典型淡水养殖池塘微塑料的污染分布、毒性效应及其生态风险评价.pdf

第5 1卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月西北农林科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y(N a t.S c i.E d.)V o l.5 1 N o.1 0O c t.2 0 2 3网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 0 1 0:4 1 D O I:1 0.1 3 2 0 7/j.c n k i.j n w a f u.2 0 2 3.1 0.0 0 2网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1 3 9 0.S.2 0 2 3 0 4 0 7.1 4 2 7.0 0 1.h t m l典型淡水养殖池塘微塑料的污染分布、毒性效应及其生态风险评价 收稿日期 2 0 2 2-0 8-0 7 基金项目 国家自然科学基金面上项目(3 1 7 7 2 8 5 5);国家自然科学基金青年科学基金项目(2 1 2 0 7 0 3 6);浙江省重点研发计划项目(2 0 1 5 C 0 3 0 1 8);浙江省 自 然 科 学 基 金 青 年 科 学 基 金 项 目(L Q 1 2 B 0 7 0 0 1);国 家 级 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目(2 0 2 2 1 0 3 4 7 0 2 6)作者简介 张 爱(1 9 9 6-),女,河南泌阳人,在读硕士,主要从事渔业环境典型污染物生态毒理研究。E-m a i l:1 1 6 5 1 0 9 9 3 0q q.c o m 通信作者 吴 湘(1 9 8 1-),女,浙江东阳人,教授,博士,主要从事渔业环境治理与保护研究。E-m a i l:0 1 3 7 0 z j h u.e d u.c n张 爱a,b,李珍珍a,庄铖涛a,叶维城a,徐怡婷a,吴 湘a,b(湖州师范学院 a生命科学学院,b浙江省水生生物资源养护与开发技术研究重点实验室,浙江 湖州 3 1 3 0 0 0)摘 要【目的】了解目前微塑料(m i c r o p l a s t i c s,MP s)对淡水养殖生态系统的污染水平及其养殖生物的生态毒理效应和影响机制,为水产养殖业的微塑料污染管理和水产品的食品质量安全提供基础数据和决策参考。【方法】选取我国典型淡水养殖池塘的水体、底泥及2种水产品(大口黑鲈M i c r o p t e r u s s a l m o i d e s、日本沼虾M a c r o b r a c h i u m n i p p o n e n s e),对其进行MP s的定性与定量分析,在此基础上用生态风险指数法和内梅罗污染指数评价法科学评估微塑料的污染风险。同时,以前期试验结果中微塑料(聚苯乙烯,P S)为代表,以模式生物斑马鱼(D a n i o r e r i o)为受试对象,设置不同质量浓度梯度(0,2 0 0,3 0 0,4 5 0,6 7 5,1 0 1 2.5 m g/L)微塑料溶液进行急性毒性试验,在试验基础上配制不同微塑料溶液,培养0,2 4,4 8,9 6 h,测定斑马鱼抗氧化酶(C A T、S O D、G S T、G P x)活性、还原型谷胱甘肽(G S H)活性及脂质过氧化物丙二醛(MD A)含量,并分析免疫相关基因TNF-和I L-1的转录水平。【结果】微塑料在大口黑鲈和日本沼虾淡水养殖池塘的表层水、底泥沉积物及养殖生物中均有污染,形状多为纤维状和碎片状,其成分主要为聚苯乙烯(P S)、聚乙烯(P E)。微塑料在所调查的淡水养殖池塘中污染较轻且风险等级较低;微塑料P S对斑马鱼9 6 h的半致死质量浓度L C5 0为4 0 7.9 3 m g/L,具有中等毒性。随着微塑料P S质量浓度增加和暴露时间延长,斑马鱼抗氧化酶(C A T、S O D、G S T)活性和G S H活性整体均呈下降趋势,而G P x活性和MD A含量则呈上升趋势,TNF-和I L-1基因表达量异常上升。【结论】微塑料在典型淡水养殖池塘中的表层水、底泥沉积物及养殖生物中均有检出,且主要通过对斑马鱼的抗氧化防御系统和免疫系统产生实质性损害,进而威胁生物生长与安全,应予以重视。