料在工業(yè)、能源、醫(yī)療和消費(fèi)品中得到了廣泛的應(yīng)用[9]，不可避免地導(dǎo)致大量人工納米顆粒(engineered nanoparticles, NPs)通過地表徑流、意外泄露等方式進(jìn)入到海洋環(huán)境中，從而對海洋環(huán)境造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)[10]。已經(jīng)有越來越多的研究表明NPs會對浮游植物、浮游動物、游泳動物、底棲生物等產(chǎn)生毒性效應(yīng)[11]。

海洋酸化與環(huán)境污染物(重金屬、有機(jī)污染物和NPs等)已成為全球海洋生態(tài)系統(tǒng)面臨的重大環(huán)境問題，它們同時(shí)存在，共同影響著海洋生態(tài)系統(tǒng)(圖1)。研究表明海洋酸化會改變污染物的環(huán)境行為，如改變重金屬離子的存在價(jià)態(tài)[12]，抑制有機(jī)污染物的降解[13]，改變?nèi)斯ぜ{米顆粒的懸浮性和離子釋放能力[14]，從而影響污染物對海洋生物的毒性效應(yīng)(圖2)。本文回顧了海洋酸化的生態(tài)效應(yīng)以及重金屬、有機(jī)污染物和NPs對海洋生物的毒性效應(yīng)，重點(diǎn)分析了海洋酸化對污染物環(huán)境行為的影響及產(chǎn)生的聯(lián)合毒性效應(yīng)，對近年來的相關(guān)報(bào)道進(jìn)行了總結(jié)歸納(表1)，指出了當(dāng)前研究的特點(diǎn)和不足，并對未來的研究進(jìn)行了展望。

1 海洋酸化對海洋生物的影響(The impact of ocean acidification on marine life)

海洋酸化引起的海水化學(xué)參數(shù)變化對從自養(yǎng)生物到頂級捕食者的所有營養(yǎng)水平的生物都有影響，主要有：(1)大型藻：海水中無機(jī)碳濃度和形態(tài)的變化會影響大型藻光合作用的速率，并改變其群落結(jié)構(gòu)[38]。已有研究表明，在碳酸鹽飽和度較低的狀態(tài)下，夏威夷常見的殼狀珊瑚藻的鈣化率有所下降[39]；(2)浮游植物：海洋酸化會導(dǎo)致鈣化浮游植物赫氏顆石藻(Emilianiahuxleyi)的鈣化量下降，遭受紫外線輻射的損害增加，威脅鈣化浮游植物的生存[40]；而對于非鈣化浮游植物三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)，海洋酸化可降低其耐受高光脅迫的能力，加大光抑制，且增加其呼吸作用[41]；(3)浮游動物：海洋酸化會延遲哲水蚤(Calanusglacialis)的孵化時(shí)間，并降低其孵化率[42]。海洋酸化會對日本虎斑猛水蚤(Tigriopusjaponicus)產(chǎn)生氧化脅迫，繼而對細(xì)胞生物大分子造成氧化損傷，最終影響其發(fā)育和繁殖力[43]；(4)雙殼貝類：海洋酸化會阻礙貝類生物殼體和碳酸鈣骨架的生長，還會嚴(yán)重影響殼體和碳酸鈣骨架的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，甚至引起殼體和碳酸鈣骨架的消融[44-45]。海洋酸化可以降低櫛孔扇貝(Chlamysfarreri)的鈣化率和呼吸作用[46]，顯著抑制紫貽貝(Mytilusedulis)碳酸酐酶活性和貝殼的生長速率[47]；(5)魚類：由于魚類早期階段鰓等器官發(fā)育不完善，pH調(diào)節(jié)能力差[48]，所以海洋酸化會導(dǎo)致魚類體液的pH值迅速下降，從而對魚類精子和卵子以及胚胎的發(fā)育具有較大的影響[49]。此外，海洋酸化對魚類的嗅覺、化學(xué)感覺和聽覺等產(chǎn)生不同程度的影響[50-51]，進(jìn)而會影響魚類的洄游、攝食和繁殖等生理行為。

表1 海洋酸化與重金屬、有機(jī)污染物和NPs的聯(lián)合毒性Table 1 The interactions between ocean acidification and environmental pollutants

