微塑料生物毒性及影响研究进展_张合彩.pdf

2 0 2 3年7月第4 7卷第4期安徽大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fA n h u iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y2 0 2 3V o l.4 7N o.4d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 0-2 1 6 2.2 0 2 3.0 4.0 0 9收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 5基金项目:国家自然科学基金资助项目(2 1 7 0 2 0 1 0)作者简介:张合彩(1 9 7 7),女,河南平顶山人,河南师范大学副教授,博士,E-m a i l:z h c a i 9 3 3 91 6 3.c o m;*陈广文(通信作者),河南师范大学教授,博士,E-m a i l:c h e n g w 0 1 8 3s i n a.c o m.微塑料生物毒性及影响研究进展张合彩,王彩会,石长应,陈广文*(河南师范大学 生命科学学院,河南 新乡4 5 3 0 0 7)摘 要:随着塑料制品的大量使用,微塑料作为一种新型污染物普遍存在于当今生态系统中,其对生态环境和人类健康的影响越来越受到人们的关注.笔者从动物、植物、微生物以及人群等4个方面对微塑料生物毒性及影响进行综述,并指出该领域的现存问题及今后发展方向,以期为微塑料的生态安全和环境风险评价提供数据资料,为其污染防治提供理论指导.关键词:微塑料;生物毒性;研究进展中图分类号:X 1 7 1.5;X 5 0 3.2 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-2 1 6 2(2 0 2 3)0 4-0 0 6 7-1 0R e s e a r c hp r o g r e s s i nb i o t o x i c i t ya n d i n f l u e n c eo fm i c r o p l a s t i c sZ HANG H e c a i,WANGC a i h u i,S H IC h a n g y i n g,CHE NG u a n g w e n*(C o l l e g eo fL i f eS c i e n c e s,H e n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,X i n x i a n g4 5 3 0 0 7,C h i n a)A b s t r a c t:W i t ht h ee x t e n s i v eu s eo fp l a s t i cp r o d u c t s,m i c r o p l a s t i c sa san o v e l p o l l u t a n t e x i s t sw i d e l yi nc u r r e n te c o s y s t e m.I t si m p a c to ne c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t hh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ec o n c e r n s.I nt h i sp a p e r,t h eb i o l o g i c a lt o x i c i t ya n di m p a c to fm i c r o p l a s t i c s w e r er e v i e w e df r o m f o u ra s p e c t s:a n i m a l s,p l a n t s,m i c r o o r g a n i s m sa n dh u m a n s.M e a n w h i l e,t h ee x i s t i n gi s s u e sa n df u t u r ed i r e c t i o n si nt h i sf i e l d w e r ef u r t h e ro u t l i n e d.T h i s r e v