关键词 微塑料;淡水养殖池塘;污染分布;风险评价;毒理效应 中图分类号 S 9 4 9;X 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1-9 3 8 7(2 0 2 3)1 0-0 0 1 1-0 9D i s t r i b u t i o n,t o x i c o l o g i c a l e f f e c t s a n d e c o l o g i c a l r i s k s o f m i c r o p l a s t i c s i n t y p i c a l f r e s h w a t e r a q u a c u l t u r e p o n d sZ HAN G A ia,b,L I Z h e n z h e na,Z HUAN G C h e n g t a oa,Y E W e i c h e n ga,XU Y i t i n ga,WU X i a n ga,b(a C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e s,b K e y L a b o r a t o r y o f A q u a t i c R e s o u r c e s C o n s e r v a t i o n a n d D e v e l o pm e n t T e c h n o l o g y R e s e a r c h,H u z h o u U n i v e r s i t y,H u z h o u,Z h e j i a n g 3 1 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:【O b j e c t i v e】T h i s s t u d y i n v e s t i g a t e d t h e p o l l u t i o n l e v e l s o f m i c r o p l a s t i c s(MP s)i n f r e s h w a-t e r a q u a c u l t u r e e c o s y s t e m a n d t h e e c o t o x i c o l o g i c a l e f f e c t s o n a q u a c u l t u r e o r g a n i s m s a s w e l l a s r e l a t e d i m-p a c t m e c h a n i s m s,s o a s t o p r o v i d e b a s i c d a t a a n d d e c i s i o n-m a k i n g r e f e r e n c e f o r m i c r o p l a s t i c s p o l l u t i o n r e-d u c t i o n i n a q u a c u l t u r e a n d f o o d q u a l i t y a n d s a f e t y o f a q u a t i c p r o d u c t s.【M e t h o d】Q u a l i t a t i v e a n d q u a n t i t a-t i v e a n a l y s i s o f MP s w a s c a r r i e d o u t f o r s e l e c t e d w a t e r b o d i e s,s e d i m e n t s a n d t w o a q u a t i c p r o d u c t s(M i-c r o p t e r u s s a l m o i d e s a n d M a c r o b r a c h i u m n i p p o n e n s e)i n t y p i c a l f r e s h w a t e r a q u a c u l t u r e p o n d s i n C h i n a.O n t h i s b a s i s,t h e p o l l u t i o n r i s k o f m i c r o p l a s t i c s w a s a s s e s s e d b y c o m b i n