微塑料與蝌蚪健康的關(guān)系研究進(jìn)展

刁迎珠， 伍亮， 李雅琦， 郭飛燕， 史爽， 王萍， 鮑傳和， 張志強(qiáng)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，合肥230036)

2019年，聯(lián)合國(guó)在法國(guó)巴黎發(fā)布了《生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)全球評(píng)估報(bào)告》，報(bào)告顯示目前全球約100萬(wàn)個(gè)物種瀕臨滅絕，兩棲動(dòng)物瀕臨滅絕的種類超過(guò)40%，是當(dāng)前脊椎動(dòng)物中滅絕風(fēng)險(xiǎn)最高的類群(Green.，2020)。在眾多導(dǎo)致兩棲動(dòng)物種群衰退和滅絕的因素中，微塑料(microplastics，MPs)污染是繼氣候變化、紫外線輻射和致病菌外，又一個(gè)潛在的致危因素，且正在隨塑料消耗量的增加，表現(xiàn)出越來(lái)越嚴(yán)重的趨勢(shì)(Araújo.，2020a)。蝌蚪是兩棲動(dòng)物變態(tài)發(fā)育的重要生活史階段之一?；谡仙飳W(xué)思想，結(jié)合免疫生態(tài)學(xué)和生活史生理學(xué)的研究進(jìn)展(張志強(qiáng)，王德華，2005；張志強(qiáng)，2015)，對(duì)MPs與蝌蚪健康的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，介紹了MPs的定義、賦存方式及其尺度效應(yīng)，總結(jié)了MPs在蝌蚪體內(nèi)的攝入、積累和清除情況及其危害，在水陸轉(zhuǎn)換的生態(tài)學(xué)背景下和特定年齡階段的生活史背景下，結(jié)合可供蝌蚪研究使用的免疫學(xué)參數(shù)，提出了未來(lái)值得關(guān)注的新的研究方向。

1 MPs的定義、賦存方式及其尺度效應(yīng)

1.1 MPs的定義

塑料制品全球產(chǎn)量從20世紀(jì)50年代以來(lái)迅速增長(zhǎng)，由于具有輕便、耐用、成本低、可塑性強(qiáng)等特性，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及日常生活等諸多領(lǐng)域(Lusher.，2017)。我國(guó)是世界塑料生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)(馬占峰，姜宛君，2021)，在為人類生活提供便利的同時(shí)，廢棄的塑料制品也被大量釋放到水域環(huán)境，受紫外線、微生物降解等作用，大塊塑料垃圾可被分解成微小的塑料碎片，當(dāng)其粒徑<5 mm時(shí)，通常被稱為MPs(Thompson.，2004；CONTAM，2016)，當(dāng)粒徑為1～100 nm時(shí)，被稱為納米級(jí)微塑料(nanoplastics，NPs；CONTAM，2016；Gigault.，2018)。從來(lái)源看，MPs被劃分為初生MPs和次生MPs，前者指工業(yè)生產(chǎn)時(shí)被制備成的微米級(jí)塑料顆粒，如牙膏和化妝品中添加的塑料微珠等，后者指海洋和陸地上的大型塑料垃圾經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)和生物過(guò)程造成裂解和碎片化而形成的塑料顆粒(Koelmans.，2015)。MPs的化學(xué)性質(zhì)都很穩(wěn)定，可在環(huán)境中長(zhǎng)期存在。除海水外，MPs也見(jiàn)于江河湖泊(Zhang.，2015)、內(nèi)陸環(huán)境(Duis & Coors，2016)和靜水水域(Hu.，2018)。

