海洋微塑料來源、分布及生態(tài)效應(yīng)研究進展

王江濤, 趙 婷, 譚麗菊, 黃文秋, 朱曉琳, 趙衛(wèi)紅

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

塑料因其輕質(zhì)、耐用、惰性、耐腐蝕等優(yōu)異的性能成為社會必不可少的材料之一, 在商業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)得到普遍應(yīng)用[1]。據(jù)報道, 全球塑料產(chǎn)出和消耗每年超過3億噸[2-3]。雖然塑料的社會效益是深遠的, 但由于塑料制品的無節(jié)制使用和管理政策及措施的不到位致使塑料廢棄物經(jīng)由各種方式進入海洋[4], 占所有海洋垃圾的 80%～85%[5], 并在海洋環(huán)境中不斷積累。海洋中的塑料廢棄物并不會憑空消失, 而是在一系列物理、化學(xué)作用如陽光輻射、生物侵蝕、低溫風(fēng)化、潮汐和海浪沖刷等條件下, 碎化成細小的塑料碎片, 當(dāng)碎片尺寸小于5 mm時, 我們稱之為微塑料[6-8]。微塑料廣泛分布于世界范圍內(nèi)的大洋和近海海域, 作為新興的污染物, 其對海洋生態(tài)環(huán)境的威脅越來越受到人們的關(guān)注。

1 微塑料來源及分布

環(huán)境中的微塑料依照來源的差異可以分為兩類——初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料, 例如為提高洗漱用品清潔能力而加入的塑料微珠, 它們在工業(yè)生產(chǎn)過程中便被制備成直徑為微米級的塑料顆粒[9], 城市生活污水和工業(yè)污水是初生微塑料的主要來源。次生微塑料是指在物理破碎或光氧化作用下, 由大塑料碎化成的塑料微粒[10]。海洋中塑料垃圾來源復(fù)雜, 既有陸源塑料垃圾的輸入, 也有來自海洋中塑料垃圾的海源輸入, 如水產(chǎn)養(yǎng)殖、濱海旅游及船舶航運丟棄的塑料廢棄物[11-12]。這些進入海洋中的塑料垃圾經(jīng)過一系列的物化作用最終形成次生微塑料。

微塑料廣泛分布在世界范圍內(nèi)的大洋和近海中[13]。研究顯示, 目前應(yīng)用最為廣泛的塑料為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等, 約占世界塑料產(chǎn)品種類的 90%[14], 海水中的微塑料也主要由這幾種塑料構(gòu)成[15]。

由于洋流作用, 大洋中的微塑料主要分布在環(huán)流區(qū)。20世紀70年代, Carpenter和他的團隊初次在西北大西洋發(fā)現(xiàn)了大量的塑料微球(1～2 mm)[16],在大西洋 22°N到 38°N之間, 88%塑料碎片小于10 mm, 99%的微塑料由密度小于海水的 PE和 PP兩種塑料組成[17]。在北大西洋(11°—44°N, 55°—71°W), 60%的塑料碎片尺寸在2～6 mm之間, 且數(shù)量逐年增多[18]。在東北大西洋, 89%的微塑料粒徑小于5 mm, 濃度為2.46個/m3[19]。20世紀80年代在太平洋的表層水體同樣發(fā)現(xiàn)了大量有色塑料碎片,尤其是在北太平洋環(huán)流的中心地帶, 發(fā)現(xiàn)了大量粒徑小于5 mm的微塑料[20]。在美國加州南部海域, 風(fēng)暴過后, 發(fā)現(xiàn)了大量微塑料[19]。甚至于在人跡罕至的極地地區(qū), 也發(fā)現(xiàn)了存在于極地海灘、水體及沉積物環(huán)境中的微塑料[21-22], 冰芯中微塑料的含量為 38～234 個/m3[23]。

