微塑料聯(lián)合鎘對(duì)菲律賓蛤仔抗氧化生理的影響

李國(guó)新 李斌 黃鶴 蔣清富

摘要：微塑料（100nm～5mm）作為一種新型環(huán)境污染物，具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，受到廣泛的關(guān)注，但尚缺乏微塑料與重金屬協(xié)同作用下水生生物的生理應(yīng)激響應(yīng)研究。本文研究了在5 ?m聚苯乙烯微塑料和Cd的單一及組合脅迫下，菲律賓蛤仔（Ruditapes philippinarum）消化腺和鰓部的生理響應(yīng)。結(jié)果表明：在微塑料濃度50和500 ?g/L條件下，菲律賓蛤仔消化腺和鰓部的MDA含量上升，表明微塑料能對(duì)生物體產(chǎn)生氧化脅迫，同時(shí)組合暴露實(shí)驗(yàn)表明二種污染物存在協(xié)同效應(yīng)。單一微塑料處理提高了鰓部SOD、CAT活力。消化腺CAT活性上升，而SOD活性受到抑制。相比單一Cd處理，微塑料協(xié)同作用下鰓和消化腺內(nèi)SOD、CAT等抗氧化酶活力均提高。

關(guān)鍵詞：微塑料;鎘;菲律賓蛤仔;抗氧化酶

中圖分類號(hào)：X171.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）12-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.050

Single and combined influence of microplastics and cadmium on antioxidant system of Ruditapes philippinarum

Li Guoxin， Li Bin， Huang He， Jiang Qingfu

（College of Environmental Sciences and Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen Fujian 361024，China）

Abstract：As a new environmental pollutant， microplastic has been received extensive attention for its potential ecological risks. However， the physiological responses for aquatic organisms under the effects of microplastic and heavy metal was still unclear. This study investigate the physiological and innate immune response for Ruditapes philippinarum under the single and combined effect of microplastic and cadmium. The MDA contents in gill and digestive gland were increased under the effect of microplastic with the concentrations of 50 and 500 μg/L， which indicated that microplastic could increase oxidative stress on organisms. The combined impacts showed that the microplastic and cadmium have synergistic effect on the degree of oxidative stress on R. philippinarum. Microplastic could increase the activities of SOD and CAT in the gills. In the digestive gland， the activities of CAT were increased， and the SOD activities were decreased. The SOD and CAT activities in the gill and digestive gland were up-regulated under the effects of microplastic compared to the tissues exposed to single cadmium ions.

Key words：Microplastic;Cadmium;Ruditapes philippinarum;Antioxidant system

微塑料（MPs）通常是指尺寸在5 mm以下的塑料碎片或顆粒。由于微塑料較難降解，會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間存在于環(huán)境中，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生潛在的危害，目前已引起廣泛的關(guān)注[1]。微塑料在海洋環(huán)境中分布廣泛，目前在海水和沉積物中均有微塑料檢出，如在北太平洋副熱帶環(huán)流區(qū)域海水中濃度可達(dá)3 276個(gè)·m-3 [2]，且其污染水平呈逐年增加的趨勢(shì)。微塑料顆粒廣泛存在于生物體內(nèi)，目前共有約220種不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的海洋生物體內(nèi)檢測(cè)到微塑料[3]。

微塑料被海洋生物攝入后，可能會(huì)產(chǎn)生消化道阻塞、誘發(fā)炎癥、攝食行為改變等一系列生態(tài)效應(yīng)，且MPs極有可能吸附環(huán)境中的其他污染物，形成復(fù)合污染[4]。重金屬是海洋環(huán)境中的典型污染物，具有易蓄積、難降解、易于沿食物鏈富集等特點(diǎn)，具有高危害性和難治理性。全球眾多近岸海域重金屬污染水平相對(duì)較高，如南黃海海域表層海水中鎘離子（Cd2+）的濃度可達(dá)0.186μg·L-1。海洋環(huán)境中的微塑料顆粒會(huì)吸附重金屬，隨后微塑料顆粒被海洋生物攝食可能會(huì)增加重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

