海綿動(dòng)物對(duì)微塑料的生物累積和排出

王婷婷，陳榮

廈門(mén)大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，廈門(mén)市海灣生態(tài)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廈門(mén) 361102

微塑料是指環(huán)境中粒徑介于1 μm～5 mm的塑料顆粒、纖維和薄膜等[1-2]，主要有2種來(lái)源：一是較大的塑料經(jīng)過(guò)風(fēng)蝕、水蝕和紫外老化等物理化學(xué)作用破碎后形成的次級(jí)微塑料；二是洗滌劑、制藥業(yè)以及化妝品中添加的微塑料[3-5]，伴隨著人類活動(dòng)釋放到環(huán)境當(dāng)中，即為初級(jí)微塑料。當(dāng)微塑料被水生動(dòng)物攝食后，會(huì)使水生動(dòng)物產(chǎn)生假飽腹感，進(jìn)而抑制其生長(zhǎng)發(fā)育[6-7]。同時(shí)，微塑料具有巨大的比表面積，能富集重金屬、多環(huán)芳烴和致病菌等多種污染物質(zhì)[8-11]，形成污染物復(fù)合體。因此水生生態(tài)系統(tǒng)中的微塑料污染具有潛在的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

在各類水生生態(tài)系統(tǒng)中，河流、湖泊和河口中檢出的微塑料密度可達(dá)到10 particles·L-1[12-14]。特別是在近海養(yǎng)殖環(huán)境，微塑料密度能達(dá)到60 particles·L-1[14-15]。這主要來(lái)源于養(yǎng)殖設(shè)施中塑料制品的廣泛使用，例如延繩養(yǎng)殖使用的尼龍繩、泡沫浮筒，吊養(yǎng)使用的網(wǎng)箱、蟹籠等。養(yǎng)殖使用的魚(yú)粉也檢出含有(337.5±34.5) particles·kg-1的微塑料[16]。海洋作為陸源輸入重要的匯，海洋生態(tài)系統(tǒng)中的微塑料污染已然成為環(huán)境熱點(diǎn)問(wèn)題[17]。同時(shí)，其復(fù)合污染作用沿著食物鏈傳遞時(shí)產(chǎn)生的生物放大作用，逐漸成為人類健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一大重要因素，其中主要以魚(yú)類的研究最為廣泛[18-20]。魚(yú)類[21]、太平洋牡蠣[22]和橈足類[23]等水生動(dòng)物的微塑料檢出水平以及毒性測(cè)試結(jié)果表明，不同物種對(duì)于環(huán)境中微塑料的攝取具有選擇差異性。

海綿動(dòng)物(Phylum Porifera)是在水中營(yíng)固著生活的多細(xì)胞動(dòng)物[24]，是海洋底棲生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在全球海洋生態(tài)系統(tǒng)中分布廣泛[25]。海綿具有極強(qiáng)的濾水能力和多孔的形態(tài)特征，濾水效率可達(dá)38 L·d-1·g-1(以干質(zhì)量計(jì))[26]。水流攜帶著食物從海綿的入水口進(jìn)入到海綿體內(nèi)，其中的溶解性有機(jī)碳和微型浮游植物、有機(jī)物碎屑(<10 μm)等營(yíng)養(yǎng)成分會(huì)被海綿體內(nèi)的領(lǐng)細(xì)胞所攝食[27]，其他物質(zhì)可能會(huì)留存在海綿的內(nèi)層、中膠層和外層的任一區(qū)域，代謝產(chǎn)物和未被海綿吸收的物質(zhì)則會(huì)經(jīng)由海綿的出水孔排出體外。研究表明，海綿可以作為環(huán)境中50～200 μm顆粒物的生物監(jiān)測(cè)器[28]，這說(shuō)明環(huán)境中的微粒物質(zhì)能在海綿體內(nèi)穩(wěn)定存在。海綿對(duì)于其他溶解態(tài)的環(huán)境污染物，如重金屬、有機(jī)污染物的生物監(jiān)測(cè)和環(huán)境修復(fù)作用已被廣泛研究[29-35]，但其對(duì)于海水中微塑料污染的生物修復(fù)評(píng)估尚未開(kāi)展研究。海綿的分布廣泛，極強(qiáng)的海水過(guò)濾能力，對(duì)環(huán)境中微粒物質(zhì)的留存能力強(qiáng)，都使海綿成為緩解海洋生態(tài)系統(tǒng)中微塑料污染的理想修復(fù)生物。本研究首次開(kāi)展了蜂海綿(Haliclonasp.)、沐浴海綿(Spongiasp.)對(duì)微塑料的生物累積和排出實(shí)驗(yàn)。通過(guò)研究不同種屬的海綿動(dòng)物對(duì)不同粒徑微塑料去除的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為海綿修復(fù)海水中微塑料污染提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以期構(gòu)建海綿和其他海洋生物共存的良性局面，進(jìn)而促進(jìn)海洋生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