近岸海域尤其是工業(yè)發(fā)達、人口密集的沿海區(qū)域, 微塑料污染問題更為突出。有研究認為排放的洗衣廢水中的塑料纖維是近岸沉積物中微塑料的重要貢獻者[13]。生活用品、洗滌劑、化妝品或一些特殊用途的藥物載體也是微塑料污染物的主要來源[24-27]。在英國、葡萄牙、美國、智利、韓國、日本、新加坡和澳大利亞沿岸的沉積物中, 均發(fā)現(xiàn)了微塑料, 粒徑多小于 1 mm, 濃度變化較大, 為 0.21～77 000個/m3[12]。加拿大夏洛特皇后灣受人為活動影響, 微塑料濃度達到7 630 ± 1 410個/m3[28]。韓國南部海域微塑料的濃度更是達到了 211 000 ± 117 000個/m3[29], 新加坡周圍海域1 mm水層也發(fā)現(xiàn)了大量50～60 μm 的 PE, PP 和 PS 碎片[30]。

中國科學(xué)家們也開展了大量的微塑料調(diào)查工作,調(diào)查區(qū)域包括長江口[31]、東海近岸[31]、南海海域[32]、椒江、甌江和閩江流域[33], 黃渤海海域[34], 青島海水浴場[35], 香港沿海[16], 極地地區(qū)等[36]。結(jié)果表明, 各調(diào)查海域均有微塑料存在, 其中在人類活動干擾較大的長江口附近海域, 微塑料的濃度可達 4 137.3 ±2 461.5 個/m3[31]。

2 微塑料的生態(tài)效應(yīng)

微塑料作為一種新興污染物已引起研究人員的重視, 較小尺寸的微塑料可被海洋生物廣泛利用。微塑料對海洋生物的影響主要是基于海洋生物對其的攝取[37]并由此引發(fā)的一系列毒理作用[38]。

2.1 微塑料對海洋動物的影響

存在于海洋環(huán)境中的微塑料不僅有觀感的問題[39],微塑料懸浮于海水中或者沉積到沉積物中, 其大范圍污染及特殊的理化性質(zhì)會對海洋生物的生存造成威脅[40]。微塑料對海洋生物生存造成的負面影響會威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康與穩(wěn)定[40]。海洋中的微塑料對海洋動物的影響主要體現(xiàn)在體內(nèi)攝食[41]。攝食一方面可能導(dǎo)致海洋動物呼吸器官或進食器官的堵塞, 再者, 進入體內(nèi)的微塑料會對海洋動物的器官造成機械損傷, 并且讓海洋動物產(chǎn)生假的飽腹感,另一方面微塑料自身或吸附于其上的有毒有害物質(zhì)的釋放也會對海洋動物造成毒害作用[42]。

2.2 微塑料對海洋浮游植物的影響

浮游植物是海洋的主要的初級生產(chǎn)者, 具有生長周期短、便于觀察、對有毒物質(zhì)敏感等優(yōu)點, 在環(huán)境生態(tài)毒理分析中有廣泛的應(yīng)用[43], 其種群的破壞可能嚴重影響整個地球生態(tài)系統(tǒng)。微塑料作為一類新興的污染物, 具有與海洋浮游植物相互作用的巨大潛力。不同于海洋中動物對微塑料的攝食或吞噬行為, 海洋微藻對顆粒物幾乎沒有吞噬行為。過去的一些研究發(fā)現(xiàn), 微塑料可能會抑制藻類的生長, 如Casado[44]、Besseling[45]、Bergami[46]等人的研究證明此結(jié)論。然而也有關(guān)于促進生長的報道, 如Yokota[47]、Canniff[48]等的結(jié)論。目前微塑料對微藻的毒性還存在一定分歧, 也有研究認為微塑料對微藻的生長不產(chǎn)生任何影響[49]。

