海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料分布規(guī)律與變化特征

王亞新,貢 藝,2,3,4*,陳新軍,2,3,4,徐 超

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大洋漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201306;3.國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海 201306;4.大洋漁業(yè)資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201306)

引 言

塑料制品由于低成本、易制造和可塑性強(qiáng)等特性被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的多個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球每年塑料制品產(chǎn)量已達(dá)到3億噸[1],其中餐盒和塑料袋等一次性制品超過(guò)40%且大部分無(wú)法回收利用,進(jìn)而產(chǎn)生大量塑料廢棄物[2]。這些廢棄物中又有約10%通過(guò)河流輸送和污水排放等途徑匯入海洋,約占海洋垃圾的60%～80%[3]。海水中的塑料廢棄物經(jīng)太陽(yáng)輻射、物理磨損、化學(xué)作用和(微)生物降解等過(guò)程形成粒徑小于5 mm的塑料纖維、顆?；虮∧さ?即微塑料(microplastics)[4]。作為一種新型污染物,微塑料正受到越來(lái)越多的關(guān)注[5-6]。研究發(fā)現(xiàn),由于微塑料具有持久性和高遷移性,已在全球海洋生態(tài)環(huán)境中廣泛存在。與一般的塑料污染物相比,微塑料粒徑小,易與海洋動(dòng)物發(fā)生相互作用,并可通過(guò)多種途徑進(jìn)入海洋動(dòng)物體內(nèi)。目前已在全球233種海洋動(dòng)物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了微塑料[7],而作為優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白重要來(lái)源的海洋水產(chǎn)品種類(lèi)也已受到微塑料的影響。如攝入海洋動(dòng)物體內(nèi)的微塑料會(huì)在消化道中累積并阻塞消化道[7-8],產(chǎn)生假性飽腹感,導(dǎo)致其對(duì)食物的攝入能力下降,體內(nèi)能量?jī)?chǔ)備減少,最終影響其個(gè)體生長(zhǎng)[9]。本文在查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,分析海洋動(dòng)物微塑料研究的發(fā)展動(dòng)態(tài)和現(xiàn)狀,并從機(jī)體組織(器官)分布規(guī)律、空間分布特征和時(shí)間變異性3個(gè)方面歸納和總結(jié)海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料分布規(guī)律與變化特征,最后分析研究中的不足并進(jìn)行展望,以期為評(píng)估微塑料對(duì)海洋動(dòng)物的影響和相關(guān)研究方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供有益參考。

1 海洋動(dòng)物微塑料研究發(fā)展動(dòng)態(tài)

盡管在1990年已有發(fā)表的文獻(xiàn)使用“micro-plastics”一詞[10],但直至2004年,微塑料的概念才首次被Richard Thompson等學(xué)者用來(lái)描述尺寸較小的塑料,并指出應(yīng)重視微塑料對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響[11]。從此之后,微塑料及其對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)開(kāi)始受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[12]。2010年,Law等[13]首次證實(shí)大量塑料垃圾在北大西洋環(huán)流中聚集。隨后,各國(guó)學(xué)者在大西洋其他海域[14]、太平洋[15]和印度洋[16]等均發(fā)現(xiàn)微塑料分布,甚至極地[17-18]和深海[19]區(qū)域也有微塑料存在。作為一種新型海洋污染物和多種有毒化合物的傳播載體,微塑料對(duì)海洋動(dòng)物的潛在影響也逐漸受到各國(guó)學(xué)者的重視。目前,在多種海洋動(dòng)物體內(nèi)都發(fā)現(xiàn)了微塑料,包括魚(yú)類(lèi)、甲殼類(lèi)、貝類(lèi)和頭足類(lèi)。在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中使用檢索主題詞“Marine microplastics”,再分別以“Fish”“Crustacean”“Shellfish”和“Cephalopod”進(jìn)行檢索(檢索日期為2020年10月14日)。經(jīng)篩選去重后,共統(tǒng)計(jì)出1045篇文獻(xiàn),其中關(guān)于魚(yú)類(lèi)的研究最多,其次為甲殼類(lèi)、貝類(lèi)和頭足類(lèi)(圖1)。這些研究也主要從2010年開(kāi)始,并在近十年保持著上升趨勢(shì),說(shuō)明海洋動(dòng)物微塑料研究正逐漸成為微塑料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。因此,對(duì)現(xiàn)有研究中海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料分布與變化特征的歸納總結(jié)可為今后開(kāi)展相關(guān)研究提供參考。