i n g t h e e c o l o g i c a l r i s k i n d e x m e t h o d a n d t h e N e m e r o p o l l u t i o n i n d e x e v a l u a t i o n m e t h o d.T a k i n g m i c r o p l a s t i c s(p o l y s t y r e n e,P S)f r o m p r e l i m i n a-r y t e s t s a s t h e r e p r e s e n t a t i v e a n d t h e m o d e l o r g a n i s m z e b r a f i s h(D a n i o r e r i o)a s t h e t e s t o b j e c t,a c u t e t o x-i c i t y t e s t s w e r e c o n d u c t e d w i t h m i c r o p l a s t i c s s o l u t i o n s a t d i f f e r e n t m a s s c o n c e n t r a t i o n g r a d i e n t s(0,2 0 0,3 0 0,4 5 0,6 7 5 a n d 1 0 1 2.5 m g/L).T h e n,d i f f e r e n t m i c r o p l a s t i c s s o l u t i o n s w e r e p r e p a r e d f o r 0,2 4,4 8 a n d 9 6 h o u r s c u l t u r i n g a n d a c t i v i t i e s o f a n t i o x i d a n t e n z y m e s(C AT,S O D,G S T a n d G P x),c o n t e n t s o f r e d u c e d g l u-t a t h i o n e(G S H)a n d l i p i d p e r o x i d e m a l o n d i a l d e h y d e(MD A)a n d t r a n s c r i p t i o n l e v e l s o f i mm u n e-r e l a t e d g e n e s TNF-a n d I L-1 w e r e d e t e r m i n e d.【R e s u l t】I n t h e t w o t y p i c a l f r e s h w a t e r a q u a c u l t u r e p o n d s o f l a r g e m o u t h b a s s a n d g i a n t r i v e r p r a w n,m i c r o p l a s t i c s d i s t r i b u t i o n w a s o b s e r v e d i n s u r f a c e w a t e r,s e d i m e n t a n d c u l t u r e o r g a n i s m s.M i c r o p l a s t i c s w e r e m o s t l y f i b r o u s a n d f r a g m e n t a r y i n s h a p e a n d m a i n c o m p o n e n t s w e r e p o l y s t y r e n e P S a n d p o l y e t h y l e n e P E.M i c r o p l a s t i c s h a d l e s s p o l l u t i o n l e v e l s a n d l o w e r r i s k l e v e l s i n t h e f r e s h w a t e r a q u a c u l t u r e p o n d s s u r v e y e d.T h e s e m i-l e t h a l m a s s c o n c e n t r a t i o n o f L C5 0 a t 