3 微塑料對海洋生物的致毒機理研究進展

3.1 微塑料對浮游動物的致毒機理研究進展

Chan等[50]總結(jié)了 59篇文獻中關(guān)于微塑料顆粒對海洋有機生物體的毒理研究。發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于微塑料對海洋生物的生態(tài)效應(yīng)研究主要集中在對海洋動物的毒性效應(yīng)。微塑料容易被海洋環(huán)境中的浮游動物、底棲生物、魚類、海洋哺乳動物等吞食而儲存在消化道, 甚至直達組織和細胞內(nèi), 危害生物體生長。目前海洋食物鏈中不同層次的海洋動物體內(nèi)均已發(fā)現(xiàn)微塑料的存在, 海洋環(huán)境中的微塑料被海洋動物攝入后, 所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)機理大致有行為效應(yīng)、生殖發(fā)育效應(yīng)、應(yīng)激效應(yīng)、基因與遺傳效應(yīng)和復(fù)合效應(yīng)等幾大類[40]。

生物個體的行為可能因微塑料的攝入而發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn), 微塑料環(huán)境會使橈足類生物的游泳行為受到影響[51], 也會使鱸魚的嗅覺、活動能力和應(yīng)激能力遲鈍[52]。微塑料還會影響海洋生物的產(chǎn)卵量和繁殖能力[53], 2 μm 和6 μm 的聚苯乙烯對牡蠣的攝食、生活史、藻消耗吸收率、生長、血細胞數(shù)量和形態(tài)功能都有明顯的影響, 并且能阻礙牡蠣的生殖并影響其后代生長發(fā)育[54]。在北太平洋亞熱帶環(huán)流區(qū), 微塑料含量的增加為海黽提供了更多的產(chǎn)卵載體, 產(chǎn)卵密度增加與微塑料多寡之間呈正相關(guān)關(guān)系,而卵和仔海黽的捕食可以加速不同生物群落之間的能量傳遞, 從而影響到遠洋生物群落的結(jié)構(gòu)和組成[53]。微塑料還會導(dǎo)致海洋動物的免疫應(yīng)激、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。Von Moos等[55]對高密度聚乙烯暴露下紫貽貝Mytilus edulisL.的各項指標如攝食、溶酶體膜的穩(wěn)定性、褐脂質(zhì)、中性脂和組織診斷進行研究發(fā)現(xiàn), 在 96 h的短期暴露下, 微塑料會阻塞貝類的鰓, 對消化管造成物理損傷, 納米級的微塑料還會通過貝的腸壁進入到體液中, 引發(fā)機體的免疫應(yīng)激及炎癥反應(yīng)。部分海洋動物攝入微塑料會導(dǎo)致基因表達發(fā)生變化, 出現(xiàn)遺傳毒性。2 μm和6 μm的聚苯乙烯會使牡蠣的生殖細胞和卵母細胞的基因表達產(chǎn)生異常, 這一異常與牡蠣的能量分配有關(guān), 能量中斷導(dǎo)致消化腺和生殖腺的基因出現(xiàn)下調(diào)[54]。海洋環(huán)境中微塑料表面的理化性質(zhì)使其容易與海洋中不同類型的有機污染物和重金屬結(jié)合, 微塑料作為污染物與重金屬的吸附載體, 與其一道進入生物體內(nèi)產(chǎn)生復(fù)合毒性效應(yīng)[40,42]。根據(jù)海參暴露于不同類型微塑料(PVC碎片、尼龍碎片和PVC微球)在短時間內(nèi)(20～25 h)的攝食情況, 發(fā)現(xiàn)吸附在微塑料表面的多氯聯(lián)苯對海參的生長有副作用, 并且可以通過食物鏈傳遞[56]。

3.2 微塑料對浮游植物的致毒機理研究進展

目前, 僅有的研究表明微塑料確實會通過不同的方式對浮游植物產(chǎn)生毒性, 筆者所在實驗室較為系統(tǒng)地研究了微塑料對海洋浮游植物的生態(tài)毒理學(xué)效應(yīng)。根據(jù)近5年的研究, 并結(jié)合國內(nèi)外的相關(guān)結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)微塑料對微藻的致毒機理可能體現(xiàn)在四個方面： 遮蔽效應(yīng)、團聚損傷、吞噬效應(yīng)和氧化損傷。

