海洋环境中的微塑料及其附着生物研究进展

李道季 董旭日

关键词： 微塑料; 微生物; 塑料圈; 海洋环境污染

0 引言

塑料制品由于轻便、弹性好和耐用等特性而被人类广泛使用， 据欧洲塑料工业协会 （PlasticsEurope） 统计， 2019 年世界塑料制品产量为3.68 亿t[1]. 这些生产的塑料产品由于不当管理进入环境中， 随河流或直接进入海洋. Jambeck 等[2] 利用模型估算全球沿海地区塑料入海量， 估计2010 年有480 万 ～ 1 270 万t 的塑料垃圾进入海洋. 进入海洋的塑料垃圾在海洋中难以降解， 从而使得海洋中塑料垃圾产生积累效应， 据估计有26 万t 的塑料垃圾在全球海洋中漂浮[3]. 海洋塑料垃圾与全球气候变化、海洋酸化等一起， 被列为需全球共同面对的亟待解决的环境问题[4].

大型塑料引起的海洋污染在国内外已被广泛研究[3]， 其危害主要包括： 被海龟、鲸和海鸟等生物摄入， 引发疾病甚至死亡; 缠住鲸类 （包括海豚） 等生物; 对珊瑚礁生态系统造成破坏; 引起微生物入侵事件. 海洋生态系统中的塑料垃圾对海洋生物的生长繁殖构成直接的损害. 微塑料由于尺寸较小易被生物摄食， 能附着并富集微生物， 对海洋生物可能造成有害影响. 在塑料表面存在由异养生物 （捕食者）、自养生物和共生生物共同形成的生态系统， Zettler 等[5] 将这一生态系统称为“塑料圈”. 大量存在于地球表面的人造塑料垃圾， 广泛分布于各种陆地环境、海洋环境及生物体中. 人们通过“塑料圈”意识到在海洋生态系统中塑料的存在会对海洋生态系统产生持久且复杂的影响， 主要包括： 外源生物物种和群落的传播与扩散， 有害化学物质的吸附与释放， 能量供应 （塑料自身所含碳源） 和作为中转媒介在海洋生物和塑料圈之间传递能量， 海洋生物摄食后潜在的物理、化学及生物危害等. 比较研究北大西洋和北太平洋的塑料表面生物群落结构表明， 塑料生物圈有各自的生物地理特性， 塑料基质生物群落的不同会给所在的生态系统带来不同的影响， 同时需要相应的管理政策去应对海洋塑料污染[6].

目前， 在海洋中“塑料圈”對海洋生物和海洋微生物有怎样的影响， 以及微塑料附着生物的作用等方面， 已经开展了较多研究. 人们普遍认为， 研究海洋微塑料的时空分布、微塑料表面生物被膜中生物的群落组成和微生物附着于微塑料随洋流扩散可能导致的微生物迁徙等， 具有重要的环境和生态学意义. 同时， 评估海洋微塑料的生态风险， 对充分认识微塑料对海洋生态系统的影响和制定海洋管理政策具有重要的科学意义[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体中的分布可以分为几种特征区域： 五大环流垃圾带[8]、近岸海域的微塑料[9]、陆架中的微塑料[10]、河口中的微塑料[11]、湖泊中的微塑料[12]. 最早对海洋微塑料的研究始于20 世纪70 年代[13-14]. Moore 等[15] 研究发现海洋中微塑料浓度高达33 万个/km2， 使得人们意识到微塑料可能引起的风险. Thompson 等[16] 在对海洋中塑料碎片的研究中第一次引入微塑料 （Microplastic）一词. 目前普遍接受的微塑料定义为5 mm 以下的塑料颗粒[17]. 根据其来源可将微塑料分为初生微塑料和次生微塑料. 初生微塑料为微塑料在生产过程中即小于5 mm 的塑料颗粒; 次生微塑料为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. 海洋作为塑料垃圾的最终归宿， 海洋中微塑料数量也在逐渐增加[18].

