淡水環(huán)境中微塑料污染及毒性效應(yīng)研究進展

錢亞茹，石磊磊，沈茜，賀亞楠，賈玉巧，伍海聞，王菲菲*

1.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室, 中國環(huán)境科學研究院

2.包頭醫(yī)學院公共衛(wèi)生學院

塑料制品因成本低廉，易于加工，具有耐用性和易塑性，而廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活等各領(lǐng)域。全球范圍內(nèi)塑料的年產(chǎn)量已超過3億t，且仍在不斷增長[1]。塑料制品可通過物理、化學、生物等外界環(huán)境因素分解為塑料顆粒，直徑小于5 mm的塑料顆粒被稱為微塑料（microplastics，MPs）[2]。目前認為微塑料的來源分為初級來源和次級來源[3-4]，初級微塑料是指工業(yè)制造直接排入環(huán)境中的微塑料，次級微塑料是大型塑料釋放到環(huán)境中因破碎、降解形成的塑料碎片。環(huán)境中微塑料主要來源于人類活動（廢水排放、工業(yè)原料及塑料垃圾的不當處理等）[5-6]。微塑料主要形狀分為泡沫狀、球形、纖維狀、碎片狀等，主要聚合物類型有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）等[7]。2015年我國海洋塑料垃圾產(chǎn)生量為132萬～353萬t/a，占全球海洋塑料垃圾產(chǎn)生量的27.7%，預測到2025年全球海洋塑料垃圾產(chǎn)生量將達2.5億t[8]。由于塑料垃圾產(chǎn)生量不斷增加，其破碎、降解形成微塑料，導致環(huán)境中微塑料賦存不斷累積，目前已在海洋、河流入?？?、湖泊等水域甚至南極、北極發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。微塑料在環(huán)境介質(zhì)中的遷移主要通過淡水，且在陸地環(huán)境與海洋之間雙向遷移[9]，淡水是海洋環(huán)境中微塑料來源的重要途徑。因此，研究淡水中微塑料的污染狀況具有重大意義。

由于微塑料具有粒徑小、分布廣、比表面積大、光解能力弱[10]等特點，當其進入水體環(huán)境時易吸附污染物（農(nóng)藥、重金屬及有機物等），對水體中生物造成毒性效應(yīng)，并通過食物鏈富集，對人體健康造成潛在風險。研究顯示，目前已在全球233種海洋生物的體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在[11]。在奧斯陸峽灣內(nèi)有人為活動影響的地區(qū)，選取魚類、雙殼類、棘皮類、甲殼類和多毛類等生物進行研究，發(fā)現(xiàn)所有生物體內(nèi)均檢出微塑料[12]。生物攝入體內(nèi)的微塑料可以在呼吸道、胃、腸道、肝臟、腎臟等部位大量富集，可導致腸道穿孔、攝食量減少、發(fā)育異常等不良反應(yīng)[13-14]。微塑料可以通過覆蓋在生物表面，從而遮擋光線及氧氣，阻礙營養(yǎng)物質(zhì)交換；附著在生物體上的微塑料因其上吸附的有毒有害物質(zhì)，可能危害生物正常生長發(fā)育，并對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[15]。微塑料可通過食物鏈傳遞進入人體，從而可能通過引起氧化應(yīng)激、代謝紊亂等毒性機制危害人體健康[16]。

筆者綜述淡水水體中微塑料污染現(xiàn)狀、毒性影響因素及其對水生生物產(chǎn)生的毒性效應(yīng)，旨在為淡水環(huán)境中微塑料污染防治及生態(tài)風險研究提供參考，同時也為進一步評估微塑料污染的健康風險提供依據(jù)。

1 淡水環(huán)境中微塑料污染狀況及影響因素

1.1 微塑料的污染狀況

國內(nèi)外淡水湖泊、河流中均檢測到微塑料的存在。加拿大安大略湖表層水的微塑料豐度為0.8個/L[17]；日本Awano 河表層水為102～146個/L，Ayaragi河表層水為86～148個/L，Asa河表層水為87～172個/L，Majime河表層水為 99～1 061個/L[18]；葡萄牙Antu?河表層水為 5.8～51.7 mg/m3(10月)[19]；北美的圣勞倫斯河沉積物中微塑料為（13 832±13 677）個/m2[20]。中國長江表層水的微塑料豐度為(3 407.7～13 617.5)×103個/km2[21]，黃河表層水為 930個/L(旱季)和497個/L(雨季)[22]；釜溪河沉積物中微塑料豐度為160～292個/kg[23]；青海湖表層水的微塑料豐度高達5 000～758 000個/km2[24]，洞庭湖為900～2 800個/m3[25]，洪湖為1 250～4 650個/m3[25]。微塑料在不同水體中的分布及特征存在顯著差異，從污染水平來看，我國淡水環(huán)境中表層水體及沉積物的微塑料賦存水平高于其他國家（表1）。

