微塑料对海洋生物的影响研究进展

许彩娜，张 悦，袁 骐，蒋 玫，郑 亮，隋延鸣，穆景利，王云龙，王翠华

（1.中国水产科学研究院东海水产研究所，上海 200090；2.上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；3.国家海洋局近岸海洋生态环境重点实验室，国家海洋环境监测中心，辽宁大连 116023）

由于轻便、耐用、成本低、易加工等特点，塑料被广泛运用在人类生活的各个方面［1］。目前全球每年的塑料产量约为3亿 t［2］，过去几十年，由于全球塑料产量的大幅增加，只有5%的塑料会被回收，随之而来的塑料垃圾也呈逐年增加的趋势，这些塑料垃圾中每年有至少800万t流入海洋［3］。塑料垃圾经过光氧化降解、机械磨损、物理分解、化学作用和生物降解后，最终形成粒径小于5 mm的新型污染物，即微塑料［4］。这些微塑料在洋流、风力等作用下，被运输到海洋的各个角落，甚至是极地冰层和深海区域［5］。相对于大颗粒的塑料，微塑料更易于直接随着食物被海洋生物摄入，再加上塑料能抵抗微生物降解而持续存在于海洋环境中，致使塑料在海洋环境中不断积累，给海洋生态带来巨大的威胁［6］。本文从海洋微塑料来源和污染现状入手，总结国内外相关研究进展，综述了微塑料对海洋浮游生物、甲壳类、贝类、鱼类和其他海洋生物的影响，重点关注了微塑料与其他污染物的复合毒性效应等，并在此基础上，对未来研究方向提出建议，以期为该领域的进一步研究提供新思路和理论依据。

1 微塑料在海洋环境中的污染现状

据联合国环境规划署调查，漂浮在海洋中的塑料污染物约为1.8万个·km-2，不仅对海洋环境造成了严重的威胁，还造成了每年超过130亿美元的经济损失［7］。塑料垃圾也已严重影响我国的海洋环境，特别是粒径小于5 mm的微塑料垃圾。本文从微塑料粒径尺寸、丰度、形状组成和颜色等方面综述其赋存形态，介绍其对海洋环境的污染状况。

1.1 海水的污染现状

微塑料广泛分布于大部分海洋、河口、海湾等，其污染问题已逐渐演变为全球性海洋环境问题。据报道，东北太平洋中存在粒径小于5 mm的微塑料，丰度为（279±178）个·m-3；加拿大西部不列颠哥伦比亚省的地下海水中也检测到微塑料的存在，丰度范围为8～9 180个·m-3，大多数尺寸为100～500μm，微塑料组成多为纤维，颜色较为丰富［8］；大西洋中微塑料的粒径为50～505μm，丰度为（1.15±1.45）个·m-3，用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）来鉴定聚合物类型，发现大多数微塑料为聚酯和聚酰胺或丙烯酸／聚酯的混合物，主要颜色是蓝色［9］；在偏远寒冷的北冰洋等地区，同样发现粒径为0.25～7.71 mm、丰度为0～11.5个·m-3的微塑料，类型包括聚酯、聚酰胺等，组成多为纤维，主要颜色为黑色和蓝色［10］。

而对我国海域调查发现，渤海海域微塑料平均丰度为（0.33±0.34）个·m-3，FT-IR光谱分析表明其主要类型为聚乙烯、聚丙烯等，其中大多数为不规则碎片［11］。黄海海域微塑料的粒径为0.05～5.00 mm，丰度约为0.33个·m-3，其中检测到最多的组成类型是纤维，颜色多为彩色和黑色［12］。东海表层海水中微塑料粒径多为0.5～5.0 mm，丰度为0.011～2.198个·m-3，组成类型主要是聚乙烯和聚丙烯，形态多为泡沫状，颜色则以白色和彩色为主［13］。南海海域微塑料污染最为严重，其粒径为0.02～0.30 mm，丰度达（2 569±1 770）个·m-3，聚合物类型多为醇酸树脂和聚己内酯［14］。可见，我国的主要海域基本上都存在微塑料，微塑料污染问题已经不容忽视。