i e ww i l lp r o v i d e i n f o r m a t i o nf o rt h ee c o l o g i c a l s e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n to fm i c r o p l a s t i c sa sw e l l a st h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o r i t sp o l l u t i o nc o n t r o la n dt r e a t m e n t.K e y w o r d s:m i c r o p l a s t i c s;b i o t o x i c i t y;r e s e a r c hp r o g r e s s微塑料(m i c r o p l a s t i c s,简称MP s)作为一种新型污染物,在当今生态系统中普遍存在.微塑料是粒径从几微米到几毫米、形状不一的塑料混合体的总称,通常被定义为小于5mm的聚合物颗粒,并且呈现出各种形态,包括珠状、碎片状、纤维状、薄膜状等,其主要成分包括聚乙烯(P E)、聚丙烯(P P)、聚苯乙烯(P S)、聚氯乙烯(P V C)、聚氨酯(P UR)和聚对苯二甲酸乙二酯(P E T)等6种1-2.在机械磨损、紫外辐射和生物降解等环境及生物因素的综合作用下,环境中的塑料垃圾降解速度加快,大的碎片会逐渐分解成更小的颗粒,如果大小在5mm和1m之间,称为微塑料;在1m以下则称为纳米塑料3-4.根据其来源不同,微塑料又可分为原生微塑料和次生微塑料.由人类制造的粒径小于5mm的专门用于某些产品(如去角质剂和牙膏)或工业(如钻井液和工业磨料)的塑料颗粒、碎片等被称为原生微塑料;而那些由大块塑料排入环境后通过自然或生物因素降解破碎成粒径小于5 mm的微塑料则被称为次生微塑料5-6.塑料制品由于其轻便、耐用、成本低、可塑性强等特性被广泛应用于航空航天、军事、农业、工业以及日常生活等多个领域.自1 9 5 0年以来,全球塑料产量呈指数级增长.伴随着塑料制品的大量使用,塑料垃圾在海洋、淡水和陆地环境中堆积、碎裂而造成的环境威胁日益明显7.据估算,2 0 1 0年1 9 2个沿海国家产生了2.7 5亿吨塑料垃圾,其中4 8 0万至12 7 0万吨进入海洋.预计到2 0 2 5年,从陆地进入海洋的塑料垃圾累积量将增加一个数量级8.而在我国微塑料的污染也非常严重.调查显示,在武汉2 0个城市淡水湖泊以及汉江、长江城区的表层水中微塑料浓度已达到(16 6 06 3 9.1)(89 2 515 9 1)p a r tm-3,在厦门沿海地区表层海水中微塑料的浓度已达到1 0 320 1 7p a r tm-3,沉积物中也达到7 63 3 3p a r tk g-19-1 0.与环境中较大的塑料碎片不同,微塑料相对来说很小,不能简单机械地从动物栖息地中去除或回收利用,由于其稳定的化学性质,可在环境中存在数百年到几千年,已成为海洋环境污染不容忽视的问题1 1-1 2.除了污染海洋,微塑料还会污染淡水、沉积物、土壤、空气,甚至人类饮食(例如啤酒、海盐和自来水)等1 3.大量文献表明,多种动物可直接或间接吞食微塑料并在体内富集,其中水生动物尤甚,包括浮游动物、双壳类、甲壳类及鱼类等1 4.另外,微塑料对植物和微生物也有一定的毒性和影响1 5-1 6.微塑料存在的广泛性与持久性使其生物毒性效应及环境风险评价越来越受到人们的关注.在W e bo fS c i e n c e数据库中用主题关键词“m i c r o p l a s t i c s&t o x i c i t yo re f f e c t”进行文献检索,可发现微塑料生物毒性及影响相关论文的数量在最近1 0年显著上升(图1).笔者就国内外关于微塑料生物毒性及影响的研究从动物、植物、微生物以及人群等4个方面进行综述,以期为微塑料的生态毒性和环境风险评价提供数据资料,为其污染防治提供理论指导.图1 报道微塑料(蓝色)及微塑料毒性(红色)的期刊论文数的即时变化(2 0 0 32 0 2 1年)1 微塑料对动物的毒性动物由于其毒性指标丰富而成为环境毒理学和生态毒理学研究常用的受试生物.截至目前,关于微塑料对动物毒性的研究有很多,涉及水生动物和陆生动物.