王江濤, 趙 婷, 譚麗菊, 黃文秋, 朱曉琳, 趙衛(wèi)紅

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 3. 中國(guó)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(huì)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(bào)道, 全球塑料產(chǎn)出和消耗每年超過(guò)3億噸[2-3]。雖然塑料的社會(huì)效益是深遠(yuǎn)的, 但由于塑料制品的無(wú)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(jìn)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(huì)憑空消失, 而是在一系列物理、化學(xué)作用如陽(yáng)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(xì)小的塑料碎片, 當(dāng)碎片尺寸小于5 mm時(shí), 我們稱(chēng)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(duì)海洋生態(tài)環(huán)境的威脅越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

1 微塑料來(lái)源及分布

環(huán)境中的微塑料依照來(lái)源的差異可以分為兩類(lèi)——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?cè)诠I(yè)生產(chǎn)過(guò)程中便被制備成直徑為微米級(jí)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(lái)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(lái)源復(fù)雜, 既有陸源塑料垃圾的輸入, 也有來(lái)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(yùn)丟棄的塑料廢棄物[11-12]。這些進(jìn)入海洋中的塑料垃圾經(jīng)過(guò)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等, 約占世界塑料產(chǎn)品種類(lèi)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(jì)70年代, Carpenter和他的團(tuán)隊(duì)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(gè)/m3[19]。20世紀(jì)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(guó)加州南部海域, 風(fēng)暴過(guò)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(gè)/m3[23]。

近岸海域尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)、人口密集的沿海區(qū)域, 微塑料污染問(wèn)題更為突出。有研究認(rèn)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(xiàn)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(lái)源[24-27]。在英國(guó)、葡萄牙、美國(guó)、智利、韓國(guó)、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(gè)/m3[12]。加拿大夏洛特皇后灣受人為活動(dòng)影響, 微塑料濃度達(dá)到7 630 ± 1 410個(gè)/m3[28]。韓國(guó)南部海域微塑料的濃度更是達(dá)到了 211 000 ± 117 000個(gè)/m3[29], 新加坡周?chē)Ｓ? mm水層也發(fā)現(xiàn)了大量50～60 μm 的 PE, PP 和 PS 碎片[30]。

中國(guó)科學(xué)家們也開(kāi)展了大量的微塑料調(diào)查工作,調(diào)查區(qū)域包括長(zhǎng)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(chǎng)[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(lèi)活動(dòng)干擾較大的長(zhǎng)江口附近海域, 微塑料的濃度可達(dá) 4 137.3 ±2 461.5 個(gè)/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(duì)海洋生物的影響主要是基于海洋生物對(duì)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(duì)海洋動(dòng)物的影響

存在于海洋環(huán)境中的微塑料不僅有觀感的問(wèn)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(huì)對(duì)海洋生物的生存造成威脅[40]。微塑料對(duì)海洋生物生存造成的負(fù)面影響會(huì)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(duì)海洋動(dòng)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(dòng)物呼吸器官或進(jìn)食器官的堵塞, 再者, 進(jìn)入體內(nèi)的微塑料會(huì)對(duì)海洋動(dòng)物的器官造成機(jī)械損傷, 并且讓海洋動(dòng)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(huì)對(duì)海洋動(dòng)物造成毒害作用[42]。

2.2 微塑料對(duì)海洋浮游植物的影響

浮游植物是海洋的主要的初級(jí)生產(chǎn)者, 具有生長(zhǎng)周期短、便于觀察、對(duì)有毒物質(zhì)敏感等優(yōu)點(diǎn), 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?chē)?yán)重影響整個(gè)地球生態(tài)系統(tǒng)。微塑料作為一類(lèi)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(dòng)物對(duì)微塑料的攝食或吞噬行為, 海洋微藻對(duì)顆粒物幾乎沒(méi)有吞噬行為。過(guò)去的一些研究發(fā)現(xiàn), 微塑料可能會(huì)抑制藻類(lèi)的生長(zhǎng), 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(jìn)生長(zhǎng)的報(bào)道, 如Yokota[47]、Canniff[48]等的結(jié)論。目前微塑料對(duì)微藻的毒性還存在一定分歧, 也有研究認(rèn)為微塑料對(duì)微藻的生長(zhǎng)不產(chǎn)生任何影響[49]。

3 微塑料對(duì)海洋生物的致毒機(jī)理研究進(jìn)展

3.1 微塑料對(duì)浮游動(dòng)物的致毒機(jī)理研究進(jìn)展

Chan等[50]總結(jié)了 59篇文獻(xiàn)中關(guān)于微塑料顆粒對(duì)海洋有機(jī)生物體的毒理研究。發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于微塑料對(duì)海洋生物的生態(tài)效應(yīng)研究主要集中在對(duì)海洋動(dòng)物的毒性效應(yīng)。微塑料容易被海洋環(huán)境中的浮游動(dòng)物、底棲生物、魚(yú)類(lèi)、海洋哺乳動(dòng)物等吞食而儲(chǔ)存在消化道, 甚至直達(dá)組織和細(xì)胞內(nèi), 危害生物體生長(zhǎng)。目前海洋食物鏈中不同層次的海洋動(dòng)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(dòng)物攝入后, 所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)機(jī)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(lèi)[40]。