微塑料一旦进入海洋， 部分密度小于海水密度 （1.01 ～ 1.03 g/cm3） 的微塑料会漂浮于水体上层，最终被输送到各种海洋环境中. 目前， 在海洋表层[19]、海底沉积物[20] 和海滩[21] 中都有微塑料被发现. 此外， 极地地区[22-23] 和深海沉积物[24] 中也有微塑料存在. 已知的海洋微塑料污染的浓度和特征主要是来自海水表层水体的研究[25]. 在北太平洋[15]、北大西洋[26] 和印度洋[27] 大洋垃圾带， 以及在南极地区发现的微塑料[28]， 让我们意识到了微塑料在海洋中普遍存在. Eriksen 等[3] 依据在5 个亚热带环流带、澳大利亚沿岸、孟加拉湾和地中海的24 个航次的采样， 经模型分析、矫正数据得出在全球海水表层水体中含有5.25 × 1012 个、重2.69 × 105 t 的微塑料. 纵观对海水表层的微塑料污染的研究结果， 其浓度范围从小于每立方米1 个到每立方米数百个. 这些地区差异除由本身的受污染程度不同导致外， 采样方法、计数标准和计量单位的不一致也是主要的因素[29]. 同时， 漂浮的微塑料被海流驱动， 也会造成微塑料分布的差异[26]. 水体表层的海流可以垂向混合海洋表层的微塑料， 且在水深超过1 m 的水体中，离岸越远， 微塑料的尺寸越小[30]. 至今， 绝大多数关于漂浮微塑料的研究主要集中在表层海水 （15 ～25 cm） [29]， 而微塑料在水体中的垂直分布的研究相对较少. 为此， 采用三维数值模拟研究不同比重塑料颗粒在北海和英吉利海峡的输运， 显示了微塑料由于比重的差异在海洋中垂直分布的不同[31]. 与基于小体积水的常规取样方法相比， 采用大体积（10 m3） 海水样品测定西太平洋和东印度洋水体中微塑料的丰度， 新数据得到的深水柱的丰度值至少低了1 ～ 2 个数量级. 研究表明， 目前用于海水表面采样的有限体积不足以获得深水中微塑料丰度的准确估算. 粒径分布数据表明微塑料向水体的横向移动促进了微塑料从地表向底部的移动[32]. 这些研究有助于我们更好地理解微塑料在全球海洋中的分布情况、尺寸特征和转移扩散.

2 微塑料在海洋食物链的传递

海洋中的微塑料可以被生物体摄食， 从而进入海洋食物链. 微塑料进入海洋生物体后， 有可能危害海洋生物. 由于微塑料和海洋中浮游生物等低营养级生物大小类似， 海洋生物易将微塑料误食入体内[33]. 地中海的沙丁鱼 （Sardina pilchardus） 和凤尾鱼 （Engraulis encrasicolus） 分别有58% 和60% 的个体内发现微塑料[34]. 在来源于养殖场和超市的成体贻贝 （Mytilus edulis） 和太平洋牡蛎 （Crassostreagigas） 的消化系统中发现了微塑料[35-36]. Farrell 等[37] 的研究表明， 滨蟹 （Carcinus maenas） 因摄食被微塑料污染的贻贝导致鳃、胃、肝胰脏等器官中存在微塑料. 3 种糠虾 （Neomysis integer、Mysisrelicta和M. mixta） 因摄食含有微塑料的浮游动物而累积该污染物[38]. 但以上在生物体组织中发现有微塑料的情况还有待于进一步研究证实. 微塑料颗粒会阻塞海洋生物的摄食辅助器官和消化道， 使其消化系统受到机械磨损并产生伪饱腹感， 从而影响其正常生长. 更严重的是， 被摄食的塑料颗粒可能消耗生物储存能量[17]， 有研究认为， 还可能会被消化道上皮细胞吸收， 甚至穿过肠壁进入循环系统[39]， 这似乎并没有充足的证据. 同时， 日常食用的海产品也易检测到微塑料[40]. 对海洋生物摄食微塑料及微塑料可能在海洋生态系统中不同营养级之间传递而对生态系统产生影响的现象， 应引起人们的关注. 此外，有研究认为微塑料对海洋生物的生长发育也有影响，如实验室实验研究认为微塑料可严重干扰牡蛎生殖系统或降低繁衍后代能力[41]， 长期暴露于高浓度的微塑料会使得牡蛎死亡率增加[42]. 也的确有研究发现， 在环境浓度下微塑料能影响幼鱼正常的摄食行为， 并且影响鱼类幼体的生长发育[43]， 但该结果还未得到进一步的证实. 因此， 对微塑料可能引起的食物链传递及风险应进行更多细致的科学研究.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182