2 海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料分布規(guī)律與變化特征

2.1 機(jī)體組織(器官)分布規(guī)律

微塑料粒徑小、分布廣,易被海洋動(dòng)物攝入體內(nèi)并隨之遷移,同時(shí)會(huì)隨著食物鏈傳遞到海洋食物網(wǎng)中,對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的海洋動(dòng)物均會(huì)造成影響[7-9]。多項(xiàng)研究表明攝入海洋動(dòng)物體內(nèi)的微塑料可以在不同組織(器官)間轉(zhuǎn)移,進(jìn)而分布于機(jī)體多個(gè)組織(器官)中。對(duì)于甲殼類(lèi)動(dòng)物,Cau等[20]等研究發(fā)現(xiàn),攝入挪威龍蝦(Nephropsnorvegicus)體內(nèi)的微塑料會(huì)由胃向腸道轉(zhuǎn)移,且腸道中高聚物組分(18種)多于胃(12種),但粒徑較小(腸道:0.23±0.16 mm;胃:1.00±0.16 mm)。另一項(xiàng)對(duì)普通濱蟹(Carcinusmaenas)的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),微塑料會(huì)通過(guò)腮進(jìn)入腸道,并留存在前腸內(nèi)[21]。此外,微塑料還會(huì)分布于甲殼類(lèi)動(dòng)物的肝胰腺、性腺、胃等組織(器官)中,在一些蟹類(lèi)的淋巴系統(tǒng)和腦中也發(fā)現(xiàn)有微塑料存在(表1和2)。

表1 野生海洋甲殼類(lèi)和貝類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)微塑料分布

表2 室內(nèi)暴露中海洋甲殼類(lèi)和貝類(lèi)對(duì)微塑料的吸收和積累

貝類(lèi)作為最常見(jiàn)的海水養(yǎng)殖物種,對(duì)其體內(nèi)微塑料的研究也較為廣泛。與甲殼類(lèi)相似,微塑料在貝類(lèi)組織(器官)間也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移,并且隨著暴露時(shí)間的增加,吸收和積累微塑料的組織/器官的數(shù)量也會(huì)增多。例如,Browne等[8]將紫貽貝(Mytilusedulis)暴露于不同粒徑的聚苯乙烯顆粒中,12 h內(nèi),在腸腔及消化管中發(fā)現(xiàn)粒徑為2 μm和4～16 μm的聚苯乙烯顆粒。暴露3 d后,發(fā)現(xiàn)粒徑為3 μm和9.6 μm的聚苯乙烯顆粒在循環(huán)液中積累,并由循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至血細(xì)胞和血淋巴細(xì)胞中。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)高密度聚乙烯顆粒可以通過(guò)紫貽貝的腸胃系統(tǒng)進(jìn)入其組織甚至細(xì)胞中[30]。這些機(jī)制使得貝類(lèi)攝入的微塑料會(huì)分布于多個(gè)組織或器官中(表1和2)。此外,有證據(jù)表明貝類(lèi)能將部分微塑料排出體外。Goncalves等[31]將地中海貽貝(Mytilusgalloprovincialis)暴露于不同粒徑(2、6和10 μm)和濃度(10個(gè)/ml和1000個(gè)/ml)的聚苯乙烯顆粒環(huán)境中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯顆?？捎膳判刮飶哪c道中排出,并且不會(huì)對(duì)腸道上皮造成損傷。但Brate等[32]將地中海貽貝暴露于粒徑為50～590 μm、濃度為0.01 g/L的聚苯乙烯顆粒中,21 d后,發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯顆粒不僅會(huì)改變地中海貽貝的腮及消化道結(jié)構(gòu),甚至可導(dǎo)致其外套膜壞死。此外,在紫貽貝的排泄物中也發(fā)現(xiàn)了微塑料,并且紫貽貝排泄物中的微塑料粒徑(15～500 mm)高于其機(jī)體組織內(nèi)的微塑料(20～90 mm)[33]。

根據(jù)查閱到的文獻(xiàn),目前國(guó)內(nèi)外對(duì)頭足類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)微塑料的研究較少,但有證據(jù)表明頭足類(lèi)同樣會(huì)攝入微塑料。例如厄瓜多爾沿海采集的莖柔魚(yú)(Dosidicusgigas)和澳大利亞?wèn)|南部海域的澳大利亞擬烏賊(Sepioteuthisaustralis)的胃中均發(fā)現(xiàn)了塑料碎片的存在[39-40]。最新一項(xiàng)研究表明,在葡萄牙拉瑪赫特(Ramalhete)海洋站及其附近的市場(chǎng)中出售的近海頭足類(lèi)物種烏賊(Sepiaofficinalis)的消化道和消化腺中發(fā)現(xiàn)了微塑料,主要為塑料微纖維和碎片[41]。

