微(纳米)塑料对海洋渔业水...饵料藻类的生态风险评估研究_章敏.pdf

生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第 17 卷 第 6 期 2022 年 12 月Vol.17,No.6 Dec.2022 基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFD0901101);厦门青年创新基金项目(3502Z20206099);福建省自然科学基金项目(2021J01506)第一作者:章敏(1997),女,硕士研究生,研究方向为海洋生物学,E-mail: *通信作者(Corresponding author),E-mail:DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20211229002章敏,薄军,郑榕辉,等.微(纳米)塑料对海洋渔业水域中重要饵料藻类的生态风险评估研究J.生态毒理学报,2022,17(6):287-300Zhang M,Bo J,Zheng R H,et al.Ecological risk assessment of micro(nano)plastics to important bait algae in marine fishery waters J.Asian Journal ofEcotoxicology,2022,17(6):287-300(in Chinese)微(纳米)塑料对海洋渔业水域中重要饵料藻类的生态风险评估研究章敏1,薄军1,郑榕辉1,高富龙1,洪幅坤1,陈锦灿1,2,方超1,*1.自然资源部第三海洋研究所,海洋生物与生态实验室,厦门 3610052.厦门大学海洋与地球学院,近海海洋环境科学国家重点实验室,厦门 361102收稿日期:2021-12-29 录用日期:2022-03-26摘要:微(纳米)塑料(micro(nano)plastics,MNPs)污染已成为水环境中的热点问题,特别是对于有“海洋牧场”之称的海洋渔业水域,由于陆源性塑料垃圾排放、塑料渔具的大量使用以及海上航运等原因,MNPs 污染日益严重。饵料藻类作为渔业水域中重要的初级生产者,是维持生态系统稳定的第一道防线,也是污染物在水生食物链中传递的起点,并且响应污染物的毒性效应较为敏感。上述特征使饵料藻类成为开展渔业水域中污染物生态风险评估的理想生物。为评估 MNPs 对渔业水域中重要饵料藻类的生态风险,本研究通过文献检索分析了其中 4 门 9 科 12 种常见饵料藻类的毒理学研究数据。进一步利用 Graph-Pad Prism 8.0 软件计算 MNPs 对上述饵料藻类的半数有效浓度(median effect concentration,EC50),并运用 Rurrlioz 软件绘制物种敏感性分布(species sensitivity distribution,SSD)曲线。通过 SSD 曲线预测了不同环境浓度 MNPs 对饵料藻类的潜在影响比例(potential affected fractions,PAF),继而对全球 13 处渔业水域 MNPs 的生态风险进行评估。结果发现墨西哥湾 MNPs 的 PAF值超过 50%;另有 7 处渔业水域 MNPs 的 PAF 值介于 5%和 20%之间。基于上述结果并考虑到当前海洋塑料垃圾数量有可能被低估,本研究认为未来需要加强对渔业水域中 MNPs 生态风险的关注。同时,本研究还揭示了当前研究的局限性并对未来渔业水域中 MNPs 污染的生态风险评估研究提出了几点建议。关键词:微(纳米)塑料;饵料藻类;生态风险评估;渔业水域;物种敏感性分布文章编号:1673-5897(2022)6-287-14 中图分类号:X171.5 文献标识码:AEcological Risk Assessment of Micro(nano)plastics to Important Bait Al-gae in Marine Fishery WatersZhang Min1,Bo Jun1,Zheng Ronghui1,Gao Fulong1,Hong Fukun1,Chen Jincan1,2,Fang Chao1,*1.Laboratory of Marine Biology and Ecology,Third Institute of Oceanography,Ministry of Natural Resources,Xiamen 361005,China2.State Key Laboratory of Marine Environmental Science,College of Ocean and Earth Sciences,Xiamen University,Xiamen 361102,ChinaReceived 29 December 2021 accepted 26 March 2022Abstract:Micro(nano)plastics(MNPs)pollution has become a hot issue in the aquatic environment,especially inthe marine fishery waters known as“marine pasture”.Due to discharge of land-derived plastic debris,massive use288 生态毒理学报第 17 卷of plastic fishing gear and sea transportation,MNPs pollution is becoming more