底棲生物對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)、能量生產(chǎn)和傳遞均有重要作用。然而，廣泛使用的聚苯乙烯（PS）是否能作為重金屬的載體增加其對(duì)底棲動(dòng)物的毒性效應(yīng)尚不明確。菲律賓蛤仔（Ruditapes philippinarum）是我國(guó)沿海地區(qū)重要的灘涂貝類，分布廣泛，對(duì)污染物具有高蓄積性特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境預(yù)警研究中。本實(shí)驗(yàn)通過海水直接暴露方式，分析微塑料脅迫及微塑料+Cd脅迫下菲律賓蛤仔鰓和消化腺組織的丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）等生理生化指標(biāo)，探討PS微球與Cd2+對(duì)底棲生物生理生化過程的交互作用，以期為正確評(píng)價(jià)微塑料及重金屬對(duì)海洋生物的毒性效應(yīng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

成體蛤仔殼長(zhǎng)（3.4±0.13） cm，殼寬（2.0±0.12） cm，采購于福建省廈門市集美區(qū)水產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)開始前于實(shí)驗(yàn)室馴養(yǎng)1周。實(shí)驗(yàn)中所用到的海水采集于遠(yuǎn)離工業(yè)和生活區(qū)的近海海域，經(jīng)過濾后采用。

實(shí)驗(yàn)所用氯化鎘（CdCl2·2.5H2O）為分析純，購自天津市科密歐化學(xué)試劑公司;5 ?m PS微球分散液購自天津倍思樂色譜技術(shù)開發(fā)中心，濃度為2.5% w/v。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 脅迫實(shí)驗(yàn)

設(shè)置3個(gè)微塑料濃度（0，50，500 ?g/L），2個(gè)Cd2+濃度（0，25 ?g/L）。每組設(shè)置3個(gè)平行組，海水總體積為5 L。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組隨機(jī)投放20只菲律賓蛤仔。飼養(yǎng)期間溫度保持在20～25℃，鹽度25‰～30‰，pH 7.7～8.5。連續(xù)充氧，且24 h更換1次實(shí)驗(yàn)海水。每日正常投放綠藻粉，投放量占菲律賓蛤仔體重的0.6‰。

1.2.2 樣品的制備及測(cè)定

實(shí)驗(yàn)于第10天取樣，采樣后分立即分組織取出菲律賓蛤仔的鰓和消化腺，拭干，稱取組織樣1 g，加入預(yù)冷的貝類生理鹽水[5]（0.02 mol·L-1 HEPES緩沖液，0.4 mol·L-1 NaCl，0.1 mol·L-1 MgSO4，0.01 mol·L-1 KCl，0.01 mol·L-1 CaCl2，pH 7.4），勻漿（組織質(zhì)量（g）：貝類生理鹽水體積（mL）=1：9），在4℃下2 500 r·min-1離心10 min后立即取上清液，凍存于-80℃超低溫冰箱中，留待蛋白質(zhì)含量和生理活性指標(biāo)測(cè)定。SOD、CAT活性和蛋白質(zhì)含量均采用南京建成生物工程研究所試劑盒方法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均用3個(gè)平行組數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean ± SD）表示。采用SPSS 11.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）、Duncan檢驗(yàn)法統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)P<0.05時(shí)，即認(rèn)為差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 單一及組合脅迫下蛤仔鰓和消化腺M(fèi)DA含量變化

不同暴露處理下蛤仔鰓和消化腺組織的MDA含量如圖1所示。在單一MPs處理下，蛤仔鰓和消化腺組織MDA含量相比對(duì)照顯著上升，分別在MPs 50 ?g/L時(shí)達(dá)到峰值，為對(duì)照的22.75倍和24.50倍。在50和500 ?g/L MPs和25 ?g/L Cd組合暴露時(shí)，相比單一Cd處理，鰓組織內(nèi)部MDA含量分別上升了29.33%和18.84%，消化腺組織則上升了56.74和47.07倍。Cd及MPs的單一和組合處理均顯著增加鰓和消化腺體內(nèi)的MDA含量，且消化腺組織內(nèi)的MDA含量均低于同處理下的鰓組織。

現(xiàn)有研究表明，微塑料對(duì)斑馬魚[6]、海水青鳉魚[7]、貽貝[8]等均能產(chǎn)生氧化脅迫。MDA是脂質(zhì)過氧化作用的最終產(chǎn)物，常作為生物遭受逆境脅迫的重要指標(biāo)。本研究中，在MPs和Cd單一脅迫時(shí)，鰓和消化腺組織內(nèi)MDA含量相比對(duì)照顯著上升，表明此時(shí)生物體內(nèi)部脂質(zhì)過氧化程度加劇。Wang等[7]研究了PS微塑料對(duì)海水青鳉魚的氧化脅迫效應(yīng)，表明魚體內(nèi)的鰓、腸道、肝臟、睪丸各組織中，MDA含量相比對(duì)照顯著增加，與本研究結(jié)果相一致。MPs和Cd的組合脅迫實(shí)驗(yàn)表明，相比單一脅迫，鰓和消化腺組織內(nèi)MDA含量呈協(xié)同效應(yīng)，表明微塑料能提高污染物對(duì)生物體的氧化脅迫效應(yīng)。另外，消化腺組織內(nèi)MDA上升幅度較小，表明相比鰓，消化腺組織有著更強(qiáng)的抗氧化性能。

