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微塑料对微藻的毒性效应研究进展

王素春 刘光洲 张欢 黄天媛 刘菲菲

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微塑料对微藻的毒性效应研究进展

    作者简介: 王素春(1990-), 女, 河北沧州人, 博士, 主要研究方向为微塑料对微藻的毒性效应, E-mail:suchunw@163.com;
    通讯作者: 刘菲菲, E-mail:liufeifei@sdu.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金(41503097);中央高校基本科研业务费(2017TB006)
  • 中图分类号: X131

Toxicity research progress of microplastics on microalgae

  • 摘要: 微塑料(MPs)污染已经成为全球的持久性污染问题,引起了世界范围内的广泛关注。目前的研究表明,微塑料对水环境中的初级生产者微藻具有一定的毒害作用,同时,微塑料与其他污染物结合还可能产生更为严重的联合毒性效应,进而影响水体中食物链的稳定性,并对生态系统的健康带来潜在的风险。因此,开展微塑料对微藻毒性效应的研究十分必要。本文介绍了已公开发表的相关研究及成果,总结了微塑料对微藻的机械损伤、遮蔽效应、氧化损伤、吸附和团聚等致毒机理,并对未来微塑料对微藻毒性的研究方向做了简要分析与展望。
  • 图 1  微塑料在水环境食物链中的传递[18]

    Figure 1.  Transfer of MPs in aquatic food webs[18]

    图 2  微塑料对藻细胞的毒性机理

    Figure 2.  Toxicity mechanism of MPs to algae cells

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-08-20
  • 录用日期:  2018-10-22
  • 刊出日期:  2019-04-20

微塑料对微藻的毒性效应研究进展

    作者简介:王素春(1990-), 女, 河北沧州人, 博士, 主要研究方向为微塑料对微藻的毒性效应, E-mail:suchunw@163.com
    通讯作者: 刘菲菲, E-mail:liufeifei@sdu.edu.cn
  • 山东大学 海洋研究院, 山东 青岛 266237
基金项目: 国家自然科学基金(41503097);中央高校基本科研业务费(2017TB006)

摘要: 微塑料(MPs)污染已经成为全球的持久性污染问题,引起了世界范围内的广泛关注。目前的研究表明,微塑料对水环境中的初级生产者微藻具有一定的毒害作用,同时,微塑料与其他污染物结合还可能产生更为严重的联合毒性效应,进而影响水体中食物链的稳定性,并对生态系统的健康带来潜在的风险。因此,开展微塑料对微藻毒性效应的研究十分必要。本文介绍了已公开发表的相关研究及成果,总结了微塑料对微藻的机械损伤、遮蔽效应、氧化损伤、吸附和团聚等致毒机理,并对未来微塑料对微藻毒性的研究方向做了简要分析与展望。

English Abstract

  • “微塑料(MPs)”一词由Thompson等[1]在Lost at Sea:Where Is All the Plastic?中首次提出,但对其尺寸没有给出明确界定。目前,科学家们通常将微塑料定义为尺寸小于5 mm的塑料碎片、颗粒及纤维。水环境中的塑料垃圾大部分来源于人类生产生活过程[2],这些塑料有些直接以小颗粒形态存在,有些则通过机械磨损、太阳辐射、风力、洋流、生物作用等发生破碎或部分降解而逐渐变成微塑料甚至纳米塑料[3-5]。由于微塑料颗粒很小,所以很容易被水生生物误食而摄入体内[6],对其肠道或组织等造成损伤并影响其生长[7-8]。此外,微塑料还具有比表面积大、疏水性较高等特点,甚至带有一定的表面电荷,容易与一些重金属离子[9]、有机污染物等有毒有害化学物质通过物理或化学作用结合在一起,对海洋生物造成联合毒性效应。在风力、洋流等外力作用下,微塑料还可作为载体携带这些污染物进行远距离迁移扩散,进一步扩大了微塑料及污染物在全球水域的分布[10-12],对水生生态系统造成了巨大威胁。