9 6 h o f m i c r o-p l a s t i c P S t o z e b r a f i s h w a s 4 0 7.9 3 m g/L w i t h m o d e r a t e t o x i c i t y.W i t h t h e i n c r e a s e o f m i c r o p l a s t i c c o n c e n-t r a t i o n a n d e x p o s u r e t i m e,a c t i v i t i e s o f C AT,S O D a n d G S T a n d G S H c o n t e n t s h o w e d a n o v e r a l l d o w n w a r d t r e n d,G P x a c t i v i t y a n d MD A c o n t e n t i n c r e a s e d,w h i l e e x p r e s s i o n s o f TNF-a n d I L-1 g e n e s i n c r e a s e d a b-n o r m a l l y.【C o n c l u s i o n】M i c r o p l a s t i c s w e r e d e t e c t e d i n s u r f a c e w a t e r,b o t t o m s e d i m e n t a n d c u l t u r e d o r g a n-i s m s i n t y p i c a l f r e s h w a t e r a q u a c u l t u r e p o n d s,a n d t h e y t h r e a t e n e d t h e g r o w t h a n d s a f e t y o f o r g a n i s m s m a i n l y b y c a u s i n g s u b s t a n t i a l d a m a g e t o t h e a n t i o x i d a n t d e f e n s e s y s t e m a n d i mm u n e s y s t e m o f z e b r a f i s h.K e y w o r d s:m i c r o p l a s t i c s;f r e s h w a t e r a q u a c u l t u r e p o n d s;p o l l u t i o n d i s t r i b u t i o n;r i s k a s s e s s m e n t;t o x i c o-l o g i c a l e f f e c t 塑料制品自发明以来,为人类社会的发展提供了诸多便利,然而一旦未能及时回收或者随意丢弃,这一有机物将转化成另一种新兴的环境污染物微塑料(m i c r o p l a s t i c s,MP s)。直 观 地 说,直 径 小 于5 mm的碎片或颗粒统称为“微塑料”1-4。微塑料进入河流、湖泊等天然水域后,其中一部分将随着养殖原水进入淡水养殖池塘,直接或间接地被养殖生物吸收和富集,引发养殖池塘的微塑料污染,同时养殖过程中频繁使用的塑料渔具也会产生大量的微塑料。这些微塑料进入养殖水体和底泥沉积物后,由于其化学性质稳定、不易分解,极易在养殖环境中不断富集和积累,进而威胁养殖产品安全和人体健康5-6。因此调查研究淡水养殖池塘中微塑料的污染分布并对其开展风险评价显得尤为必要。大量研究表明,微塑料颗粒被鱼类摄入后,会富集在鱼体内并造成一系列的不良反应,如影响其正常摄食,产生氧化应激反应、内分泌干扰效应,甚至会影响其基因表达等7-9。因此近年来有关微塑料污染对养殖池塘的生态毒理效应也逐渐受到国内外学者的研究和关注。近几年有关微塑料污染的研究集中在河流、湖泊、海洋等水域的污染分布特征上,但对淡水养殖池塘的微塑料污染研究较少。相较于海洋环境,内陆淡水环境与人类接触更为频繁,且存在诸如数量统计不准确、底泥中微塑料浮选可能存在残留等问题。基于此,本研究对浙江省2种典型淡水养殖池塘(大口黑鲈M i c r o p t e r u s s a l m o i d e s、日本沼虾M a c r o-b r a c h i u m n i p p o n e n s e)的养殖水体以及养殖生物开展调查,了解目前微塑料对淡水养殖池塘的污染水平,初步阐明微塑料对淡水养殖池塘污染情况,以期为后期有关微塑料污染研究及淡水养殖池塘综合治理提供新思路。