海洋環(huán)境中的微塑料及其附著生物研究進(jìn)展

李道季 董旭日

關(guān)鍵詞： 微塑料; 微生物; 塑料圈; 海洋環(huán)境污染

0 引言

塑料制品由于輕便、彈性好和耐用等特性而被人類廣泛使用， 據(jù)歐洲塑料工業(yè)協(xié)會 （PlasticsEurope） 統(tǒng)計， 2019 年世界塑料制品產(chǎn)量為3.68 億t[1]. 這些生產(chǎn)的塑料產(chǎn)品由于不當(dāng)管理進(jìn)入環(huán)境中， 隨河流或直接進(jìn)入海洋. Jambeck 等[2] 利用模型估算全球沿海地區(qū)塑料入海量， 估計2010 年有480 萬 ～ 1 270 萬t 的塑料垃圾進(jìn)入海洋. 進(jìn)入海洋的塑料垃圾在海洋中難以降解， 從而使得海洋中塑料垃圾產(chǎn)生積累效應(yīng)， 據(jù)估計有26 萬t 的塑料垃圾在全球海洋中漂浮[3]. 海洋塑料垃圾與全球氣候變化、海洋酸化等一起， 被列為需全球共同面對的亟待解決的環(huán)境問題[4].

大型塑料引起的海洋污染在國內(nèi)外已被廣泛研究[3]， 其危害主要包括： 被海龜、鯨和海鳥等生物攝入， 引發(fā)疾病甚至死亡; 纏住鯨類 （包括海豚） 等生物; 對珊瑚礁生態(tài)系統(tǒng)造成破壞; 引起微生物入侵事件. 海洋生態(tài)系統(tǒng)中的塑料垃圾對海洋生物的生長繁殖構(gòu)成直接的損害. 微塑料由于尺寸較小易被生物攝食， 能附著并富集微生物， 對海洋生物可能造成有害影響. 在塑料表面存在由異養(yǎng)生物 （捕食者）、自養(yǎng)生物和共生生物共同形成的生態(tài)系統(tǒng)， Zettler 等[5] 將這一生態(tài)系統(tǒng)稱為“塑料圈”. 大量存在于地球表面的人造塑料垃圾， 廣泛分布于各種陸地環(huán)境、海洋環(huán)境及生物體中. 人們通過“塑料圈”意識到在海洋生態(tài)系統(tǒng)中塑料的存在會對海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生持久且復(fù)雜的影響， 主要包括： 外源生物物種和群落的傳播與擴(kuò)散， 有害化學(xué)物質(zhì)的吸附與釋放， 能量供應(yīng) （塑料自身所含碳源） 和作為中轉(zhuǎn)媒介在海洋生物和塑料圈之間傳遞能量， 海洋生物攝食后潛在的物理、化學(xué)及生物危害等. 比較研究北大西洋和北太平洋的塑料表面生物群落結(jié)構(gòu)表明， 塑料生物圈有各自的生物地理特性， 塑料基質(zhì)生物群落的不同會給所在的生態(tài)系統(tǒng)帶來不同的影響， 同時需要相應(yīng)的管理政策去應(yīng)對海洋塑料污染[6].

目前， 在海洋中“塑料圈”對海洋生物和海洋微生物有怎樣的影響， 以及微塑料附著生物的作用等方面， 已經(jīng)開展了較多研究. 人們普遍認(rèn)為， 研究海洋微塑料的時空分布、微塑料表面生物被膜中生物的群落組成和微生物附著于微塑料隨洋流擴(kuò)散可能導(dǎo)致的微生物遷徙等， 具有重要的環(huán)境和生態(tài)學(xué)意義. 同時， 評估海洋微塑料的生態(tài)風(fēng)險， 對充分認(rèn)識微塑料對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響和制定海洋管理政策具有重要的科學(xué)意義[7].