    目前有关微塑料对水生生物的毒性效应研究主要集中于贻贝、鱼、虾、蚤等水生动物[7-9, 13-15],但是对浮游植物的研究相对较少,尤其是微藻[16-18]。微藻是水生生态系统中的初级生产者,可通过光合作用将无机碳转化成有机碳,是众多水生生物的能量来源,也是水环境中食物链能长期保持稳定的重要保障,同时藻类光合作用也有助于降低大气中二氧化碳含量。微藻受到微塑料的污染和毒害,则会直接影响水生生态环境的健康与稳定;另外,微藻与微塑料发生吸附和团聚可能被水生生物误食而进入体内,导致微塑料及其携带的污染物在某些生物体内发生富集积累[19],最终很有可能通过食物链而进入人体[20-24],对人体造成一定的危害(图 1)。

    图  1  微塑料在水环境食物链中的传递[18]

    Figure 1.  Transfer of MPs in aquatic food webs[18]

    微塑料对微藻的毒性研究仍较少,并且由于微塑料本身的物理化学性质及环境中其他因素复杂多变,所以微塑料对微藻的致毒机理十分复杂,已提出的可能的致毒机理主要有机械损伤、遮蔽效应、氧化损伤、吸附团聚,并且这些致毒效应往往同时存在,致使藻细胞生长代谢异常甚至死亡。

    • 微塑料对微藻毒性效应的研究主要参考其他纳米材料对微藻毒性的实验方法。根据已发表的研究结果,微塑料对藻细胞可能产生抑制细胞生长、破坏细胞膜结构、降低叶绿素含量和光合效率、引起细胞氧化损伤等毒性效应(图 2)。

      图  2  微塑料对藻细胞的毒性机理

      Figure 2.  Toxicity mechanism of MPs to algae cells

      微塑料对藻细胞的毒性效应大小与其种类、大小、浓度等有关。Besseling等[25]研究了纳米聚苯乙烯(Nano-PS)对斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)生长和光合作用的影响,在实验浓度范围内,随Nano-PS浓度增加藻细胞生长抑制率(growth inhibition rate,IR)升高,相反,Chl a含量降低。Zhang等[26]的实验结果表明:96 h暴露实验后,微米级聚氯乙烯(mPVC,1 μm)对中肋骨条藻生长抑制率可达39.7%;在高浓度(50 mg/L)mPVC暴露实验中,藻细胞叶绿素含量和光合效率(Φ PSⅡ)也明显下降;而毫米级聚氯乙烯(bPVC)对微藻的生长没有明显影响。此外,通过扫描电镜(SEM)观察发现mPVC对藻细胞有明显的机械损伤,破坏了细胞壁和细胞膜的完整性。在另一研究中,PS(0.05 μm、0.5 μm、6 μm,250 mg/L)明显抑制特氏杜氏藻(Dunaliella tertiolecta)生长,并且PS粒径越小抑制作用越明显,但对光合作用却没有影响[27]。另外,Bhattacharya等[28]发现PS不仅能降低小球藻(Chlorella)和栅藻(Scenedesmus)光合作用效率,而且还增加了藻细胞内活性氧(ROS)的含量。ROS是反应细胞氧化应激的重要指示物,过量的ROS会引发脂质过氧化、蛋白质等生物大分子损伤,进而导致细胞死亡[29]

      微塑料影响藻细胞生长的同时,藻细胞也会产生应激反应以减小、修复微塑料对其造成的损伤,但当损伤程度超出藻细胞自我修复能力范围后会导致藻细胞生长异常或死亡。Mao等[30]研究聚苯乙烯微塑料(MP-PS)对蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的毒性,并首次报道了微塑料具有抑制和刺激藻细胞生长的双重作用。该实验观察周期为30 d,包括了小球藻细胞生长的调整期、对数期和稳定期。研究发现从调整期到对数期早期,MP-PS对藻细胞产生的物理损伤及氧化应激造成了小球藻的细胞膜受损、光合作用效率降低、类囊体扭曲等毒害作用。然而,从藻细胞生长的对数期末期到稳定期,小球藻逐渐适应了微塑料的存在,并在其刺激作用下通过增厚细胞壁、藻细胞相互团聚及与微塑料颗粒团聚等方式减轻了微塑料对其产生的不良影响,进而使藻细胞的光合作用及生长有所恢复并且细胞结构逐渐正常。Zhang等[26]也得出了类似结论:mPVC暴露实验初期,藻细胞生长明显受到抑制、叶绿素含量和光合效率明显下降;暴露实验后期,不良影响效应减小,但仍低于空白对照水平。以上结果表明微塑料对微藻的毒性效应与暴露时间长短有关,但毒性不会随时间增长而累积。