serious.As an important primaryproducer in fishery waters,bait alga is the first line of defense to maintain the stability of aquatic ecosystem,andthe starting point of pollutant transmission within the aquatic food chain,and its response is more sensitive to pollu-tants.Because of these characteristics,the bait alga becomes as a potential organism for the ecological risk assess-ment of pollutants in fishery waters.In order to evaluate the ecological risks of MNPs on important bait algae infishery waters,the toxicological research data of 12 species of common bait algae from 9 families in 4 phyla wereanalyzed through a literature search.The GraphPad Prism 8.0 software was used to calculate the median effectiveconcentration(EC50)of the bait algae,and the Rurrlioz software was used to obtain a species sensitivity distribution(SSD)curve.Furthermore,the SSD curve was applied to predict the potential affected fractions(PAF)of MNPs indifferent environmental concentrations on the bait algae,and then the ecological risks of MNPs in 13 fishery watersaround the world were evaluated.The results showed that the value of PAF in the Gulf of Mexico far exceeded50%.The values of PAF in other 7 fishery waters were between 5%and 20%.Therefore,the current amount ofmarine plastic waste may be underestimated according to the present data,and it is urgent to continue the ecologicalrisk assessment of MNPs in fishery waters.Meanwhile,the present study also revealed the limitations of current re-searches and provided several suggestions on the future research of MNPs in fishery waters and ecological risk as-sessment.Keywords:micro(nano)plastics(MNPs);bait alga;ecological risk assessment;fishery waters;species sensitivitydistribution(SSD)微塑料(micro-plastics,MPs)一般指的是粒径5mm 的塑料颗粒、纤维、碎片和薄膜等1,而对于纳米塑料(nano-plastics,NPs)的定义主要分为 2 种,一种为粒径1 m 的塑料类型2-3,另一种为1 000 g L-1,饵料藻类受 MNPs 损害的程度迅速增强,随着浓度不断升高,最终损害程度在 MNPs浓度为 1107g L-1时趋于平稳。HC5指的是某物种 5%的个体受到显著影响时,生存环境中 MNPs 相对应的浓度,也表示 95%的物种个体未受到有害影响时污染物的浓度。HC5的数值越小,表明 MNPs 对所研究物种的生态风险越大。由 SSD 曲线得到 MNPs 对饵料藻类的 HC5为 240 g L-1。图 1 饵料藻类对微(纳米)塑料的物种敏感性分布(SSD)曲线注:实际物种敏感性分布用蓝色实线表示,黑色虚线则分别表示上、下置信区间(95%)。Fig.1 Species sensitivity distribution(SSD)curve for bait algae exposed to micro(nano)plasticsNote:Solid blue curve represents concrete SSD;black dotted lines represent the 95%confidence intervals.292 生态毒理学报第 17 卷 不同浓度 MNPs 暴露得出的对不同饵料藻类的PAF 值,反映其对不同饵料藻类的损害程度。