續(xù)表1分類Classification污染物Pollutant物種SpeciespH、CO2濃度pH and CO2 concentrations污染物濃度Pollutant concentrations效應(yīng)Effects參考文獻(xiàn)References重金屬Heavy metalsCdAgHg微氏海鏈藻(Thalassiosira weissflogii)和赫氏圓石藻(Emiliania huxleyi)7.70～8.50<0.1 nmol·L-1Cd吸收率平均下降約30%The absorption rate of Cd had dropped by about 30%.[21]橈足類(A. atopus)6.07, 6.23, 6.30, 8.200～3 mg·L-1CO2提高了自由離子濃度和毒性CO2 enrichment increased the free-ion concentration and toxicity of Cd[18]硬殼蛤(M. mercenaria)和美洲牡蠣(C. virginica)7.70, 7.90, 8.200.05 mg·L-1酸化加劇了Cd對硬殼蛤和牡蠣免疫功能的負(fù)面影響Acidification exacerbated the negative effects of Cd on immunity of clams and oysters[24]烏賊(S. officinalis)7.60, 7.85, 8.101.5 kBq·L-1酸化增強(qiáng)了Cd的生物積累Acidification enhanced bioaccumulation of Cd[23]海膽(Paracentrotus lividus)7.10～8.10<1.0 ng·L-1隨pH降低使Cd的生物累積量下降With decreasing pH, bioaccumulation of Cd was decreased[25]光滑扇貝(Flexopecten glaber)7.40, 8.2020.0 μg·L-1海洋酸化對金屬累積和毒性的影響具有特異性,并通過不同的機(jī)制調(diào)節(jié)氧化平衡The effects of ocean acidification on metal accumulation and toxicity are tissue-specific; oxidative balance was modulated through different mechanisms[26]紫貽貝(Mytilus edulis)、泥蚶(Tegillarca granosa)和文蛤(Meretrix meretrix)7.40, 7.80, 8.100.05 mg·L-1海洋酸化增加了Cd在3種貝類的富集Ocean acidification increased the bioaccumulation of Cd in three species of shellfish.[27]海膽(Paracentrotus lividus)7.10～8.1021.0 ng·L-1隨pH降低,Ag的生物累積量顯著增加With decreasing pH, bioaccumulation of Ag was decreased[25]斧文蛤(Meretrix lamarckii)7.40, 7.60, 7.80, 8.2010.332～12.027 mg·L-1海洋酸化增強(qiáng)了Hg2+的急性毒性O(shè)cean acidification enhanced the acute toxicity of Hg2+[28]日本虎斑猛水蚤(Tigriopus japonicus)400, 1 000 μatm1.0 μg·L-1海洋酸化減輕了Hg對生物的負(fù)面影響Ocean acidification reduced the negative effects of Hg on organisms[29]有機(jī)污染物Organic pollution苯并[a]芘BaP泥蚶(T. granosa)7.40, 7.70, 8.105.0 μg·L-1苯并[a]芘的免疫毒性增加,對泥蚶的總血細(xì)胞數(shù)、血細(xì)胞組成和吞噬作用具有協(xié)同效應(yīng)Increased immune toxicity of B[a]P; synergetic effects of B[a]P and ocean acidification on total haemocyte count (THC), haemocyte composition, phagocytosis.[30]

續(xù)表1分類Classification污染物Pollutant物種SpeciespH、CO2濃度pH and CO2 concentrations污染物濃度Pollutant concentrations效應(yīng)Effects參考文獻(xiàn)References人工納米顆粒NPsZnO NPsTiO2 NPsFe2O3 NPs多壁碳納米管MWCNTs厚殼貽貝(Mytilus coruscus)7.30, 8.100, 2.5, 10.0 mg·L-1低pH值和ZnO NPs在貽貝中誘導(dǎo)抗氧化反應(yīng),鰓比血細(xì)胞更敏感Low pH and ZnO NPs induce antioxidative responses, and gills were more sensitive than hemocyte[31]厚殼貽貝(M. coruscus)7.30, 8.100, 2.5, 10.0 mg·L-1高濃度的ZnO NPs和低pH值對貽貝產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng),且具有協(xié)同作用High-concentration ZnO NPs and low pH had negative and synergistic effects on thick shell mussel[32]鯽魚(Carassius auratus)400 ppm, 600 ppm80 mg·L-1二氧化碳濃度的升高增強(qiáng)了ZnO NPs的Zn離子釋放量和生物有效性Elevated concentrations of CO2 enhance the release of Zn ions and bioavailability of ZnO NPs[33]小球藻(Chlorella vulgaris)7.47, 7.77, 8.200, 10 mg·L-1酸化增強(qiáng)了NPs的懸浮性,導(dǎo)致酸化和NPs的聯(lián)合作用是協(xié)同效應(yīng)Acidification enhanced the suspension of NPs, resulting in a synergistic effect of acidification and NPs[14]厚殼貽貝(M. coruscus)7.30, 8.100, 2.5, 10.0 mg·L-1TiO2 NPs和低pH影響貽貝的血細(xì)胞,具有遺傳損傷和相互作用TiO2 NPs and low pH affected hemocyte responses of the mussels with interactive and genetic effects[34]厚殼貽貝(M. coruscus)2 500～2 600 μatm2.5, 10.0 mg·L-1TiO2 NPs與高pCO2對貽貝毒性具有協(xié)同效應(yīng)Synergistic effects of TiO2 NPs and high pCO2 on mussel were observed[35]地中海貽貝(Mytilus galloprovincialis)6.00, 6.90, 8.100, 100, 1 000, 10 000 μg·L-1Fe2O3 NPs作為緩沖劑降低了酸化對地中海貽貝的損害Fe2O3 NPs act as a buffer to reduce acidification damage to Mytilus galloprovincialis[36]菲律賓蛤仔(Ruditapes philippinarum)7.60, 7.900, 0.1, 1.0 mg·L-1MWCNTs會影響氧化應(yīng)激、生物體代謝和神經(jīng)毒性,但海洋酸化不會改變其毒性MWCNTs affected oxidative stress, metabolism and neurotoxicity, butocean acidification did not change its toxicity[37]

注：LC50表示半致死濃度；ATP表示三磷酸腺苷；ADP表示二磷酸腺苷；AMP表示一磷酸腺苷。

Note: LC50is median lethal concentration; ATP is adenosine triphosphate; ADP is adenosine diphosphate; AMP is adenosine monophosphate.

圖1 海洋酸化與環(huán)境污染物重金屬、有機(jī)污染物和人工納米顆粒(NPs)的相互作用注：根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]改編。Fig. 1 Interactions between ocean acidification and heavy metals, organic pollutants and engineered nanoparticles (NPs)Note: Adapt according to reference [15].

