中國流域生態系統微納塑料污染研究進展

摘要：微納塑料作為一種環境新興污染物，近年來備受關注，對其研究主要集中在海洋環境中。海洋中的微納塑料主要來自陸地，因此流域生態系統的微納塑料更加值得關注。中國流域生態系統微納塑料研究起步較晚。基于微納塑料的產生與人類活動有直接密切關系，目前中國對陸地河流、湖泊、飲用水等淡水水體環境中微納塑料的分類已經比較清晰，現階段對各類微納塑料的來源解析仍不夠充分，對其在陸地水域間的轉移路徑需要明確。通過歸納總結微納塑料在中國流域中的污染現狀、監測手段以及研究中遇到的問題，初步揭示陸地水體中微納塑料與其他污染物的聯合毒作用機理，為今后中國流域生態系統的微納塑料污染研究提供參考。

關鍵詞：微納塑料；新興污染物；流域環境；遷移轉化；研究進展

中圖分類號：X5 文獻標志碼，A

前言

上世紀50年代至今，塑料總產量已達80多億噸，成為生產量最大的人工合成材料。中國塑料加工工業協會的數據顯示，2019年中國塑料制品產量高達8 269.38萬噸，然而由于中國對塑料制品的回收率較低，大量廢棄塑料散落于自然環境中，造成了嚴重的塑料污染問題。經物理（光、風、水、摩擦、剪切應力等）、化學（酸、堿等）、生物作用（微生物降解等）后，廢棄塑料在形態、尺寸方面逐漸變小，形成微米級的微塑料（粒徑lt;5mm）甚至納米級塑料顆粒（粒徑lt;100 nm），使其分布和轉移范圍大大增加，已成為亟待解決的污染問題。

微納塑料最初來源于人類活動，最終去向為土壤及水體。微納塑料在無機自然環境中的遷移路徑為：人為日常生產活動產生的微納塑料，經過土壤堆肥、大氣沉降、自然環境破碎等作用，通過地表徑流進入陸地水體，最后由湖泊、河流等收集納入海洋。研究發現海洋中的微納塑料污染大部分來自陸地的次生微塑料，陸地水環境中的微納塑料則來源眾多，其中重要源頭之一是城市污水處理廠。上海市污水處理廠有40%的微塑料隨尾水排放進入自然水體，廈門污水處理廠每天大約有6.5×10個MPs被釋放到廈門灣，其中日處理量最大的筼筜污水處理廠，每日通過污泥外運進入環境中的微塑料數量（1.35×10個）遠高于經污水（4.69×10個）所排放的量。再者由于污泥不當處置和土地利用，導致在污水處理過程中產生的大量污泥成為了微塑料的蓄積庫。目前研究對流域環境微納塑料的來源不充分，需要進一步進行系統解析，對其在陸地水域間的轉移路徑需要明確，淡水水體尤其是飲用水的微塑料系統性監測需要建立。

1微納塑料對陸地水體的污染現狀

1.1中國流域水系微納塑料污染現狀

中國流域微納塑料分布廣泛（如表1所示），即使是偏遠的西藏、青海的內陸湖泊湖岸沉積物中也都檢出了微塑料。表1中顯示了近年來中國國內學者對中國陸地部分不同水體環境的微塑料豐度研究數據。

不同種類微塑料的分布呈一定的地域特征。微塑料的產生與人類的生產生活有極大的相關性。廣泛使用農業地膜的地區，其土壤中薄膜狀微塑料占比重大，城市地區較農村地區的顆粒狀微塑料占比大。湖泊中微塑料含量與到城市中心距離呈負相關，靠近污水處理站排污口的湖泊微塑料含量高，這也進一步證實了污水排放是水體中微塑料的重要來源之一。