3 微塑料毒理学效应

微塑料一旦大量进入生物体后， 其不规则的形状可能损伤海洋生物的消化系统， 另外其含有或附着的化学物质也可能会危害到海洋生物. 一方面， 微塑料自身含有的有害化学物质， 如生产过程中加入的塑化剂， 这些化学物质可以增强塑料产品诸如抗热、抗氧化和抗微生物降解的性能[44]， 但是这些塑化剂， 例如钛酸酯、溴基阻燃剂、铅、双酚A 和邻苯二甲酸盐等， 对生物有害[18]. 由于塑料生产过程中的不完全聚合和环境因子的作用， 这些有害塑化剂很容易释放到环境中去[45]. 当海洋生物误食微塑料后就会直接暴露在被释放的塑化剂中， 研究表明， 浓度范围在ng/L ～ μg/L 的塑化剂就可导致负面的生物效应[46]， 当然这么高浓度塑化剂的产生需要非常高濃度的微塑料. 这些塑化剂可以干扰重要的生物过程， 如内分泌， 最终影响生物的活动、繁殖、发育， 并可能致癌[47]. 另一方面， 比表面积较大的微塑料作为一种传播载体， 会吸附一些在水体传播的污染物， 包括水性金属[48]、内分泌干扰物和持久性有机物[49]. 有研究认为， 微塑料吸附的这些有害化学物质会比周围水体中高几个数量级[18]. 吸附这些有害物质的微塑料可能被输送到任何没有被污染的海洋生态系统中， 例如极地区域， 或者可能被海洋生物误食， 其附着的有害物质可以随微塑料进入生物体， 从而有可能危害到海洋生物[50]. Teuten 等[51] 的实验室研究表明微塑料可转移一部分吸附的有机污染物到摄食它们的蠕虫 （Arenicola marina） 体内.摄入含持久性有机污染物的微塑料可以导致血蛤 （Tegillarca granosa） 产生免疫毒性[52]. 在实验室研究中发现， 青鳉鱼 （Oryzias latipes） 在暴露于微塑料和一系列来源于自然水体中的有机污染物时， 出现肝毒性和病理学的变化[53]. 海洋端足类 （Allorchestes compressa） 可以把吸附在塑料微粒上的多溴联苯醚同化吸收在机体组织内[54]. 在体外实验中， 研究发现新细角毛藻 （Chaetoceros neogracile ） 细胞在暴露于微塑料环境后， 细胞酯酶活性和中性脂质含量显著降低[55]， 这也可能是过高暴露浓度的结果.Pannetier 等[56] 的实验室研究表明， 微塑料能够造成虹鳟肝细胞 DNA 损伤. 但是， 到目前为止， 在真实环境浓度中， 各类化学污染物对海洋生物的毒性效应还有待进一步的了解与证实.

4 海洋微塑料上附着微生物

微塑料已经成为一种新型的生物栖息地. 海洋塑料附着微生物的研究始于20 世纪70 年代[13]. 微塑料因其疏水性等特性易被微生物定植. 微塑料及其附着生物被膜中的生物群落称为“塑料圈”[5] .“塑料圈”中的微生物同环境中的微生物表现出明显的差异[57]. 甲藻及硅藻等藻类能够在塑料表面大量生存[5，58]. 不同地点和不同材质微塑料表面的细菌种类存在差异性[59]. 此外， 微塑料表面还会附着有害微生物. 一种侵蚀珊瑚骨骼的病原菌folliculinid ciliate （Halofolliculina spp.） 通常只出现在印度洋和南大洋， 被证明出现在了北太平洋塑料垃圾上[60]， 弧菌科、红杆菌科和黄杆菌科与珊瑚的组织损伤关系密切， 弧菌也是珊瑚白化的主要病原菌. 作为潜在病原菌的假单胞菌也在珊瑚区表面的微塑料被发现[61]. 在海河河口地区的微塑料表面有弧菌属和假交替单胞菌属被发现[62]. 对养殖区微塑料及附着生物的研究表明， 海水养殖区内存在微塑料， 且有弧菌附着于微塑料表面[63]. 另外， 对象山港海水网箱中微塑料附着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过程中， 弧菌在第60 天后定植于PET （Polyethylene Terephthalate） 微塑料表面[64]. 其他相关研究中也有弧菌和假单胞菌被发现[65]. 同植物等自然材料相比， 微塑料在自然界中难以降解， 微塑料表面附着的生物能够在微塑料表面长期存在， 其表面形成的生物被膜也为生活在生物被膜内的微生物提供了保护. 微塑料可以随洋流漂流， 表面附着的微生物随微塑料进入新的环境可引起微生物入侵[66]， 给生态环境造成更大威胁.此外， 生物被膜中还含有条件致病菌， 这些致病菌在进入新的环境时可能会产生有害风险.

