微塑料對(duì)植物的毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

韋麗超

微塑料對(duì)植物的毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

韋麗超

（桂林理工大學(xué)， 廣西 桂林 541006）

塑料是人類生產(chǎn)生活中的必需品，但由于管制不當(dāng)，廢棄塑料在環(huán)境中大量存在，其風(fēng)化破碎形成的塑料微粒已經(jīng)成為水生生態(tài)系統(tǒng)中的重要污染物，并隨著水流遍布世界各地。微塑料本身及其負(fù)載的毒性會(huì)對(duì)水中的植物帶來嚴(yán)重威脅。綜述了微塑料對(duì)高等植物和微藻的生理功能的影響，探討了微塑料和環(huán)境中其他污染物結(jié)合產(chǎn)生的復(fù)合毒性效應(yīng)，總結(jié)了造成這些負(fù)面效應(yīng)的原因。

微塑料；毒理；水生生態(tài)系統(tǒng)；水生植物

塑料因其價(jià)格低廉，使用方便等特點(diǎn)，具有廣泛的商業(yè)，工業(yè)，醫(yī)用價(jià)值，在人類的生產(chǎn)生活中占據(jù)了重要位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)，塑料年產(chǎn)量已經(jīng)從20世紀(jì)50年代的150萬t增加到了2011年的約2.8億t，且還在逐年遞增。然而，塑料在給人們的生活帶來巨大便利的同時(shí)，也引發(fā)了嚴(yán)重的污染問題。由于管控不利，大量的塑料廢棄在自然環(huán)境中，引起更嚴(yán)重和更廣泛的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

微塑料，是指一類尺寸小于5 mm的塑料碎片或微粒，由于質(zhì)量輕小，它們會(huì)隨著海洋飄散到世界各地。大多數(shù)常見的微塑料的密度范圍在0.85～1.41 g·cm-3，當(dāng)它們進(jìn)入水體環(huán)境時(shí)，密度大的微塑料會(huì)沉降至底泥中，密度小的微塑料則隨水流飄散至直接各地[1]，因此，在各種水生環(huán)境如地表水、深水、底棲區(qū)、沉積物、海岸線和海灘中都曾檢測到微塑料的存在[2]，微塑料甚至擴(kuò)散到了最偏遠(yuǎn)的海洋環(huán)境中[3]。這些微小顆粒易被水中的生物捕食，富集在生物體中，并沿著食物鏈和食物網(wǎng)逐級(jí)傳遞，或是吸附在生物體的表面，從而損害生物體的生理功能。如今，人們的注意力已經(jīng)從微塑料的遷移和分布轉(zhuǎn)移到評(píng)估它們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響上來，尤其是對(duì)淡水水生植物的毒理作用已經(jīng)是當(dāng)今微塑料的研究熱點(diǎn)。本文概述了微塑料對(duì)水生高等植物和微藻的生長、光和效率和抗逆酶活性等生理指標(biāo)的影響，以期為進(jìn)一步的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。

1 微塑料對(duì)水生植物的影響

微塑料在各種水生環(huán)境中廣泛傳播，因此可與水生植物互動(dòng)，如浮萍[4]、海草[5]和紅樹林[6]。水生植物可以通過植物穩(wěn)定來吸收和積累微塑料到植物表面，并通過塑料特性、靜電相互作用、植物表面形態(tài)和生物膜等不同的潛在機(jī)制從周圍水環(huán)境中“誘捕”微塑料[7]。自從微塑料的污染問題日益嚴(yán)重以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)其水生生態(tài)毒性效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，旨在解決微塑料的毒性效果和機(jī)理問題。

1.1 微塑料對(duì)低等水生植物的毒理影響

微藻指的是只有在顯微鏡下才能分辨其形態(tài)的藻類，是一種自養(yǎng)型微生物，以無機(jī)物質(zhì)為能量，并且能通過光合作用釋放氧氣[8]，在大自然中廣泛存在。微藻屬于水體自然環(huán)境中分布最廣的低等水生植物，作為水生生態(tài)系統(tǒng)主要的初級(jí)生產(chǎn)者，微藻在產(chǎn)氧以及氮和磷生物地球化學(xué)循環(huán)中至關(guān)重要，然而，微藻也可能受到水體中微塑料的影響。許多研究證明，微塑料的顆粒和劑量會(huì)對(duì)微藻產(chǎn)生毒性作用。

