崔鐵峰,張杰,盧燦然,王宏偉,葉曄
(1.河北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生命科學(xué)與綠色發(fā)展研究院,河北 保定 071002;2.華東師范大學(xué) 河口海岸科學(xué)研究院,河口海岸國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200241;3.中日友好環(huán)境保護(hù)中心 科技中心,北京 100029)
塑料制品由于其優(yōu)良的性能和低廉的價(jià)格被大量使用,然而, 廢棄塑料制品造成的污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重.微塑料 (microplastics, MPs)被定義為粒徑小于5 mm的塑料顆粒或纖維[1].MPs主要有2種來(lái)源:初生MPs和次生MPs.初生MPs來(lái)自塑料/樹(shù)脂顆粒的工業(yè)原料、含有MPs顆粒或清潔微珠的工業(yè)化產(chǎn)品.次生MPs是塑料進(jìn)入水體后經(jīng)過(guò)物理、化學(xué)和生物過(guò)程而發(fā)生破裂、分解或體積減小而形成的微小的塑料[2].MPs具有持久性,普遍性和潛在毒性,已被公認(rèn)為新興的水體污染物.目前,塑料垃圾已經(jīng)在各類(lèi)環(huán)境中發(fā)現(xiàn),從沿海到大洋[3],從海洋表層到海溝[4],甚至在極地海冰中都發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在[5].塑料可能主要源于廢物傾倒、道路徑流和廢水等途徑[6],有數(shù)據(jù)估計(jì),全球海洋中約有2.5×105t塑料[7].水生生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在大量的生物體內(nèi)都已檢測(cè)到了微塑料的存在.研究微塑料對(duì)水生生物的影響也成為一個(gè)重要問(wèn)題,已引起越來(lái)越多的關(guān)注,由于MPs的尺寸微小且與浮游生物和其他懸浮顆粒相似,因此其很容易進(jìn)入生物體內(nèi).研究表明,許多動(dòng)物可以通過(guò)攝食將MPs轉(zhuǎn)移到自身體內(nèi)[8],纖維狀MPs可以粘附于生物體肌肉組織甚至在組織的生長(zhǎng)過(guò)程中融合進(jìn)生物體的肌肉組織中[9].在中國(guó),太湖水體中MPs的豐度為(0.01~6.8)×106個(gè)/km2[10];研究人員發(fā)現(xiàn)每個(gè)貽貝(Mytilusedulis)體內(nèi)的MPs約為7.6個(gè)[11].MPs的主要類(lèi)型是纖維狀透明的玻璃紙并且胃和腸中MPs的比例在不同物種中顯示出很大的差異,按個(gè)體計(jì)算為0.5~1.9個(gè)[4].比利時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)德國(guó)農(nóng)場(chǎng)和法國(guó)超級(jí)市場(chǎng)的海鮮中每個(gè)貽貝平均含有約90個(gè)MPs顆粒,每只牡蠣含有約50個(gè)顆粒[12].
為了更好地分析MPs樣品,需要將其他雜質(zhì)從樣品中除去或?qū)Ps從樣品中分離出來(lái).MPs的分離方法可以分為物理方法和化學(xué)方法2種.物理方法包括機(jī)械過(guò)濾、膠體共沉淀和密度梯度離心等,化學(xué)方法包括溶解法、氧化法和消解法等.
機(jī)械過(guò)濾是最基礎(chǔ)和最常用的MPs分離方法.通常使用微孔膜或纖維濾紙對(duì)樣品進(jìn)行過(guò)濾,來(lái)去除粗大的MPs和其他雜質(zhì)[13].這種方法已被廣泛用于各種水樣和沉積物樣品中MPs的篩選和分離.機(jī)械過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,分離效率高,但需要針對(duì)樣品進(jìn)行不同的過(guò)濾條件設(shè)計(jì),且不能清除所有的雜質(zhì)[14].