    • 微塑料可携带环境中的污染物,不仅影响了污染物在水体中的迁移和扩散,而且也可能对微藻产生复合毒性。目前微塑料与污染物的复合毒性效应也开始受到科学家们的关注。Prata等[31]研究了微塑料(1~5 μm)与普鲁卡因酰胺、盐酸多西霉素对朱氏四爿藻(Tetraselmis chuii)的联合毒性效应。实验中主要考察参数为藻细胞生长速率和叶绿素的浓度。在实验浓度范围内(0.75、1.5、3、6、12、24、48 mg/L)微塑料对朱氏四爿藻细胞生长率没有明显影响。单独普鲁卡因酰胺和盐酸多西霉素分别在浓度为32 mg/L、9 mg/L时明显抑制藻细胞生长并降低了叶绿素含量。而微塑料分别与普鲁卡因酰胺和盐酸多西霉素混合后对藻细胞的毒性效应明显比三者单独毒性效应增强,主要表现为:固定微塑料浓度为1.5 mg/L,普鲁卡因酰胺浓度为27 mg/L时明显抑制藻细胞生长,普鲁卡因酰胺浓度为1 mg/L时叶绿素含量明显降低;盐酸多西霉素浓度为3 mg/L时,导致生长抑制率明显升高、叶绿素浓度明显降低。与之相反,Davarpanah[32]研究了MP-PS(1~5 μm)和Cu2+分别对朱氏四爿藻的单独和联合毒性,但联合毒性实验结果表明MP-PS的存在基本没有影响Cu2+对朱氏四爿藻细胞的毒性。尽管有研究表明微塑料能吸附Cu2+并引起Cu2+在微塑料表面富集[33-34],但实验设置的浓度、MP-PS颗粒大小等因素都可能影响实验结果。除以上几种污染物外,微塑料还可与更多种环境污染物发生吸附等相互作用[35-36],如抗生素[37-38]、芳香烃[39-40]等,这种相互作用对微藻的毒性效应影响较难预测,因此还需做更多更深入的研究,以更准确地评估实际环境中微塑料及污染物对微藻产生的影响。

    • 环境中的微塑料形状各异且边缘粗糙,容易对藻细胞造成机械损伤,如细胞壁破损、细胞被割裂等,破坏细胞结构的完整性最终导致藻细胞死亡,且随微塑料的浓度增加机械损伤也越严重。Zhang等[26]发现mPVC可吸附在中肋骨条藻细胞表面并嵌入细胞壁,对细胞壁及细胞膜造成破损。物理损伤在其他纳米粒子对藻细胞的毒性研究中也得到了证实。纳米TiO2[41]、ZnO[42]均可对中肋骨条藻细胞膜造成明显损伤,并进入细胞内部。目前没有研究明确表明微塑料能进入藻细胞内部,这可能与实验所用微塑料粒径及微藻种类密切相关。并且环境中的微塑料有逐渐变小的趋势,所以仍需进行更多的实验来验证微塑料能否进入微藻细胞。

    • Schwab等[43]认为颗粒的遮蔽效应可降低藻类光合作用效率。Zhang等[26]用只有底部透光的特殊容器做了遮光实验,结果显示该效应对藻细胞密度没有影响,同时叶绿素含量及Φ PSⅡ也没有显著下降,即该效应对藻细胞光合作用的影响可忽略不计,Sjollema[27]等也得到了类似结果。原因可能是:虽然微塑料可遮挡部分光线,但其余光仍能满足藻细胞光合作用的需要;实验中微塑料浓度不够高,遮蔽效应不明显。但是,如果水环境中微塑料浓度较高,可能会遮挡部分光线。另外,尺寸较小的微塑料吸附在藻细胞表面也会产生遮光效应,降低藻细胞的光吸收效率及光合作用率。