1.2 MPs的賦存方式及其在野生兩棲動(dòng)物棲息地和體內(nèi)的分布情況

由陸源輸入的MPs從形狀、顏色和化學(xué)成分分析，均與人類生產(chǎn)、生活密切相關(guān)。形狀多樣化，包含了球形、卵形和纖維狀等多種形狀；顏色豐富，有透明色、白色、灰白色等；依化學(xué)成分分析，包括聚氯乙烯、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚丙烯、高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalat，PET)等(EPA，1992)。在人跡罕至的北極地區(qū)(Bergmann.，2019)、南極地區(qū)(Kanhai.，2020)和青藏高原(Zhang.，2020)，以及食用鹽(Yang.，2015)、瓶裝飲用水(Kosuth.，2018)和人類胎盤中(Ragusa.，2021)都發(fā)現(xiàn)了MPs。

1.3 MPs的尺度效應(yīng)

兩棲動(dòng)物生活史經(jīng)歷水陸環(huán)境轉(zhuǎn)換，這與MPs從陸源向水源輸入的方向相反，且蝌蚪多棲息于靜水水域，棲息地內(nèi)可能會(huì)含有更高濃度的MPs成分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)塑料及其制品和含塑料微球的日用品的消耗量逐年攀升(丁劍楠等，2017；吳辰熙等，2018)，淡水水域的MPs最高豐度比國(guó)外高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)(Zhang.，2018)。因此，未來(lái)針對(duì)蝌蚪研究的MPs水體濃度設(shè)計(jì)，除包含文獻(xiàn)中報(bào)道的上限濃度外，也應(yīng)考慮隨著未來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展可能出現(xiàn)的極限濃度；同時(shí)，建議根據(jù)不同物種蝌蚪的食性和生物習(xí)性，以及水陸兩棲的生活史特征，仿照表層水、沉積物、陸地環(huán)境和蝌蚪體內(nèi)的MPs成分和濃度，科學(xué)界定其危害(Araújo & Malafaia，2020)。此外，對(duì)在MPs污染嚴(yán)重地區(qū)生存的蝌蚪，需要額外加以關(guān)注，建議以兩棲動(dòng)物蝌蚪或成體為紐帶，結(jié)合水-陸生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，從生物群落角度解析MPs沿食物鏈的傳遞規(guī)律(Araújo & Malafaia，2020)。

2 MPs對(duì)模式動(dòng)物和蝌蚪的生物毒性效應(yīng)

關(guān)于MPs對(duì)動(dòng)物健康的影響研究，集中于模式動(dòng)物，對(duì)野生蝌蚪的研究較少。塑料顆粒的生物毒性效應(yīng)不僅取決于顆粒大小、濃度、暴露時(shí)間、形狀和聚合物類型等因素，也與水生生物本身的特性，以及是否吸附有機(jī)物等因素有關(guān)(Guerrera.，2021)。