1 材料与方法1.1 采样点的布设及样品采集选取浙江省当地较为典型的2类淡水养殖池塘(大口 黑鲈、日本 沼 虾),每 类 养 殖 池 塘 分 别 选 取1 4 0 0 m2左右的池塘3个,进行养殖水体、底泥沉积物及养殖生物的样品采集。1.1.1 水样的采集 使用水样采样器,分别在大口黑鲈和日本沼虾养殖池塘中采集00.5 m表层水样2 0 L,各取5个平行样品。21西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷1.1.2 底泥沉积物样品的采集 使用不锈钢污泥采样器在每个池塘取03 0 c m底泥沉积物,各取5个平行样品,将所采集沉积物混合均匀,置于密封袋内并做好记录。1.1.3 养殖生物样品的采集 分别采集大口黑鲈(24条、体质量0.5 k g/尾左右)及日本沼虾(2 0尾、体长5 c m左右)作为养殖生物样品,放入提前配制好的M S-2 2 2麻醉剂溶液中,麻醉后分别用密封袋封存带回实验室处理。1.2 样品中微塑料的分离参考胡玲玲1 0的方法,将采集的底泥样品自然风干后,称取5 0 0 g进行密度浮选。每个样品放入高3 0 c m、容积2 L的玻璃圆柱瓶中,加入过滤的饱和氯化钠溶液(1.2 g/c m3)浸泡,加盖过夜。用玻璃棒搅拌泥样使微塑料充分浮选,静置2 4 h后将上清液过滤至2 0 m尼龙膜上。将尼龙膜放入三角烧瓶中,每 个 三 角 烧 瓶 加 入 适 量 的 体 积 分 数1 0%KOH溶液消解4 8 h,将消解后的液体通过滤膜,最后将滤饼转移至培养皿中自然晾干。水样样品的处理方法与底泥相似,采集的水样经0.0 5 mm不锈钢网筛过滤,将筛网上的残留物冲洗到三角瓶中,加入适量的体积分数1 0%KOH溶液,摇匀并放置4 8 h消解,待溶液澄清透明后过滤,将滤膜自然晾干。将大口黑鲈、日本沼虾生物样品解剖后得到的待分析组织样品(鳃、肠道)放入5 0 0 m L烧杯内,随后加入1 8 0 m L体积分数1 0%KOH和2 0 m L 3 0%H2O2混合溶液,并用铝箔纸覆盖烧杯口以防止污染;将烧杯置于6 0 烘箱中消解2 4 h。将消解液用玻璃纤维滤膜(孔径2 m,直径4 7 mm)进行真空抽滤,随后将滤膜放入玻璃培养皿自然风干。1.3 微塑料的定性与定量分析将1.2节处理后得到的含微塑料的滤饼置于体视显微镜(DM 5 0 0)下,对微塑料进行识别、计数和拍照,按照数量、形状等基本参数对微塑料进行定量分析。利用傅里叶红外光谱仪(N i c o l e t i S 1 0)对分离的微塑料进行成分类型鉴定,将在体视显微镜下挑选出的微塑料置于检测器上进行压片,在光圈孔径为1 5 0 m、光谱范围为4 0 0 06 5 0 c m-1、分辨率为8 c m-1的透射模式下扫描1 2 8次。运用软件处理获得光谱图,并与光谱图库进行比对,匹配度高于7 0%的图谱可确定为该成分类型。1.4 微塑料污染风险评价目前微塑料污染的相关研究多集中在分布、数量等方面,污染物风险评价仍处于初步阶段,评价模型选择及数据处理方式尚无统一标准。因此,本研究使用生态风险指数法1 1和内梅罗污染指数评价法1 2综合评价淡水养殖池塘中微塑料的污染风险。(1)生态风险指数法。生态风险指数法在评价土壤重金属方面已有成熟的应用,且该方法可以综合考虑多种环境污染因子对环境污染的程度,能从数量及种类上对微塑料危害程度作出评价。参考P e n g等1 1对临海区域微塑料的评价方法,计算微塑料污染风险指数(R I),据此划分风险等级(R I 1 0,为级;1 0R I 1 0 0,为级;1 0 0R I 1 0 0 0,为级;R I 1 0 0 0,为级),R I值越大,说明污染物的风险越高、污染越严重。计算公式如下:微塑料污染指数:Cij=Ci/Cir。(1)单一微塑料危害因子:Tir=PiSi。(2)单一微塑料污染风险指数:Eir=TirCij。(3)微塑料污染风险指数:R I=ni=1Eir。(4)式中:Cir为微塑料标准参考值,表层水安全剂量为6 6 5 0 n/m3,底泥安全剂量为5 4 0 n/k g;Ci为各点实测微塑料含量;Pi为不同种类微塑料占比;Si为各类微塑料的危害评分。(2)内梅罗污染指数评价法。