1.2 海洋沉积物的污染现状

目前，有关微塑料在海洋沉积物的污染现状研究已取得一定进展，如研究发现欧洲国家的海滩沉积物中粒径小于1 mm的微塑料相对较少，约为72～1 512个·kg-1（干重），组成多为聚酯、聚乙烯等，其中98.7%的微塑料类型是纤维，颜色多为蓝色和黑色［15］。而在全球范围调查中，对北太平洋地区的沉积物中微塑料污染情况知之甚少，为此学者通过密度分离方法，从北白令海和楚科奇海表面沉积物的样品中提取了微塑料，发现粒径介于0.10～4.86 mm，而丰度范围为0～68.7个·kg-1（干重），其中在楚科奇海沉积物中检测到的含量最高，组成中聚丙烯占最大比例（51.5%），并且确定的类型为纤维（64.4%）和薄膜（35.6%），颜色主要为白色和黑色［16］。类似情况同样发生在南极洲及其周围水域20个站点的沉积物中，其微塑料直径一般小于0.1 mm，最高浓度可达0.5个·mL-1，组成类型基本为纤维，通常最大长度范围为2～5 mm，颜色多为白色、红色、绿色等［17-18］。对我国渤海和黄海72个不同地点的沉积物样品调查发现，所有样品中都含有微塑料，粒径范围为66.25～4 982.59μm，其中渤海、北黄海、南黄海样品中微塑料的平均丰度分别为 171.8、123.6、72.0个·kg-1（干重），纤维是最常见的类型，说明微塑料已广泛分布在渤海和黄海的沉积物中［19］。通过对比国内外海洋沉积物中微塑料的污染水平，发现我国处于中等污染程度，这为评估我国微塑料的环境风险提供了有用的信息。

1.3 海洋生物的污染现状

海洋生物在海洋生态系统和食物链中发挥着重要作用，可通过研究不同海洋生物摄取微塑料的情况评估微塑料的潜在生态和人类健康风险。DEVRIESE等［20］对 欧 洲 褐 虾 （Crangon crangon）调查发现，63%个体中存在微塑料，主要成分为聚酯纤维，粒径范围为200～1 000μm，平均每克虾（湿重）中含有（0.68±0.55）个微塑料。而凯尔特海蜘蛛蟹（Maja squinado）体内普遍存在微塑料，最小尺寸为500μm，平均每个个体含有1.39个，主要类型为聚丙烯、聚酯等［21］。有学者评估了北爱奥尼亚海的几种海洋物种对微塑料的摄取情况，发现紫贻贝（Mytilus galloprovincialis）摄入微塑料的频率为46.25%，丰度为每个个体内含有1.7～2.0个，而在沙丁鱼（Sardina pilchardus）体内检测到的摄入频率高达47.20%，丰度为每个鱼体内含有1.5～1.9个，组成中最常见的是聚乙烯，大多数为碎片，颜色和尺寸各不相同［22］。加拿大哈利法克斯港口野生贻贝和养殖贻贝均携带尺寸为5～500μm的微塑料，且养殖贻贝体内每克携带为1.4个，远高于野生贻贝的0.9个，光谱分析发现其50%是微观碎片［23］。LI等［24］对中国上海水产市场 9种双壳贝类进行取样发现，所有贝体内都含有微塑料，且大多数粒径范围为5～5 000μm，其中泥蚶（Scapharca subcrenata）含量最多，平均每个个体含有57.2个，每克组织中高达10.5个，携带微塑料含量最少的是青蛤（Cyclina sinensis），平均每个个体含有4.3个，每克组织中含有2.1个，组成主要为聚乙烯，而类型主要包括纤维、碎片等，颜色呈现多样化。相关学者对我国沿海17个地区牡蛎样品中的微塑料进行量化，发现平均丰度为每个个体中含有2.93个微塑料，其中最常见的粒径为1 500μm，说明中国沿海地区牡蛎已经受到微塑料不同程度的影响，而其丰度与其他国家相似或更低［25］。

2 微塑料对海洋生物的影响

海洋微塑料被称为海洋中的“PM 2.5”，因其会对海洋生物产生生物毒性等，已成为全世界环境学家、海洋生物学家研究的热点［26］。微塑料单独或与其他污染物一起对大多数浮游生物、贝类、甲壳类、鱼类以及其他海洋生物产生不利影响，并沿着食物链进行传递，最终危害人类的身体健康。

2.1 微塑料对浮游生物的影响

藻类是海洋生态系统的主要生产者，其通过光合作用制造有机物，为自身和生态系统中的其他生物提供能量。海洋微藻分布广泛，且自身容易吸附微塑料，因此藻类是研究微塑料对海洋初级生产力影响的重要载体。