2.1 MPs對(duì)模式動(dòng)物的生物毒性效應(yīng)

對(duì)模式動(dòng)物斑馬魚(Lu.，2016；Chen.，2017；Lei.，2017；Brun.，2019)和小鼠(Deng.，2017)的研究表明，MPs和NPs會(huì)在形態(tài)學(xué)、組織學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)等不同層次危害其健康。MPs可全面危害魚類的健康，包括突破血腦屏障，影響腦內(nèi)的水分平衡，毒害神經(jīng)系統(tǒng)，降低乙酰膽堿酯酶的活力，干擾能量代謝過(guò)程，使糖原儲(chǔ)能降低、肝臟能量代謝異常，影響心率和心功能，破壞腸道菌群結(jié)構(gòu)，使攝食時(shí)間延長(zhǎng)，消化道易發(fā)生炎癥反應(yīng)、氧化損傷和壞死等。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，將處于不同發(fā)育階段的非洲爪蟾分別暴露于PS微球后，其反應(yīng)不同：在胚胎發(fā)育階段，無(wú)論是暴露于50 nm PS溶液或是將其注入胚胎體內(nèi)，胚胎的致死率都與劑量相關(guān)，致畸率隨劑量升高而增加，發(fā)育至46期時(shí)，蝌蚪的體長(zhǎng)縮短、生長(zhǎng)發(fā)育速率減緩，體表色素分布紊亂，頭、消化道和尾畸變，腹前側(cè)區(qū)水腫，與發(fā)育相關(guān)的多種轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)量也發(fā)生了改變，PS見(jiàn)于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)，也見(jiàn)于腸道細(xì)胞間隙(Tussellino.，2015)；而將36期蝌蚪暴露于粒徑為 3 μm、濃度分別為0.125 μg·mL、1.25 μg·mL和12.5 μg·mL的PS溶液中，發(fā)育至46期時(shí)，在消化道中檢出了PS微球，但鰓中未見(jiàn)，發(fā)育速率和游泳行為不受影響，說(shuō)明蝌蚪在早期發(fā)育階段可攝入PS微球，且高濃度的PS微球溶液并不影響其發(fā)育進(jìn)程和游泳能力(De Felice.，2018)。將45期或 46期熱帶爪蟾蝌蚪暴露于粒徑為1 μm和10 μm的PS微球中48 h，暴露后1 h蝌蚪消化道和鰓中有微球存在，暴露后6 h糞便中可檢出微球，蝌蚪體內(nèi)積累的微球量與濃度有關(guān)，但在48 h內(nèi)與暴露時(shí)間為非線性關(guān)系；將蝌蚪移至清水中1 d后，蝌蚪體內(nèi)的微球數(shù)量急劇下降，之后減緩；12 h和24 h時(shí)，未攝食組蝌蚪體內(nèi)吸收的PS顆粒顯著高于攝食組，移至清水后，未攝食組吸收的PS顆?？偭繜o(wú)明顯變化，而攝食組顯著下降，說(shuō)明在食物供應(yīng)不足的情況下，如果MPs的豐度持續(xù)增加，蝌蚪可能會(huì)攝入更多的MPs(Hu.，2016)。

2.2 MPs對(duì)野生蝌蚪的生物毒性效應(yīng)

將25～28期產(chǎn)婆蟾蝌蚪暴露于粒徑為10 μm、濃度為0～10ind·mL的PS微球溶液中14 d時(shí)，在蝌蚪體內(nèi)、糞便，以及周叢生物體發(fā)現(xiàn)PS微球，處于最高濃度時(shí)，蝌蚪的攝食率下降、死亡率增加、生長(zhǎng)減緩(Boyero.，2020)。將28～29期居維爾泡蟾蝌蚪暴露于粒徑為35.46 μm±18.17 μm、濃度為60 mg·L的PE塑料溶液7 d后，于蝌蚪體內(nèi)發(fā)現(xiàn)PE塑料，運(yùn)動(dòng)能力呈下降趨勢(shì)、社群聚集行為趨弱、反捕食防御能力缺失(Araújo & Malafaia，2020)；PE塑料也見(jiàn)于居維爾泡蟾的鰓、肝臟、胃腸道、尾部肌肉組織以及血液中，使其紅細(xì)胞微核率增加，紅細(xì)胞的形態(tài)、核質(zhì)比變小，皮膚中黑色素含量及單位面積的色素沉著率增加，體全長(zhǎng)與體長(zhǎng)、尾長(zhǎng)、眼部面積、口腔面積之間的比值下降(Araújo.，2020a)；此外，也會(huì)使肝臟發(fā)生組織病理學(xué)損傷，如血管擴(kuò)張、浸潤(rùn)、充血、水腫、肥厚、增生等(Araújo.，2020b)。

與模式動(dòng)物相比，關(guān)于MPs對(duì)野生蝌蚪健康影響的研究無(wú)論是在技術(shù)方法方面，還是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，都需要深入(Amaral.，2019)。關(guān)于MPs和NPs對(duì)蝌蚪組織病理學(xué)、血液化學(xué)和血液學(xué)參數(shù)的影響及生物富集作用，尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但可參考魚類的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行(Bernet.，1999；Guerrera.，2021)；隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)方法也可用于蝌蚪研究(Guerrera.，2021)。鑒于很多兩棲動(dòng)物面臨滅絕風(fēng)險(xiǎn)，建議采用無(wú)損傷采樣技術(shù)進(jìn)行蝌蚪研究(張志強(qiáng)，2015；高慧清等，2017)。