圖2 重金屬、有機(jī)污染物、NPs和海洋酸化的相互作用機(jī)制注：根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]改編。Fig. 2 Interactive mechanisms of ocean acidification with heavy metals, organic pollutants and engineered nanoparticlesNote: Adapt according to reference [15].

綜上所述，不同營養(yǎng)級的生物個(gè)體對海洋酸化表現(xiàn)出不同的生理響應(yīng)，長此以往會對海洋生態(tài)系統(tǒng)的平衡及對人類的服務(wù)功能產(chǎn)生影響[52]。

2 海洋酸化與重金屬的聯(lián)合毒性(Combined toxicity of ocean acidification and heavy metals)

2.1 重金屬對海洋生物的毒性效應(yīng)

重金屬是海洋環(huán)境中最常見的污染物之一，主要是通過大氣輸入、陸源徑流、工業(yè)傾倒等方式進(jìn)入海洋環(huán)境中，在許多近岸與河口的水體和沉積物中濃度較高[53-54]。一些金屬(如Cu和Zn)是許多生化過程中不可缺少的輔助因子，但是當(dāng)金屬含量累積一定濃度時(shí)便會對生物體產(chǎn)生毒害作用：(1)大型藻：Han等[55]報(bào)道當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到25和100 μg·L-1時(shí)能分別抑制綠藻Ulvaarmoricana和Ulvapertusa的生長，當(dāng)達(dá)到250 μg·L-1時(shí)2種藻Chl-a和Chl-b的含量均顯著降低；李欽等[56]研究發(fā)現(xiàn)，壇紫菜(Porphyrahaitanensis)葉狀體DNA、RNA含量和過氧化物酶(POD)活性隨Cu2+暴露劑量的增加表現(xiàn)出先上升后下降的時(shí)間效應(yīng)關(guān)系。所以，重金屬主要是通過抑制藻細(xì)胞分裂、減少光合色素含量、降低光合放氧率、產(chǎn)生活性氧自由基(ROS)導(dǎo)致細(xì)胞氧化損傷和脂質(zhì)過氧化等方式來影響藻類的生長發(fā)育過程[55-56]；(2)浮游植物：低濃度的重金屬脅迫能刺激浮游植物的生長，表現(xiàn)出明顯的毒性興奮效應(yīng)[57]，高濃度時(shí)則能有效抑制其生長[58-59]。有研究表明，Cu2+脅迫能導(dǎo)致浮游植物體內(nèi)代謝作用受阻，淀粉類物質(zhì)消失，還可以通過干擾營養(yǎng)鹽代謝以及光合作用等對海洋浮游植物的生長產(chǎn)生影響[60]；Hadjoudja等[61]研究證實(shí)，隨著Cu2+濃度的增加，銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)和小球藻(Chlorellavulgaris)的細(xì)胞分裂率和自發(fā)熒光均減少，并且暴露時(shí)間的不同，其敏感性也有顯著差異；(3)浮游動物：浮游動物積累的重金屬相當(dāng)一部分是吸附在甲殼表面的，在冠偽鏢水蚤(Pseudodiaptomuscoronatus)甲殼上的吸附量高達(dá)40%～50%，當(dāng)重金屬從體表轉(zhuǎn)入體內(nèi)后才會表現(xiàn)出毒性效應(yīng)[62]；海洋橈足類湯氏紡錘水蚤(Acaritatonsa)和哈氏紡錘水蚤(Acartiahudsonica)在溶解態(tài)Ag的作用下有急性致死效應(yīng)，并且會導(dǎo)致其產(chǎn)卵量下降[63]；高濃度的Cu和Cd會使中華哲水蚤(Calanussinicus)氨基酸含量下降，同時(shí)也抑制其攝食和排泄[64-65]；(4)雙殼貝類：蔣國萍等[28]研究了海洋酸化條件下Cd2+和Hg2+對斧文蛤(Meretrixlamarckii)幼貝急性毒性效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)單一的海洋酸化對斧文蛤幼貝的存活沒有顯著性影響，但是海洋酸化顯著增強(qiáng)了Cd2+和Hg2+的急性毒性；李玉環(huán)等[66]研究了Cd對海灣扇貝(Argopectenirradiams)的急性毒性影響，結(jié)果表明Cd2+對海灣扇貝是劇毒性的毒物，隨著濃度的升高，海灣扇貝會對Cd2+的毒性更加敏感；Shi等[27]研究發(fā)現(xiàn)，海洋酸化增加了Cd在紫貽貝、泥蚶(Tegillarcagranosa)和文蛤(Meretrixmeretrix)中的富集；周一兵等[67]的研究顯示，Hg、Cu、Zn這3種重金屬及其不同組合的聯(lián)合作用都會對菲律賓蛤仔(Ruditopesphiliprinatum)的耗氧率、排氨率及氧氮比值產(chǎn)生明顯的影響；(5)魚類：水體中的重金屬在魚類腎臟、肌肉等不同組織中不斷蓄積，最終可以使魚類發(fā)育畸形甚至中毒死亡。陳其晨等[68]的研究表明Zn在魚體中最容易蓄積，其次為Cu、Pb、Cd，從重金屬在魚體內(nèi)不同組織的分布分析，以腎、肝、脾等部位的含量居高，肌肉、骨骼等部位則較低；同時(shí)，重金屬還會對魚類生殖細(xì)胞、胚胎、仔魚等不同生命階段的發(fā)育、存活和生長產(chǎn)生負(fù)面影響，從而降低子代的數(shù)量和質(zhì)量[69]。