目前，微塑料对藻类影响的研究主要集中在暴露状态下微塑料对藻类生长动态和细胞活性的影响。MAO等［27］将蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）分别暴露在粒径为0.1μm和1.0 μm的聚苯乙烯微塑料下，发现随着浓度的增加，其光合作用效率降低、生长减慢，产生了类囊体扭曲、细胞膜破坏等物理损伤，同时体内会产生不明来源的类球蛋白。类似研究结果同样发现于中肋骨条藻（Skeletonema costatum）中，将其暴露于粒径为1 mm、浓度为50 mg·L-1的聚氯乙烯微塑料中，发现中肋骨条藻叶绿素含量和光合作用效率下降，生长受到抑制，最大抑制率可达39.7%［28］。把小球藻和栅藻（Scenedesmus）在纳米微塑料下暴露60 h，发现其体内活性氧（ROS）显著增加，并造成严重的氧化损伤［29-30］。

摄入微塑料对浮游生物的影响还表现在繁殖、生长和消化等方面。如将桡足类浮游生物矮小拟镖剑水蚤（Paracyclopina nana）分别暴露于0.05μm、0.5μm和6μm荧光标记的微塑料下，发现只有0.05μm的微塑料被保留在个体内，且发育迟缓、繁殖力降低，细胞内ROS水平显著增加，而暴露于0.5μm微塑料下的个体出现了延迟蜕皮的情况（无节幼体到桡足类），暴露于6 μm微塑料下对个体生长影响不明显［31］。将桡足类海岛哲水蚤（Calanus helgolandicus）暴露于粒径20.6μm、浓度为1 000个·mL-1的聚苯乙烯微塑料下，发现其75%的肠道中含有微塑料，且消化后的粪便中微塑料的密度显著降低，下沉率降低了2.25倍［32］。除此之外，将端足类美洲钩虾（Hyalella aztec）暴露于10～27μm聚乙烯微塑料和20～75μm聚丙烯微塑料下，发现随着浓度的增加，美洲钩虾的死亡率上升，且聚乙烯和聚丙烯微塑料对美洲钩虾10 d内的半致死浓度分别是4.64×104个·mL-1和71.43个·mL-1；而于聚乙烯微塑料下进行42 d的慢性暴露实验，发现其显著降低了美洲钩虾的生长和繁殖，使美洲钩虾生存率下降、死亡率上升［33］。

2.2 微塑料对贝类的影响

贝类以滤食为主，广泛分布于全球各大洋中，连接初级生产者和高级消费者，是能量流动的重要环节，在海洋生态系统中起着重要作用。近岸贝类如牡蛎、贻贝和人类生活密切相关，其软体组织一旦含有微塑料将随着饮食进入人体，给人类健康造成潜在威胁。

现有微塑料对贝类影响的研究主要集中在微塑料暴露下其对贝类生理生态的影响。研究发现将欧洲牡蛎（Ostrea edulis）暴露于粒径范围为0.48～316μm、浓度为80 mg·L-1的聚乙烯微塑料中60 d，牡蛎呼吸耗氧率相对于对照组有所增加［34］。而用粒径为 50～570μm、浓度为0.01 mg·mL-1的聚苯乙烯微塑料对地中海紫贻贝（Mytilus galloprovincialis）进行21 d的暴露实验发现，其不但可导致紫贻贝鳃和消化道结构发生改变，还可导致其外套膜坏死［35］。对浅沟蛤蜊（Scrobicularia plana）进行粒径为20μm、浓度为1 mg·mL-1的聚苯乙烯微塑料暴露实验发现，微塑料不但可引起浅沟蛤蜊强烈的氧化应激反应，还导致其组织甚至 DNA受到氧化损伤［36］。GONZALEZ-FERNANDEZ等［37］采用粒径为 100 nm、浓度为100 mg·L-1带有-COOH和-NH2官能团的纳米级聚苯乙烯对太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）的精子进行暴露，发现带有-COOH官能团的聚苯乙烯会引起精子强烈的氧化应激反应，产生大量的ROS，而带有-NH2官能团的纳米级聚苯乙烯对太平洋牡蛎精子并无显著影响，这说明微塑料对贝类的毒理作用还受到官能团的影响。