在获得 SSD 曲线的基础上,通过 Rurrlioz 2.0 软件可以计算得到不同浓度的 MNPs 对应的 PAF 预测值。当MNPs 浓度1102gL-1时,有4%的饵料藻类会受到 MNPs 的损害;随着浓度的增大,可能受到影响的物种比例也逐渐增大,当浓度为 1104gL-1时,可能受到危害的物种百分比为 20%;而当浓度为 1105gL-1时,受到影响的物种百分比达到47%(表 2)。2.3 渔业水域环境中 MNPs 的污染现状和生态风险评估根据 Jambeck 等54的调查,每年大约有 480 1 270 万 t 塑料垃圾进入海洋,如果持续这种状态到2025 年输入海洋的塑料垃圾累积数量预计将增加一个数量级;由于 MNPs 的粒径小,且空间分布非常不均匀,几乎存在于所有生态系统。海洋渔业水域通常集中于沿海范围,更容易受到陆源和海上来源MNPs 的双重污染。不同海洋渔业水域 MNPs 丰度和粒径特征具有很大差异性,主要与各水域离岸距离、人类活动、渔业养殖捕捞和运输等因素有关,主要的 MNPs 类型为 PP、PE、PS 和 PET11,20,55。以国内外共 13 处代表性渔业水域水体中主要种类和主要粒径的 MNPs 为评估对象,计算获得丰度数据,将结果统一换算成 g L-1后代入 SSD 曲线计算得到对应的 PAF 值,数据按照 PAF 值由低到高排序。如表 3 所示,发现墨西哥湾渔业水域中 MNPs 的 PAF值相对较大,最大值超过了 50%。表 2 不同浓度微(纳米)塑料对饵料藻类的潜在影响比例(PAF)预测值Table 2 Predicted potential affected fractions(PAF)values of the bait algae under exposure ofvarious concentrations of micro(nano)plastics微(纳米)塑料浓度/(g L-1)Concentration of micro(nano)plastics/(g L-1)PAF/%0.10.001.01.00102.001004.001 0009.00110420.00110547.003 讨论(Discussion)3.1 数据的选取绘制 SSD 曲线前的数据准备需要筛选合适的物种、暴露时间、毒性效应数据等以及统一单位,一般遵循适当性、可靠性和精确性 3 个原则40,68-69。当可用的数据集越丰富,误差的风险就越小,影响预测的不确定性就越低70。本研究绘制 SSD 曲线选取的物种符合 US EPA 建议的受试生物至少包括 3门 8 科的要求71。尽管欧盟水框架指导共同实施战略(2000/602/EC)和我国化学物质环境与健康危害评估技术导则(试行)建议运用慢性毒理学数据进行环境质量评价更为可靠,然而国内外 MNPs 对微藻毒理学实验研究中十分缺乏无可见效应浓度(no observed effectconcentration,NOEC)、最低可见效应浓度(lowest ob-servable effect concentration,LOEC)和 10%效应浓度(effective concentration at 10%inhibition,EC10)等慢性毒理学数据69,72-73。通过 EC50或半致死浓度(lethalconcentration 50%,LC50)等急性数据外推慢性数据NOEC 还存在一定争议74-75;现有选择 LC50作为评价指标的毒理学研究中,其研究对象通常为鱼类、甲壳类、软体动物和哺乳动物等76-77;但由于 MNPs 暴露造成生物死亡的剂量通常极高,获得 LC50相应的MNPs 暴露浓度往往远高于实际水环境中的浓度,造成实验结果无法很好地反映真实情况8。而 EC50的毒性终点可以选择生物响应 MNPs 最为敏感的生物学指标,相对应的 MNPs 暴露剂量更接近于环境浓度49,66,因此采用 EC50结果较 LC50更为合理。3.2基于 PAF 评估和预测当前及未来渔业水域MNPs 的生态风险PAF 可反映不同污染物对不同营养水平物种的损害程度,目前已有多个研究使用 SSD 曲线和 PAF评估海洋生物受污染物如重金属和 MNPs 等毒性影响的生态风险78-80。本研究总结并预测了全球 13处渔业水域中不同环境浓度的 MNPs 对饵料藻类的潜在影响比例,其中 7 处不同类型的渔业水域总体PAF 预测值为 5%20%(中国胶州湾中国桑沟湾韩国近海中国东海马鞍列岛海域人工鱼礁印度孟买海岸中国茅尾海中国海岸线沿岸站点),有 5处水域 PAF 值5%(中国台湾东部黑潮海域中国杭州湾北海南部黑海东南海岸中国象山湾),相应的生态风险较小;另外 1 处渔业水域(墨西哥湾)MPs 浓度对应 PAF 预测值范围中最大值超过 50%。第 6 期章敏等:微(纳米)塑料对海洋渔业水域中重要饵料藻类的生态风险评估研究293 表 3 部分代表性渔业水域微(纳米)塑料污染概况Table 3 Status of micro(nano)plastics pollution in some representative fishery waters水域Water area渔业水域主要类型Major type offishery waters主要微(纳米)塑料Major micro(nano)plastics主要粒径/mMajor size/m丰度/(个 L-1)Abundance/(particles L-1)单位换算后浓度/(g L-1)Concentration after unitconversion/(g L-1)PAF/%参考文献Reference中国台湾东部黑潮海域Kuroshio in the eastocean of Taiwan,China鱼类洄游通道Migration