2.2 海洋酸化對重金屬環(huán)境行為的影響

海洋酸化對重金屬環(huán)境行為的影響主要?dú)w結(jié)為3個(gè)方面：

(2)海洋酸化影響重金屬的氧化還原反應(yīng)。pH的變化也影響金屬的氧化和還原速率，通常，酸化對還原速率的提升高于氧化速率，因?yàn)楹笳邔H的依賴性較小。例如，當(dāng)pH從8.1降至7.4時(shí)，海水中Fe半衰期從1 min增加到24 min[12]，這說明海洋酸化可以增加還原態(tài)金屬的量[71]。

(3)海洋酸化影響與沉積物結(jié)合的金屬的行為。海洋酸化可以間接改變底泥沉積物的條件和性質(zhì)，影響來自受污染沉積物的金屬通量，從而引起沉積物和海水界面主要微量元素的地球化學(xué)通量變化[72]。pH和氧化還原電位(Eh)降低可能會影響氧化還原敏感性元素的溶解度，對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響[73]。

2.3 海洋酸化對重金屬生物毒性的影響

海洋酸化可以將重金屬轉(zhuǎn)化為對生物毒性更強(qiáng)的形態(tài)，影響海洋生物中金屬的毒性和累積及其在細(xì)胞內(nèi)的結(jié)合[19]。建模研究預(yù)測，由于海洋pH值的下降，在未來100年內(nèi)，河口的平均Cu2+濃度可能會增加115%[74]。已經(jīng)有研究表明，Cu2+濃度為6.4×10-8mg·L-1便會對海洋浮游植物產(chǎn)生毒性，當(dāng)pH降低時(shí)，Cu毒性將影響浮游植物的生長[75]。Nardi等[26]研究發(fā)現(xiàn)，相對于海洋酸化或Cd單獨(dú)暴露，光滑扇貝(Flexopectenglaber)暴露于低pH和Cd聯(lián)合作用的條件下其組織中Cd的濃度增加，并且聯(lián)合作用對扇貝的生物學(xué)毒性具有協(xié)同效應(yīng)；Pascal等[18]研究也發(fā)現(xiàn)二氧化碳分壓(pCO2)升高，pH降低，增加了Cu2+濃度，進(jìn)而導(dǎo)致其對橈足類Amphiascoidesatopus的毒性增強(qiáng)，同時(shí)，海洋酸化增強(qiáng)了Cu對沙蠶精子的DNA損傷，對幼體成活率抑制存在協(xié)同作用[19]。

海洋酸化的酸化程度會影響重金屬的毒性效應(yīng)。海洋酸化會對石莼的生理性能產(chǎn)生一定的影響，pCO2濃度為1 000 μatm時(shí)會降低Cu對石莼(Ulvaprolifera)的毒性，而當(dāng)pCO2增加到1 400 μatm時(shí)，Cu對石莼的毒性則會增強(qiáng)，這主要是因?yàn)楫?dāng)pCO2濃度為1 000 μatm時(shí)，H+和Cu2+的胞外競爭使得海洋酸化與重金屬出現(xiàn)了拮抗作用[16,76]；Xu等[21]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO2濃度升高使pH從8.5降至7.9或7.7時(shí)，浮游植物對Zn和Cd富集量平均下降約30%，從而影響其生長；通過對不同酸化條件下Zn對浮游植物半效應(yīng)濃度(EC50)值影響研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH為6.0時(shí)測得的EC50值最低，這說明隨著pH的降低，Zn對浮游植物的毒性增加[22]。

不同的重金屬在環(huán)境中的存在狀態(tài)也不同，所以海洋酸化對重金屬的毒性的影響也有一定的差異。Dorey等[25]研究了海洋酸化與放射性重金屬對地中海海膽幼體的影響，發(fā)現(xiàn)CO2導(dǎo)致的pH值變化可以改變海膽(Paracentrotuslividus)幼蟲體內(nèi)重金屬的生物積累速率。而且由于重金屬的種類不同，會導(dǎo)致其對生物體的累積效應(yīng)不同；韋曉慧等[17]研究了海洋酸化條件下Cu、Cd對日本虎斑猛水蚤的急性毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著海水pH值降低，Cu和Cd對日本虎斑猛水蚤的96 h半致死濃度(LC50)都呈減小趨勢，但是在海洋酸化條件下Cu與Cd相比，其急性毒性效應(yīng)更加顯著，這是因?yàn)镃d2+在海洋中常形成氯復(fù)合物，而Cl-對pH的變化不敏感，Cu2+在海洋中常形成碳酸鹽復(fù)合物，對海洋酸化敏感，隨pH值下降釋放更多的游離Cu2+，游離Cu2+的毒性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于復(fù)合物形態(tài)；Wang等[29]研究發(fā)現(xiàn)，海洋酸化顯著降低了每一代日本虎斑猛水蚤中的Hg生物積累，而且每一代的生殖抑制作用都會明顯逐漸減弱，這是因?yàn)镠g可以與氯化物形成強(qiáng)復(fù)合物，并且其濃度不會受到海水pH降低的影響。因此，重金屬的種類不同會導(dǎo)致其在海洋酸化條件下出現(xiàn)不同的差異[19]。