2.3 微塑料对甲壳类的影响

甲壳类动物多数是腐食者，但也有捕食和植食性的种类。相较于贝类，甲壳动物游动能力强，对生存环境有一定的自主选择能力，但也不能免受海洋微塑料的威胁。

摄入微塑料对甲壳动物的影响主要表现为存活率、活动能力、生理代谢及细胞的理化特征等。GRAY等［38］用聚苯乙烯微塑料对草虾（Palaemonetes pugio）进行3 h短期暴露，发现粒径小于50μm的微塑料对草虾毒性效应并不明显，但粒径大于50μm的微塑料会导致草虾死亡率显著升高；此外，将纹藤壶（Amphibalanus amphitrite）和丰年虾（A.franciscana）幼体暴露于粒径为0.1μm微塑料中48 h发现，随着浓度的增加（0.01～10 mg·L-1），微塑料不仅改变了两种虾幼体的游动行为，还引起强烈的氧化应激反应，但对死亡率的影响不明显［39］；将普通滨蟹（Carcinus maenas）暴露于粒径为8μm的聚苯乙烯微塑料中发现，聚苯乙烯微塑料不仅会导致普通滨蟹对食物的吸收消化率降低［40］，且粘附在蟹鳃丝上的微塑料还抑制其对钙离子的吸收，影响渗透压调节［41］。

2.4 微塑料对鱼类的影响

海洋鱼类在海洋生态系统中处于食物链的顶端，需要捕食或者滤食大量低等水生动植物。因此，海洋鱼类可直接或间接的摄入环境中的微塑料。调查发现，世界各大洋中大多数鱼体内都存在微塑料［42］。

相关研究表明，微塑料的摄入对鱼类的影响主要体现在两个方面：一方面，摄入微塑料容易堵塞消化道、降低摄食率、引起肠道扩张等，严重时可导致鱼类的死亡。ORY等［43］对来自东南太平洋沿岸的鱼类进行调查发现，2.1%样品的消化道中含有微塑料；对中国21种海洋底栖鱼类进行调查，同样发现类似的状况，大多数粒径范围小于5 mm、丰度范围为0.2～17.2个·g-1的微塑料会影响鱼类摄食，降低摄食率［44］；而浓度分别为50 mg·L-1和250 mg·L-1、粒径范围为6～180μm的微塑料积聚在羊头鱼（Cyprinodon variegatus）的消化系统中时，则容易引起肠道扩张［45］。另一方面，摄入微塑料还会影响海洋鱼类的生长发育，对鱼类的活动行为、组织器官功能等产生不利影响，并使免疫系统受到伤害。如将大西洋鲷（Sparus aurata）暴露于粒径范围为40～150μm、浓度分别为 1、10、100 mg·mL-1的聚氯乙烯和聚乙烯微塑料中，可导致其白细胞产生氧化应激反应，进一步暴露可能会损伤其免疫参数［46］。

2.5 微塑料对其他海洋生物的影响

微塑料在低等海洋生物至高等哺乳动物的体内均有分布。研究发现，分别将6种不同的珊瑚暴露于粒径为 37～163μm、浓度为 4 000个·L-1的聚乙烯微塑料中，28 d后出现组织白化、坏死的现象［47］；将海鞘（Ciona robusta）幼体暴露于粒径为10μm、浓度分别为0.125、1.25、12.5、25 mg·mL-1的微塑料中，其变态速度减慢，羽状体率上升；而将普通海胆（Paracentrotus lividus）的浮游幼虫暴露在相同条件下，则发现微塑料在其肠道内大量富集，导致其饱腹而影响对营养物质的吸收摄入，最终导致个体死亡［48］。

微塑料对大型海洋动物同样有着巨大的威胁。20世纪以来，人们就在抹香鲸（Physeter macrocephalus）体内发现了塑料碎片［49］，而在习性为滤食性的座头鲸（Megaptera novaeangliae）和荷兰的港海豹（Phoca vitulina）胃肠道内也发现了微塑料，其可对这些大型海洋动物的摄食产生影响［50-51］。灰海豹（Halichoerus grypus）可通过捕食鱼类间接摄入微塑料，导致塑料在其体内富集，影响其对食物的消化吸收［52］；而翱翔在海洋上空的海鸟摄入微塑料后，可导致塑料积聚在胃肠道，最终可导致鸟类的死亡［53］。BECKWITH等［54］研究发现墨西哥湾北部存在微塑料，平均丰度为（61.08±34.61）个·m-2，那里的绿海龟（Chelonia mydas）以筑巢为主，筑巢地点中微塑料的存在可能改变海沙的温度和渗透性，间接影响其胚胎发育，此外，成年海龟易误食微塑料，可能对孵化环境产生进一步不利影响。