膠體共沉淀是一種分離微小顆粒物質(zhì)的方法,其原理是利用受控的電化學(xué)條件使MPs表面帶有一定電荷,與帶有相反電荷的金屬離子結(jié)合并于底部沉降[15].這種方法可以在水樣和海洋沉積物中檢測(cè)到更低濃度的MPs,但其局限性在于不能形成高純度的MPs樣品,且對(duì)一些MPs毛細(xì)壁為負(fù)離子、表面電荷較弱的樣品效果不顯著[16].
密度梯度離心是一種物理分離方法,按照不同密度和沉降速率將樣品分層,以得到不同密度和雜質(zhì)含量的MPs樣品.它的優(yōu)點(diǎn)在于可以去除大部分背景噪聲和有機(jī)雜質(zhì),得到高純度的樣品,但是對(duì)于MPs粒子的密度分布和密度變化范圍的要求比較高[17].
化學(xué)處理包括化學(xué)溶解、氧化、消解等方法.這些方法利用化學(xué)試劑和物理特性,將其他雜質(zhì)分離出來(lái),提高M(jìn)Ps的純度.常見(jiàn)的試劑包括硝酸(HNO3)、過(guò)氧化氫(H2O2)、硫酸(H2SO4)等,不同種類(lèi)的MPs有其各自的最適試劑處理濃度和處理溫度.在最適條件下,微塑料的回收率可達(dá)到90%以上[18].化學(xué)處理的優(yōu)點(diǎn)在于分離效率高且節(jié)省時(shí)間,但也有一些副作用,如可能導(dǎo)致MPs樣品的減少或粘合.
MPs從樣品中分離后,準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)和分析MPs也成為當(dāng)今環(huán)境分析領(lǐng)域的一個(gè)重要課題.目前,定量鑒定和表征分析MPs的技術(shù)方法主要有直接觀察法、光譜法和熱分析法等.
直接觀察法是比較傳統(tǒng)的方式,通過(guò)目視觀察或顯微鏡觀察等方法,直接觀察樣本中的MPs顆粒來(lái)確定數(shù)量、形態(tài)和顏色等特征.直接觀察法簡(jiǎn)單易行,但是這種方法耗時(shí),受人為因素影響較大.直接觀察法主要適用于穩(wěn)定的樣品,且只能鑒定一部分MPs顆粒,不適用于較小的顆粒,可能存在漏檢或誤檢的情況.因此,這種方法通常需要結(jié)合其他分析方法來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的MPs分析.
傅里葉紅外光譜分析是一種可快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)MPs的方法.該方法通過(guò)采集樣品的紅外光譜,根據(jù)樣品中不同化學(xué)鍵振動(dòng)帶的強(qiáng)度和位置,識(shí)別樣品中的化合物種類(lèi)和含量[19].傅里葉紅外光譜分析的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需樣品前處理,分析速度快,結(jié)果準(zhǔn)確可靠,且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染,但是這種方法易受水蒸氣和雜質(zhì)干擾[20].
拉曼光譜法是一種非破壞性分析技術(shù),已被廣泛應(yīng)用于MPs的鑒定和定量.它基于拉曼散射現(xiàn)象,通過(guò)測(cè)量樣品的散射光譜來(lái)確定化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和組成.在拉曼光譜分析過(guò)程中,樣品被照射以激發(fā)其分子振動(dòng),引起光子散射[21].樣品的分子結(jié)構(gòu)和組成會(huì)導(dǎo)致特定的散射光譜,這些光譜可用于確定樣品中存在MPs,利用拉曼光譜法可以高效準(zhǔn)確地鑒定和定量不同類(lèi)型和尺寸的MPs,包括聚烯烴、聚苯乙烯、聚碳酸酯等材料[22].