海洋酸化還會以物種特異性方式改變金屬對生物體的生理后果，最終影響其適應(yīng)性和生存性。Ivanina等[24]發(fā)現(xiàn)pCO2升高與Cd聯(lián)合作用導(dǎo)致硬殼蛤(Mercenariamercenaria)和美洲牡蠣(Crassostreavirginica)血細(xì)胞中吞噬活性、粘附能力以及凝集素和熱休克蛋白(HSP70)的mRNA表達(dá)降低，從而使生物體對病原體和致病菌敏感性增強(qiáng)。CO2濃度升高不會影響硬殼蛤和牡蠣中的蛋白酶和和能量儲存，而且還有可能減輕微量金屬對這些生物細(xì)胞的負(fù)面影響，但是CO2濃度升高會影響Cd和Cu對海洋雙殼類的毒性，這是由于CO2濃度升高時(shí)Cu和Cd的積累增加以及高碳酸鹽和金屬聯(lián)合脅迫對能量狀態(tài)的負(fù)面影響，并可能影響雙殼類群體的健康以及受污染河口的金屬營養(yǎng)轉(zhuǎn)移[20]。

3 海洋酸化與有機(jī)污染物的聯(lián)合毒性(Combined toxicity of ocean acidification and organic pollutants)

3.1 有機(jī)污染物對海洋生物的毒性效應(yīng)

有機(jī)污染是世界上最普遍的污染類型之一，也是驅(qū)動海洋生態(tài)系統(tǒng)變化的主要人為因素。環(huán)境中的持久性有機(jī)污染物(POPs)具有長期殘留性、生物蓄積性、半揮發(fā)性和高毒性等特征，會對海洋生物產(chǎn)生不利的影響：(1)浮游植物：Huang等[77]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的石油污染降低了浮游植物的葉綠素a含量和細(xì)胞密度，極大抑制了其生長；研究表明當(dāng)全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)的濃度高于50 mg·L-1時(shí)，羊角月牙藻(Selenastrumcapricornutum)和小球藻的生長會被明顯抑制[78]。Bopp等[79]的研究發(fā)現(xiàn)，多環(huán)芳烴(PAHs)可以影響假微型海鏈藻(Thalassiosirapseudonana)的脂肪酸代謝和二氧化硅殼層的形成；(2)雙殼貝類：當(dāng)有機(jī)污染物被生物機(jī)體吸收后，在雙殼軟體動物體內(nèi)會產(chǎn)生一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生大量的ROS，從而產(chǎn)生氧化損傷[80]。蔡文貴等[81]通過研究鄰苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)對翡翠貽貝(Pernaviridis)生化指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)DEHP可以影響翡翠貽貝的內(nèi)臟和外套膜抗氧化防御系統(tǒng)酶，并且短期內(nèi)無法消除；(3)魚類：叢偉[82]研究了PAHs對海洋魚類胚胎發(fā)育的神經(jīng)毒性，發(fā)現(xiàn)苯并[a]芘能引起仔魚出現(xiàn)一系列異常癥狀并誘導(dǎo)CYPIA與AHR2的表達(dá)。采用三環(huán)的菲(PHE)暴露后，雄性褐菖鲉魚(Sebastiscusmarmoratus)性體比指數(shù)和精子比例隨著濃度升高呈現(xiàn)U形曲線變化，同時(shí)還會抑制雌性黑點(diǎn)青鳉(Oryziasmelastigma)卵巢發(fā)育，產(chǎn)卵頻率和產(chǎn)卵數(shù)量均減少，影響卵子質(zhì)量和F1代胚胎發(fā)育心率的異常，降低F1代仔魚的出膜率和出膜后的正常游動[83]。

3.2 海洋酸化對有機(jī)污染物降解的影響

海洋酸化會改變金屬形態(tài)及其生物有效性，進(jìn)而影響有機(jī)污染物的降解(圖2)。Fe是降解碳?xì)浠衔锏闹匾蛩?，它可能會影響有機(jī)污染物的催化和油類氧化分解所需的酶活性[84]。在惡劣條件下，幾種關(guān)鍵酶在以Fe作為限制條件下會導(dǎo)致芳烴甲苯降解的活性降低[85-86]。Shi等[87]預(yù)測，到2100年的pCO2水平可能會將生物學(xué)上可用的Fe3+降低10%～20%，這可能是由于pH降低引起的Fe與有機(jī)配體的結(jié)合。因此，海洋酸化而導(dǎo)致Fe的生物利用度下降會間接對有機(jī)污染物的降解產(chǎn)生潛在的影響。

氮是促進(jìn)PAHs和其他有機(jī)污染物降解的關(guān)鍵因素[87]。作為海洋中最重要的氮源之一，固定氮是限制光合生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)，對于藻類和海洋細(xì)菌來說，固定氮是海洋細(xì)菌和古細(xì)菌的能源或氧化劑[21]，海洋酸化降低了在海洋模型中藍(lán)藻主導(dǎo)的N2固定的效率[21,87]，從而影響了PAHs和其他有機(jī)污染物的降解。此外，隨著NH3底物從體系中消失，硝化速率可以在pH為6.0～6.5時(shí)下降至零[88]，也會對有機(jī)污染物的降解產(chǎn)生影響。據(jù)報(bào)道，大氣CO2升高導(dǎo)致海洋含氧量下降。O2既是微生物降解有機(jī)物中最重要的元素之一，也是有機(jī)物初始分解所必需的，與正常情況相比較，較低的含氧量降低了微生物活性，導(dǎo)致降解率降低甚至厭氧降解[89]。