Li[9]等將萊茵衣藻暴露于聚苯乙烯微塑料中，發(fā)現(xiàn)微藻的密度隨著聚苯乙烯微塑料濃度的增加而降低，其中100 mg·L-1質(zhì)量濃度的微塑料對(duì)微藻的抑制率最高能達(dá)到45.8%，聚苯乙烯微粒也降低了葉綠素a熒光產(chǎn)量和光合活性，并使萊茵衣藻的可溶性蛋白含量增加。Yao[10]等發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯抑制了細(xì)小裸藻的生長，并且對(duì)細(xì)小裸藻產(chǎn)生了氧化應(yīng)激，使得細(xì)小裸藻的超氧化物歧化酶以及過氧化物酶的含量增高。Ansari[11]等觀察了不同類型微塑料對(duì)斜紋微藻的影響，發(fā)現(xiàn)高密度聚乙烯對(duì)微藻生長抑制率最高，其次是聚氯乙烯和聚丙烯，且微塑料濃度越高，斜紋微藻的光和效率越低，然而隨著時(shí)間的推移，斜紋微藻會(huì)逐漸適應(yīng)微塑料毒性。Zheng[12]等發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯微塑料會(huì)影響銅綠微囊藻細(xì)胞膜流動(dòng)性和滲透性，造成膜損傷，使得細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)被釋放到水中，因此導(dǎo)致了微藻丙二醛含量的增高。但丙二醛的含量并沒有隨著聚乙烯和聚氯乙烯微塑料濃度的增加而增加。

微塑料對(duì)微藻的毒性影響可能不僅是物理性的，還與塑料相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)的相互作用有關(guān)。事實(shí)上，微塑料可能會(huì)析出化學(xué)物質(zhì)，如不完全聚合反應(yīng)產(chǎn)生的殘留單體或添加劑，這些物質(zhì)可能占最終塑料材料的很大比例[13-14]。大多數(shù)塑料添加劑沒有共價(jià)結(jié)合到塑料聚合物上，因此，它們可以遷移到材料表面，并緩慢釋放到環(huán)境中。Capolupo等[15]調(diào)查了塑料浸出物對(duì)微型藻類近頭狀尖胞藻和中肋骨條藻的影響，報(bào)告說，相當(dāng)多的浸出物(苯并噻唑、苯酞、苯乙酮、鈷、鋅、鉛)都抑制了藻類生長。然而，有人假設(shè)，通常以低濃度釋放的一些添加劑的浸出也可能由于“興奮”現(xiàn)象而刺激微藻的生長[16-17]。

1.2 微塑料對(duì)高等水生植物的毒理影響

水生植物在凈化水體方面有不可或缺的作用，它們會(huì)吸收和富集水中的各種污染物，如重金屬、抗生素等。隨著微塑料在湖泊，池塘，濕地中的存在越來越普遍，微塑料對(duì)水體中的高等植物的生理影響已經(jīng)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。