5 海洋“塑料圈”微生物与塑料之间的相互作用

塑料垃圾在海洋里除了可以作为一个持久存在的漂浮载体， 使生物得到更广泛的散布外[67]， 海洋微塑料还可以为海洋微生物提供能量. 塑料是以石油、煤和天然气为基础原料的人工大分子聚合物，能够被异养微生物作为碳基质利用[68]. 已有研究表明， 假单胞菌（Pseudomonas sp.） 和红球菌（Rhodococcus sp.） 能够降解聚丙烯[69]. 另有研究表明， 泊库岛食烷菌（Alcanivorax borkumensis） 也可以降解低密度聚乙烯[70]. 阿氏肠杆菌（Enterobacter asburiae YT1） 对聚乙烯有降解作用[71]. 微塑料附着微生物可以降解微塑料获得生长繁殖所需的碳源， 微塑料表面生物被膜中的胞外聚合物也可以为附着生物提供碳源[72]. 海洋微塑料为海洋浮游群落和“塑料圈”之间的能量传递提供了一种新方式. 因此，研究海洋“塑料圈”在了解海洋微塑料的归宿和其生态效应方面有着至关重要的作用. 海洋“塑料圈”生物群落在不同时间、空间的结构组成及其与高营养级生物接触后的潜在作用， 以及附着微生物对微塑料的生物降解等方面存在很大的科研价值， 值得深入研究[5-6，29].

6 中国开展海洋微塑料及其附着生物研究展望

中国的海洋微塑料研究始于2013 年对长江口及东海海域的微塑料研究[11]， 接着又对中国沿海南部海岸以及东部几个河口的微塑料开展了研究[73-74]， 初步揭示了中国部分河口及近岸海域主要微塑料的分布、大小及种类组成. 另外， 也有学者对三峡大坝蓄水区微塑料分布特征[75] 以及海河和珠江等水域微塑料污染进行了相关研究[76-77]. 上述研究表明， 由于受到内陆河流的输入影响， 例如长江、椒江、瓯江等和东海沿岸密集人口的影响， 长江口和东海的某些区域是微塑料污染较严重的水域. 对于“塑料圈”中微塑料在中国海域的分布及输运途径， 以及海洋塑料和微塑料附着生物群落结构在时间尺度上的变化规律等仍需进一步研究. 未来中国对海洋微塑料及附着生物的研究中应重点关注以下几点：①研究近海微塑料来源、归趋. 陆源输入是海洋微塑料的重要来源， 研究河口近海微塑料来源和陆源微塑料的入海通量， 以及其时空变化规律， 对了解海洋中的微塑料具有重要意义. ②研究中国近海微塑料上的生物种类群落组成结构及塑料附着生物群落随时间和地域变化的特点， 研究塑料附着生物组成中人类和海洋生物的病原菌出现和分布的规律， 阐明对海洋生态系统和人类健康的潜在影响.③建立对海洋微塑料风险评估技术， 评估海洋微塑料可能引起的生态风险. ④研究制定中国水体微塑料污染评价标准， 有助于科学地评估微塑料的污染现状和危害程度， 以及未来中国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机制.E1E90740-0DC0-4343-A25B-1540B459E182