3.3 海洋酸化對有機(jī)污染物毒性的影響

海洋中的有機(jī)污染物可以被膠體有機(jī)物質(zhì)吸收或結(jié)合并固定在有機(jī)金屬礦物復(fù)合物中，超過50%的有機(jī)質(zhì)被約束在海洋的有機(jī)金屬礦物復(fù)合物中[90]。海洋酸化引起的金屬離子溶解可能會破壞有機(jī)金屬配合物，從而增強(qiáng)有機(jī)污染物的釋放和毒性。同時(shí)由于酸化會抑制有機(jī)污染物的生物降解，導(dǎo)致有機(jī)污染物長期存在于海洋環(huán)境中[89,91]。在無脊椎動物中的研究表明，海洋酸化和苯并[a]芘均可誘導(dǎo)長牡蠣(Crassostreagigas)血細(xì)胞凋亡，因此可能導(dǎo)致總血細(xì)胞數(shù)減少和血細(xì)胞組成改變[92-93]。Su等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在海洋酸化條件下，苯并[a]芘的免疫毒性增加導(dǎo)致文蛤總血細(xì)胞減少、血細(xì)胞組成發(fā)生改變以及吞噬作用受阻，這表明海洋酸化與苯并[a]芘具有協(xié)同作用。在pCO2升高的壓力下，海洋生物可能改變能量分布，并為基礎(chǔ)代謝和體內(nèi)調(diào)節(jié)等關(guān)鍵生命過程分配更多能量[94]。因此在未來海洋酸化條件下，可用于污染物防御和處理能量的減少也可導(dǎo)致苯并[a]芘增加生物體的免疫毒性。此外，海洋酸化可能損害海洋生物的表皮組織，從而導(dǎo)致更多的有機(jī)污染物如苯并[a]芘富集到海洋生物體內(nèi)，增強(qiáng)對海洋生物的毒性效應(yīng)[27,95]。

4 海洋酸化與NPs的聯(lián)合毒性(Combined toxicity of ocean acidification and engineered nanoparticles)

4.1 NPs對海洋生物的毒性效應(yīng)

納米材料的大量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用勢必會導(dǎo)致大量NPs進(jìn)入到海洋環(huán)境中，進(jìn)而對海洋生物產(chǎn)生毒性效應(yīng)：(1)浮游植物：NPs對浮游植物的影響與其材質(zhì)，粒徑和浮游植物的種類有關(guān)。ZnO NPs (≥10 mg·L-1)會顯著抑制硅藻(角毛藻和海鏈藻)的生長，并在海鏈藻中發(fā)生明顯富集[96]。TiO2NPs可以進(jìn)入到正常新月菱形藻(Nitzschiaclosterium)的細(xì)胞內(nèi)，對藻細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷，導(dǎo)致微藻脂質(zhì)過氧化，影響藻細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。胞內(nèi)ROS是TiO2NPs對海洋微藻產(chǎn)生氧化損傷的主導(dǎo)因素[97]；(2)浮游動物：浮游動物營懸浮生活，這一生活習(xí)性決定其很容易受到懸浮NPs的影響。浮游動物在攝食時(shí)能夠同時(shí)過濾大量的海水，這就可能導(dǎo)致大量的NPs進(jìn)入到浮游動物體內(nèi)，對浮游動物的正常生長造成影響。Snell和Hicks[98]報(bào)道經(jīng)過2 d暴露后，聚苯乙烯NPs(≥83 nm)主要富集在臂尾輪蟲(Brachionusmanjavacas)的胃和腸部，而37 nm聚苯乙烯NPs可以穿過輪蟲的腸壁孔徑富集到生物的不同組織。這表明粒徑是影響輪蟲對NPs吸收的重要因素，并會因此產(chǎn)生不同的毒性效應(yīng)；(3)雙殼貝類：Shi等[99]研究了泥蚶暴露于TiO2NPs環(huán)境濃度的免疫毒性，結(jié)果表明在濃度為10和100 mg·L-1的TiO2NPs暴露30 d后，血細(xì)胞總數(shù)、吞噬活性和紅細(xì)胞比例都顯著降低。此外，當(dāng)暴露于高濃度的TiO2NPs時(shí)，泥蚶體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)濃度顯著增加，并且抑制乙酰膽堿酯酶(AChE)活性和下調(diào)神經(jīng)遞質(zhì)相關(guān)基因的表達(dá)，這表明TiO2NPs對泥蚶具有神經(jīng)毒性[100]。Canesi等[101]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TiO2NPs濃度為1～10 mg·L-1時(shí)可對貽貝引起毒性作用。厚殼貽貝(Mytiluscoruscus)暴露在TiO2NPs中會導(dǎo)致其粘液中吸附大量的TiO2NPs，這可能會影響貽貝的呼吸[34]。CuO NPs進(jìn)入水體中可以釋放一定量的Cu2+，納米材料和其釋放的Cu2+均能夠?qū)笨咨蓉惖难?xì)胞造成一定的損傷[102]；(4)魚類：Cong等[103]研究了ZnO NPs對黑點(diǎn)青鳉的胚胎毒性，結(jié)果表明，暴露20 d后，黑點(diǎn)青鳉胚胎的死亡率和心率增加，孵化率降低，孵化時(shí)間增長，畸形率增加。此外，ZnO NPs對黑點(diǎn)青鳉死亡率和心率的影響要大于釋放的Zn2+，這表明ZnO NPs的毒性主要來自尺寸效應(yīng)。Vignardi等[104]報(bào)道了鯧鲹(Trachinotuscarolinus)對TiO2NPs的富集以及NPs產(chǎn)生的基因毒性和細(xì)胞毒性，結(jié)果表明，NPs主要富集在生物體的肝臟、腎臟和鰓部，少量進(jìn)入到肌肉部位，并且NPs會對生物產(chǎn)生DNA損傷，降低紅細(xì)胞數(shù)量。

