微塑料与蝌蚪健康的关系研究进展

刁迎珠， 伍亮， 李雅琦， 郭飞燕， 史爽， 王萍， 鲍传和， 张志强

(安徽农业大学动物科技学院，合肥230036)

2019年，联合国在法国巴黎发布了《生物多样性和生态系统服务全球评估报告》，报告显示目前全球约100万个物种濒临灭绝，两栖动物濒临灭绝的种类超过40%，是当前脊椎动物中灭绝风险最高的类群(Green.，2020)。在众多导致两栖动物种群衰退和灭绝的因素中，微塑料(microplastics，MPs)污染是继气候变化、紫外线辐射和致病菌外，又一个潜在的致危因素，且正在随塑料消耗量的增加，表现出越来越严重的趋势(Araújo.，2020a)。蝌蚪是两栖动物变态发育的重要生活史阶段之一。基于整合生物学思想，结合免疫生态学和生活史生理学的研究进展(张志强，王德华，2005；张志强，2015)，对MPs与蝌蚪健康的关系进行了系统总结，介绍了MPs的定义、赋存方式及其尺度效应，总结了MPs在蝌蚪体内的摄入、积累和清除情况及其危害，在水陆转换的生态学背景下和特定年龄阶段的生活史背景下，结合可供蝌蚪研究使用的免疫学参数，提出了未来值得关注的新的研究方向。

1 MPs的定义、赋存方式及其尺度效应

1.1 MPs的定义

塑料制品全球产量从20世纪50年代以来迅速增长，由于具有轻便、耐用、成本低、可塑性强等特性，被广泛应用于农业、工业以及日常生活等诸多领域(Lusher.，2017)。我国是世界塑料生产和消费第一大国(马占峰，姜宛君，2021)，在为人类生活提供便利的同时，废弃的塑料制品也被大量释放到水域环境，受紫外线、微生物降解等作用，大块塑料垃圾可被分解成微小的塑料碎片，当其粒径<5 mm时，通常被称为MPs(Thompson.，2004；CONTAM，2016)，当粒径为1～100 nm时，被称为纳米级微塑料(nanoplastics，NPs；CONTAM，2016；Gigault.，2018)。从来源看，MPs被划分为初生MPs和次生MPs，前者指工业生产时被制备成的微米级塑料颗粒，如牙膏和化妆品中添加的塑料微珠等，后者指海洋和陆地上的大型塑料垃圾经过物理、化学和生物过程造成裂解和碎片化而形成的塑料颗粒(Koelmans.，2015)。MPs的化学性质都很稳定，可在环境中长期存在。除海水外，MPs也见于江河湖泊(Zhang.，2015)、内陆环境(Duis & Coors，2016)和静水水域(Hu.，2018)。

1.2 MPs的赋存方式及其在野生两栖动物栖息地和体内的分布情况

由陆源输入的MPs从形状、颜色和化学成分分析，均与人类生产、生活密切相关。形状多样化，包含了球形、卵形和纤维状等多种形状；颜色丰富，有透明色、白色、灰白色等；依化学成分分析，包括聚氯乙烯、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、聚丙烯、高密度聚乙烯(high density polyethylene，HDPE)、低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalat，PET)等(EPA，1992)。在人迹罕至的北极地区(Bergmann.，2019)、南极地区(Kanhai.，2020)和青藏高原(Zhang.，2020)，以及食用盐(Yang.，2015)、瓶装饮用水(Kosuth.，2018)和人类胎盘中(Ragusa.，2021)都发现了MPs。