魚(yú)類(lèi)是微塑料研究最關(guān)注的海洋動(dòng)物種類(lèi)。各國(guó)學(xué)者相繼發(fā)現(xiàn),棲息在近海和遠(yuǎn)洋,以及不同水層的海洋魚(yú)類(lèi)均會(huì)攝入微塑料[42],并廣泛分布在其多個(gè)組織(器官)中。Lusher等[43]對(duì)英吉利海峽10種魚(yú)類(lèi)(5種中上層魚(yú)類(lèi)和5種底棲魚(yú)類(lèi))的調(diào)查發(fā)現(xiàn),36.5%的樣本腸道中發(fā)現(xiàn)微塑料。Garnier等[44]在波利尼西亞莫奧雷島(Moore island, Polynesia)采集的133尾珊瑚礁魚(yú)類(lèi)中28尾成年魚(yú)消化道檢出微塑料。Boerger等[45]通過(guò)研究北太平洋中央環(huán)流區(qū)域的魚(yú)類(lèi)發(fā)現(xiàn)約35%的魚(yú)類(lèi)腸道中存在微塑料。國(guó)內(nèi)研究方面,Huang等[46]對(duì)湛江沿海紅樹(shù)林濕地中30種魚(yú)類(lèi)的解剖觀察發(fā)現(xiàn),在鰓、胃和腸道中均存在微塑料,但在肌肉和肝臟中未檢測(cè)出微塑料。Zhang等[47]在東海舟山漁場(chǎng)111尾魚(yú)類(lèi)樣品的腮、胃和腸道中檢測(cè)出微塑料的存在。對(duì)魚(yú)類(lèi)物種的室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也表明微塑料可以進(jìn)入并富集在多個(gè)組織(器官)中,但是微塑料粒徑存在組織(器官)間差異。例如對(duì)斑馬魚(yú)(Daniorerio)肝臟組織切片的比較分析發(fā)現(xiàn),生活在粒徑為5 μm、濃度為2.9×105個(gè)/mL及粒徑為20 μm、濃度為4.50×103個(gè)/mL的聚苯乙烯熒光顆粒水體中7 d后,在腮和腸道中發(fā)現(xiàn)粒徑為5 μm和20 μm的聚苯乙烯,而在肝臟中只發(fā)現(xiàn)粒徑為5 μm的聚苯乙烯,且隨暴露時(shí)間增加肝臟中聚苯乙烯的含量顯著升高[48]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)微塑料可以通過(guò)魚(yú)類(lèi)的鰓和腸道膜進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng),進(jìn)而分布在機(jī)體多個(gè)組織(器官)中[49],研究人員將青鳉(Oryziaslatipes)暴露于粒徑為39.40 μm,濃度為10 mg/L的聚苯乙烯顆粒中,7 d后青鳉的鰓、肝臟、腎臟、腸道甚至血液中均發(fā)現(xiàn)有聚苯乙烯顆粒富集,在大腦和精巢中也檢測(cè)到較低含量的聚苯乙烯顆粒。

綜上所述,微塑料會(huì)分布于海洋動(dòng)物的多個(gè)組織(器官)中,并與水體中微塑料的豐度、粒徑和暴露時(shí)間有關(guān)。此外,個(gè)體同一組織(器官)中的微塑料還會(huì)包含多種類(lèi)型,如纖維、殘片和薄膜等。Garnier等[44]在珊瑚礁魚(yú)類(lèi)消化道中發(fā)現(xiàn)的微塑料可分為塑料纖維、碎片、顆粒和薄膜四類(lèi)。有學(xué)者對(duì)香港周邊海域5種底棲魚(yú)類(lèi)胃中微塑料分析發(fā)現(xiàn),這些微塑料由纖維(84%)和碎片(16%)組成[50]。而另一項(xiàng)針對(duì)葡萄牙沿海26種魚(yú)類(lèi)的研究顯示,樣品腸道中的微塑料65.8%為纖維,34.2%為顆粒[51]。但Nadal[52]等對(duì)地中海巴利阿里群島(Balearic islands)小型魚(yú)類(lèi)牛眼鯛(Boopsboops)的胃和腸道解剖后僅觀察到微塑料纖維。