海綿采自福建省漳州市東山縣陳城鎮(zhèn)岐下村的海綿人工養(yǎng)殖場(chǎng)(117°19′57″E，23°36′21″N)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將海綿置于經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后的清潔海水中，馴化一周。馴化期間，水溫20 ℃，鹽度30‰，溶解氧含量3.30 mg·L-1。

1.2 微塑料懸浮液的配制

有研究表明，海綿主要富集環(huán)境介質(zhì)中50～200 μm的微粒物質(zhì)，且對(duì)微粒材質(zhì)方面沒(méi)有生物偏好性[28]。本文選用2種粒徑(<100 μm和100～300 μm)的顆粒狀聚苯乙烯(PS)微塑料。微塑料濃度設(shè)置為5 000 particles·L-1。配制2種粒徑范圍的微塑料母液(3×106particles·L-1)備用，其中，溶劑為經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后海水(鹽度30‰)，微塑料分散劑為六偏磷酸鈉(Na6O18P6，5 g·L-1)。分別取1 mL 2種粒徑范圍的微塑料母液用溶劑海水稀釋至600 mL。

1.3 微塑料的生物累積

隨機(jī)選取生理狀態(tài)良好、大小基本一致(22.0±4.7) g (濕質(zhì)量)的蜂海綿和沐浴海綿，進(jìn)行微塑料的生物累積實(shí)驗(yàn)(圖1)。實(shí)驗(yàn)設(shè)3個(gè)平行組，每組3只海綿。參照清濾率實(shí)驗(yàn)中的穩(wěn)態(tài)模型(Steady-State Model)[36]，設(shè)計(jì)微塑料的海綿生物累積實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模型如公式(1)所示。

Ce.rate=(C0×Q-Ce×Q-Ce×CR×BM)/V

(1)

式中：Ce.rate為微塑料排出速率(particles·L-1·d-1)；C0為入口濃度(particles·L-1)；Ce為出口濃度(particles·L-1)；Q為流速(L·d-1)；CR為海綿清濾率(L·g-1·d-1)；BM為生物量(g) (干質(zhì)量)；V為體系體積(L)。

圖1 海綿生物累積微塑料連續(xù)流動(dòng)裝置示意圖Fig. 1 Diagram of a continuous flow device for sponge bioaccumulating microplastics

使用OpenModal對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行調(diào)整擬合，直至排出的微塑料與入口濃度在一段時(shí)間后產(chǎn)生明顯差異并趨于穩(wěn)定。根據(jù)本研究前期獲得的海綿清濾率和預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，流動(dòng)裝置參數(shù)設(shè)計(jì)為：生物量為1 g干質(zhì)量的海綿，能在1.6 h以內(nèi)，穩(wěn)定去除流速為21.7 L·d-1的0.6 L微塑料溶液中50%以上的微塑料。每20 min取出口處水樣進(jìn)行微塑料計(jì)數(shù)，直至計(jì)數(shù)結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)時(shí)間100 min。

微塑料清除比例=

(2)

微塑料累積量=(初始微塑料濃度-累積結(jié)束
時(shí)刻微塑料濃度)×恒定溶液體積

(3)

1.4 微塑料排出實(shí)驗(yàn)

累積實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，立即將海綿轉(zhuǎn)移到0.45 μm過(guò)濾后的2 L清潔海水中進(jìn)行排出實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用磁力攪拌器攪拌水體。分別在第2、4、8、12、24、48和72 h采樣。每次采樣時(shí)，均先將海綿轉(zhuǎn)移至新的2 L清潔海水中，再過(guò)濾收集原體系全部海水中的微塑料，并分離糞便相微塑料。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不喂食。

累積微塑料排出比例=

(4)

累積微塑料總排出比例=

(5)

1.5 微塑料的測(cè)定

為減少樣品受外來(lái)微塑料污染，實(shí)驗(yàn)過(guò)程全程穿戴棉質(zhì)實(shí)驗(yàn)服、丁腈手套。分離過(guò)程用到的容器盡量采用玻璃材質(zhì)，且實(shí)驗(yàn)前均用RO水和超純水(18.2 MΩ·cm)沖洗2～3次。所有實(shí)驗(yàn)溶液都經(jīng)0.22 μm PC濾膜過(guò)濾后使用，海水均用0.45 μm PC濾膜過(guò)濾。樣品過(guò)濾時(shí)用錫箔紙密封住過(guò)濾裝置的開(kāi)口。設(shè)置空白對(duì)照，以避免空氣粉塵的影響。