貍藻是濕地中常見的植物，Yu[18]將貍藻培養(yǎng)在含有微塑料的水體中，24 h后在顯微鏡下發(fā)現(xiàn)貍藻的捕蟲囊捕捉了大量微塑料，這些塑料顆粒會(huì)磨損捕蟲囊器官，造成氧化損傷，促使貍藻的抗氧化防御系統(tǒng)被激活。微塑料所帶的電荷也是影響因素之一，Sun[19]等觀察了擬南芥分別在帶有正負(fù)電荷的微塑料下生長后的生理變化，發(fā)現(xiàn)帶正電荷的微粒會(huì)促使擬南芥根部分泌草酸鹽，這些分泌物將正電荷微粒聚集成大尺寸顆粒并吸附在根系表面，造成表皮細(xì)胞損傷，而帶負(fù)電荷微粒不受分泌物的影響，這使得它們會(huì)被根系吸收，進(jìn)入細(xì)胞中。兩種微塑料都激發(fā)了植物的抗逆系統(tǒng)，RNA-seq轉(zhuǎn)錄組分析也證明了擬南芥會(huì)響應(yīng)環(huán)境條件并誘導(dǎo)防御反應(yīng)。Kalíková[4]從一種去角質(zhì)產(chǎn)品中提煉出兩種塑料微珠，這些微小尖銳的顆粒富集在浮萍的根系表面，降低了根細(xì)胞的生存能力，并破壞了植物細(xì)胞膜的完整性，Kalíková將浮萍根部用伊文斯藍(lán)染色后發(fā)現(xiàn)，其中一種微珠對(duì)根細(xì)胞的傷害堪比10mg/L的重鉻酸鉀。張晨[20]等觀察了聚苯乙烯微塑料對(duì)黑藻的生長和生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)黑藻在含有不同濃度微塑料的水體中生長后，株高、生物量和葉綠素含量都有所降低，且低濃度的微塑料對(duì)黑藻抗逆性酶的濃度有促進(jìn)作用，而高濃度的微塑料則顯著降低了黑藻抗逆性酶的活性，這是由于低濃度微塑料刺激黑藻產(chǎn)生活性氧，激活了各種抗氧化酶來緩解活性氧的傷害，但高濃度微塑料對(duì)黑藻氧化損傷強(qiáng)烈，對(duì)抗逆性酶也從激活作用轉(zhuǎn)變成抑制作用。Bosker[21]等的研究中發(fā)現(xiàn)，與無微塑料的對(duì)照組相比，暴露于微塑料濃度約為105顆粒·mL-1，粒徑為4.5μL的水體中8 h后，水芹的萌發(fā)率下降了61%，顯微鏡下觀察到微塑料會(huì)堵塞住水芹種子的孔隙，對(duì)種子的萌發(fā)帶來不利影響。

2 微塑料與其他污染物的復(fù)合污染效應(yīng)

微塑料的毒性還體現(xiàn)在其能夠吸附水中的其他污染物質(zhì)，形成復(fù)合污染物，或是一些微塑料本身添加有化學(xué)物質(zhì)，暴露在水體中時(shí)將化學(xué)物質(zhì)釋放出來，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成威脅和破壞。微塑料能夠作為阿奇霉素和克拉霉素的載體[22]，且疏水性越強(qiáng)的阿奇霉素吸附的比例比克拉霉素高，負(fù)載了抗生素的微塑料顯著抑制藍(lán)藻的生長和葉綠素含量。壬基酚[23]是水體中新興的污染物，單獨(dú)的微塑料和壬基酚都會(huì)抑制小球藻生長以及產(chǎn)生氧化應(yīng)激，但它們的聯(lián)合毒性具有拮抗作用，微塑料的存在可以減輕壬基酚對(duì)小球藻的毒性影響。Merve[24]等設(shè)計(jì)了微塑料-金屬復(fù)合污染物對(duì)小球藻的毒理實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)單一微塑料對(duì)小球藻生長和葉綠素a抑制率為20%和15%左右，而單一金屬-微塑料復(fù)合物對(duì)小球藻的生長和葉綠素a抑制率達(dá)到了48%和47%左右，三重金屬-微塑料復(fù)合物的抑制甚至高達(dá)70%和64%。這是由于微塑料顆粒被吸附并嵌入微藻細(xì)胞中，阻止了光的穿透以及微藻細(xì)胞的氧的轉(zhuǎn)移，影響微藻發(fā)育。環(huán)丙沙星是水中常見的抗生素污染物，黑麥草能夠吸收環(huán)丙沙星并凈化水質(zhì)，單寧[25]發(fā)現(xiàn)在黑麥草在吸收環(huán)丙沙星的同時(shí)，表面負(fù)載了環(huán)丙沙星的微塑料也會(huì)被黑麥草吸收，因此當(dāng)水體中有微塑料的存在下，黑麥草對(duì)環(huán)丙沙星的去除率有所提升，且微塑料還會(huì)促進(jìn)黑麥草根部吸收的環(huán)丙沙星向葉片轉(zhuǎn)移。另一方面，微塑料與環(huán)丙沙星各自都會(huì)抑制黑麥草的生長和光合能力，但二者的復(fù)合效應(yīng)對(duì)黑麥草的生長損害更加強(qiáng)烈。