    • 微塑料会引起藻细胞的氧化应激反应,导致细胞内的ROS含量增加。细胞中ROS增加会引起脂质过氧化反应,破坏细胞膜结构,致使细胞膜骨架塌陷、细胞扭曲变形,细胞膜选择透过性功能减弱甚至丧失,影响细胞内外物质能量交换等正常生长代谢过程[29]。在植物细胞中,ROS主要是来自叶绿体中电子传递链,光合作用效率降低时,电子传递效率下降,电子被转移到O2而非CO2进而形成ROS。

      Bhattacharya等[28]发现PS能降低小球藻(Chlorella)和栅藻(Scenedesmus)光合作用效率,增加藻细胞内ROS含量。另外,小粒径微塑料会引发藻细胞更强的氧化应激反应,使细胞膜脂质过氧化更严重、过氧化产物丙二醛(MDA)含量增加[30]。ROS对藻细胞造成损伤的同时,细胞中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)等酶的活性会增强以去除ROS,但当ROS浓度过高,超出细胞自修复能力时,细胞死亡[29, 44]

    • 由于藻细胞表面粗糙并常有鞭毛等结构[45],可为微塑料提供许多结合点,另外,微塑料表面结构复杂,其表面的某些官能团可能使其更容易附着在藻细胞表面[46],这不仅阻挡部分光照影响藻细胞对光的吸收、干扰细胞的内外物质交换[47],微塑料附着在鞭毛上还会影响微藻的运动[28]。Bhattacharya等[28]以CO2消耗为指标研究了吸附作用对藻细胞光合作用的影响。实验表明小球藻对PS有显著吸附作用;当PS浓度高于1.8 mg/L时,藻细胞对CO2消耗显著减少,这可能是藻细胞吸附PS使细胞内外CO2交换受阻造成的。Zhang等[26]也认为微塑料与藻细胞之间的吸附作用是致毒的主要原因。微塑料可能会堵塞物质进出细胞的通道,阻碍细胞内外物质和能量交换:一方面进入细胞的氧气和二氧化碳量减少;另一方面,细胞内部代谢的有害物质不能及时排出,最终导致藻细胞死亡。另外,实验中随暴露时间增长,吸附和团聚作用明显增强,该现象可能会引起藻细胞与微塑料相互团聚形成聚集体影响藻细胞生长,甚至导致藻细胞完全被覆盖、包裹[41-42],致使藻细胞死亡。

    • 塑料加工过程中,增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂、着色剂、填料等添加剂可能会留在塑料内部或表面,当塑料进入水体并逐渐破碎分解成微塑料后,长时间浸泡可能会导致单体或添加剂浸出并对藻细胞产生毒害作用[48],另外,微塑料能吸附水中有毒污染物[37-40]。以上两种作用都可能会影响微塑料对微藻的毒性[31-32],但目前相关研究较少,因此今后应加强研究这两种机制对微藻毒性产生的影响。

    • 当前微塑料对微藻毒性研究仍较少,且生态毒理尚不够明确,仍需进行更多更深入的研究,这对水环境中微藻正常生长及保持食物链的稳定具有重要意义。未来还需从以下几方面加强研究:

      (1) 微塑料对微藻毒性研究涉及的微塑料种类较少。据目前对实际环境的调查结果,聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等均不同程度地存在于环境中,故需要对更多种类的微塑料展开毒性效应研究。

      (2) 微塑料经机械破碎、风力、洋流、水生动物消化等过程后,粒径会逐渐变小甚至达到纳米级,小粒径塑料可能会引起更强的生态毒性,所以对纳米塑料引起的藻细胞毒性效应也需要深入研究。

      (3) 评价微塑料对藻细胞毒性的指标较少,毒理机制不够完善,可借鉴部分纳米颗粒对藻细胞毒性效应的研究成果以更好地探究微塑料对藻细胞的致毒机理。

      (4) 目前微塑料与污染物对藻细胞的复合毒性研究较少,且实验设计只涉及单一种类微塑料及污染物,而实际水环境中往往多种污染物共存,因此有必要考察多种污染物的联合毒性效应,有利于更好地评价实际水环境中微塑料对微藻的毒性效应。

参考文献 (48)

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