1.5.1 微塑料分離

累積實(shí)驗(yàn)中，每20 min取10 mL水樣，用0.45 μm濾膜過(guò)濾。

排出實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于<100 μm微塑料，使用100 μm篩網(wǎng)(150目)過(guò)濾全部水樣，截留在篩網(wǎng)上的為糞便相微塑料；對(duì)于100～300 μm微塑料，則使用300 μm(50目)篩網(wǎng)分離糞便相微塑料。篩網(wǎng)過(guò)濾后的水樣再用0.45 μm濾膜過(guò)濾，保存濾膜用于計(jì)數(shù)。

1.5.2 微塑料計(jì)數(shù)

水相微塑料使用光學(xué)生物顯微鏡(重慶奧特BDS400)觀察濾膜并計(jì)數(shù)。糞便相微塑料則是將分離收集的海綿糞便消解(20 mL 30% H2O2，65 ℃水浴加熱，12 h)，0.45 μm濾膜過(guò)濾，再進(jìn)行顯微計(jì)數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步處理。多因素方差分析交互作用，post-hoc(TukeyHSD函數(shù))分析顯著差異性，R Studio(4.1.2版本)作圖。

2 結(jié)果(Results)

2.1 海綿對(duì)微塑料的生物累積

蜂海綿和沐浴海綿對(duì)微塑料的生物累積如圖2所示。由圖2可知，蜂海綿和沐浴海綿均可高效累積2種粒徑范圍的微塑料，均可在2 h內(nèi)穩(wěn)定去除體系中大多數(shù)微塑料。其中蜂海綿在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始1.6 h后達(dá)到累積穩(wěn)定，對(duì)<100 μm和100～300 μm微塑料去除率可達(dá)(64.03±2.69)%和(65.34±2.02)%。沐浴海綿也表現(xiàn)出相似的生物累積情況，但累積穩(wěn)定時(shí)間更短(1 h)、累積效率更高；對(duì)<100 μm和100～300 μm微塑料去除率分別達(dá)到(70.82±0.60)%和(71.36±1.04)%。同種海綿對(duì)2種粒徑微塑料的生物累積無(wú)顯著差異。

圖2 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)對(duì)微塑料的生物累積Fig. 2 Bioaccumulation of microplastics byHaliclona sp. and Spongia sp.

2.2 海綿對(duì)微塑料的排出

蜂海綿和沐浴海綿的微塑料排出實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，2種海綿對(duì)不同粒徑微塑料的排出速率均在第12小時(shí)開(kāi)始趨于穩(wěn)定，在第72小時(shí)均基本停止排出微塑料。對(duì)于<100 μm微塑料，蜂海綿和沐浴海綿對(duì)體內(nèi)累積微塑料的排出比例分別為(41.17±2.53)%和(27.31±0.87)%，低于其各自對(duì)100～300 μm微塑料的排出比例(67.10±4.21)%和(29.36±1.34)%)，由此可見(jiàn)，2種海綿對(duì)于體內(nèi)累積的<100 μm微塑料的留存能力更強(qiáng)。沐浴海綿對(duì)2種粒徑微塑料的排出比例均低于蜂海綿，說(shuō)明沐浴海綿對(duì)于體內(nèi)累積微塑料的留存能力更強(qiáng)。

圖3 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)對(duì)微塑料的排出Fig. 3 Elimination of microplastics by Haliclona sp. and Spongia sp.

蜂海綿和沐浴海綿排出微塑料的途徑如圖4所示。由圖4可知，在排出實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的前12 h，蜂海綿和沐浴海綿主要以水相排出微塑料。隨后水相途徑排出占比逐漸降低，同時(shí)糞便相占比逐漸升高。48 h后，2種排出途徑的微塑料占比逐漸趨于均等。

圖4 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)排出微塑料的途徑Fig. 4 Elimination forms of microplastics by Haliclona sp. and Spongia sp.