海面上微塑料的遮蔽效應(yīng)主要為對太陽光的遮擋與反射作用, 從而阻礙藻類對陽光的吸收。筆者實驗室相關(guān)研究證明微塑料確實可以附著在微藻表面,影響微藻正常生長所需的光合作用和呼吸作用[57-58]。Besseling[45]、Mao[59]等證明微塑料會導(dǎo)致葉綠素含量降低和光合活性。它們還可能吸附到藻體上并引起不良反應(yīng), 如納米級微塑料吸附到微藻(小球藻和柵藻)上, 會對光合作用產(chǎn)生不利影響[60]。Mato等[61]研究發(fā)現(xiàn)納米級微塑料顆粒可以降低藻細胞葉綠素a的量。此外, 微塑料可能通過影響電子給體位置、光合系統(tǒng)Ⅱ的反應(yīng)中心(負責(zé)能量轉(zhuǎn)換)和電子傳遞鏈來阻礙光合作用[49]。對微塑料團聚損傷的研究表明, 1～5 μm 的塑料小球?qū)χ焓纤你菰?Tetraselmis chuii)種群的生長不能產(chǎn)生顯著影響[62],而小于 100 nm的微塑料在紫外光照射下還可以再次聚合形成大于 100 nm的微塑料[63], 微塑料的聚合會造成其所附著微藻的團聚損傷[57]。微藻對微塑料吞噬效應(yīng)的研究報道很少[64-65], 但通過我們對其他納米粒子的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 微藻對納米顆粒物的吞噬作用對微藻的影響程度較大[66-67], 這些研究可以為微藻是否存在對微塑料的吞噬作用提供參考。微塑料會對微藻造成氧化損傷。Mato[61]等研究發(fā)現(xiàn)納米級微塑料顆粒在降低藻細胞葉綠素a的量的同時增加了藻細胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[61], Bhattacharya等[65]的實驗結(jié)果表明1.8 ～ 6.5 mg/L的20 nm的聚苯乙烯顆粒被吸收進入藻細胞內(nèi)產(chǎn)生氧化損傷,Mao等[59]也發(fā)現(xiàn)暴露于高濃度聚苯乙烯(PS)環(huán)境中的蛋白核小球藻會產(chǎn)生體現(xiàn)小球藻脂質(zhì)過氧化程度的丙二醛(MDA)。筆者實驗室經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 不同粒徑的聚苯乙烯微塑料均可對海洋甲藻(米氏凱倫藻)產(chǎn)生氧化損傷, 且損傷程度與微塑料粒徑的減小而增大[68]。

4 存在的問題及研究展望

微塑料污染已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的環(huán)境污染問題, 因其較小的尺寸和低的“能見度”而使其難以被發(fā)現(xiàn)。微塑料產(chǎn)生并進入環(huán)境中的速度要遠高于其移除的速度。目前, 關(guān)于這一新型的環(huán)境污染物, 尚存在一系列科學(xué)問題亟需解決。為此, 我們有必要加強相關(guān)研究并同時采取一系列的有力措施。

毫米級、微米級的塑料微粒可分解成納米級的塑料, 已有研究發(fā)現(xiàn)納米級微塑料比毫米、微米級微塑料的生態(tài)風(fēng)險更大, 今后的研究方向在關(guān)注微米級微塑料的基礎(chǔ)上, 更應(yīng)該關(guān)注納米級微塑料。除了微塑料自身的粒徑效應(yīng), 其本身所添加的塑化劑, 以及在環(huán)境條件下吸附的無機和有機污染物所形成的復(fù)合毒性, 也有可能導(dǎo)致微塑料的生態(tài)毒理效應(yīng)。

一系列的微塑料毒理實驗都是基于實驗室基礎(chǔ)上完成的, 可控的實驗用塑料顆粒粒徑、形狀以及毒理濃度與海洋環(huán)境中真實存在的微塑料狀況相差甚遠, 今后的研究方向應(yīng)多考慮現(xiàn)場環(huán)境的真實情況。

塑料乃至微塑料的污染問題, 防大于治。沿海國家應(yīng)加強關(guān)于塑料制品使用的政策法規(guī)及監(jiān)管力度,嚴格規(guī)范塑料及微塑料的使用和處理措施, 從源頭上控制塑料廢棄物向環(huán)境輸入。