channel of fishPP,PE,PS,PET300 1 000010-5910-5010-26.6310-2056中国杭州湾Hangzhou Bay,China鱼类养殖场Fish farmPP,PE1 000(1.41.2)10-47.1310-2057北海南部The Southern North Sea鱼类、虾等索饵场Feeding ground of fishand shrimp,etc.PUR,PE,PP11 1000.023 9.71.3610-56.400 158黑海东南海岸The coast of theSoutheastern Black Sea鱼类索饵场和洄游通道Feeding ground andmigration channel of fishPE,PET118 1 0003.0810-31.6010-22.3610-311.80 259中国象山湾Xiangshan Bay,China鱼类、虾蟹养殖场Aquaculture ground of fish,shrimp,crab,etc.PE,PP,PS250 2 000(4.60.5)10-3(20.10.2)10-33.2010-289.250 314中国胶州湾Jiaozhou Bay,China鱼类、虾等养殖场Aquaculture groundof fish,shrimp,etc.PE,PET2 0001.7510-20.137.60102860中国桑沟湾Sanggou Bay,China鱼类、贝类、藻类等养殖场Aquaculture ground of fish,shellfish,alga,etc.PE50020.064.731.29103961294 生态毒理学报第 17 卷续表3水域Water area渔业水域主要类型Major type offishery waters主要微(纳米)塑料Major micro(nano)plastics主要粒径/mMajor size/m丰度/(个 L-1)Abundance/(particles L-1)单位换算后浓度/(g L-1)Concentration after unitconversion/(g L-1)PAF/%参考文献Reference韩国近海Coastal waters of ROK鱼类、贝类、藻类等养殖场Aquaculture ground of fish,shellfish,alga,etc.PP,PE197168、7527110.8719.5110-31.401030 1062中国东海马鞍列岛海域人工鱼礁Artificial reefs around the MaanArchipelago,East China Sea鱼类、贝类、蟹等养殖场Aquaculture ground of fish,shellfish,crab,etc.PP,PE1 000(0.160.10)(0.470.20)2.401031263印度孟买海岸Mumbai coast,India鱼类、虾等养殖场Aquaculture ground of fish,shrimp,etc.PP,PE,PS,PA,PET,PMMA2503721432.971031364中国茅尾海Maowei Sea,China鱼类、贝类养殖场Aquaculture ground of fish,shellfish,etc.PES,PP,PE1 0000.82 6.903.541031465中国海岸线沿岸站点Sites along the coastline of China贝类养殖场、索饵场Aquaculture ground,feeding ground of shellfish,etc.PET250 1 0000.68 6.447.68 4.751031 1566墨西哥湾Gulf of Mexico鱼类、虾等索饵场、产卵场Feeding ground,spawningground of fish,shrimp,etc.PE,PP,PS,PET10 1 7301516.7210-25.771050 7567注:PP 为聚丙烯;PE 为聚乙烯;PS 为聚苯乙烯;PET 为聚对苯二甲酸乙二醇酯;PUR 为聚氨酯;PA 为聚酰胺;PES 为聚醚砜。Note:PP stands for polypropylene;PE stands for polyethylene;PS stands for polystyrene;PET stands for polyethylene glycol terephthalate;PUR stands for polyurethane;PA stands for polyamide;PES stands for poly-ester.第 6 期章敏等:微(纳米)塑料对海洋渔业水域中重要饵料藻类的生态风险评估研究295 PAF 预测值最高的墨西哥湾污染水域中 MNPs的来源广泛,包括近岸旅游活动、工业运输、商业捕捞和海水养殖等人类活动以及河流输入;此外,半封闭式海湾是墨西哥湾污染水域的突出特征,由于海水交换能力较弱,造成 MNPs 较难扩散而导致累积57,67。2021 年 10 月联合国环境规划署(UnitedNations Environment Programme,UNEP)发布有关海洋垃圾和塑料污染的综合评估报告称,到 2040 年流入海洋的塑料垃圾污染量将增加至 2016 年的 3 倍(每年 2 300 3 700 万 t)81。而塑料垃圾实际测得质量仅仅是模型估算值的 1%,剩余 99%的海洋塑料垃圾不知去向82。因此,在可预见的未来,渔业水域中 MNPs 的丰度还会不断增加。