蜂海綿和沐浴海綿對(duì)2種粒徑微塑料的總排出率如圖5所示。蜂海綿對(duì)<100 μm微塑料的排出，經(jīng)水相、糞便相排出的微塑料占比分別為(23.01±0.07)%和(18.19±2.97)%；對(duì)100～300 μm微塑料的排出，經(jīng)水相、糞便相排出的微塑料占比分別為(33.90±0.94)%和(28.54±0.40)%，水相排出的微塑料占比略高于糞便相，但無(wú)顯著差異(P>0.1)。沐浴海綿對(duì)微塑料的排出與之類似，但對(duì)2種粒徑微塑料的水相和糞便相排出率均顯著低于蜂海綿(P<0.05)。蜂海綿對(duì)<100 μm微塑料排出率顯著低于其對(duì)100～300 μm微塑料的排出率(P<0.05)，而沐浴海綿對(duì)2種粒徑微塑料的排出率無(wú)顯著差異。

圖5 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)微塑料總排出率注：不同字母代表有顯著差異，P<0.05。Fig. 5 Total microplastic elimination of Haliclona sp. and Spongia sp.Note: Different letters represent significant differences, P<0.05.

3 討論(Discussion)

本研究首次通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，探究了海綿對(duì)海水微塑料的生物累積能力。本研究發(fā)現(xiàn)，蜂海綿和沐浴海綿均能夠快速、高效地累積海水中的微塑料。Fallon和Freeman[37]通過(guò)調(diào)查研究也發(fā)現(xiàn)，在巴拿馬共和國(guó)博卡斯德?tīng)柾辛_省穩(wěn)定存在的海綿，體內(nèi)的微塑料檢出密度為(169±71) particles·g-1(以干質(zhì)量計(jì))，高出周?chē)h(huán)境介質(zhì)2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。邦加島的15只珊瑚礁海綿體內(nèi)微塑料的檢測(cè)密度為96～612 particles·g-1(以干質(zhì)量計(jì))[28]。這都說(shuō)明，海綿能夠長(zhǎng)期累積海水中的微塑料，在海洋微塑料污染修復(fù)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

海綿累積的微塑料有可能用于自身的生存與發(fā)展。Baird和Clifford Alan[38]研究發(fā)現(xiàn)，將Tethyabergquistae、Crellaincrustans2種海綿暴露在1 μm和5 μm的塑料溶液中，海綿的呼吸以及對(duì)食物顆粒保留并未受到顯著影響。而且，海綿傾向于選擇50 μm以上的顆粒來(lái)支持其骨骼，在骨針中保留50 μm以下的顆粒[39]，5 μm以下的微塑料則會(huì)被海綿的組織所吸收[40]。本研究也發(fā)現(xiàn)海綿對(duì)100 μm以下微塑料的留存能力更強(qiáng)。本研究發(fā)現(xiàn)沐浴海綿對(duì)微塑料的凈累積量高于蜂海綿，這可能與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。沐浴海綿的水溝系統(tǒng)為最復(fù)雜的復(fù)溝型，具有多個(gè)鞭毛室和相對(duì)發(fā)達(dá)的中膠層，體內(nèi)的領(lǐng)細(xì)胞通過(guò)鞭毛進(jìn)行主動(dòng)濾食時(shí)具有更大的流速和流量，對(duì)海水中微塑料的截留效率更高。

本研究發(fā)現(xiàn)海綿累積環(huán)境微塑料后，可以通過(guò)水相和糞便相排出部分微塑料。海綿體內(nèi)累積的微塑料約有10%以糞便的形式排出。這部分微塑料相比于水相中顆粒態(tài)微塑料更容易被底棲浮游生物攝食，進(jìn)而被魚(yú)類、雙殼類等水生生物選擇性地?cái)z食，可能影響水生動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育，增加了微塑料通過(guò)食物鏈傳遞的風(fēng)險(xiǎn)[41]。

除了微塑料，海綿對(duì)海水中其他污染物也有很好的耐受性。有研究結(jié)果表明，海綿動(dòng)物對(duì)于海水中的重金屬[29]、多氯聯(lián)苯[42]和林丹[31]污染均具有緩解作用，并且其自身能保持相對(duì)穩(wěn)定的微生物群落組成[30]。且在養(yǎng)殖海水中，海綿還會(huì)與藻類形成良好的共生局面，藻類既可以為海綿提供自身生長(zhǎng)發(fā)育所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)支持，同時(shí)也為海綿體內(nèi)的共生微生物提供營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)[43]。因此，海綿作為實(shí)際海水微塑料污染的修復(fù)生物具有良好的應(yīng)用前景。

綜上所述，本研究表明：(1)蜂海綿和沐浴海綿均對(duì)海水中300 μm以下微塑料具有良好的生物累積能力。(2)沐浴海綿對(duì)海水中300 μm以下微塑料的凈累積效果較蜂海綿更佳。(3)粒徑越小的微塑料越不易被海綿排出。(4)海綿可以通過(guò)水相和糞便相排出部分微塑料，2種途徑無(wú)顯著性差異。