1 微塑料在全球海洋中的分布

在全球尺度上微塑料在水體中的分布可以分為幾種特征區(qū)域： 五大環(huán)流垃圾帶[8]、近岸海域的微塑料[9]、陸架中的微塑料[10]、河口中的微塑料[11]、湖泊中的微塑料[12]. 最早對海洋微塑料的研究始于20 世紀(jì)70 年代[13-14]. Moore 等[15] 研究發(fā)現(xiàn)海洋中微塑料濃度高達(dá)33 萬個/km2， 使得人們意識到微塑料可能引起的風(fēng)險. Thompson 等[16] 在對海洋中塑料碎片的研究中第一次引入微塑料 （Microplastic）一詞. 目前普遍接受的微塑料定義為5 mm 以下的塑料顆粒[17]. 根據(jù)其來源可將微塑料分為初生微塑料和次生微塑料. 初生微塑料為微塑料在生產(chǎn)過程中即小于5 mm 的塑料顆粒; 次生微塑料為理化因素和生物降解等因素使得大型塑料分解成小于5 mm 的塑料碎片. 海洋作為塑料垃圾的最終歸宿， 海洋中微塑料數(shù)量也在逐漸增加[18].

微塑料一旦進(jìn)入海洋， 部分密度小于海水密度 （1.01 ～ 1.03 g/cm3） 的微塑料會漂浮于水體上層，最終被輸送到各種海洋環(huán)境中. 目前， 在海洋表層[19]、海底沉積物[20] 和海灘[21] 中都有微塑料被發(fā)現(xiàn). 此外， 極地地區(qū)[22-23] 和深海沉積物[24] 中也有微塑料存在. 已知的海洋微塑料污染的濃度和特征主要是來自海水表層水體的研究[25]. 在北太平洋[15]、北大西洋[26] 和印度洋[27] 大洋垃圾帶， 以及在南極地區(qū)發(fā)現(xiàn)的微塑料[28]， 讓我們意識到了微塑料在海洋中普遍存在. Eriksen 等[3] 依據(jù)在5 個亞熱帶環(huán)流帶、澳大利亞沿岸、孟加拉灣和地中海的24 個航次的采樣， 經(jīng)模型分析、矯正數(shù)據(jù)得出在全球海水表層水體中含有5.25 × 1012 個、重2.69 × 105 t 的微塑料. 縱觀對海水表層的微塑料污染的研究結(jié)果， 其濃度范圍從小于每立方米1 個到每立方米數(shù)百個. 這些地區(qū)差異除由本身的受污染程度不同導(dǎo)致外， 采樣方法、計數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和計量單位的不一致也是主要的因素[29]. 同時， 漂浮的微塑料被海流驅(qū)動， 也會造成微塑料分布的差異[26]. 水體表層的海流可以垂向混合海洋表層的微塑料， 且在水深超過1 m 的水體中，離岸越遠(yuǎn)， 微塑料的尺寸越小[30]. 至今， 絕大多數(shù)關(guān)于漂浮微塑料的研究主要集中在表層海水 （15 ～25 cm） [29]， 而微塑料在水體中的垂直分布的研究相對較少. 為此， 采用三維數(shù)值模擬研究不同比重塑料顆粒在北海和英吉利海峽的輸運， 顯示了微塑料由于比重的差異在海洋中垂直分布的不同[31]. 與基于小體積水的常規(guī)取樣方法相比， 采用大體積（10 m3） 海水樣品測定西太平洋和東印度洋水體中微塑料的豐度， 新數(shù)據(jù)得到的深水柱的豐度值至少低了1 ～ 2 個數(shù)量級. 研究表明， 目前用于海水表面采樣的有限體積不足以獲得深水中微塑料豐度的準(zhǔn)確估算. 粒徑分布數(shù)據(jù)表明微塑料向水體的橫向移動促進(jìn)了微塑料從地表向底部的移動[32]. 這些研究有助于我們更好地理解微塑料在全球海洋中的分布情況、尺寸特征和轉(zhuǎn)移擴(kuò)散.