表1 淡水環(huán)境中微塑料的分布及特征Table 1 Distribution and characteristics of microplastics in freshwater environment

1.2 主要影響因素

工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活垃圾排放等人為活動是造成淡水水體中微塑料污染的重要原因。日本小型河流Asa河與Majime河的上、中、下游均檢測到微塑料，且受人口密集城區(qū)影響的下游具有比其他站點更高的微塑料豐度[18]。我國洞庭湖區(qū)水體受到微塑料的污染，呈現(xiàn)外河高于內(nèi)渠的特征，這與外河塑料垃圾的管理相對寬松有關(guān)[32]。已有研究表明，我國長江下游沿江和河口農(nóng)業(yè)區(qū)水體中微塑料污染可能與道路輸入有關(guān)[33]。突尼斯Bizertexie潟湖表層水的微塑料豐度為（453.0 ±335.2）個/m3，湖周圍 7條河流的表層沉積物中微塑料豐度為（2 340±227.15）～（6 920±395.97）個/kg，湖周圍工業(yè)和農(nóng)業(yè)活動是湖泊及入湖河流微塑料污染的原因[34-35]。加拿大安大略湖流域雨水徑流具有獨特的黑色橡膠顆粒成分，而污水處理廠尾水中微塑料以纖維狀為主，說明微塑料污染與城市化相關(guān)[17]。

水文特征影響微塑料的分布。湖泊、河流的水動力條件存在顯著差異，并影響著水體中微塑料的賦存水平。我國長江表層水體中微塑料豐度為247～2 686個/m3[27]，湘西河豐水期、枯水期表層水體分別為 65.6×105、4.5×105個/km2[30]，雙臺子河表層水體為（4.52±0.76）個/L，大遼河表層水體為（4.74±0.67）個/L[36]；而三峽水庫表層水體中微塑料豐度為1 597～12 611個/m3[31]，丹江口水庫表層水體為467～15 017個/m3[31]，青海湖表層水體為5 000～758 000個/km2[24]。除湘西河外，湖泊（水庫）表層水體的微塑料豐度遠高于河流。

季節(jié)也是影響微塑料賦存的主要因素之一。研究表明，雨季微塑料豐度會明顯高于其他季節(jié)。Rodrigues等[19]研究葡萄牙的Antu? 河微塑料賦存特征，發(fā)現(xiàn)表層水體中微塑料豐度在豐水期的10月最高，在枯水期的3月最低。Zhang等[30]以我國湘西河為研究對象，發(fā)現(xiàn)表層水體中微塑料平均豐度最高和最低的季節(jié)分別為7月和1月。Moore等[37]對美國LA河微塑料進行檢測，發(fā)現(xiàn)雨季河流中的微塑料賦存增加。Lima等[38]對戈瓦那河口表層水體進行采樣，在雨季觀察到了最高濃度的微塑料賦存。較高的微塑料豐度可能與強降水期間地表徑流的增加有關(guān)，徑流將流域內(nèi)的塑料垃圾及微塑料帶入河流，導致河流水體中微塑料污染加重。

此外，微塑料的類型影響其在不同環(huán)境介質(zhì)中的賦存。同一水體的表層水與沉積物中微塑料的分布與其類型密切相關(guān)，密度較小的微塑料〔如PE（0.92～0.97 g/cm3）、PP（0.90～0.91 g/cm3）、PS（1.04～1.10 g/cm3）〕大多存在于表層水中，密度大的微塑料〔如 PVC（1.16～1.5 g/cm3）、PET（1.37～1.45 g/cm3）〕易沉降到沉積物中。黃河表層水中微塑料的主要類型有PE、PP、PS，而高密度的PET檢出較少[39]。Jiang等[40]對洞庭湖微塑料污染進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)地表水和沉積物樣品中最常見微塑料分別為PS和PET。

2 微塑料的生物毒性效應(yīng)