2.2 空間分布特征與時(shí)間變異性

海洋微塑料的來(lái)源復(fù)雜多樣,既有陸源輸入,也有船舶運(yùn)輸、海水養(yǎng)殖和捕撈生產(chǎn)等。不同海域輸入來(lái)源的差異會(huì)直接影響該海域微塑料的豐度和性狀(粒徑大小和顏色等),這種空間差異也會(huì)反映到棲息在該海域的海洋動(dòng)物機(jī)體中。Li等[53]對(duì)我國(guó)沿海多個(gè)海域的紫貽貝體內(nèi)微塑料豐度比較發(fā)現(xiàn),人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度高的海域(大連、霞浦等),貽貝中微塑料的豐度顯著高于人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度較低海域(舟山等)。這種現(xiàn)象在魚(yú)類(lèi)中也有發(fā)現(xiàn),Bellas等[54]對(duì)西班牙多個(gè)城市沿岸海域棲息的紅鯔魚(yú)(Mullusbarbatus)體內(nèi)微塑料觀察發(fā)現(xiàn),不同城市海域魚(yú)體含有微塑料的比例與城市化水平呈正比。西班牙巴塞羅那(Barcelona)比例最高(33%),最低的是發(fā)展程度較低的休達(dá)德亞(Ciutadella),含有微塑料的比例為20%。Giani等[55]對(duì)意大利3個(gè)沿海城市周邊海域的歐洲無(wú)須鱈(Merlucciusmerluccius)調(diào)查發(fā)現(xiàn),靠近商業(yè)港口的魚(yú)類(lèi)體內(nèi)含有微塑料的比例更高。Zhu[56]等發(fā)現(xiàn)我國(guó)南海北部大陸坡底棲魚(yú)類(lèi)體內(nèi)微塑料豐度(4.82±4.74個(gè)/g)顯著高于周邊海域棲息的魚(yú)類(lèi)(1.53±1.08個(gè)/g),作者認(rèn)為該差異與大陸坡受人類(lèi)活動(dòng)影響所導(dǎo)致的微塑料污染程度加強(qiáng)有關(guān)。雖然海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料豐度存在空間異質(zhì)性,但多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)在不同海域攝入的微塑料類(lèi)型是相似的。例如前述Giani等[55]對(duì)歐洲無(wú)須鱈和紅鯔魚(yú)的研究中所觀察到的微塑料主要是塑料纖維。Lusher等[43]對(duì)英吉利海峽10種魚(yú)類(lèi)腸道微塑料的研究也發(fā)現(xiàn)了高比例的塑料纖維。Bellas等[54]發(fā)現(xiàn)塑料微纖維占大西洋和地中海沿海斑點(diǎn)貓鯊(Scyliorhinuscanicula)、歐洲無(wú)須鱈和紅鯔魚(yú)胃中微塑料的71%。我國(guó)學(xué)者對(duì)南沙群島南薰礁魚(yú)類(lèi)的研究也發(fā)現(xiàn)魚(yú)體內(nèi)大多數(shù)微塑料為微纖維[57]。魚(yú)類(lèi)對(duì)塑料微纖維攝入較多可能有兩方面原因:一是海洋中存在大量的塑料微纖維。二是塑料微纖維形似浮游動(dòng)物,易被海洋魚(yú)類(lèi)誤食[57]。