2 微塑料在海洋食物鏈的傳遞

海洋中的微塑料可以被生物體攝食， 從而進(jìn)入海洋食物鏈. 微塑料進(jìn)入海洋生物體后， 有可能危害海洋生物. 由于微塑料和海洋中浮游生物等低營養(yǎng)級生物大小類似， 海洋生物易將微塑料誤食入體內(nèi)[33]. 地中海的沙丁魚 （Sardina pilchardus） 和鳳尾魚 （Engraulis encrasicolus） 分別有58% 和60% 的個體內(nèi)發(fā)現(xiàn)微塑料[34]. 在來源于養(yǎng)殖場和超市的成體貽貝 （Mytilus edulis） 和太平洋牡蠣 （Crassostreagigas） 的消化系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了微塑料[35-36]. Farrell 等[37] 的研究表明， 濱蟹 （Carcinus maenas） 因攝食被微塑料污染的貽貝導(dǎo)致鰓、胃、肝胰臟等器官中存在微塑料. 3 種糠蝦 （Neomysis integer、Mysisrelicta和M. mixta） 因攝食含有微塑料的浮游動物而累積該污染物[38]. 但以上在生物體組織中發(fā)現(xiàn)有微塑料的情況還有待于進(jìn)一步研究證實. 微塑料顆粒會阻塞海洋生物的攝食輔助器官和消化道， 使其消化系統(tǒng)受到機(jī)械磨損并產(chǎn)生偽飽腹感， 從而影響其正常生長. 更嚴(yán)重的是， 被攝食的塑料顆?？赡芟纳飪Υ婺芰縖17]， 有研究認(rèn)為， 還可能會被消化道上皮細(xì)胞吸收， 甚至穿過腸壁進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)[39]， 這似乎并沒有充足的證據(jù). 同時， 日常食用的海產(chǎn)品也易檢測到微塑料[40]. 對海洋生物攝食微塑料及微塑料可能在海洋生態(tài)系統(tǒng)中不同營養(yǎng)級之間傳遞而對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的現(xiàn)象， 應(yīng)引起人們的關(guān)注. 此外，有研究認(rèn)為微塑料對海洋生物的生長發(fā)育也有影響，如實驗室實驗研究認(rèn)為微塑料可嚴(yán)重干擾牡蠣生殖系統(tǒng)或降低繁衍后代能力[41]， 長期暴露于高濃度的微塑料會使得牡蠣死亡率增加[42]. 也的確有研究發(fā)現(xiàn)， 在環(huán)境濃度下微塑料能影響幼魚正常的攝食行為， 并且影響魚類幼體的生長發(fā)育[43]， 但該結(jié)果還未得到進(jìn)一步的證實. 因此， 對微塑料可能引起的食物鏈傳遞及風(fēng)險應(yīng)進(jìn)行更多細(xì)致的科學(xué)研究.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182

3 微塑料毒理學(xué)效應(yīng)