熒光光譜法是一種利用分子在激發(fā)光照射下吸收光,再通過(guò)熒光發(fā)射來(lái)確定分子結(jié)構(gòu)、濃度和環(huán)境的分析技術(shù)[23].在MPs的檢測(cè)中,利用MPs在紫外或藍(lán)色激發(fā)光下的熒光特性,在特定的激發(fā)光波長(zhǎng)下,MPs會(huì)發(fā)出特定的熒光信號(hào),這種信號(hào)可以被熒光光譜儀捕捉并分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)MPs的快速檢測(cè)和定量分析[24].這種方法利用MPs特有的化學(xué)成分和物理特性,例如分子質(zhì)量、形狀和表面性質(zhì),來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型的MPs,具有靈敏度高和可靠度高的特點(diǎn).但需要注意的是,不同類(lèi)型的MPs可能會(huì)產(chǎn)生相似的熒光光譜,因此需要結(jié)合其他檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行分析和確認(rèn)[24].
熱分析法是一種常見(jiàn)的檢測(cè)MPs的方法,包括差熱分析法(differential thermal analysis,DTA)、熱重分析法(thermo gravimetric analysis, TGA)等[25].這些技術(shù)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)MPs樣品中的熱性質(zhì)、分解行為以及熱穩(wěn)定性等信息[25].具體而言,差熱分析法可以測(cè)定樣品在升溫或降溫過(guò)程中吸熱或放熱的能力,可用于檢測(cè)不同類(lèi)型、形狀和來(lái)源的MPs,通過(guò)測(cè)量不同溫度下它們與空氣或惰性氣體之間的傳熱模式,可以得到它們的熱性質(zhì)和分解行為.熱重分析法是通過(guò)測(cè)定樣品在一定溫度下失去的質(zhì)量(通常用氧氣下的失重率)來(lái)分析樣品中MPs的含量.MPs在高溫下分解,產(chǎn)生氣體、液體或固體等產(chǎn)物,從而造成質(zhì)量的減少,通過(guò)熱重曲線分析可以確定MPs的含量和分解溫度等信息[26].
質(zhì)譜法是目前分析MPs的主要方法之一,可以對(duì)MPs進(jìn)行快速、高靈敏度的檢測(cè)和定量分析.一般采用的質(zhì)譜技術(shù)包括氣質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜(GC-MS)、液相色譜質(zhì)譜(LC-MS)、電噴霧質(zhì)譜(ESI-MS)、飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF-MS)等[27-28].其中,GC-MS和LC-MS是應(yīng)用較為廣泛的2種方法.GC-MS法與LC-MS法相比,其檢測(cè)靈敏度更高,并且具有更好的化學(xué)特異性,可以區(qū)分不同的塑料類(lèi)型[29].不過(guò)由于GC-MS法只能檢測(cè)揮發(fā)性物質(zhì),因此首先需要采用化學(xué)預(yù)處理方法對(duì)樣品進(jìn)行裂解或化學(xué)處理,從而得到易于揮發(fā)的化合物[29].LC-MS法可以對(duì)非揮發(fā)性和熱穩(wěn)定的MPs進(jìn)行測(cè)定,無(wú)需進(jìn)行裂解和化學(xué)處理.質(zhì)譜法中唯一能確定和分辨出MPs基質(zhì)特征的是高效液相二級(jí)質(zhì)譜(LC-MS/MS)法.
MPs的污染對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康產(chǎn)生了嚴(yán)重影響,因此需要開(kāi)發(fā)和優(yōu)化高效、準(zhǔn)確、可重復(fù)的分離和分析方法.由于MPs的復(fù)雜性和多樣性,目前還沒(méi)有一種通用的分離和分析方法,因此選擇合適的方法需要考慮MPs的來(lái)源、種類(lèi)、形態(tài)、顏色、化學(xué)成分等因素.未來(lái),有望在新技術(shù)、新方法和新裝置的支持下,發(fā)展出更加完善和適用的MPs分離和分析方法.
MPs對(duì)生物體的負(fù)面影響表現(xiàn)在多個(gè)方面.本文從MPs對(duì)水生生物的行動(dòng)限制,對(duì)消化系統(tǒng)的破壞,對(duì)腸道微生物、基因、脂質(zhì)與能量代謝、氧化應(yīng)激等方面的影響來(lái)進(jìn)行介紹并探討了MPs可能對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生的健康風(fēng)險(xiǎn).