除了空間差異,許多研究發(fā)現(xiàn)海洋動(dòng)物體內(nèi)的微塑料豐度具有時(shí)間變異性。Baechler等[29]對(duì)美國(guó)俄勒岡州沿海不同季節(jié)采集的太平洋牡蠣(Crassostreagigas)對(duì)比發(fā)現(xiàn),春季太平洋牡蠣個(gè)體中微塑料豐度(0.45±0.05個(gè)/g)高于夏季(0.26±0.05個(gè)/g)。Devriese等[58]對(duì)棲息在英吉利海峽和英國(guó)北部沿海的褐蝦(Crangoncrangon)調(diào)查發(fā)現(xiàn),秋季采集的褐蝦體內(nèi)微塑料豐度(2013年10月:1.04±0.60個(gè)/g)顯著高于春季樣品(2013年3月:0.53±0.36個(gè)/g;2014年3月:0.34±0.31個(gè)/g)。不同季節(jié)降雨量的變化可能是引起甲殼類(lèi)和貝類(lèi)體內(nèi)微塑料豐度季節(jié)性變化的因素,因?yàn)榻涤炅繒?huì)影響微塑料的陸源輸入[29,58]。這種現(xiàn)象在游泳能力較強(qiáng)的海洋魚(yú)類(lèi)中也有發(fā)現(xiàn),但其體內(nèi)微塑料豐度變化主要與季節(jié)性洄游活動(dòng)有關(guān)[59-60]。海洋動(dòng)物個(gè)體大小會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化,其體內(nèi)的微塑料也可能發(fā)生變化,因?yàn)槠渌軘z入的微塑料粒徑和攝入量會(huì)隨個(gè)體生長(zhǎng)而增大[61-62]。但是,Vendel等[63]對(duì)巴西東北海岸帕拉伊巴(Paraiba)和馬曼瓜佩(Mamanguape)河口24種魚(yú)類(lèi)體內(nèi)微塑料的研究發(fā)現(xiàn),微塑料豐度與魚(yú)類(lèi)個(gè)體大小無(wú)關(guān)。另一項(xiàng)對(duì)太平洋牡蠣和太平洋莢蟶(Siliquapatula)的研究也未發(fā)現(xiàn)個(gè)體大小與微塑料豐度的相關(guān)性[29]。

3 問(wèn)題與展望

海洋動(dòng)物微塑料污染及其生態(tài)效應(yīng)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的熱點(diǎn)研究方向。野外調(diào)查和室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明,攝入海洋動(dòng)物體內(nèi)的微塑料會(huì)在其多個(gè)組織(器官)中保留和轉(zhuǎn)移,并且受人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度和季節(jié)等因素的影響而顯現(xiàn)出時(shí)空異質(zhì)性。這些研究為了解海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料的分布規(guī)律與變化特征提供了理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),同時(shí)也反映出海洋動(dòng)物微塑料研究中存在的一些問(wèn)題:

(1)對(duì)組織(器官)樣品的選擇。盡管各國(guó)學(xué)者對(duì)多種類(lèi)海洋動(dòng)物開(kāi)展了大量研究,但對(duì)微塑料分析結(jié)果的準(zhǔn)確解釋和廣泛應(yīng)用取決于相對(duì)統(tǒng)一的樣品選擇,這也將提高各項(xiàng)研究數(shù)據(jù)的可比性。因此,在開(kāi)展海洋動(dòng)物微塑料研究時(shí),選擇多個(gè)組織(器官)進(jìn)行分析可以更加全面了解海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料的豐度及其對(duì)機(jī)體的潛在影響,例如甲殼類(lèi)的研究可以選擇腮、胃、腸道、血淋巴等,魚(yú)類(lèi)可以選擇胃、腸道等。

(2)造成組織(器官)間微塑料分布差異的機(jī)理。海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料的豐度、類(lèi)型等特性存在差異,這可能與不同組織(器官)的生理結(jié)構(gòu)、微生物群落組成、消化液成分等多種因素有關(guān),通過(guò)對(duì)這些因素的研究有助于了解微塑料在海洋動(dòng)物體內(nèi)的遷移路徑及機(jī)制,進(jìn)而為剖析微塑料對(duì)海洋動(dòng)物機(jī)體的影響提供理論依據(jù)。

(3)微塑料對(duì)大洋性海洋動(dòng)物的生態(tài)效應(yīng)。目前微塑料的研究對(duì)大洋性海洋動(dòng)物關(guān)注較少,而在生活史過(guò)程中,具有高度洄游能力的大洋性海洋動(dòng)物可能會(huì)棲息在多個(gè)微塑料聚集海域,對(duì)其體內(nèi)微塑料積累、分布和遷移機(jī)制的研究,可為微塑料污染防治提供參考依據(jù)。

(4)建立海洋動(dòng)物微塑料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與體系。作為一種新型海洋污染物,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于海洋動(dòng)物的微塑料研究尚缺乏統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、分析和評(píng)估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。如提取海洋動(dòng)物體內(nèi)微塑料的方法包括:化學(xué)消解法、目視提取法和超聲波提取法等[64],而鑒定微塑料化學(xué)成分可以利用傅里葉變換-紅外光譜分析法和拉曼光譜法等[60]。因此需要通過(guò)對(duì)不同研究和檢測(cè)方法的比較分析,制定統(tǒng)一、有效的海洋動(dòng)物微塑料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與體系,以更加準(zhǔn)確地評(píng)估海洋動(dòng)物微塑料污染水平。