1.3 MPs的尺度效应

两栖动物生活史经历水陆环境转换，这与MPs从陆源向水源输入的方向相反，且蝌蚪多栖息于静水水域，栖息地内可能会含有更高浓度的MPs成分。随着我国经济的发展，对塑料及其制品和含塑料微球的日用品的消耗量逐年攀升(丁剑楠等，2017；吴辰熙等，2018)，淡水水域的MPs最高丰度比国外高2～3个数量级(Zhang.，2018)。因此，未来针对蝌蚪研究的MPs水体浓度设计，除包含文献中报道的上限浓度外，也应考虑随着未来社会经济发展可能出现的极限浓度；同时，建议根据不同物种蝌蚪的食性和生物习性，以及水陆两栖的生活史特征，仿照表层水、沉积物、陆地环境和蝌蚪体内的MPs成分和浓度，科学界定其危害(Araújo & Malafaia，2020)。此外，对在MPs污染严重地区生存的蝌蚪，需要额外加以关注，建议以两栖动物蝌蚪或成体为纽带，结合水-陆生态系统的转换，从生物群落角度解析MPs沿食物链的传递规律(Araújo & Malafaia，2020)。

2 MPs对模式动物和蝌蚪的生物毒性效应

关于MPs对动物健康的影响研究，集中于模式动物，对野生蝌蚪的研究较少。塑料颗粒的生物毒性效应不仅取决于颗粒大小、浓度、暴露时间、形状和聚合物类型等因素，也与水生生物本身的特性，以及是否吸附有机物等因素有关(Guerrera.，2021)。

2.1 MPs对模式动物的生物毒性效应

对模式动物斑马鱼(Lu.，2016；Chen.，2017；Lei.，2017；Brun.，2019)和小鼠(Deng.，2017)的研究表明，MPs和NPs会在形态学、组织学、细胞生物学和分子生物学等不同层次危害其健康。MPs可全面危害鱼类的健康，包括突破血脑屏障，影响脑内的水分平衡，毒害神经系统，降低乙酰胆碱酯酶的活力，干扰能量代谢过程，使糖原储能降低、肝脏能量代谢异常，影响心率和心功能，破坏肠道菌群结构，使摄食时间延长，消化道易发生炎症反应、氧化损伤和坏死等。

实验室内，将处于不同发育阶段的非洲爪蟾分别暴露于PS微球后，其反应不同：在胚胎发育阶段，无论是暴露于50 nm PS溶液或是将其注入胚胎体内，胚胎的致死率都与剂量相关，致畸率随剂量升高而增加，发育至46期时，蝌蚪的体长缩短、生长发育速率减缓，体表色素分布紊乱，头、消化道和尾畸变，腹前侧区水肿，与发育相关的多种转录因子的表达量也发生了改变，PS见于细胞质和细胞核内，也见于肠道细胞间隙(Tussellino.，2015)；而将36期蝌蚪暴露于粒径为 3 μm、浓度分别为0.125 μg·mL、1.25 μg·mL和12.5 μg·mL的PS溶液中，发育至46期时，在消化道中检出了PS微球，但鳃中未见，发育速率和游泳行为不受影响，说明蝌蚪在早期发育阶段可摄入PS微球，且高浓度的PS微球溶液并不影响其发育进程和游泳能力(De Felice.，2018)。将45期或 46期热带爪蟾蝌蚪暴露于粒径为1 μm和10 μm的PS微球中48 h，暴露后1 h蝌蚪消化道和鳃中有微球存在，暴露后6 h粪便中可检出微球，蝌蚪体内积累的微球量与浓度有关，但在48 h内与暴露时间为非线性关系；将蝌蚪移至清水中1 d后，蝌蚪体内的微球数量急剧下降，之后减缓；12 h和24 h时，未摄食组蝌蚪体内吸收的PS颗粒显著高于摄食组，移至清水后，未摄食组吸收的PS颗粒总量无明显变化，而摄食组显著下降，说明在食物供应不足的情况下，如果MPs的丰度持续增加，蝌蚪可能会摄入更多的MPs(Hu.，2016)。