大部分的MPs能夠被水生動(dòng)物直接攝取;有些可以通過(guò)靜電作用吸附于初級(jí)生產(chǎn)者[30],使生物體在進(jìn)食時(shí)更容易將其攝入.MPs的攝入會(huì)堵塞或磨損水生生物的消化道,降低攝食率,鋒利的MPs還會(huì)對(duì)生物體的腸道組織造成損傷[31].急性暴露和長(zhǎng)期暴露于MPs后,水生生物中腸區(qū)上皮細(xì)胞會(huì)發(fā)生變形[32].聚乙烯MPs暴露,減緩了羅非魚(yú)(Oreochromisniloticus)體質(zhì)量的增加[33].這可能是由于攝入過(guò)多MPs會(huì)引起生物體錯(cuò)誤的飽食感,減少其對(duì)食物的攝取并影響消化過(guò)程,導(dǎo)致能量缺失,生長(zhǎng)緩慢[34].
將斑馬魚(yú)(Daniorerio)暴露于聚苯乙烯 MPs 14 d后,在門(mén)水平上其腸道微生物群落組成會(huì)發(fā)生顯著變化:對(duì)照組變形菌門(mén)(Proteobacteria)約占全部微生物組成的80%以上,而在MPs 處理組中下降至約40%;梭桿菌門(mén)(Fusobacteria)從對(duì)照組的 9%增加到 MPs 處理組的 30%以上;對(duì)于厚壁菌門(mén)(Firmicutes),其組成在 MPs 處理組中均顯著增加;并且在屬水平上,一些與魚(yú)類(lèi)的代謝、疾病和炎癥密切相關(guān)的微生物群落的組成也發(fā)生了變化[35].一項(xiàng)研究通過(guò)研磨農(nóng)用薄膜模擬聚乙烯MPs,評(píng)估了這些微塑料暴露30 d后對(duì)鯽魚(yú)(Carassiusauratus)腸道微生物組成的影響. 研究結(jié)果表明: 厚壁菌門(mén)在實(shí)驗(yàn)組中的相對(duì)豐度顯著增加而梭桿菌門(mén)和擬桿菌屬(Bacteroides)的相對(duì)豐度顯著減少,并且在暴露于 MPs后,一些有害細(xì)菌被發(fā)現(xiàn);Alpha 多樣性指數(shù)顯示鯽魚(yú)腸道微生物多樣性在低、中、高 MPs 組中均顯著增加[36].聚乙烯纖維暴露使石斑(Epinephelussp.)幼魚(yú)腸道微生物群落的α多樣性,Ace和Chao 指數(shù)均顯著下降,并且香農(nóng)指數(shù)表明群落多樣性呈下降趨勢(shì)[37].
大部分的MPs被攝入后僅在腸道中停留,容易隨糞便排出,而粒徑較小的MPs一旦進(jìn)入生物體內(nèi)會(huì)長(zhǎng)期滯留,并穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入到周邊組織和循環(huán)系統(tǒng),進(jìn)而產(chǎn)生細(xì)胞及分子層面的毒性效應(yīng)[38].當(dāng)MPs的尺寸降至納米級(jí)(1~1 000 nm),其對(duì)生物體的入侵能力和毒性可能進(jìn)一步增強(qiáng).對(duì)貽貝的研究發(fā)現(xiàn),較小的塑料微粒可以從腸道轉(zhuǎn)移且在生物組織中具有更快的生物積累效應(yīng)[7].50 nm的聚苯乙烯微球暴露臂尾輪蟲(chóng)(Brachionussp.)會(huì)造成其DNA損傷、抗氧化酶和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路激活[39].1~50 μm的聚氯乙烯MPs暴露貽貝增強(qiáng)了貽貝與基本生理過(guò)程有關(guān)的基因表達(dá)(細(xì)胞周期阻滯、凋亡和氧化還原壓力等)[40].80 nm的聚丙乙烯暴露蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)對(duì)藻細(xì)胞蛋白質(zhì)合成與代謝以及光合作用通路有顯著抑制,還對(duì)藻細(xì)胞的 DNA造成了損傷并引發(fā)了DNA修復(fù)機(jī)制[41].暴露于聚苯乙烯微粒環(huán)境下的大麻魚(yú),一些基因表達(dá)發(fā)生了顯著變化,這些變化包括與免疫系統(tǒng)和代謝有關(guān)的基因[42].當(dāng)飼料中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的63 μm的聚乙烯MPs時(shí),在轉(zhuǎn)錄組水平上羅非魚(yú)肝臟中檸檬酸循環(huán)途徑發(fā)生了顯著性變化[33].聚乙烯MPs暴露使日本青鳉(Oryziaslatipes)雄魚(yú)卵黃蛋白原基因表達(dá)量顯著下調(diào)[43].斑馬魚(yú)幼魚(yú)經(jīng)20 mg/L 聚酰胺MPs(10~45 μm, 300~550、605 nm)暴露時(shí),在前48 h體內(nèi)的基因表達(dá)發(fā)生了廣泛的改變[44].