本研究基于实验室毒理学研究结果绘制的 SSD 曲线,计算得到的PAF 预测值虽与现实环境存在偏差,但对于评估将来水环境中 MNPs 的生态风险仍具有一定的参考价值。同时,未来渔业水域中 MNPs 对水生生物的生态风险还需要更全面和持久的监测与评估。3.3 选取饵料藻类开展渔业水域 MNPs 生态风险评估的意义微藻是水生生态系统中最重要的初级生产者,是众多水生生物的能量来源,其数量及结构受到污染影响,最终都可能影响水生生态系统的结构和功能,因此微藻是生态系统维持稳定的第一道防线35,83。MNPs 的含量以及毒性效应可能通过食物链传递到更高营养级25,如 Gambardella 等47研究发现 PS 纳米颗粒可能会通过食物链传递(从藻类到浮游动物再到鱼类),最终影响鱼类的新陈代谢和个体行为,该结果与 Cedervall 等84的研究结果一致。并且微藻对 MNPs 毒性效应响应较为敏感,主要的毒性效应与机制表现为吸附和遮蔽效应、破坏细胞结构、抑制生长和诱导氧化应激等43,85-86。因此,本研究选取饵料藻类开展渔业水域 MNPs 毒性效应风险研究,可为渔业水域的生态风险评估提供合理的参考依据。3.4 当前研究的局限性(1)目前 MNPs 对饵料藻类的实验室暴露浓度单位不统一,且大都采用“名义浓度”(如 gL-1和mg L-1)来表征,考虑到塑料是一类难溶颗粒物而不是溶质,故采用名义浓度不是特别恰当。(2)MNPs 的实验室暴露浓度大都采用 gL-1或 mg L-1来表征,而现实环境中的监测浓度大都采用个 L-1、个km-2和个m-3等来表征,因此在利用SSD 曲线进行生态风险评估时,需将两者的单位换算成统一格式。由于塑料是难溶颗粒物且形状和尺寸各异,因此在实验室浓度和环境浓度进行互相换算时,不可避免地存在误差和不确定性。(3)本研究在进行浓度单位换算时,将所有MNPs 都视为规则的微珠,而忽略了纤维和碎片等不规则形状的 MNPs,造成结果产生偏差。这一方面是由于当前的实验室暴露实验往往只选取微珠形状的 MNPs 开展实验,缺少其他形状 MNPs 的毒理学数据87;另一方面,野外监测结果仅报道了纤维和碎片等 MNPs 的长度,而没有提供体积数据,导致无法计算其质量,阻碍了单位间的换算。(4)实验室暴露实验采用的 MNPs 浓度过于追求效应的产生,设置的浓度远高于环境浓度88,导致MNPs 慢性毒理学数据极为匮乏,使生态风险评估结果的实际应用价值受到影响。(5)大多数毒性研究只注重 MNPs 单独暴露对饵料藻类产生的毒性效应;而已知 MNPs 对重金属、疏水性有机化学品和其他持久性有机污染物具有很强的吸附能力,且 MNPs 与某些其他污染物混合对藻类的综合毒性具有协同作用89-92,MNPs 单独暴露忽视了 MNPs 与其他污染物的相互作用。(6)针对污染物对微藻产生的毒性效应机制不明确,缺乏统一的敏感生物学效应指标43,导致毒性效应评估结果之间缺乏可比性。(7)利用 SSD 曲线进行风险评估,本研究存在所选取的饵料藻类种类不全面的问题,缺乏淡水藻的毒性数据,影响了评估结果的全面性72-73,93。3.5 展望与建议本研究以饵料藻类作为对象,选取了 4 门 9 科共 12 种渔业水域常见饵料藻类受 MNPs 暴露实验的 EC50数据,绘制了 SSD 曲线,计算得到 PAF 值,开展渔业水域 MNPs 风险评估。进一步总结了全球不同渔业水域 MNPs 污染现状,通过预测 PAF 值进行生态风险评估,区分了不同渔业水域中 MNPs 生态风险的水平。因此,本研究为 MNPs 的生态风险评估提供了新思路和新视角。此外,本研究揭示了当前研究的局限性,并对将来 MNPs 的毒理学研究和生态风险评估提出了以下建议和展望:(1)统一现场监测和实验室暴露实验所使用的浓度单位,建议采用数量单位(如个 L-1)而非浓度单位,使不同研究之间更具可比性。(2)开发可快速测定纤维、碎片和颗粒等不规则296 生态毒理学报第 17 卷MNPs 体积的三维测量软件,实现这些塑料数量和质量之间的换算。(3)由于渔业水域中纤维状 MNPs 的占比最高,其次为碎片,而不同形状的 MNPs 具有不同的毒性效应87,94-95。因此建议实验室暴露实验应尝试以纤维、碎片和泡沫等形状的 MNPs 作为材料,研究不同形状的 MNPs 对饵料藻类的毒性效应和机制。(4)统一确立饵料藻类响应 MNPs 的毒性效应指标,并参考 PAF 值在 SSD 曲线上所对应的 MNPs浓度来设计实验室内暴露浓度,使其更接近于环境浓度,并通过长期暴露,获得 NOEC、LOEC 和 EC10等数据,完善慢性毒理学数据库。(5)开展完善 MNPs 和其他污染物的单独及联合暴露实验研究,探讨 MNPs 与其他污染物对饵料藻类的联合毒性效应和机制。(6)进一步补充 MNPs 对海水和淡水渔业水域不同种类饵料藻类的毒理学研究数据,如金藻门如巴夫藻(Pavlova viridis)、蓝藻门如螺旋藻(Spirulinasp.)和隐藻门如卵形隐藻(Cryptomons ovata)等;构建更为完善的 SSD 曲线,获得更为准确的生态风险评估结论。(7)加强对 MNPs 的环境行为及其在食物链中传递过程的研究。认识到 MNPs 在环境中的迁移和分布等环境行为以及食物链传递过程是评估其生态风险的重要环节,在将来的生态风险评估模型构建中也需要将它们作为其中一个重要影响因素。通信作者简介:方超(1984),男,博士,副研究员,主要研究方向为海洋生态毒理学。参考文献(References):1 Thompson R C,Olsen Y,Mitchell R P,et 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