2.6 微塑料与污染物的复合效应对海洋生物的影响

在海洋环境中，微塑料由于粒径小、比表面积大，容易吸附环境中的有机污染物，进而对海洋生物产生复合毒性效应。其中常见易吸附的有机污染物有多氯联苯［55］、多环芳烃［56］、有机农药［57］以及多溴联苯醚［58］等，除此之外还会吸附一些重金属如锌、铜、铅、铬、镉等［59-60］，成为污染物的载体，造成海洋环境的复合污染，且其复合毒性远高于单一毒性。如AVIO等［61］发现在聚乙烯、聚苯乙烯微塑料与多环芳烃芘的复合暴露下，芘在紫贻贝的消化组织中产生富集，并在血淋巴和鳃中发现了微塑料的存在，导致其体内的半酣免疫反应、氧化应激反应、神经毒性效应、基因毒性等均有所增强。当底栖生物沙蚕（Arenicola marina）摄食了吸附多环芳烃菲的微塑料，其体内菲的富集量增加［62］。与对照组相比，摄食了富集聚乙烯微塑料和多环芳烃、多氯联苯、多溴联苯醚等持久性有机污染物复合体的雄性日本青鳉（Oryzias latipes）体内的基因蛋白表达显著下调，且其生殖细胞出现了异常增殖现象［63］，同时其肝脏组织发生损伤［64］，机体的代谢和解毒能力受到一定程度的影响。在重金属六价铬与聚乙烯微塑料的共同作用下，可造成小眼长臀虾虎鱼（Pomatoschistus microps）体内氧化损伤，显著抑制乙酰胆碱酯酶的活性，抑制率可达31%，高于单一聚乙烯微塑料对机体该酶的抑制率21%［65］。聚丙烯微塑料可吸附疏水性多氯联苯PCBs，并可将污染物转移到生物体内，从而对机体产生不利影响［66］。此外，吸附了多氯联苯和多环芳烃等有毒化学物质的微塑料，可将其从海水转移到海洋食物链中，进而对海洋生物和人类造成危害。

除此之外，微塑料的表面还会吸附一些细菌、病毒等微生物，进入生物体后，会造成微生物在各个营养级的生物积累［67-68］。此外，微生物聚集后的微塑料相较于单一的微塑料可产生更强的复合毒性效应，引起生物体感染［69］，进而对海洋生物的生存以及人类健康造成严重的威胁。

3 小结及展望

微塑料作为海洋乃至全球环境的新兴污染源，虽然粒径较小，但却在不知不觉中改变着海洋乃至全球生态环境，威胁海洋生态和海洋生物的安全，对环境造成巨大的危害。本文综述了微塑料对浮游生物、贝类、甲壳类、鱼类以及其他海洋生物的生理生态影响的研究进展，重点关注了微塑料与其他污染物共同作用产生的复合毒理效应，以期引起社会对微塑料污染的重视和关注。但因微塑料污染的研究尚处于起步阶段，在研究和认识上尚存较多不足，今后应进一步开展以下几方面的研究工作：

1）从已有的研究来看，实验大部分集中在室内可控环境内进行，实验暴露时间较短，微塑料浓度比海洋环境浓度高几个数量级，难以真实反映现实环境中微塑料对海洋生物及海洋生态的影响。建议在之后的研究中应延长暴露时间，尽可能开展原位实验，阐明自然条件下微塑料，特别是表面积更大的纳米级微塑料对海洋生物的影响及作用机理；开发新的模式生物用以探究微塑料的迁移转移规律，并沿着食物链研究其代谢富集规律。

2）目前微塑料对海洋生物的研究主要局限于个体和组织水平，且海洋微塑料与有机污染物、细菌及病毒等的复合毒性效应研究目前尚较少见对复合机理方面的探索，未来应从细胞和分子水平深入研究复合毒性，以评估微塑料和有机污染物、细菌及病毒等复合毒性的作用机制，建立相应的复合毒性评估模型，以准确评估其对人类健康的影响。

3）对相关产业进行升级，积极探究可生物降解的材料来取代某些塑料制品，降低微塑料来源；探索建立生态高效的微塑料处理或回收利用技术，研发快速检测设备和技术；提出海洋生物保护及生态修复的有效应对措施，完善相关法律法规。