水體中的微塑料可對生物體造成危害，并沿著食物鏈不斷累積，在高營養(yǎng)級的生物體內(nèi)可能出現(xiàn)生物放大現(xiàn)象，使危害加重。圖1是淡水環(huán)境中微塑料的生物攝入及食物鏈傳遞途徑。

圖1 淡水環(huán)境中微塑料的生物攝入及食物鏈傳遞Fig.1 Biological ingestion and food chain transmission of microplastics in freshwater environment

2.1 微塑料對浮游植物的毒性效應(yīng)

浮游植物位于食物鏈的最底層，是水環(huán)境中重要的初級生產(chǎn)者，因其個體小，生命周期短，繁殖力強，對環(huán)境的變化感知十分明顯，可作為監(jiān)測水環(huán)境質(zhì)量的指標[41]。微塑料的聚合物類型、濃度、粒徑等因素均會影響浮游植物的生長發(fā)育及生理特征，毒性效應(yīng)主要體現(xiàn)在光合作用減弱、呼吸作用效率降低從而影響其生長發(fā)育（表2）。不同聚合物類型對藻類的影響具有明顯差異，如PE和PVC微塑料通過黏附在藻類細胞表面影響其光合作用，從而抑制斜生柵藻（Scenedesmus obliquus）的生長，PE對斜生柵藻的生長抑制毒性略大于PVC[42]。Wang等[43]證實了老化PVC比原始PVC對萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）的生長抑制作用更大。微塑料的濃度增加，毒性效應(yīng)也會隨之增加。Wu等[44]的研究發(fā)現(xiàn)，PVC和PP對蛋白核小球藻和水華微囊藻的光合作用均有負面影響，較高濃度的PVC和PP抑制作用更加明顯，且PVC抑制作用高于PP。Schiavo等[45]研究微塑料對特氏杜氏藻（Dunaliella tertiolecta）的生長抑制作用及DNA損傷，發(fā)現(xiàn)低濃度的PS、PP、PE均抑制藻類生長，抑制作用為PP＞PS＞PE，并且高濃度的PP具有遺傳毒性效應(yīng)。另外，微塑料粒徑較小時，可穿過植物細胞壁，影響植物體營養(yǎng)及水分的吸收，導致氣體交換受阻并增強光衰減，從而影響生長發(fā)育，如PVC800（1 μm）對藻類生長的抑制率大于 PVC（74 μm）[46]。

表2 微塑料對浮游植物的毒性效應(yīng)Table 2 Toxic effects of microplastics on phytoplankton

2.2 微塑料對浮游動物的毒性效應(yīng)

浮游動物是指懸浮于水中的水生動物，體型一般較小，種類組成復雜，在養(yǎng)殖業(yè)和水生態(tài)系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)中占有重要地位，且浮游動物對水體污染物較為敏感，常被用于毒理學研究，因此微塑料對浮游動物的毒性效應(yīng)可作為評價微塑料水生態(tài)風險的重要依據(jù)[48]。

微塑料主要影響浮游動物的生長發(fā)育、繁殖能力、攝食能力等（表3）。PS、PVC的存在對大型溞的生長發(fā)育帶來負面影響，造成產(chǎn)卵數(shù)、母溞體長等指標降低，且隨著微塑料暴露濃度及暴露時間的增加，對大型溞的心率、攝食率、活動抑制率的影響越顯著[49-51]。有研究發(fā)現(xiàn)，粒徑越小的微塑料在生物體內(nèi)的累積量越大，停留時間越長，則生物的攝食率就越低，并且會損傷生物的抗氧化防御系統(tǒng)[52]。在濃度為5～80 mg/L時，隨著暴露濃度及暴露時間的增加，2 μm的PE對大型溞毒性效應(yīng)具有劑量反應(yīng)關(guān)系，活動抑制率增加；20、50 μm的PE對大型溞抑制率先增加后降低[53]。淡水湖泊中的輪蟲、枝角類和橈足類浮游動物能夠攝取0.1、1.0和9.9 μm的PS，但無法攝入大于100 μm的PS，大型溞對粒徑為0.1和1.0 μm的PS的攝食率高于粒徑為9. 9 μm的PS[54]。雖然浮游動物攝入微塑料后，一部分微塑料會通過代謝排出體外，但粒徑較小的微塑料可富集在生物的組織器官中。有研究證實，微塑料攝入后大量富集在消化道，影響生物的攝食能力及消化能力，對生物的生長發(fā)育產(chǎn)生危害[55]。浮游動物與漁業(yè)發(fā)展密切相關(guān)，研究浮游動物體內(nèi)微塑料富集水平對保護人體健康具有重要意義。