Suman等[32]的研究表明,豐年蝦(Artemiasalina)急性(24、48 h)和慢性(14 d)暴露于聚苯乙烯微球(急性暴露于100 mg/L,慢性暴露于1 mg/L,5 μm)后,其體內(nèi)活性氧(ROS)呈濃度依賴(lài)性增加.聚苯乙烯MPs會(huì)引起斑馬魚(yú)肝臟的炎癥和脂質(zhì)積聚并使抗氧化酶活性明顯改變進(jìn)而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng);Romano 等[45]指出,暴露于環(huán)境中的原始聚氯乙烯 MPs(0.1~0.5 mg/L,0.1~1 000 μm)還可能對(duì)鯽幼體的大腦和肝臟造成氧化損傷.聚苯乙烯MPs也會(huì)引起鯽幼體的氧化應(yīng)激. MPs的攝入還會(huì)干擾斑馬魚(yú)的脂質(zhì)和能量代謝[46]. 當(dāng)用老化的聚酰胺(<32.50 μm)喂食斑馬魚(yú)幼魚(yú)時(shí),幼魚(yú)對(duì)飼料中脂質(zhì)的消化功能減弱,導(dǎo)致了脂質(zhì)的吸收不良和生長(zhǎng)抑制[47].
在海洋環(huán)境中MPs往往會(huì)與其他污染物共同影響生物體,MPs可以吸附和富集化學(xué)物質(zhì),從而導(dǎo)致其濃度增加并進(jìn)一步影響水生生物.同時(shí),MPs還可以作為被附著物,為有害物質(zhì)提供一個(gè)固定的環(huán)境,使其更容易對(duì)生物產(chǎn)生毒性.MPs與其他物質(zhì)的聯(lián)合毒理效應(yīng)通常比單一毒性更為復(fù)雜和難以預(yù)測(cè).目前研究發(fā)現(xiàn),MPs與其他環(huán)境污染物質(zhì)如有機(jī)污染物、重金屬等一起作用,會(huì)導(dǎo)致潛在的復(fù)合毒理效應(yīng).Wu[48]等的研究表明:MPs和多氯聯(lián)苯(PCBs)對(duì)斑馬魚(yú)(D.rerio)的聯(lián)合暴露會(huì)導(dǎo)致其卵子的孵化率和幼魚(yú)的生長(zhǎng)發(fā)育受到嚴(yán)重的損害.聚苯乙烯MPs和磷酸三苯脂(TPP)復(fù)合暴露相比單獨(dú)TPP的暴露會(huì)對(duì)斑馬魚(yú)胚胎的發(fā)育產(chǎn)生更強(qiáng)的毒性效應(yīng),聯(lián)合暴露會(huì)導(dǎo)致胚胎的致死率和致畸率升高,并抑制孵化率,同時(shí),加入聚苯乙烯MPs還會(huì)提高斑馬魚(yú)胚胎甲狀腺激素濃度和卵黃蛋白原水平[49].謝慧風(fēng)[50]指出多種重金屬暴露(Cr、Cu、Pb、Zn、Cd、Mn、Co、Hg、As、Ni)30 d后紅樹(shù)白骨壤根際細(xì)菌豐富度顯著降低,而MPs與重金屬?gòu)?fù)合處理(MPs-HMs)可加劇細(xì)菌豐富度的退化.Sharma[51]等還發(fā)現(xiàn)MPs可以與流感病毒發(fā)生協(xié)同作用,MPs因吸附病毒使其更容易與細(xì)胞結(jié)合,導(dǎo)致病毒活性增強(qiáng).