总体而言,微塑料对动物的毒性效应主要表现在影响基因表达,引起氧化损伤、细胞凋亡、组织病理改变、神经毒性以及生殖毒性等分子/细胞/组织/器官/系统水平的变化,以及影响运动、抑制摄食、延缓生长发育、降低繁殖率、增加死亡率等个体/整体水平的变化.86安徽大学学报(自然科学版)第4 7卷1.1 微塑料对水生动物的毒性水环境中的微塑料一般有3个去向:一是广泛分散到水体中;二是沉降到水底沉积物中;三是被滤食动物和底栖动物摄食,并可能进入食物网,最终通过饮食到达人体1 4,1 7.由于大多数水生生物主要依赖形状、大小和颜色判断食物,缺乏进一步的选择机制,因此很多低密度的微塑料可以被浮游的滤食性动物摄取,而高密度沉降的微塑料则可以被以沉积物为食的底栖动物摄取1 8.微塑料的摄取会对水生动物产生毒性作用,主要表现在影响其免疫反应和氧化应激,引发组织病理改变及神经毒性,抑制动物的摄食率,降低其繁殖率和生长速度等1 7,1 9-2 7.塑料垃圾已经成为海洋生态环境最严重的威胁之一,据统计超过6 9 0种海洋物种受到垃圾碎片的影响,其中塑料碎片占比超过9 0%2 8.河流、雨水和污水是塑料碎片进入海洋的主要途径6,2 9.海洋微塑料被称为海洋中的“PM2.5”,因其会对海洋生物产生生物毒性,已成为全世界环境学家、海洋生物学家研究的热点3 0.浮游动物摄食时会过滤大量被微塑料污染的地表水,作为鱼类等许多次级消费者的重要食物来源会增加处于较高营养级水平的物种接触和食用微塑料的风险1 9,3 1.卤虫(A r t e m i as a l i n a)作为一种浮游动物在从湖泊到海洋不同咸水系统食物链能量流动中占有重要地位.S u m a n等1 9发现卤虫在聚苯乙烯(P S)微塑料急性和慢性暴露后,生物富集和活性氧(R O S)产生呈浓度依赖性增加;组织病理分析显示其中肠区上皮细胞在急性和慢性暴露一定浓度P S微塑料后均发生变形;慢性暴露后的转录组分析结果则提示与1 5 6个K E G G通路相关的7 2 1个基因发生了差异表达.P S微塑料暴露潮间带纹藤壶(Am p h i b a l a n u sa mp h i t r i t e)的研究表明,其对藤壶的毒性影响具有显著的代际效应:亲代虫体暴露于不同浓度的微塑料会显著增加子代幼虫的死亡率,延缓子代幼虫的发育2 0.这种有害的代际影响可能会显著抑制浮游动物幼虫种群增长,从而影响其长期的种群可持续性.而微塑料聚乙烯(P E)和聚酰胺-尼龙6(P A 6)暴露日本虎斑猛水蚤(T i g r i o p u s j a p o n i c u s)的研究则表明微塑料对日本虎斑猛水蚤的摄食、排泄、繁殖和生存以及二甲基硫醚(DM S)和二甲基巯基丙酸(DM S P)的产生均有不利影响,并且该影响呈现显著的剂量-效应关系2 1.上述研究表明微塑料对海洋动物有明显的毒性作用,主要表现在引发组织损伤,影响特定基因表达、氧化应激以及摄食、繁殖等生理过程,增加子代死亡率,抑制种群增长等.微塑料对淡水动物的毒性研究主要集中在淡水鱼类.大量研究表明微塑料广泛存在于鱼类的肠道和鳃中.S u n等3 2调查了广东省北部和西部1 1个城市尼罗罗非鱼(O r e o c h r o m i sn i l o t i c u s)和鲮鱼(C i r-r h i n u sm o l i t o r e l l a)两种经济淡水鱼的MP s污染状况,结果发现在调查的7 6个个体中有4 3.4%的个体胃肠道内发现微塑料,2 5%的个体鳃中含有微塑料.而在珠三角河网水域中检测到8种常见野生鱼类平均每条摄入1.6个微塑料,鳃部的平均丰度为(0.6 3 81.2 7 6)i t e m sg-1,肠道的平均丰度为(0.2 5 60.3 2 6)i t e m sg-13 3.斑马鱼(D a n i or e r i o)原产于南亚的河流,主要分布在印度北部、巴基斯坦、不丹和尼泊尔,在行为研究以及环境毒理学和生态毒理学相关研究中被广泛用作模式生物,通常在其发育的早期阶段用于筛选化学物或者颗粒物的毒性3 4-3 5.d eO l i v e i r a等2 2的研究表明聚乳酸生物微塑料(P L A-B i o MP s)暴露可降低斑马鱼幼鱼游动的距离及速度,使斑马鱼产生焦虑样行为,这说明微塑料对斑马鱼有神经毒性作用;该研究还发现P L A-B i o MP s可在斑马鱼体内积累,并抑制其乙酰胆碱酯酶活力.