微塑料一旦大量進(jìn)入生物體后， 其不規(guī)則的形狀可能損傷海洋生物的消化系統(tǒng)， 另外其含有或附著的化學(xué)物質(zhì)也可能會危害到海洋生物. 一方面， 微塑料自身含有的有害化學(xué)物質(zhì)， 如生產(chǎn)過程中加入的塑化劑， 這些化學(xué)物質(zhì)可以增強塑料產(chǎn)品諸如抗熱、抗氧化和抗微生物降解的性能[44]， 但是這些塑化劑， 例如鈦酸酯、溴基阻燃劑、鉛、雙酚A 和鄰苯二甲酸鹽等， 對生物有害[18]. 由于塑料生產(chǎn)過程中的不完全聚合和環(huán)境因子的作用， 這些有害塑化劑很容易釋放到環(huán)境中去[45]. 當(dāng)海洋生物誤食微塑料后就會直接暴露在被釋放的塑化劑中， 研究表明， 濃度范圍在ng/L ～ μg/L 的塑化劑就可導(dǎo)致負(fù)面的生物效應(yīng)[46]， 當(dāng)然這么高濃度塑化劑的產(chǎn)生需要非常高濃度的微塑料. 這些塑化劑可以干擾重要的生物過程， 如內(nèi)分泌， 最終影響生物的活動、繁殖、發(fā)育， 并可能致癌[47]. 另一方面， 比表面積較大的微塑料作為一種傳播載體， 會吸附一些在水體傳播的污染物， 包括水性金屬[48]、內(nèi)分泌干擾物和持久性有機(jī)物[49]. 有研究認(rèn)為， 微塑料吸附的這些有害化學(xué)物質(zhì)會比周圍水體中高幾個數(shù)量級[18]. 吸附這些有害物質(zhì)的微塑料可能被輸送到任何沒有被污染的海洋生態(tài)系統(tǒng)中， 例如極地區(qū)域， 或者可能被海洋生物誤食， 其附著的有害物質(zhì)可以隨微塑料進(jìn)入生物體， 從而有可能危害到海洋生物[50]. Teuten 等[51] 的實驗室研究表明微塑料可轉(zhuǎn)移一部分吸附的有機(jī)污染物到攝食它們的蠕蟲 （Arenicola marina） 體內(nèi).攝入含持久性有機(jī)污染物的微塑料可以導(dǎo)致血蛤 （Tegillarca granosa） 產(chǎn)生免疫毒性[52]. 在實驗室研究中發(fā)現(xiàn)， 青鳉魚 （Oryzias latipes） 在暴露于微塑料和一系列來源于自然水體中的有機(jī)污染物時， 出現(xiàn)肝毒性和病理學(xué)的變化[53]. 海洋端足類 （Allorchestes compressa） 可以把吸附在塑料微粒上的多溴聯(lián)苯醚同化吸收在機(jī)體組織內(nèi)[54]. 在體外實驗中， 研究發(fā)現(xiàn)新細(xì)角毛藻 （Chaetoceros neogracile ） 細(xì)胞在暴露于微塑料環(huán)境后， 細(xì)胞酯酶活性和中性脂質(zhì)含量顯著降低[55]， 這也可能是過高暴露濃度的結(jié)果.Pannetier 等[56] 的實驗室研究表明， 微塑料能夠造成虹鱒肝細(xì)胞 DNA 損傷. 但是， 到目前為止， 在真實環(huán)境濃度中， 各類化學(xué)污染物對海洋生物的毒性效應(yīng)還有待進(jìn)一步的了解與證實.

4 海洋微塑料上附著微生物

微塑料已經(jīng)成為一種新型的生物棲息地. 海洋塑料附著微生物的研究始于20 世紀(jì)70 年代[13]. 微塑料因其疏水性等特性易被微生物定植. 微塑料及其附著生物被膜中的生物群落稱為“塑料圈”[5] .“塑料圈”中的微生物同環(huán)境中的微生物表現(xiàn)出明顯的差異[57]. 甲藻及硅藻等藻類能夠在塑料表面大量生存[5，58]. 不同地點和不同材質(zhì)微塑料表面的細(xì)菌種類存在差異性[59]. 此外， 微塑料表面還會附著有害微生物. 一種侵蝕珊瑚骨骼的病原菌folliculinid ciliate （Halofolliculina spp.） 通常只出現(xiàn)在印度洋和南大洋， 被證明出現(xiàn)在了北太平洋塑料垃圾上[60]， 弧菌科、紅桿菌科和黃桿菌科與珊瑚的組織損傷關(guān)系密切， 弧菌也是珊瑚白化的主要病原菌. 作為潛在病原菌的假單胞菌也在珊瑚區(qū)表面的微塑料被發(fā)現(xiàn)[61]. 在海河河口地區(qū)的微塑料表面有弧菌屬和假交替單胞菌屬被發(fā)現(xiàn)[62]. 對養(yǎng)殖區(qū)微塑料及附著生物的研究表明， 海水養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)存在微塑料， 且有弧菌附著于微塑料表面[63]. 另外， 對象山港海水網(wǎng)箱中微塑料附著生物群落演替的研究表明， 微生物在微塑料表面形成生物群落的過程中， 弧菌在第60 天后定植于PET （Polyethylene Terephthalate） 微塑料表面[64]. 其他相關(guān)研究中也有弧菌和假單胞菌被發(fā)現(xiàn)[65]. 同植物等自然材料相比， 微塑料在自然界中難以降解， 微塑料表面附著的生物能夠在微塑料表面長期存在， 其表面形成的生物被膜也為生活在生物被膜內(nèi)的微生物提供了保護(hù). 微塑料可以隨洋流漂流， 表面附著的微生物隨微塑料進(jìn)入新的環(huán)境可引起微生物入侵[66]， 給生態(tài)環(huán)境造成更大威脅.此外， 生物被膜中還含有條件致病菌， 這些致病菌在進(jìn)入新的環(huán)境時可能會產(chǎn)生有害風(fēng)險.