2.2 單一及組合脅迫下蛤仔鰓和消化腺抗氧化酶活性變化

單一及組合脅迫時(shí)，蛤仔鰓及消化腺的SOD活性變化如圖2a所示。在MPs單一脅迫下，鰓部SOD活性相比對(duì)照顯著上升，在50 ?g/L處理時(shí)達(dá)到最高。在組合脅迫時(shí)，相比Cd的單一處理，MPs的添加提高了鰓部的SOD活性，在50和500 ?g/L時(shí)，活性分別提高了44.32%和50.47%。對(duì)消化腺組織而言，在MPs單一處理下，SOD活性相比對(duì)照分別降低了18.04%和23.23%。相對(duì)單一Cd處理而言，微塑料的添加有助于誘導(dǎo)SOD活性的升高。在50 ?g/L MPs協(xié)同作用時(shí)，SOD活性提高了7.11%。

各脅迫下蛤仔鰓及消化腺的CAT活性變化如圖2b所示。MPs單一處理提高了蛤仔鰓和消化腺組織的CAT活性，在50 ?g/L時(shí)達(dá)到最高，分別為對(duì)照的5.71倍和3.73倍。單一Cd處理誘導(dǎo)了CAT活性的增強(qiáng)。在組合暴露時(shí)，相比單一25 ?g/L Cd處理，50 ?g/L的MPs誘導(dǎo)CAT活性增強(qiáng)，鰓部和消化腺內(nèi)CAT活性分別提高了1.46倍和1.13倍。而在更高濃度100 ?g/L微塑料組合脅迫時(shí)，CAT活性則相比受到抑制。

SOD-CAT系統(tǒng)通常被認(rèn)為是生物體逆境脅迫下抵抗活性氧毒性的第一道防線[9]。本實(shí)驗(yàn)中，單一Cd處理抑制了鰓部SOD活性，但對(duì)消化腺組織影響不大。單一MPs處理顯著提高了鰓部的SOD活性，但降低了消化腺組織的SOD活性，同時(shí)，單一微塑料處理顯著提高了鰓部及消化腺的CAT活性，且MPs提高了Cd脅迫下消化腺組織的CAT活性，鰓部CAT活性也呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。Qu等研究了微塑料介導(dǎo)下文拉法辛（venlafaxine）對(duì)泥鰍SOD活性的影響，結(jié)果表明：在50 mg/L MPs影響下，泥鰍肝臟SOD活性相比未添加MPs時(shí)上升了3倍[10]，與本研究結(jié)果較相似。相比單一Cd處理，MPs的添加顯著提高了Cd脅迫下菲律賓蛤仔鰓部的SOD活性。

3 結(jié)論

（1）單一PS微塑料暴露對(duì)菲律賓蛤仔產(chǎn)生較強(qiáng)的氧化脅迫效應(yīng)，50 ?g/L處理10 d后鰓和消化腺組織MDA含量分別為對(duì)照的22.75倍和24.51倍。微塑料單一及與Cd組合脅迫下，消化腺組織內(nèi)的MDA含量均低于同處理下的鰓組織，消化腺有著較為強(qiáng)大的抗氧化能力。

（2）單一微塑料脅迫可以誘導(dǎo)菲律賓蛤仔體內(nèi)SOD、CAT活性發(fā)生變化。微塑料脅迫下鰓和消化腺中CAT活性均上升，而SOD活性則存在組織差異。相比單一Cd處理，組合脅迫下鰓和消化腺組織的SOD和CAT活性增加，表明生物體可以通過調(diào)節(jié)自身的抗氧化酶活性以應(yīng)對(duì)微塑料及復(fù)合脅迫環(huán)境。

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收稿日期：2020-10-11

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016J01695）;大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（201811062216）

作者簡(jiǎn)介：李國(guó)新（1981-），男，博士，副研究員，研究方向?yàn)榄h(huán)境生態(tài)與修復(fù)。