同年,另一项关于微塑料暴露斑马鱼的毒理学研究发现微塑料纤维可被不同发育时期的斑马鱼摄取,并引起纤维长度依赖的肠道损伤和摄食抑制;代谢组分析表明其潜在毒性机制涉及甘油磷脂代谢上调,加剧氧化损伤和炎症以及与营养缺乏相关的脂肪酸代谢下调2 3.在生态毒理学研究中,金鱼(C a r a s s i u sa u r a t u s)和鲤鱼(C y p r i n u s c a r p i o)也是常用的水生实验动物.R o m a n o等2 4用聚氯乙烯(P V C)微塑料暴露金鱼后检测其鳃、肝、肠的组织病理改变,脑、肝、鳃的抗氧化系统改变以及肝I G F-1、I G F B P-1、C Y P1A等基因的表达改变,结果表明环境相关P V C微塑料暴露会引起金鱼脑、肝的氧化损伤,导致小肠及肝组织病理改变及相关基因表达改变.而X i a及其同事2 5在对鲤鱼的研究中也得到了类似的结论,P V C微塑料可显著抑制鲤鱼幼鱼的生长,引起肝脏、肠道和鳃的氧化损伤及肝脏的组织病理损伤.大型溞由于对毒物敏感性较高而被广泛用于化学品毒性评价、水污染检测等领域.李勤等2 6选择大型溞为96第4期张合彩,等:微塑料生物毒性及影响研究进展受试动物,研究了P V C微塑料的生物毒性,结果表明P V C暴露对大型溞的摄食率、心率及抗氧化系统均有一定影响,并会对其后续生长及繁殖产生不利影响.而同年方海燕等2 7的研究也证明P V C微塑料暴露会显著降低大型溞的繁殖量,上调大型溞S O D、C A T、HS P7 0等基因的表达.淡水涡虫是一类较为低等的无脊椎动物,由于具有强大的再生能力而成为评估污染物暴露影响再生过程和细胞稳态的理想模型.G a m b i n o等1 7用拌有不同大小、不同形态P E微塑料的鸡肝喂食日本三角涡虫(D u g e s i aj a p o n i-c a),发现不同类型的微塑料并未改变涡虫的摄食活动,但是微塑料在涡虫体内的存留时间却与其大小有关,粒径越小的塑料微粒和长度越短的微塑料纤维在涡虫体内存留的时间越长;透射电镜观察发现部分微塑料被涡虫肠上皮细胞吞噬;微塑料的慢性暴露引起了涡虫肠上皮厚度和肠上皮细胞脂含量的显著下降,同时诱导细胞凋亡,调节D j g a t a4/5/6基因表达,生长率下降.总之,一定浓度的微塑料会对斑马鱼、金鱼、鲤鱼等淡水鱼类以及大型溞、日本三角涡虫等淡水无脊椎动物产生物理损伤及毒性效应,如消化道的病理损伤、氧化损伤、神经毒性、基因表达改变、生长和繁殖抑制等.除了直接影响,微塑料由于具有较大的比表面积和表面功能团还可以吸附水体中的重金属等污染物从而改变其生物利用度及对水生生物的毒性.近来,微塑料与重金属的联合污染研究成为热点,已有研究表明不同类型的微塑料可促进N i,C u,Z n,C d以及其他重金属的积累3 6.P S微塑料与重金属C d共暴露能够对草鱼的鳃、肾、肝和肌肉造成不同程度的损伤,表现出明显的毒性增强效应,即P S的存在可提高鱼体内C d的浓度,加速鱼的死亡,且随着浓度的增加,协同作用增强.其原因可能是P S表面的羰基与C d之间的静电吸引促进了C d在P S上的吸附.而S a n t o s等3 7的研究也发现微塑料单独或与C u联合暴露在分子、细胞和生理水平上均对斑马鱼大脑有影响,主要表现为调节抗氧化系统,诱导细胞凋亡,降低神经元增殖,上调A C h E活力及改变多巴胺系统,并最终导致斑马鱼游泳活动和社会行为中断等行为的改变.总体而言,MP s与C u之间存在显著的相互作用,塑料颗粒的存在比单独C u暴露毒性更强,这表明MP s效应可能具有重叠的C u毒性.1.2 微塑料对陆生动物的毒性研究表明进入陆地环境的微塑料远高于海洋和淡水环境中微塑料含量的总和,每年释放到陆地上的微塑料是海洋中的42 3倍3 8.但是,目前关于微塑料对陆生动物影响的研究较少,主要见于以土壤动物和哺乳动物为受试对象的毒理学研究.1.2.1 对土壤动物的毒性微塑料对土壤动物的毒性影响研究较少,目前仅见少数关于微塑料对土壤动物毒性效应的报道.蚯蚓是土壤动物中生物量相对较大的一类动物,由于其比较脆弱,因而被广泛用作检测微塑料、多环芳烃、农药等污染物毒性的模式动物.Kw a k和A n3 9的研究揭示P E微塑料暴露安德爱胜蚓(E i s e n i aa n d r e i)会明显损害其精子发生,影响精子束在精囊中的排列,同时还会抑制体腔细胞的存活,这说明微塑料对蚯蚓有明显的生殖毒性.微塑料对土壤动物的毒性研究除了以蚯蚓为实验动物,跳虫也是研究食物链中微塑料迁移毒性合适的实验对象.