3 微塑料毒性機(jī)理

氧化應(yīng)激是微塑料對(duì)水生植物造成毒性影響的主要機(jī)制。一般來說，植物體會(huì)自發(fā)地平衡體內(nèi)活性氧(ROS)含量，但氧化應(yīng)激會(huì)擾亂植物體應(yīng)對(duì)過量活性氧的能力，從而誘導(dǎo)植物體的抗氧化防御系統(tǒng)被激活，并對(duì)分子造成氧化損傷。過量的活性氧導(dǎo)致多不飽和脂肪酸的過氧化，破壞細(xì)胞膜的滲透性，并破壞其他分子的結(jié)構(gòu)，如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA。生物分子的損傷會(huì)引發(fā)一系列反應(yīng)，如細(xì)胞死亡、組織損傷和DNA損傷，并對(duì)植物的代謝系統(tǒng)產(chǎn)生影響。氧化應(yīng)激可以通過產(chǎn)生自由基(非酶類抗氧化劑)和抗氧化防御來調(diào)節(jié)，平衡過量的活性氧并修復(fù)受損的細(xì)胞。

迄今為止，研究人員對(duì)微塑料毒性機(jī)制的探討還十分有限，除了氧化應(yīng)激外，微塑料對(duì)水生植物的作用機(jī)理是十分復(fù)雜的，造成的負(fù)面效果也會(huì)根據(jù)微塑料的大小和暴露時(shí)間而不用。深入了解微塑料的環(huán)境行為方式，對(duì)解決微塑料對(duì)生態(tài)環(huán)境的毒害問題具有重大意義。

4 結(jié)束語

自從微塑料的問題被提出以來，已經(jīng)吸引了世界各處研究學(xué)者們的密切關(guān)注。過去，微塑料的研究主要集中在定性定量、污染特征和遷移過程上，而如今，微塑料已經(jīng)越來越多地進(jìn)入食物鏈和食物網(wǎng)，對(duì)生物體產(chǎn)生了毒性效應(yīng)。尺寸較小的微塑料甚至納米塑料會(huì)被植物體的根部、種子吸收，從植物體內(nèi)部阻礙營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，尺寸較大的微塑料會(huì)聚集覆蓋在植物的根部、葉片表面，降低了植物的光合作用，并破壞細(xì)胞膜的完整性，造成氧化應(yīng)激損傷。因此，微塑料對(duì)植物的影響多為負(fù)面作用，它們限制了植物的生長發(fā)育，并激活了植物對(duì)于逆境的響應(yīng)系統(tǒng)。為了緩解微塑料污染，保護(hù)生態(tài)健康，未來對(duì)于微塑料關(guān)注除了集中在對(duì)人類和動(dòng)植物的脅迫效應(yīng)外，還應(yīng)及時(shí)出臺(tái)合理的相關(guān)法規(guī)，加強(qiáng)塑料管制，從源頭上降低廢棄塑料進(jìn)入自然生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

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Research Progress in Toxic Effects of Microplastics on Plants

（Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541006, China)

Plastic is a necessity in human production and life. However, due to improper control, a large number of waste plastics exist in the environment. Plastic particles formed by weathering and crushing have become important pollutants in aquatic ecosystems, and they are spreading all over the world with the flow of water. The toxicity of microplastics itself and its load will pose a serious threat to plants in water. In this paper, the effect of microplastics on the physiological functions of higher plants and microalgae was reviewed, the combined toxic effect of microplastics and other pollutants in the environment was discussed, and the causes of these negative effects were summarized.

Microplastics; Toxicology; Aquatic ecosystem; Aquatic plant

2021-07-01

韋麗超（1996-），女，壯族，碩士，廣西南寧人，2018年畢業(yè)于重慶交通大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)，研究方向：環(huán)境水處理。

TQ050.4+25

A

1004-0935（2022）01-0082-04