2.2 MPs对野生蝌蚪的生物毒性效应

将25～28期产婆蟾蝌蚪暴露于粒径为10 μm、浓度为0～10ind·mL的PS微球溶液中14 d时，在蝌蚪体内、粪便，以及周丛生物体发现PS微球，处于最高浓度时，蝌蚪的摄食率下降、死亡率增加、生长减缓(Boyero.，2020)。将28～29期居维尔泡蟾蝌蚪暴露于粒径为35.46 μm±18.17 μm、浓度为60 mg·L的PE塑料溶液7 d后，于蝌蚪体内发现PE塑料，运动能力呈下降趋势、社群聚集行为趋弱、反捕食防御能力缺失(Araújo & Malafaia，2020)；PE塑料也见于居维尔泡蟾的鳃、肝脏、胃肠道、尾部肌肉组织以及血液中，使其红细胞微核率增加，红细胞的形态、核质比变小，皮肤中黑色素含量及单位面积的色素沉着率增加，体全长与体长、尾长、眼部面积、口腔面积之间的比值下降(Araújo.，2020a)；此外，也会使肝脏发生组织病理学损伤，如血管扩张、浸润、充血、水肿、肥厚、增生等(Araújo.，2020b)。

与模式动物相比，关于MPs对野生蝌蚪健康影响的研究无论是在技术方法方面，还是在实验设计方面，都需要深入(Amaral.，2019)。关于MPs和NPs对蝌蚪组织病理学、血液化学和血液学参数的影响及生物富集作用，尚无统一标准，但可参考鱼类的标准执行(Bernet.，1999；Guerrera.，2021)；随着组学技术的发展，代谢组学和转录组学方法也可用于蝌蚪研究(Guerrera.，2021)。鉴于很多两栖动物面临灭绝风险，建议采用无损伤采样技术进行蝌蚪研究(张志强，2015；高慧清等，2017)。

3 适用于MPs研究使用的免疫学参数的选择

免疫学技术的快速发展，为在野外实时监测脊椎动物的健康状态提供了可能性(张志强，王德华，2005；张志强，2015)。对于个体较小、身体透明的蝌蚪，可通过体视荧光显微镜来动态监测蝌蚪体内摄入和排出MPs的情况；对于个体较大的蝌蚪，一些较为成熟的免疫学技术方法，如对植物血凝素的反应等，具有操作简便、价格适宜的特点，但要注意选择合适的测量时间点间隔，一般每隔1 h或3 h，测定时长可限定在6 h、9 h或12 h以内(Brock.，2014；Rollins-Smith，2017；Zamora-Camacho，2019；张志强等，2020，2021)。

在必须处死蝌蚪的情况下，除加强常规的形态学和行为指标测定外(刁迎珠等，2021a)，组织学、血液学等技术，也可应用于MPs对蝌蚪健康的影响的机制性基础研究(刁迎珠等，2021b)。MPs毒性效应的生态学后果及其在蝌蚪体内的摄入、积累、迁移、清除规律研究，不但需要环境生物学家的努力，更需要环境生物学家与生态学家、生理学家和免疫学家通力合作，借助新兴学科和新技术的力量(张志强，王德华，2005；张志强，2015)，从多学科整合的角度来解决MPs与蝌蚪健康和未来存活能力之间的关系。来源于生活史理论的假设认为，在总能量有限的情况下，动物免疫系统内部各组分之间或免疫功能与其他多种生理活动之间可能存在权衡关系(Sheldon & Verhulst，1996；张志强，王德华，2005)。蝌蚪变态发育的生活史特征，使其在关键生活史阶段更易受MPs的影响，随着免疫学技术手段的快速发展，为从免疫功能可塑性的角度介入生活史生理学权衡机制研究提供了新思路和新途径；基于生理学权衡思想，运用成熟、可靠的免疫学技术手段，针对两栖动物复杂的生活史过程和MPs污染日益加剧的现状，围绕MPs的尺度效应和浓度效应设置不同实验组合，将MPs的短期与长期处理效应相结合，将揭示其影响两栖动物种群动态的免疫代价和生理机制。

MPs不但在蝌蚪栖息地和体内有分布，危害蝌蚪健康，也沿食物链传递，继而可能影响水域生态系统安全和人类健康。未来有必要在生态学背景下从多学科交叉的角度尽快开展MPs对蝌蚪影响的研究，揭示其毒性作用的生理和分子基础，阐明沿食物链的传递规律，为揭示MPs与两栖动物种群动态的关系提供理论依据。