有研究发现经过生物降解,在食物链中迁移的微塑料对土壤白符跳(F o l s o m i ac a n d i d a)具有毒性作用,主要表现在抑制生长率、降低繁殖率和成活率,从而减少跳虫的生物量4 0.此外,还有一些文献探讨了微塑料和其他污染物对土壤动物的联合毒性,结果表明微塑料的存在会增加其他土壤污染物的生物毒性.X u及其同事4 1研究了微塑料对蚯蚓体内菲富积、清除的影响及其毒性机制.结果表明,微塑料能够破坏蚯蚓皮肤和体腔细胞,增加菲在蚯蚓体内的累积;微塑料在细胞和分子水平上增 强 了 菲 的 毒 性 效 应,并 调 控 菲 在 蚯 蚓 体 内 的 累 积 动 力 学 和 毒 性.通 过 缩 微 模 拟 实 验(m i c r o c o s me x p e r i m e n t),H u a n g等4 2探究了P E微塑料和C d对蚯蚓的联合作用,结果表明,微塑料和C d共暴露会对蚯蚓的生长和繁殖产生不利影响,显著诱导氧化应激,引起组织病理改变和精子D NA损伤.微塑料的存在增加了土壤中C d的有效性和在蚯蚓体内的生物富集,从而加剧了对蚯蚓的联合毒性.1.2.2 对哺乳动物的毒性探究微塑料对哺乳动物毒性的研究相对较少,主要集中在对模式动物小鼠的毒性研究.有研究表明07安徽大学学报(自然科学版)第4 7卷P E微塑料能够沿食物链蝌蚪鱼小鼠转移,并对处于最高营养级的小鼠的行为产生不良影响(焦虑与反捕食),其与饮用含P E微塑料水的小鼠(直接暴露)产生的反应相似,说明P E微塑料对小鼠有神经毒性作用4 3.J i n及其合作者4 4发现P S微塑料对雄性小鼠具有生殖毒性作用,在0.5,4,1 0mP S微塑料染毒后,小鼠睾丸出现生精障碍、睾酮水平下降、睾丸炎症和血-睾屏障破坏.而Z h e n g等4 5的研究还发现P S微塑料暴露可加重结肠炎小鼠的炎症反应,促进脂肪细胞分化,促使肝脏脂质过氧化水平升高,进而导致肝脏代谢紊乱.综上,微塑料对哺乳动物的毒性效应主要表现在引发神经毒性、生殖毒性、炎症反应以及脂质过氧化等方面.2 微塑料对植物的毒性植物作为生产者,是所有生态系统中能量和有机物质的最初来源1 5.植物按生境可分为陆生植物和水生植物,二者都在生态环境中起重要作用.2.1 对陆生植物的毒性土壤中的微塑料通过迁移积累在植物体,然后通过食物链进入人体,最终将会给人类健康和生态环境带来风险,因此研究微塑料对植物的影响意义重大.相关研究表明微塑料可对陆生植物的生理功能产生不利影响,不同类型和剂量的微塑料可不同程度地延迟种子萌发,抑制植物生长,诱导生态毒性和遗传毒性4 6-4 9.根生长和种子萌发是评估微塑料对植物影响的重要直接指标.B o s k e r及其合作者4 6首次研究了纳米塑料和微塑料被陆生维管植物独行菜(L e p i d i u ms a t i v u m)的吸附、吸收及其对独行菜的毒性效应.结果表明微塑料可降低独行菜种子的发芽率,其原因主要是塑料微粒通过物理作用阻塞种子囊孔所致;此外,研究还发现塑料微粒主要被吸附在根毛上,从而影响根的生长.黄献培等4 9发现P S微塑料暴露对菜心(B r a s s i c ac a mp e s t r i s)种子发芽率、根长、芽长及其生物量均有一定的抑制作用;并且P S微塑料对菜心幼苗超氧化物歧化酶(S O D)和过氧化氢酶(C AT)活力有抑制作用,其毒性作用机制涉及菜心对体内可溶性糖和蛋白质含量的调节以及自身的氧化应激系统.综上,微塑料可通过堵塞种子囊孔,吸附在根毛处限制根对水分和营养物质的吸收,以及聚集在植物的根、茎、叶,从而直接影响植物;也可通过影响土壤理化特性、土壤微生物和动物种类而间接影响植物5 0.2.2 对水生植物的毒性微塑料对水生植物也有毒性作用.水体表面浮游植物,即微藻类是水生态系统中向食物网提供能量的重要生态群落,在诸如碳循环等生态系统功能中起着重要作用.H i t c h c o c k5 1在澳大利亚G e o r g eR i v e r通过2轮为时6d的微环境实验检测了不同浓度微塑料纤维对浮游植物群落结构的影响.结果表明高浓度的微塑料显著改变了浮游植物的群落结构,即蓝藻类群隐球藻和假鱼腥藻的丰度明显增加,而其他类群包括十字藻和衣藻的丰度则降低.而微塑料对微藻种群影响的相关研究则表明微塑料会通过降低营养的吸收和利用或减少捕食物种的种群而扰乱微藻种群调控机制.