内梅罗污染指数评价法通过对比各采样点污染物浓度与标准浓度,综合考虑各点污染物均值及最大值,从统计学角度更严谨地对污染物作出评价。参考秦一鸣1 2的方法,根据污染程度将污染物等级划分5级,依次为清洁、警戒限、轻度、中度和重度,其对应内梅罗污染指数(Pz)分别为Pz0.7,0.7Pz1.0,1.0Pz2.0,2.03.0,数值越大,说明污染物的风险越高、污染越严重。计算公式如下:Pi=Ci/Cz。(5)Pz=(1nni=1Pi)2+(Pi,m a x)22。(6)式中:Pi为各采样点污染指数;Ci为各点实测微塑料含量;Cz为微塑料标准参考值,参考值同样采用6 6 5 0 n/m3和5 4 0 n/k g;Pz为内梅罗污染指数;Pi,m a x为各采样点污染指数最大值。1.5 微塑料对斑马鱼的急性毒性试验研究 急性毒性试验参考G B/T 1 3 2 6 71 9 9 1 水质 物质对淡水鱼(斑马鱼)急性毒性测定方法1 3选育受试斑马鱼,采用半静态暴露方式。在淡水环境检31第1 0期张 爱,等:典型淡水养殖池塘微塑料的污染分布、毒性效应及其生态风险评价测中发现,有食品盒、塑料袋、洗漱用品和渔网渔具等污染物大量存在,其主要成分为聚苯乙烯(P S),因此设置不同质量浓度梯度(0,2 0 0,3 0 0,4 5 0,6 7 5,1 0 1 2.5 m g/L)的P S微塑料溶液,每组随机投放2 0尾大小基本一致、形态生理正常的3月龄斑马鱼,平均体长(3.00.2)c m,平均体质量(0.30.0 2)g/尾,平行3次。试验开始后记录斑马鱼死亡数量,计算得9 6 h时P S对斑马鱼的 半致死质量 浓 度(L C5 0)。参照卢玲等1 4的鱼类急性毒性试验毒性分级标 准,L C5 01 m g/L,1 m g/LL C5 01 0 0 m g/L,1 0 0 m g/L L C5 01 0 0 0 m g/L,1 0 0 0 m g/LL C5 01 0 0 0 0 m g/L,L C5 01 0 0 0 0 m g/L,对应的危害等级分别为剧毒、高毒、中等毒、低毒和微毒(无毒)化学物质,L C5 0值越小表示该化学物质的毒性越大。1.6 微塑料对斑马鱼抗氧化防御系统的影响 参考王 隽 媛1 5的 方 法,配 制0,1/6 L C5 0,1/3 L C5 0,1/2 L C5 0的P S微塑料溶液,每组投放2 0尾斑马鱼,分别在培养的0,2 4,4 8,9 6 h后采集受试斑马鱼样品,每次每个平行取3尾,用于斑马鱼生理生化指标测定。参考张晶华1 6的方法对斑马鱼组织进行预处理,采用南京建成生物科技有限公司的氧化酶(C AT、S O D、G S T、G P x)活性、还原型谷胱甘肽(G S H)活性及脂质过氧化物丙二醛(MD A)含量测定试剂盒,且所有操作均严格按照试剂盒说明书进行检测。1.7 微塑料对斑马鱼免疫系统相关基因转录水平的影响参考万志琴1 7的方法,在斑马鱼全鱼组织样品中加入液氮充分研磨成细粉,加入R L T P l u s裂解液,剧烈振荡2 0 s混匀,将研磨均匀的匀浆液全部加入D NA清 除 柱 上,立 刻 放 入 离 心 机 中 高 速(1 3 0 0 0 r/m i n)离心1 m i n,保留滤过液。严格按照北京艾德莱生物科技公司的试剂盒操作,通过多步加入提取液离心提取得到总R NA,使用紫外分光光度计检测样品的R NA浓度,通过反转录试剂盒合成反转录c D NA第一链。分别设计免疫相关基因TNF-和I L-1相应的R T-P C R基因序列引物,根据试剂盒说明书配制P C R反应体系,反应体系经离心混匀后在荧光定量P C R仪上进行扩增,检测其基因转录水平。以-a c t i n为管家基因,计算目的基因相对表达量。2 结果与分析2.1 微塑料在典型淡水养殖池塘中的污染分布特征2.1.1 微塑料丰度特征 由表1可知,大口黑鲈养殖池塘的表层水 和 底 泥 沉 积 物 中 的 丰 度 分 别 为(3 6.27.6)L-1,(3 1 4.02 9.4)n/k g,日本沼虾养殖池塘的表层水和底泥沉积物中的丰度分别为(3 7.21 5.4)L-1,(2 4 5.61 8.7)n/k g,说明大口黑鲈和日本沼虾养殖池塘中均有微塑料的污染赋存。此外,在本次调查的养殖产品大口黑鲈和日本沼虾体内也检测到微塑料,其鳃中微塑料含量分别为(1.7 80.6 6)和(3.8 22.0 9)g-1,肠中微塑料含量分别为(4.4 23.0 6)和(1.9 71.7 5)g-1,说明养殖环境中的微塑料也会被养殖生物不断摄入和富集。