4.2 海洋酸化對NPs環(huán)境行為的影響

NPs進(jìn)入海洋環(huán)境后，會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程(團(tuán)聚、溶解以及生物轉(zhuǎn)化等)。NPs的懸浮性能以及離子釋放能力與海水環(huán)境介質(zhì)參數(shù)(pH、離子強(qiáng)度和天然有機(jī)物等)緊密相關(guān)。海洋酸化對NPs環(huán)境行為的影響主要有：

(1)NPs的懸浮性。當(dāng)納米膠體顆粒粒徑<100 nm時(shí)，由于布朗運(yùn)動而導(dǎo)致膠體顆粒物之間碰撞并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚。隨著團(tuán)聚體尺寸越來越大，其擴(kuò)散系數(shù)變得越來越小，團(tuán)聚速度逐漸變慢，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。此外，在海洋環(huán)境中，由于海水的高離子強(qiáng)度，NPs更易于發(fā)生團(tuán)聚，而pH等條件對NPs的懸浮性能有著很大的影響[35]。有研究表明在pH=7.77和pH=7.47的海水中TiO2NPs的水力直徑要小于在pH=8.20的海水中，分散性增強(qiáng)，這表明海洋酸化能夠抑制TiO2NPs的團(tuán)聚，增強(qiáng)其懸浮性能[14]。Mohd Omar等[105]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH小于等電點(diǎn)時(shí)，隨著pH的升高，NPs的團(tuán)聚程度逐漸增大。當(dāng)pH等于等電點(diǎn)的時(shí)候NPs團(tuán)聚程度最大。當(dāng)pH大于等電點(diǎn)時(shí)，NPs隨pH的增加而開始分散。所以當(dāng)海洋酸化導(dǎo)致pH降低時(shí)，NPs的懸浮穩(wěn)定性會發(fā)生變化。

(2)金屬NPs的離子釋放能力。海洋酸化可以導(dǎo)致pH下降，進(jìn)而改變金屬NPs的離子釋放能力。Zhao等[106]的研究發(fā)現(xiàn)pH值變化促進(jìn)了Cu NPs的離子釋放(公式1)，在對ZnO和CuO NPs的研究中發(fā)現(xiàn)，pH值可以改變ZnO和CuO NPs的物理化學(xué)性質(zhì)，在海洋酸化條件下，海水中CO2濃度升高，導(dǎo)致海水中H+增加、pH降低，進(jìn)而導(dǎo)致公式1向右移動，使得Zn2+和Cu2+的釋放量增加。但是有研究表明，當(dāng)pH大于7時(shí)，ZnO NPs在較高pH條件下的溶解度較低，這可能是由于高pH條件下在ZnO NPs表面形成了氫氧化物層，從而抑制了其在堿性環(huán)境下的溶解(公式2)[33,103,107]。已有研究表明，金屬NPs的離子釋放是導(dǎo)致其產(chǎn)生毒性的主要原因之一，因此研究海洋酸化對金屬NPs離子釋放能力的影響十分必要[108-109]。

(1)

(2)