5 海洋“塑料圈”微生物與塑料之間的相互作用

塑料垃圾在海洋里除了可以作為一個持久存在的漂浮載體， 使生物得到更廣泛的散布外[67]， 海洋微塑料還可以為海洋微生物提供能量. 塑料是以石油、煤和天然氣為基礎(chǔ)原料的人工大分子聚合物，能夠被異養(yǎng)微生物作為碳基質(zhì)利用[68]. 已有研究表明， 假單胞菌（Pseudomonas sp.） 和紅球菌（Rhodococcus sp.） 能夠降解聚丙烯[69]. 另有研究表明， 泊庫島食烷菌（Alcanivorax borkumensis） 也可以降解低密度聚乙烯[70]. 阿氏腸桿菌（Enterobacter asburiae YT1） 對聚乙烯有降解作用[71]. 微塑料附著微生物可以降解微塑料獲得生長繁殖所需的碳源， 微塑料表面生物被膜中的胞外聚合物也可以為附著生物提供碳源[72]. 海洋微塑料為海洋浮游群落和“塑料圈”之間的能量傳遞提供了一種新方式. 因此，研究海洋“塑料圈”在了解海洋微塑料的歸宿和其生態(tài)效應(yīng)方面有著至關(guān)重要的作用. 海洋“塑料圈”生物群落在不同時間、空間的結(jié)構(gòu)組成及其與高營養(yǎng)級生物接觸后的潛在作用， 以及附著微生物對微塑料的生物降解等方面存在很大的科研價值， 值得深入研究[5-6，29].

6 中國開展海洋微塑料及其附著生物研究展望

中國的海洋微塑料研究始于2013 年對長江口及東海海域的微塑料研究[11]， 接著又對中國沿海南部海岸以及東部幾個河口的微塑料開展了研究[73-74]， 初步揭示了中國部分河口及近岸海域主要微塑料的分布、大小及種類組成. 另外， 也有學(xué)者對三峽大壩蓄水區(qū)微塑料分布特征[75] 以及海河和珠江等水域微塑料污染進(jìn)行了相關(guān)研究[76-77]. 上述研究表明， 由于受到內(nèi)陸河流的輸入影響， 例如長江、椒江、甌江等和東海沿岸密集人口的影響， 長江口和東海的某些區(qū)域是微塑料污染較嚴(yán)重的水域. 對于“塑料圈”中微塑料在中國海域的分布及輸運途徑， 以及海洋塑料和微塑料附著生物群落結(jié)構(gòu)在時間尺度上的變化規(guī)律等仍需進(jìn)一步研究. 未來中國對海洋微塑料及附著生物的研究中應(yīng)重點關(guān)注以下幾點：①研究近海微塑料來源、歸趨. 陸源輸入是海洋微塑料的重要來源， 研究河口近海微塑料來源和陸源微塑料的入海通量， 以及其時空變化規(guī)律， 對了解海洋中的微塑料具有重要意義. ②研究中國近海微塑料上的生物種類群落組成結(jié)構(gòu)及塑料附著生物群落隨時間和地域變化的特點， 研究塑料附著生物組成中人類和海洋生物的病原菌出現(xiàn)和分布的規(guī)律， 闡明對海洋生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的潛在影響.③建立對海洋微塑料風(fēng)險評估技術(shù)， 評估海洋微塑料可能引起的生態(tài)風(fēng)險. ④研究制定中國水體微塑料污染評價標(biāo)準(zhǔn)， 有助于科學(xué)地評估微塑料的污染現(xiàn)狀和危害程度， 以及未來中國微塑料污染的治理和控制. ⑤研究不同微塑料分解菌的塑料分解效率， 微塑料分解菌在微塑料治理方面的功能和機(jī)制.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182