表1 2种典型淡水养殖池塘表层水、底泥沉积物及生物样品中微塑料的数量分布T a b l e 1 Q u a n t i t y d i s t r i b u t i o n o f m i c r o p l a s t i c s i n s u r f a c e w a t e r,s e d i m e n t a n d b i o l o g i c a l s a m p l e s o f t w o t y p i c a l f r e s h w a t e a q u a c u l t u r e p o n d s类型T y p e丰度 A b u n d a n c e表层水/L-1S u r f a c e w a t e r底泥沉积物/(nk g-1)S e d i m e n t生物样品/g-1 B i o l o g i c a l s a m p l e鳃 G i l l肠 I n t e s t i n a l大口黑鲈养殖池塘M.s a l m o n i o d e s c u l t u r e p o n d s3 6.27.63 1 4.02 9.41.7 80.6 64.4 23.0 6日本沼虾养殖池塘M.n i p p o n e n s e c u l t u r e p o n d s3 7.21 5.42 4 5.61 8.73.8 22.0 91.9 71.7 52.1.2 微塑料形貌特征 由图1可知,微塑料主要以纤维状、碎片状和颗粒状3种形状存在于大口黑鲈和日本沼虾2种养殖池塘中,其中底泥沉积物中微塑料主要以纤维状形式存在,而表层水中主要以碎片状(日本沼虾养殖池塘)和纤维状(大口黑鲈养殖池塘)形式存在,推测可能是渔业养殖过程中大量使用的塑料渔具,如渔网和钓鱼线破碎与断裂所致。本次调查还发现,大口黑鲈和日本沼虾2种生物样品的肠和鳃中均检测出纤维状及碎片状微塑料污染物,说明养殖池塘中微塑料能够以纤维状或碎片状的形式赋存在生物体内。41西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷图1 2种典型淡水养殖池塘中不同种类微塑料的分布F i g.1 D i s t r i b u t i o n o f m i c r o p l a s t i c s w i t h d i f f e r e n t s h a p e s i n t w o t y p i c a l f r e s h w a t e a q u a c u l t u r e p o n d s2.1.3 微塑料主要成分 由图2可知,大口黑鲈和日本沼虾2种养殖池塘的水样、底泥和生物样品中均检测出疑似聚苯乙烯(P S)、聚乙烯(P E)的傅里叶红外光谱图,对比光谱图库,基本确定本研究所调查的养殖池塘内微塑料主要成分为聚苯乙烯(P S)和聚乙烯(P E)。图2 2种典型淡水养殖池塘中聚苯乙烯(a)和聚乙烯(b)的红外光谱图F i g.2 I n f r a r e d s p e c t r u m o f p o l y s t y r e n e(a)a n d p o l y e t h y l e n e(b)i n t w o t y p i c a l f r e s h w a t e r a q u c u l t u r e p o n d s2.2 淡水养殖生态系统的微塑料污染风险评价 2.2.1 基于生态风险指数法的评价 根据计算公式得大口黑鲈和日本沼虾养殖池塘中微塑料污染风险指数(R I)分别为2 7.5 9,2 1.3 8,相应的风险等级均为级,污染程度较轻。2.2.2 基于内梅罗污染指数的评价 根据计算公式得大口黑鲈和日本沼虾养殖池塘中微塑料的内梅罗污染指数(Pz)分别为0.4 6和0.3 6,二者的污染51第1 0期张 爱,等:典型淡水养殖池塘微塑料的污染分布、毒性效应及其生态风险评价程度均为清洁。比较2种不同评价方法下大口黑鲈、日本沼虾养殖池塘表层水及底泥中微塑料的污染状况发现,内梅罗污染指数评价法只依据微塑料含量进行风险评价,统计学上的精密度不足;而生态风险指数法在考虑微塑料含量及不同类型微塑料危害的同时,还引入了各点的最大值和平均值,从统计学角度来看,该方法考虑了误差的影响,评价数值更加严谨,因此其风险评价结果更具科学性和参考价值。