3 適用于MPs研究使用的免疫學(xué)參數(shù)的選擇

免疫學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，為在野外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)脊椎動(dòng)物的健康狀態(tài)提供了可能性(張志強(qiáng)，王德華，2005；張志強(qiáng)，2015)。對(duì)于個(gè)體較小、身體透明的蝌蚪，可通過(guò)體視熒光顯微鏡來(lái)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)蝌蚪體內(nèi)攝入和排出MPs的情況；對(duì)于個(gè)體較大的蝌蚪，一些較為成熟的免疫學(xué)技術(shù)方法，如對(duì)植物血凝素的反應(yīng)等，具有操作簡(jiǎn)便、價(jià)格適宜的特點(diǎn)，但要注意選擇合適的測(cè)量時(shí)間點(diǎn)間隔，一般每隔1 h或3 h，測(cè)定時(shí)長(zhǎng)可限定在6 h、9 h或12 h以內(nèi)(Brock.，2014；Rollins-Smith，2017；Zamora-Camacho，2019；張志強(qiáng)等，2020，2021)。

在必須處死蝌蚪的情況下，除加強(qiáng)常規(guī)的形態(tài)學(xué)和行為指標(biāo)測(cè)定外(刁迎珠等，2021a)，組織學(xué)、血液學(xué)等技術(shù)，也可應(yīng)用于MPs對(duì)蝌蚪健康的影響的機(jī)制性基礎(chǔ)研究(刁迎珠等，2021b)。MPs毒性效應(yīng)的生態(tài)學(xué)后果及其在蝌蚪體內(nèi)的攝入、積累、遷移、清除規(guī)律研究，不但需要環(huán)境生物學(xué)家的努力，更需要環(huán)境生物學(xué)家與生態(tài)學(xué)家、生理學(xué)家和免疫學(xué)家通力合作，借助新興學(xué)科和新技術(shù)的力量(張志強(qiáng)，王德華，2005；張志強(qiáng)，2015)，從多學(xué)科整合的角度來(lái)解決MPs與蝌蚪健康和未來(lái)存活能力之間的關(guān)系。來(lái)源于生活史理論的假設(shè)認(rèn)為，在總能量有限的情況下，動(dòng)物免疫系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間或免疫功能與其他多種生理活動(dòng)之間可能存在權(quán)衡關(guān)系(Sheldon & Verhulst，1996；張志強(qiáng)，王德華，2005)。蝌蚪變態(tài)發(fā)育的生活史特征，使其在關(guān)鍵生活史階段更易受MPs的影響，隨著免疫學(xué)技術(shù)手段的快速發(fā)展，為從免疫功能可塑性的角度介入生活史生理學(xué)權(quán)衡機(jī)制研究提供了新思路和新途徑；基于生理學(xué)權(quán)衡思想，運(yùn)用成熟、可靠的免疫學(xué)技術(shù)手段，針對(duì)兩棲動(dòng)物復(fù)雜的生活史過(guò)程和MPs污染日益加劇的現(xiàn)狀，圍繞MPs的尺度效應(yīng)和濃度效應(yīng)設(shè)置不同實(shí)驗(yàn)組合，將MPs的短期與長(zhǎng)期處理效應(yīng)相結(jié)合，將揭示其影響兩棲動(dòng)物種群動(dòng)態(tài)的免疫代價(jià)和生理機(jī)制。

MPs不但在蝌蚪棲息地和體內(nèi)有分布，危害蝌蚪健康，也沿食物鏈傳遞，繼而可能影響水域生態(tài)系統(tǒng)安全和人類健康。未來(lái)有必要在生態(tài)學(xué)背景下從多學(xué)科交叉的角度盡快開展MPs對(duì)蝌蚪影響的研究，揭示其毒性作用的生理和分子基礎(chǔ)，闡明沿食物鏈的傳遞規(guī)律，為揭示MPs與兩棲動(dòng)物種群動(dòng)態(tài)的關(guān)系提供理論依據(jù)。