1.2微納塑料污染對生物的毒害作用

目前已通過熒光團簇技術證明了低營養水平的生物無法辨別進食的是食物還是塑料顆粒。聚苯乙烯塑料（PS）作為典型塑料的一種，目前其毒理作用研究已開展。雄性成年斑馬魚誤食了Ps微球（直徑0.5-50 um，1 000 ug/L），14天后其腸道里的微生物菌群發生變化，斑馬魚出現炎癥反應。納米級聚苯乙烯顆粒（nm-PS）可以進入斑馬魚胚胎內部并在幼魚的腹部中大量蓄積，會造成胚胎的致死和亞致死效應，誘導仔魚ROS水平顯著上升，并抑制仔魚中腦神經元（atohla）活性的表達。于萍等發現微塑料在中華絨螯蟹體內富集，誘導氧化應激反應，損害蟹的免疫系統，干擾腸道微生物組成和分布。微塑料還可以與有毒有害物質協同作用于生物，納米級微塑料可輕易進入動植物體。然而目前已有研究對微納塑料的生物毒性量化分析研究不足，且對其他物質的吸附機制及效率尚不清楚。

2陸地水體微納塑料監測方法

微塑料的采集分離可以通過大樣本法、濃縮樣本法。表層水通常選用拖網式采樣裝置，如Manta微塑料浮游生物網，Neuston浮游生物網等，中層水常選擇Bongo浮游生物網，底部深層水采用底棲拖網。對于1-5 mm的微塑料顆粒是可以用肉眼辨別的，可以直接采用目視法；當淡水環境中的微塑料小于1 mm時，肉眼不能識別，可以采用光學顯微鏡對微塑料進行監測分類。運用一系列方法測得的微塑料豐度可以反映出當地的污染水平，從而可以為研究者判斷污染現狀及趨勢提供數據支撐。

目前微塑料的源解析主要通過拉曼光譜、傅里葉變換紅外光譜、能譜儀等現代儀器，來判斷微塑料的成分及結構（如表2所示），且這幾種常用的微塑料檢測方法各具優缺點。2020年檢測到中國長江口地表水中的微塑料成分以PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、聚酯纖維類為主（如圖1所示）。研究人員通過微塑料表面的SEM圖和相應的EDS能譜圖發現，湖岸沉積物（松山湖）中微塑料的表面攜帶有多種類型的重金屬（如Ni、Cu等）。ICP-MS（電感耦合等離子體質譜）對微塑料表面所攜帶的7種典型重金屬的定性定量分析結果顯示，微塑料對7種典型重金屬的攜帶含量分別為Hg（0.05-0.15ng/g）、Ti（331-2 936 ng/g）、Cr（8.6-122.0 ng/g）、Ni（7.3-25.1 ng/g）、Cu（21.4-314.3 ng/g）、Cd（0.14-0.86 ng/g）和Pb（19.0-66.9 ng/g）。

然而相比微米級塑料的分離而言，納米級塑料的分離難度較大，分離成本較高。

3微塑料對陸地水生態的影響

3.1塑料添加劑的影響

微納塑料釋放的氯乙烯（VC）、苯乙烯（styrene）、雙酚A（BPA）、甲醛（methanal）、壬基酚（NP）等有害物質能夠干擾水中生物的神經系統，影響生物的繁殖能力，誘發致癌、致畸、致突變效應。內分泌學會和國際消除持久性有機污染物網絡IPEN于2020年共同發布的一份權威報告《塑料、EDCs和健康》中表明，塑料含有且會滲出威脅人類健康的內分泌干擾物（EDCs）。目前含有EDCs的使用化學制品中有超過1 000種，可致發育中的胎兒和兒童發生癌變、糖尿病、生殖障礙等系統損傷。現有研究表明，微塑料添加劑對魚類、貝類等動物的胚胎和幼體生長發育有顯著毒性效應。在河口環境相關暴露濃度下，聚乙二醇單-4-壬苯醚（PEGM-4-N5）能夠顯著降低斑馬魚胚胎的孵化率，并隨著暴露濃度的升高，孵化率逐漸降低，同時PEGM-4-N5的暴露還引起了斑馬魚胚胎心跳速率加快和幼魚脊柱彎曲等現象。如表3所示部分塑料添加劑對水生物產生的影響，可見塑料本身加之其添加劑，使其生物毒性更強，對生物健康損傷更嚴重。