Da等[52]證明MPs微球和碎片可以沿食物鏈傳遞至更高的營(yíng)養(yǎng)級(jí).海產(chǎn)品是人類(lèi)重要的食物來(lái)源,為人類(lèi)提供了優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)來(lái)源.這也使水生生物體內(nèi)的MPs有機(jī)會(huì)傳遞到人類(lèi)體內(nèi).目前,在人類(lèi)的肺部、胎盤(pán)、血栓和糞便中都發(fā)現(xiàn)了MPs的存在[53-56].對(duì)于人類(lèi),接觸MPs可能會(huì)導(dǎo)致顆粒中毒,免疫系統(tǒng)無(wú)法清除的合成顆粒還會(huì)導(dǎo)致慢性炎癥并增加腫瘤形成的風(fēng)險(xiǎn)[57].聚苯乙烯微片段通過(guò)釋放化學(xué)試劑使免疫細(xì)胞的急性炎癥增加20倍,導(dǎo)致人體中活性氧的產(chǎn)生以及細(xì)胞死亡,并具有濃度依賴(lài)效應(yīng)[58].
MPs在被水生生物攝入的過(guò)程中會(huì)對(duì)生物體的消化道造成物理?yè)p傷,同時(shí)MPs的攝入會(huì)增加飽腹感,影響水生生物對(duì)食物的消化吸收.MPs的攝入還會(huì)使水生生物腸道中的微生物群落組成和多樣性發(fā)生改變.MPs暴露會(huì)引起水生生物基因的改變,還會(huì)誘發(fā)水生生物的氧化應(yīng)激反應(yīng),并干擾其脂質(zhì)和能量代謝.MPs對(duì)消化吸收的影響及對(duì)腸道微生物平衡的破壞可能是生物體脂質(zhì)和能量代謝相關(guān)基因改變的原因之一;MPs對(duì)生物體消化道的物理?yè)p傷及其在生物體內(nèi)的積累和擴(kuò)散可能是引起氧化應(yīng)激反應(yīng)和免疫反應(yīng)的主要原因.綜上所述,MPs會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生一定程度的影響.但是,MPs對(duì)生物體的健康風(fēng)險(xiǎn)閾值,以及生物體能否通過(guò)自身的調(diào)節(jié)來(lái)完全消除MPs對(duì)機(jī)體產(chǎn)生的不利影響,還需要進(jìn)一步的研究.
本文綜述了MPs對(duì)水生生物的生態(tài)毒理效應(yīng),說(shuō)明了MPs對(duì)生物體存在潛在的毒性效應(yīng).在將來(lái)的研究中,應(yīng)關(guān)注真實(shí)環(huán)境中MPs的特征,了解不同環(huán)境中生物體內(nèi)MPs暴露的真實(shí)水平.然而,目前MPs的研究方法還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),不同的研究所得到的結(jié)果很難進(jìn)行比較.此外,納米塑料可能更容易在生物體內(nèi)積累和擴(kuò)散,從而可能具有更強(qiáng)的毒性效應(yīng),目前MPs的檢測(cè)技術(shù)對(duì)于納米級(jí)別的MPs檢測(cè)仍然存在技術(shù)障礙.所以,以后MPs的研究需要建立標(biāo)準(zhǔn)的MPs分析方法,還需要技術(shù)的進(jìn)步來(lái)方便高效地檢測(cè)納米塑料.最后,除水生生物外,其他生物體乃至人體內(nèi)MPs的準(zhǔn)確暴露水平,以及對(duì)生物體產(chǎn)生的毒理效應(yīng)也是急需解決的問(wèn)題.