表3 微塑料對浮游動物的毒性效應(yīng)Table 3 Toxic effects of microplastics on zooplankton

2.3 微塑料對底棲生物的毒性效應(yīng)

底棲生物是指生活史的全部或大部分時間生活于水體底部的水生動物群。底棲生物是淡水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，是魚類等水生生物的天然食料，也可作為環(huán)境檢測的指標，對于了解生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能有著重要意義[56]。

微塑料在底棲生物體內(nèi)不同組織、器官中富集，對底棲動物攝食能力、消化能力、生長發(fā)育產(chǎn)生影響（表4）。微塑料在貽貝的多個器官均會富集，富集濃度在不同器官之間表現(xiàn)出顯著差異，其中在腸道的富集濃度最高[57]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)微塑料富集在貽貝軟組織中，破壞貽貝體內(nèi)平衡[58-59]，導致應(yīng)激和免疫相關(guān)蛋白的產(chǎn)生，使分配給生長的能量減少，從而影響其生長發(fā)育。Balbi等[60]的研究發(fā)現(xiàn)，PS影響紫貽貝幼蟲的正常發(fā)育，在PS濃度較高時會導致其胚胎發(fā)育停止，并影響殼的發(fā)育。微塑料可以在食物鏈中傳遞，大型無脊椎動物可通過攝食貽貝等生物而間接攝入微塑料，對自身產(chǎn)生不利影響，并且影響淡水底棲生物群落的組成[61]。目前有關(guān)微塑料對底棲生物的危害研究主要集中在貝類及無脊椎生物方面。近年來貝類養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，貝類產(chǎn)品為漁業(yè)發(fā)展帶來的經(jīng)濟效益越來越高，人們對貝類食品的消費量逐年增加，因此微塑料對貝類生物的危害直接關(guān)系到消費者的健康。

表4 微塑料對底棲生物的毒性效應(yīng)Table 4 Toxic effects of microplastics on benthos

2.4 微塑料對淡水魚類的毒性效應(yīng)

魚類是水生態(tài)系統(tǒng)中的頂級群落，魚類類型多種多樣，對水環(huán)境中其他種群的存在具有重要作用。隨著捕撈業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，魚類作為水產(chǎn)品與人類生活息息相關(guān)，了解微塑料對淡水魚類的毒性效應(yīng)對保護人體健康具有重要意義[62]。

斑馬魚是研究水環(huán)境污染的理想生物模型之一，無論是胚胎階段還是成魚階段，微塑料的粒徑、濃度或微塑料與其他污染物形成的復合體系均會對其產(chǎn)生毒害作用[63-64]，特別是對內(nèi)分泌系統(tǒng)和繁殖系統(tǒng)產(chǎn)生影響（表5）。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料可以進入胚胎中，并可以在幼魚的腸道、肝臟等部位大量累積，且微塑料粒徑越小，對生物體的毒害作用越大；微塑料與污染物聯(lián)合后會干擾斑馬魚成魚的內(nèi)分泌系統(tǒng)，影響其生長發(fā)育、性激素、肝臟指數(shù)等[65-66]。趙佳等[67]也證實了微塑料的粒徑與濃度是影響微塑料對生物體毒性的重要因素之一，提出暴露于低濃度微塑料下的斑馬魚胚胎正常發(fā)育，而暴露于高濃度、小粒徑的微塑料導致胚胎孵化率明顯降低；小粒徑微塑料的生物可利用性及對斑馬魚幼魚的毒性作用更高，且小粒徑、高濃度的微塑料更易在腸道等部位累積，不易排出。

表5 微塑料對淡水魚類的毒性效應(yīng)Table 5 Toxic effects of microplastics on freshwater fish

誤食、通過食物鏈傳遞是野生魚類攝入微塑料的主要途徑[70]。在鄱陽湖8種優(yōu)勢淡水魚的消化道及鰓部均檢測到有微塑料富集，且該富集特征與水體環(huán)境中微塑料的豐度特征相似[71]。此外，微塑料大量富集在魚類的肝臟部位，導致黃河鯉幼魚及紅鯽魚免疫功能、基因表達的改變，影響正常生長發(fā)育[70-71]。