4.3 海洋酸化對NPs毒性效應(yīng)的影響

NPs的毒性效應(yīng)一般可以分為2種，即直接毒性效應(yīng)和間接毒性效應(yīng)。前者是指NPs本身物理性質(zhì)(尺寸、形狀、電荷等)產(chǎn)生的毒性反應(yīng)，而后者是指由于NPs的其他特性，如金屬NPs能夠溶解產(chǎn)生離子對生物造成的毒性效應(yīng)。因此，一方面海洋酸化通過促進(jìn)NPs的分散，增強(qiáng)其懸浮性能，減弱其在海水中的團(tuán)聚，從而使其作用于生物體的NPs的水力直徑減小，增強(qiáng)其毒性效應(yīng)。Xia等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，海洋酸化增強(qiáng)了TiO2NPs對小球藻生長的抑制作用，同時(shí)增加了TiO2NPs對藻細(xì)胞的氧化損傷，這是因?yàn)楹Ｋ畃H降低使TiO2NPs在海水中的水力直徑減小，懸浮性能增強(qiáng)，從而導(dǎo)致藻細(xì)胞中富集的TiO2NPs含量升高，進(jìn)而增強(qiáng)了TiO2NPs對藻類的毒性效應(yīng)。Huang等[34]研究了海洋酸化條件下TiO2NPs對厚殼貽貝血細(xì)胞免疫參數(shù)的綜合效應(yīng)，結(jié)果表明海洋酸化與TiO2NPs聯(lián)合作用會使厚殼貽貝血細(xì)胞功能受損，血細(xì)胞死亡數(shù)和ROS升高，并且海洋酸化與高劑量的TiO2NPs(10 mg·L-1)對厚殼貽貝存在協(xié)同作用；Hu等[35]也發(fā)現(xiàn)海洋酸化條件下TiO2NPs對厚殼貽貝的生理功能的損害增大。但是海洋酸化條件下TiO2NPs對貝類毒性增強(qiáng)的原因未作探討。另一方面，海洋酸化促進(jìn)了金屬NPs的離子釋放，從而增強(qiáng)了NPs的毒性效應(yīng)。Yin等[33]研究發(fā)現(xiàn)，CO2升高使pH值降低，ZnO NPs在水中釋放Zn離子量是升高，增加了鯽魚(Carassiusauratus)肝臟、腦和肌肉中Zn的富集含量，從而增強(qiáng)了ZnO NPs對鯽魚的氧化損傷。Huang等[31]研究了海洋酸化與ZnO NPs對厚殼貽貝的聯(lián)合毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在低pH和ZnO NPs的單獨(dú)作用下，厚殼貽貝腮和血細(xì)胞超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、酸性磷酸酶(ACP)和堿性磷酸酶(ALP)活性均升高，但是海洋酸化與ZnO NPs沒有顯著的交互作用，即海洋酸化對ZnO NPs的毒性效應(yīng)沒有顯著影響。但是，Wu等[32]研究發(fā)現(xiàn)海洋酸化與ZnO NPs對厚殼貽貝血細(xì)胞吞噬作用、酯酶活性、溶酶體含量、血細(xì)胞死亡率以及ROS含量具有顯著的協(xié)同效應(yīng)。這表明海洋酸化與ZnO NPs對厚殼貽貝的聯(lián)合作用模式與測定的生化指標(biāo)具有一定相關(guān)性。此外，Kadar等[36]研究發(fā)現(xiàn)海洋酸化增加了地中海貽貝(Mytilusgalloprovincialis)D形幼蟲的畸形率，而Fe2O3NPs對貝類胚胎發(fā)育沒有顯著影響，但是二者聯(lián)合作用下Fe2O3NPs作為緩沖劑降低了海洋酸化對地中海貽貝的損害，這可能是由Fe2O3NPs的毒性較小所致。對于非金屬NPs與海洋酸化的聯(lián)合毒性效應(yīng)也進(jìn)行了研究。如De Marchi等[37]研究了海洋酸化條件下多壁碳納米管(MWCNTs)對菲律賓蛤仔的毒性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在低pH和正常pH條件下MWCNTs均可以誘導(dǎo)菲律賓蛤仔的氧化應(yīng)激，影響其能量代謝，并產(chǎn)生神經(jīng)毒性，但是低pH條件下MWCNTs的毒性與正常pH無顯著差異，表明海洋酸化對MWCNTs的毒性沒有顯著影響?；谝陨涎芯?，海洋酸化與NPs的聯(lián)合毒性作用及其機(jī)制尚不清楚，還需進(jìn)一步研究。

5 研究展望(Research prospect)

全球氣候變化條件下污染物的海洋環(huán)境效應(yīng)是一個(gè)新興的交叉性科學(xué)問題，特別是海洋酸化與污染物對海洋環(huán)境的聯(lián)合效應(yīng)更加值得關(guān)注。本文系統(tǒng)梳理了海洋酸化與典型污染物(重金屬、有機(jī)污染物)和新型污染物(NPs)的聯(lián)合毒性效應(yīng)，表明海洋酸化會影響重金屬、有機(jī)污染物和NPs的環(huán)境行為，從而改變其對海洋生物的毒性效應(yīng)。但是目前海洋酸化與污染物的聯(lián)合毒性效應(yīng)的研究還很少，其致毒機(jī)制尚不明確。所以，對下一步開展的研究工作展望如下：

(1)目前的研究主要集中于海洋酸化與重金屬的聯(lián)合毒性效應(yīng)，而與有機(jī)污染物、NPs及其他污染物的研究還很少，特別是海洋酸化條件下污染物在海洋食物鏈上的營養(yǎng)傳遞及生物毒性研究還沒有報(bào)道。海洋酸化與污染物的聯(lián)合毒性作用模式的影響因素及調(diào)控機(jī)制還不確定，機(jī)理性的研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)；

(2)目前的報(bào)道大多是研究IPCC預(yù)測的海洋酸化pH值與環(huán)境污染物的聯(lián)合毒性效應(yīng)，但是CO2濃度升高造成海洋酸化是一個(gè)漸進(jìn)的過程，所以應(yīng)設(shè)置更多的pH梯度來研究這種pH漸進(jìn)情況下海洋污染物的環(huán)境行為及其對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響，從而更加客觀地反映海洋酸化過程中污染物的海洋環(huán)境效應(yīng)；

(3)目前的研究主要集中于室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究對象也主要是單一的生物物種，不能全面反應(yīng)實(shí)際海洋環(huán)境中酸化與污染物的聯(lián)合作用對海洋生態(tài)系統(tǒng)的真實(shí)影響，所以下一步應(yīng)采用微宇宙(Microcosm)和中宇宙(Mesocosm)生態(tài)系統(tǒng)原位研究海洋酸化與污染物的聯(lián)合毒性，對海洋生物群落結(jié)構(gòu)的影響也應(yīng)加以關(guān)注；

(4)除海洋酸化外，海水升溫、海洋低氧、UV-B輻射等都是全球氣候變化下海洋環(huán)境的改變，它們會與環(huán)境污染物共同作用于海洋生態(tài)系統(tǒng)[110]。所以需要更加系統(tǒng)地研究全球氣候變化耦合海洋污染對海洋生物的毒性效應(yīng)，為準(zhǔn)確評估全球氣候變化下的海洋生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)。