研究还表明微塑料对微藻的毒性强弱也与其性质有关,体积较小以及表面带正电的微塑料有更高的毒性5 2.M a o及其同事5 3用不同大小、不同浓度的P S微塑料暴露蛋白核小球藻(C h l o r e l l ap y r e n o i d o s a)以研究微塑料对其整个生长周期的影响.结果表明P S微塑料对蛋白核小球藻从滞后期到早对数期的生长有剂量依赖的不良影响.此外,除了观察到小球藻光合作用活性降低外,还观察到蛋白核不清、类囊体畸形和细胞膜受损等毒害现象,这可能是由于微塑料引起的物理损伤和氧化应激所致.而P S微塑料对漂浮植物槐叶萍(S a l v i n i ac u c u l l a t a)的暴露实验则表明P S并未显著影响植物的光合作用和叶的形态特征,但是槐叶萍的相对生长率和根的活性却显著降低了,这提示微塑料对水生植物的影响可能与被暴露的特定器官有关;同时研究还提示7 5m gL-1P S微塑料暴露可活化植物的抗氧化防御系统,通过升高超氧化物歧化酶(S O D)、抗坏血酸过氧化物酶(A P X)、过氧化氢酶(C AT)等抗氧化酶活力来应对氧化应激5 4.而另一项关于微塑料植物毒性的研究用化妆品中的P E微珠暴露漂浮植物浮萍(L e m n am i n o r)以评估P E对浮萍叶生长率、叶绿素a和b的含量、根的数目、根长以及根细胞生存力的影响.结果发现尽管P E微珠并未影响浮萍叶的生长率及光合色素含量,但是却因P E微珠吸附到根表面造成机械阻塞而显著抑制了17第4期张合彩,等:微塑料生物毒性及影响研究进展根的生长;研究还发现尖锐的P E颗粒还可使浮萍根细胞生存力下降,而表面光滑的微珠则几乎没有影响5 5.综上所述,水体中漂浮植物的运动可吸附和吸收微塑料.这些吸附的微塑料会抑制水生植物根的生长、光合作用活力及细胞生存力.与微塑料的单独毒性相比,微塑料与其他污染物的共暴露对植物具有较为复杂的毒性作用,即相同浓度下,联合毒性大于单独微塑料处理的毒性而小于单独污染物处理的毒性.微米级聚乙烯(m P E)与石油(WA F)对小球藻(C h l o r e l l av u l g a r i s)的毒性实验显示,高浓度的m P E和老化的m P E对小球藻毒性更大,能对小球藻细胞造成物理损伤,进而抑制细胞的生长.m P E和WA F复合处理组比单一m P E处理组对小球藻的毒性明显增加,但毒性却小于单一WA F处理组.这主要是由于m P E与WA F之间存在竞争性抑制,m P E可通过调节A B C转运蛋白、真核细胞核糖体合成和柠檬酸循环代谢而降低石油对小球藻的毒性5 6.Y a n g等5 7关于C d和微塑料对浮萍生理反应、超微结构及根际微生物群落影响的研究也得到了类似的结论:与非处理的对照组相比,C d和微塑料单一或复合胁迫均抑制浮萍的生长,缩短其根长,降低其叶绿素含量;但与单一C d处理相比,微塑料联合C d的复合处理却使浮萍的生长速率提高,S O D活性升高,叶绿体结构损伤减弱,这表明复合胁迫可降低重金属对浮萍的毒性作用.3 微塑料对微生物的影响大量研究表明微塑料对微生物的影响是双重的:一方面,它能够从周围环境(包括河流、海水、土壤等)富集微生物,并提供一个独特的生态位支持特定微生物的生长,从而影响微生物的群落组成;另一方面微塑料除了选择性富集微生物和病原菌外,还会富集重金属、抗生素以及抗生素抗性基因等化学污染物,而这些化学污染物能够抑制微生物在微塑料上的数量增长.3.1 单独微塑料对微生物的影响由于微塑料提供了微生物定植的新介质,因而可以改变土壤中的微生物群落组成和酶活力,但由于土壤、微塑料和孵育条件的不同,微塑料对土壤微生物和酶的影响具有高度的可变性1 6.W i e d n e r和P o l i f k a5 8把5种不同类型的微塑料杂质加入农用土壤以进行孵育实验,结果发现不同类型的微塑料对土壤微生物有相反的影响(或促进或抑制),这取决于塑料的来源和性质.H u a n g及其合作者5 9研究评价了聚乙烯(P E)微塑料对土壤酶活性和细菌群落的影响,并调查了微生物群在微塑料上的定植情况.结果发现P E微塑料显著提高了土壤中脲酶和过氧化氢酶活力,并且改变了土壤细菌群落组成:塑料降解菌和病原菌等一些类群在微塑料上更为丰富.F e i等6 0在酸性土壤中分别添加1%和5%的聚乙烯(P E)和聚氯乙烯(P V C)微塑料,测定其酶活性和细菌群落的变化.结果表明,P E和P V C的加入均抑制了荧光素二乙酸酯水解酶的活性,刺激了脲酶和酸性磷酸酶的活性,降低了细菌群落的丰富度和多样性.