2.5 微塑料與其他污染物的復合毒性

微塑料在水體中可作為吸附污染物的載體，與污染物形成復合污染物從而影響淡水生物的生長發(fā)育。有研究表明，微塑料與污染物共同存在會增強毒性，如朱志林[46]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料與典型抗菌劑（TCS）的復合毒性限制了中肋骨條藻細胞內(nèi)外的物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)移，抑制其生長發(fā)育和光合作用，且該復合毒性大于微塑料單一毒性；李佳娜[72]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料（PVC與PS）和雌二醇聯(lián)合暴露紫貽貝，使紫貽貝血細胞活性低于微塑料和雌二醇的單一暴露；左優(yōu)[73]將四溴雙酚A與PS聯(lián)合暴露，發(fā)現(xiàn)PS增加了四溴雙酚A在斑馬魚體內(nèi)的富集并延長停留時間，造成斑馬魚肝臟組織氧化損傷，而四溴雙酚A和PS單獨暴露均未產(chǎn)生氧化損傷；微塑料還會在一定程度上增強魚體內(nèi)重金屬Cu、Cd與Pb的累積效應(yīng)，并可能產(chǎn)生復合污染效應(yīng)[69]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，微塑料的存在會降低污染物的毒性作用，如姜航等[47]的研究發(fā)現(xiàn)，0.1 μm的PVC與羅紅霉素共同存在時，會抑制斜生柵藻的生長發(fā)育，降低葉綠素a的濃度及光合作用效率，但聯(lián)合毒性作用弱于PVC單一毒性作用；段鑫越等[74]研究發(fā)現(xiàn)，PS與金屬Cd聯(lián)合暴露，由于PS被斑馬魚胚胎絨毛膜阻擋，可降低金屬Cd在斑馬魚胚胎內(nèi)的累積，抑制Cd的生長發(fā)育毒性。目前對于微塑料與其他物質(zhì)的復合毒性研究較為缺乏，具體的毒性機制尚未明確，因此需要做更多的深入研究來了解微塑料載攜作用對水生生物的毒性效應(yīng)。

3 結(jié)論與展望

我國淡水環(huán)境中微塑料污染嚴重，其賦存受人為活動、水文特征、季節(jié)及微塑料類型等多種因素影響。微塑料進入水體環(huán)境后，會影響水生植物光合作用和呼吸作用，并能通過食物鏈在不同營養(yǎng)級的生物之間傳遞，被生物吸收。微塑料被藻類、無脊椎動物及魚類等攝入后，會危害其生長、繁殖能力、攝食能力，微塑料還會在攝食生物中不斷傳遞、富集，從而對人體健康造成潛在危害。此外，微塑料極易攜帶各種污染物進入水體環(huán)境，微塑料與其他污染物的復合毒性會對生態(tài)系統(tǒng)造成潛在威脅。

微塑料廣泛存在于淡水環(huán)境中，進入水體的微塑料會對不同營養(yǎng)級生物造成毒性效應(yīng)。微塑料水質(zhì)基準的制定為預防和控制微塑料對水生生物和生態(tài)系統(tǒng)的危害提供依據(jù)。依據(jù)HJ 831—2017《淡水水生生物水質(zhì)基準制定技術(shù)指南》，微塑料水質(zhì)基準的推導至少需要覆蓋3個營養(yǎng)級，包含5個淡水水生生物物種（水生植物、浮游動物、底棲生物、硬骨鯉魚科、硬骨非鯉魚科），目前有關(guān)微塑料對生物急性毒性研究中，生物種類達不到水質(zhì)基準推導所需要的物種種類需求。微塑料水質(zhì)基準的推導急性毒性數(shù)據(jù)效應(yīng)指標主要包括半最大效應(yīng)濃度（EC50）、半數(shù)致死濃度（LC50），慢性毒性效應(yīng)指標主要包括無觀察效應(yīng)濃度（NOEC）、最低觀察效應(yīng)濃度（LOEC）、最大允許毒物濃度（MATC）、10% 效應(yīng)濃度（EC10）、20% 效應(yīng)濃度（EC20），而目前微塑料淡水水生生物毒性效應(yīng)指標集中在急性EC，對其他毒性效應(yīng)指標的研究不足。

建議盡快開展我國淡水水體微塑料賦存特征的系統(tǒng)調(diào)查及本土水生生物的急性、亞急性、慢性毒理試驗研究，為保護水生生物、人體健康及生態(tài)環(huán)境安全提供依據(jù)，為建立淡水環(huán)境微塑料環(huán)境基準提供科學數(shù)據(jù)支持。