生物個(gè)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(huì)使橈足類(lèi)生物的游泳行為受到影響[51], 也會(huì)使鱸魚(yú)的嗅覺(jué)、活動(dòng)能力和應(yīng)激能力遲鈍[52]。微塑料還會(huì)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(duì)牡蠣的攝食、生活史、藻消耗吸收率、生長(zhǎng)、血細(xì)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(zhǎng)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(yuǎn)洋生物群落的結(jié)構(gòu)和組成[53]。微塑料還會(huì)導(dǎo)致海洋動(dòng)物的免疫應(yīng)激、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。Von Moos等[55]對(duì)高密度聚乙烯暴露下紫貽貝Mytilus edulisL.的各項(xiàng)指標(biāo)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(jìn)行研究發(fā)現(xiàn), 在 96 h的短期暴露下, 微塑料會(huì)阻塞貝類(lèi)的鰓, 對(duì)消化管造成物理?yè)p傷, 納米級(jí)的微塑料還會(huì)通過(guò)貝的腸壁進(jìn)入到體液中, 引發(fā)機(jī)體的免疫應(yīng)激及炎癥反應(yīng)。部分海洋動(dòng)物攝入微塑料會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)發(fā)生變化, 出現(xiàn)遺傳毒性。2 μm和6 μm的聚苯乙烯會(huì)使牡蠣的生殖細(xì)胞和卵母細(xì)胞的基因表達(dá)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(lèi)型的有機(jī)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(jìn)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(lèi)型微塑料(PVC碎片、尼龍碎片和PVC微球)在短時(shí)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(duì)海參的生長(zhǎng)有副作用, 并且可以通過(guò)食物鏈傳遞[56]。

3.2 微塑料對(duì)浮游植物的致毒機(jī)理研究進(jìn)展

目前, 僅有的研究表明微塑料確實(shí)會(huì)通過(guò)不同的方式對(duì)浮游植物產(chǎn)生毒性, 筆者所在實(shí)驗(yàn)室較為系統(tǒng)地研究了微塑料對(duì)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(guó)內(nèi)外的相關(guān)結(jié)果, 發(fā)現(xiàn)微塑料對(duì)微藻的致毒機(jī)理可能體現(xiàn)在四個(gè)方面： 遮蔽效應(yīng)、團(tuán)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(duì)太陽(yáng)光的遮擋與反射作用, 從而阻礙藻類(lèi)對(duì)陽(yáng)光的吸收。筆者實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究證明微塑料確實(shí)可以附著在微藻表面,影響微藻正常生長(zhǎng)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(huì)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(jí)微塑料吸附到微藻(小球藻和柵藻)上, 會(huì)對(duì)光合作用產(chǎn)生不利影響[60]。Mato等[61]研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)微塑料顆粒可以降低藻細(xì)胞葉綠素a的量。此外, 微塑料可能通過(guò)影響電子給體位置、光合系統(tǒng)Ⅱ的反應(yīng)中心(負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換)和電子傳遞鏈來(lái)阻礙光合作用[49]。對(duì)微塑料團(tuán)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(zhǎng)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(huì)造成其所附著微藻的團(tuán)聚損傷[57]。微藻對(duì)微塑料吞噬效應(yīng)的研究報(bào)道很少[64-65], 但通過(guò)我們對(duì)其他納米粒子的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), 微藻對(duì)納米顆粒物的吞噬作用對(duì)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(duì)微塑料的吞噬作用提供參考。微塑料會(huì)對(duì)微藻造成氧化損傷。Mato[61]等研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)微塑料顆粒在降低藻細(xì)胞葉綠素a的量的同時(shí)增加了藻細(xì)胞內(nèi)活性氧的產(chǎn)生[61], Bhattacharya等[65]的實(shí)驗(yàn)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(jìn)入藻細(xì)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(huì)產(chǎn)生體現(xiàn)小球藻脂質(zhì)過(guò)氧化程度的丙二醛(MDA)。筆者實(shí)驗(yàn)室經(jīng)研究發(fā)現(xiàn), 不同粒徑的聚苯乙烯微塑料均可對(duì)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(wèn)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(wèn)題, 因其較小的尺寸和低的“能見(jiàn)度”而使其難以被發(fā)現(xiàn)。微塑料產(chǎn)生并進(jìn)入環(huán)境中的速度要遠(yuǎn)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(wèn)題亟需解決。為此, 我們有必要加強(qiáng)相關(guān)研究并同時(shí)采取一系列的有力措施。

毫米級(jí)、微米級(jí)的塑料微?？煞纸獬杉{米級(jí)的塑料, 已有研究發(fā)現(xiàn)納米級(jí)微塑料比毫米、微米級(jí)微塑料的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)更大, 今后的研究方向在關(guān)注微米級(jí)微塑料的基礎(chǔ)上, 更應(yīng)該關(guān)注納米級(jí)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(wú)機(jī)和有機(jī)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(shí)驗(yàn)都是基于實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)上完成的, 可控的實(shí)驗(yàn)用塑料顆粒粒徑、形狀以及毒理濃度與海洋環(huán)境中真實(shí)存在的微塑料狀況相差甚遠(yuǎn), 今后的研究方向應(yīng)多考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的真實(shí)情況。

塑料乃至微塑料的污染問(wèn)題, 防大于治。沿海國(guó)家應(yīng)加強(qiáng)關(guān)于塑料制品使用的政策法規(guī)及監(jiān)管力度,嚴(yán)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。