3.2與吸附污染物的聯合毒性作用

微納塑料體積小、比表面積大，具有很強的吸附性能，極易吸附環境中的有毒有害物質。據報道，富集在微塑料上的污染物濃度比水體中的污染物濃度高出幾個數量級。塑料具有較強的疏水性，長久以來被認為較難與重金屬產生相互作用，直到有學者從環境中的微納塑料污染物表面檢測到了重金屬，并證實了微塑料具有吸附重金屬的能力。吸附作用與金屬自身性質及塑料表面官能團有關。隨著微納塑料的老化程度增加，其比表面積增大，產生含氧基團，進而增加表面電荷，孔隙度等，從而影響吸附作用。

微塑料進入不同營養程度水體中一段時間后都會長出不同的微生物群落，形成生物膜，生物膜會影響微塑料對有機污染物的吸附。微生物在微塑料表面形成的生物膜結構會導致微塑料在水體中的某些物理性質發生改變，從而引起微塑料在水體中產生橫向遷移與縱向沉降，間接作為潛在病原體或外來物種的載體。從生物學角度分析，微生物在陸地水體中隨微塑料進行的遷移轉化，本質其實是生物體內基因的遷移。微生物間的基因交流頻繁，可能會導致新型物種的產生與大量遷移，最終致使區域內出現生物入侵現象，如廢水處理廠下游水體中耐藥菌的富集現象。人民日報報道，央視記者聯合水環境國家模擬重點實驗室、北京師范大學的水科院的研究人員對中國部分地表水取樣檢測時發現，全國主要河流都檢出抗生素，甚至在南京居民家中的自來水中檢出了抗生素。其中，珠江廣州段受到抗生素藥物的污染非常嚴重，脫水紅霉素、磺胺嘧啶的含量分別為460納克／升、209納克／升，遠遠高出了歐美發達國家河流中100納克／升以下的含量。當廢水處理廠的廢水排人河流時，附著在微塑料上的抗性基因可能隨著河流進入海洋，在洋流的帶動下擴散至大洋，與微塑料上的其他物種或周圍環境進行基因交流。大量致病菌耐藥菌排放人海則可能在微生物分子遺傳學層面引發可移動遺傳元件（MGEs）介導的病原菌致病基因與耐藥性基因水平轉移；而河流端、河口端、近岸端、海洋端細菌群落組成及結構明顯不同，微納塑料由于能提供微生物附著的基地且具有可遷移性，有可能促進基因交流及遷移，進而引發不可控災難。此外，微納塑料還具有“捕食增強作用”，生物群落聚集在微納塑料表面，提高水體中捕食者的捕食速率，促進水體中的動物攝取微塑料，進而加劇微納塑料顆粒對水體動物的毒理病理作用。Capone等對利古里亞海中經常接觸合成MPs的歐洲鯉魚進行研究，發現在繁殖期由于需要補充更多能量，鯉魚會更頻繁地將透明聚乙烯和聚丙烯塑料誤認為是浮游動物有機體進行捕食，表明歐洲鯉魚對MPs的攝入缺乏選擇性。

如表4所示微塑料與常見有機物污染的聯合毒性作用。

4結論

現階段中國流域中的微納塑料污染程度尚不能得到明確定論，且對于微納塑料的毒理研究大多停留在實驗室個體水平，其復合污染物在不同營養級生物間的傳遞、生物累積效應的研究還很少。制約的關鍵因素一是缺乏快速、精準、成本低的監測分析技術和設備，二是國家尚未發布明確的標準來加以規范，定量指標和定性指標方面，微納塑料的污染程度不能準確地界定。今后的研究工作應更加重視微納塑料毒理、聯合毒性、生態毒性的研究，建立從細胞、器官、個體、種群到群落等不同水平的微納塑料生態毒性指標體系，并根據毒性體系建立健全相應的法規標準，進行微納塑料量化和定性化評價。