综上所述,土壤中的微塑料可作为微生物定植的一种独特底物,从而改变土壤细菌群落组成,最终可能改变土壤的生态功能和一些生化过程.与土壤中微塑料上微生物定植相似,水体中微塑料上的微生物群落多样性也较低.M c C o r m i c k等6 1首次研究了淡水生态系统中定植于微塑料上的微生物群落.其研究结果表明微塑料可以作为河流中细菌的栖息地.与来自水层和悬浮有机物中的细菌群落相比,在河流中定植于微塑料上的细菌群落的多样性较低,且在分类组成上存在显著差异.3.2 富集污染物的微塑料对微生物的影响由于水中的污染物能够随水体流动而更加广泛分散,微塑料的结构也易于从周围水体中富集细菌和抗生素,所以水体中的微塑料大多是多种污染物的载体.淡水生态系统中普遍存在的微塑料也提供了生物膜形成的新型基质.Wu及其合作者6 2于可控环境中在微塑料及2种天然基质(岩石和树叶)上孵育生物膜以探究该3种基质生物膜上微生物群落结构、抗生素抗性基因(a n t i b i o t i cr e s i s t a n c eg e n e,简称A R G)及A R G微生物宿主的差异,结果表明微塑料生物膜与天然生物膜相比具有独特的微生物群落结构,且微塑料生物膜对特定的A R G亚型和几种病原菌宿主也有选择性富集作用.W a n g等6 3也发现微塑料可以选择性地富集河流、河口和海水中的抗生素、A R G和微生物,且微塑料上的细菌群落结构与周围水中的不同,其上的一些细菌种类在周围水环境中几乎检测不到,而其上一些属的细菌在接触抗27安徽大学学报(自然科学版)第4 7卷生素后消失.这是因为富集抗生素的微塑料对细菌的生长具有抑制作用;富集A R G的微塑料能够将抗性基因传递到细菌群内,抗性基因在细菌群落经过多次交流后,产生了抗生素抗性,而那些没有抗性基因的细菌种类则被筛选掉,从而其群落组成发生了变化.4 微塑料对人群的毒性人类可通过饮水、空气吸入以及食用海鲜和陆产食品摄入塑料微粒.通过消化道、呼吸道摄入被认为是人类接触微塑料的主要途径.研究表明,塑料颗粒可以引起人体肺部和肠道损伤,特别是非常细的颗粒可以穿过细胞膜、血-脑屏障和人体胎盘,造成诸如氧化应激、细胞损伤、炎症和能量分配功能障碍等毒性影响7.如果空气中存在足够量的微塑料,经呼吸道吸入的微塑料可能会对人呼吸系统及其他系统造成不利影响.已有研究表明部分纤维微塑料能够避开人体的清除机制而沉积在肺部深处,从而造成肺部炎症;随着活性氧的过度和持续产生,可能导致继发性遗传毒性6 4-6 5.A t i s等6 6通过对土耳其一家聚丙烯(P P)植绒厂工人的横断面研究(c r o s s-s e c t i o n a l s t u d y),评估了职业性P P纤维暴露的呼吸效应.结果表明工人出现呼吸道症状的风险是对照组的3.6倍.尽管确切病因尚不清楚,但雾化植绒可能含有P P可吸入颗粒,很可能是导致肺部炎症反应的主要诱因.在外源有毒物质生态毒性评估方面,体外培养细胞系的应用相对生物体体内测试有很多优势.C h o i等6 7探究了聚苯乙烯(P S)微塑料片段对人源性细胞系的化学和物理毒性,发现P S微片段通过释放化学介质使免疫细胞的急性炎症反应加剧,活性氧的产生增加,成纤维细胞和癌细胞的死亡增多.另外,粗糙度和锐度较高的P S微片段还会引起细胞膜的物理损伤,从而导致胞浆溶血和乳酸脱氢酶(L DH)释放.除了通过消化道摄入和呼吸道吸入,微塑料进入人体还有一个途径就是通过皮肤暴露.目前已在众多个人护理品中发现了微塑料的存在.而纳米级微塑料可穿过真皮屏障进入人体,从而对人体造成危害.5 结语及展望作为全球范围内的一种环境污染物,微塑料由于其较高的生态风险和对公众健康的潜在不利影响而日益受到人们的关注.许多研究已经证明其对动物、植物以及人群具有毒性作用,对微生物也有一定的影响.然而,评价微塑料生物毒性及环境风险的研究尚处于起步阶段,仍存在许多问题亟待解决:(1)目前关于微塑料生物毒性的研究多集中在水生动物,因而今后应尽量增加对陆生动物、植物、微生物以及人群影响的研究;(2)部分研究结果显示微塑料并未对实验生物造成宏观个体水平的毒性损害,然而其微观水平,比如细胞以及分子水平的毒性影响尚不得而知,仍需深入探究;(3)关于微塑料在食物链中传递、富集方面的研究还比较匮乏,今后应适当加大这方面的研究;(4)目前许多微塑料毒性的研究涉及与重金属及其他化学污染物的联合毒性,无法确定微塑料在其中哪些生化途径扮演重要角色,今后应对其分子水平的毒性机制进行探讨.