2.3 微塑料对斑马鱼的急性毒性试验结果以聚苯乙烯(P S)质量浓度为横坐标(x)、斑马鱼受抑制率为纵坐标(y),9 6 h的线性回归方程为y=1 5.9 3 7 5+0.0 8 3 5x。进一步估算得到9 6 h的L C5 0为4 0 7.9 3 m g/L。根据分级标准判断微塑料P S对斑马鱼具有中等毒性。2.4 微塑料暴露对斑马鱼抗氧化防御系统的影响由图3可 知,在 试 验 过 程 中,空 白 组 斑 马 鱼C AT、S O D、G S T、G P x活性存在一定波动,但总体上与初始活性相差不大。随着微塑料P S质量浓度增加和暴露时间延长,斑马鱼C AT、S O D、G S T活性均呈下降趋势,说明斑马鱼体内受到微塑料氧化胁迫产生的活性氧自由基(R O S)已经超过了抗氧化防御系统的调节程度,导致机体的抗氧化防御系统结构与功能破坏。此外,斑马鱼抗氧化防御系统受微塑料P S胁迫产生应激反应,随着微塑料P S质量浓度增加和暴露时间延长,斑马鱼G P x活性先大幅度上升,之后上升趋势逐渐减小,说明试验后期斑马鱼开始适应微塑料的胁迫。由图4可知,受试期间斑马鱼细胞内非酶抗氧化剂G S H活性下降,氧自由基攻击生物膜所产生的脂质过氧化物MD A含量逐渐上升。综上可知,在P S微塑料的暴露胁迫下,受试斑马鱼抗氧化防御系统受到实质性损害。图3 微塑料聚苯乙烯对斑马鱼抗氧化酶活性的影响F i g.3 E f f e c t s o f m i c r o p l a s t i c s p o l y s t y r e n e o n a n t i o x i d a n t e n z y m e a c t i v i t i e s o f z e b r a f i s h2.5 微塑料暴露对斑马鱼免疫相关基因转录水平的影响图5显示,空白组斑马鱼TNF-和I L-1基因转录水平相对稳定;随着微塑料P S质量浓度增加和暴露时间延长,斑马鱼TNF-和I L-1基因转录水平总体上呈逐渐上升趋势,且有一定程度的剂量依赖效应。由此可知,微塑料暴露能显著影响斑马鱼免疫相关基因的转录水平,可能导致斑马鱼幼鱼免疫毒性的发生。61西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷 图4 微塑料聚苯乙烯对斑马鱼G S H活性和MD A含量的影响F i g.4 E f f e c t s o f m i c r o p l a s t i c s p o l y s t y r e n e o n G S H a c t i v i t i e s a n d MD A c o n t e n t o f z e b r a f i s h 图柱上标*和*分别表示聚苯乙烯组与空白组之间有显著(P0.0 5)和极显著(P0.0 1)差异*a n d*i n d i c a t e s i g n i f i c a n t(P0.0 5)a n d e x t r e m e l y i n d i c a t e s i g n i f i c a n t(P0.0 1)d i f f e r e n c e b e t w e e n p o l y s t y r e n e g r o u p a n d b l a n k g r o u p,r e s p e c t i v e l y图5 不同质量浓度聚苯乙烯胁迫下斑马鱼TNF-和I L-1基因的相对表达量F i g.5 R e l a t i v e e x p r e s s i o n l e v e l s o f i mm u n e-r e l a t e d g e n e s TNF-a n d I L-1 u n d e r p o l y s t y r e n e s t r e s s e s w i t h d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s 3 讨 论3.1 微塑料在不同水域环境中的污染情况本研究对大口黑鲈和日本沼虾养殖池塘的水样、底泥和生物样品中的微塑料污染特点进行了探究,从微塑料的丰度、形貌特征和主要成分方面进行了分析,结果表明,微塑料在大口黑鲈和日本沼虾养殖池塘中均存在污染赋存,其在不同养殖池塘表层水和底泥沉积物中的平均丰度无显著差异,在相应养殖池塘中采集的肠道和鳃组织中也发现了微塑料的污染赋存。胡玲玲1 0研究发现中国上海和浙江等地小水体水样中微塑料平均丰度在 0.52 1.5 L-1,Z h a o等1 8研 究 发