作为一种新兴污染物,微塑料由于其复杂的成分及特殊的理化性质,在环境中能够吸附重金属及其他化学污染物,并能富集病原微生物,所以已经不能将其简单地看作为单一污染源,对于微塑料的毒性研究也不能仅仅考虑其本身.环境中存在的微塑料毒性要远超其在实验室控制条件下的毒性,且有研究表明老化的微塑料具有更大的毒性.由于受暴露浓度、微粒特性、吸附的污染物、涉及的组织以及个体的敏感性等诸多因素的影响,目前有关微塑料毒性的知识仍然有限.未来微塑料污染继续存在并可能进一步恶化,关于微塑料的生态毒性及环境影响仍值得我们深入探讨.参考文献:1 WE I THMANNN,M L L E RJN,L D E R M GJ,e ta l.O r g a n i cf e r t i l i z e ra sav e h i c l ef o rt h ee n t r yo fm i c r o p l a s t i c i n t ot h ee n v i r o n m e n tJ.S c i e n c eA d v a n c e s,2 0 1 8,4(4):e a a p 8 0 6 0.2 FAHR E N F E L D N L,A R B U C K L E-K E I L G,B E N I N N,e ta l.S o u r c et r a c k i n g m i c r o p l a s t i c si nt h ef r e s h w a t e re n v i r o n m e n tJ.T r e n d s i nA n a l y t i c a lC h e m i s t r y,2 0 1 9,1 1 2:2 4 8-2 5 4.3 L AMB E R TS,WA G N E RM.F o r m a t i o no fm i c r o s c o p i cp a r t i c l e sd u r i n g t h ed e g r a d a t i o no f d i f f e r e n tp o l y m e r sJ.C h e m o s p h e r e,2 0 1 6,1 6 1:5 1 0-5 1 7.37第4期张合彩,等:微塑料生物毒性及影响研究进展4 WE I N S T E I NJE,C R O C K E RB K,G R AY A D.F r o m m a c r o p l a s t i ct om i c r o p l a s t i c:d e g r a d a t i o n o fh i g h-d e n s i t yp o l y e t h y l e n e,p o l y p r o p y l e n e,a n dp o l y s t y r e n ei nas a l t m a r s hh a b i t a tJ.E n v i r o n m e n t a lT o x i c o l o g yC h e m i s t r y,2 0 1 6,3 5(7):1 6 3 2-1 6 4 0.5 AN D R A D YA L.M i c r o p l a s t i c si nt h e m a r i n ee n v i r o n m e ntJ.M a r i n e P o l l u t i o n B u l l e t i n,2 0 1 1,6 2:1 5 9 6-1 6 0 5.6 B R OWN E M A,C R UMPP,N I V E N SJ,e ta l.A c c u m u l a t i o no fm i c r o p l a s t i co ns h o r e l i n e sw o r l d w i d e:s o u r c e sa n ds i n k sJ.E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 1 1,4 5:9 1 7 5-9 1 7 9.7 V E THAAK A D,L E S L I E H A.P l a s t i cd e b r i si sah u m a nh e a l t hi s s ueJ.E n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 1 6