時間：2020-07-15作者：凌晨 陳思語 李建宏
【轉(zhuǎn)載】來自：《生物學(xué)教學(xué)》2020年第7期
塑料污染己是人們普遍關(guān)注的問題，越來越多的研究顯示環(huán)境中的廢棄塑料給人類健康帶來了直接和間接的影響。環(huán)境中的塑料廢棄物最終都會分解為微塑料顆粒，繼而進入水體生態(tài)系統(tǒng)。微藻是水體生態(tài)系統(tǒng)中的主要生產(chǎn)者，微藻對水環(huán)境中的污染物非常敏感，藻類數(shù)量和組成的變化將導(dǎo)致整個水生生態(tài)系統(tǒng)平衡的改變，因此弄清微塑料對微藻的影響，對于評估微塑料對水生環(huán)境的影響至關(guān)重要。
1、微塑料污染現(xiàn)狀
塑料由于其方便快捷的性能而成為了人類生活中必不可少的材料，全球塑料制造和消費量每年超過3億噸。大量的塑料廢棄物常常會進入廢水處理廠，繼而分解形成微塑料顆粒大量進入淡水系統(tǒng)，最終又會源源不斷匯入海洋，其中約有10%的塑料廢棄物進入海洋，進入海洋的塑料廢棄物占所有海洋垃圾的60%至80%:。
進入自然環(huán)境中的塑料廢棄物會逐步分解成微小的塑料顆粒在環(huán)境中大量存在。微塑料分布廣泛，研究發(fā)現(xiàn)在江湖、湖泊、近海以及大洋甚至極地地區(qū)都出現(xiàn)了不同濃度的微塑料。例如，在長江口及其鄰近海域的水體沉積物的表層中微塑料的平均密度達到121粒子/kg（DW），大西洋水體中微塑料濃度也高達2.46粒子/m。預(yù)計水生生態(tài)系統(tǒng)中微塑料的濃度仍將增加，這使研究人員越加關(guān)注微塑料的毒性作用。因尺寸較小，微塑料可被各種營養(yǎng)水平的生物(如哺乳動物、魚類、甲殼類動物和浮游動物)直接或者間接攝取而產(chǎn)生各種毒性作用，包括引起生長抑制、生殖力受限、耗氧量改變、壽命縮短、攝食能力降低，以及抗氧化相關(guān)的酶活性增加等嚴重后果。但是，至今對于初級生產(chǎn)力—浮游植物的毒性研究卻很有限。
2、微塑料的來源與種類
在海洋中，由于波浪的作用，較大的塑料碎片會因為光降解和磨損而成為更小的碎片，而一些小的塑料顆粒可以直接來源于各種消費品和工業(yè)應(yīng)用的廢棄物。據(jù)報道，2009年美國液體肥皂產(chǎn)品中約有263噸聚乙烯塑料微粒，這些微塑料已經(jīng)成為了一種新興污染物，引起了研究者的重視。
根據(jù)尺寸區(qū)分，尺寸大于5mm的被定義為宏觀塑料，小于5mm或者1mm的塑料顆粒為微塑料，納米塑料指的是尺寸為1μm至100μm的塑料顆粒。根據(jù)來源定義了兩種類型:一種是原始微塑料，主要來源于化妝品、油漆、家庭廢水中的紡織品或塑料工業(yè)顆粒;另一種是次級微塑料，由大顆粒(直徑大于5mm)在紫外線、波浪或物理磨損下形成的顆粒。其中聚乙烯(PE),聚苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP)是環(huán)境中最為常見的塑料類型。
3、微塑料對微藻的毒性效應(yīng)
由于微藻在水體生態(tài)系統(tǒng)中是最主要的初級生產(chǎn)者，是整個食物鏈的基礎(chǔ)，它們對水體生態(tài)系統(tǒng)中的氮、磷等物質(zhì)循環(huán)和能量流動起著至關(guān)重要的作用，微塑料對微藻的毒性效應(yīng)己引起了一些研究者的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，微塑料的濃度、粒徑和表面性質(zhì)對藻類的毒害作用均有影響。
3.1微塑料的濃度Zhang等網(wǎng)通過對海洋微藻中肋骨條藻的生長抑制實驗發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料聚乙烯mPVC(直徑約為1μm)濃度增加，最大生長抑制率會隨著mPVC濃度的提高而增加，但不隨著時間的延長而增加，原因是微塑料不會像氧化鋅和二氧化欽顆粒污染物一樣對藻類有毒性積累效應(yīng)。高濃度(50mg/L)的mPVC處理相較于低濃度(5mg)的mPVC處理，葉綠素含量下降幅度更大，對葉綠體光合作用系統(tǒng)PSII電子傳遞效率的影響也更大。在微藻暴露初期，微藻可能還不能適應(yīng)微塑料的毒性作用，隨著時間的推移，微藻可能對微塑料產(chǎn)生抵抗力，并且可以與微塑料共存，可以更好地生長，也就意味著微塑料對藻類光合作用的抑制作用隨時間的增加會逐漸減弱。Ma。等通過對蛋白核小球藻(Chlorellapyreuoido.sa)30d的生長實驗也發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料聚苯乙烯(mPS)濃度的增加，生長抑制率也逐漸增加。但是在微塑料的存在下，藻類的對數(shù)期會延長，最終導(dǎo)致小球藻密度的顯著增加。通過對光合作用參數(shù)的測定，他發(fā)現(xiàn)mPS對光合作用的抑制作用隨時間的推移而降低。從延滯期到早期對數(shù)期，隨濃度的增加，抑制作用更加明顯，原因可能是電子傳遞率的降低將會導(dǎo)致電子的積累，隨后活性氧(ROS)水平的增加，使得小球藻處于氧化應(yīng)激狀態(tài)。從對數(shù)期結(jié)束到穩(wěn)定期，刺激光合作用，抑制作用逐漸減弱。在后期階段，藻細胞似乎對微塑料產(chǎn)生抵抗力，藻細胞的生長逐漸恢復(fù)。另外，在有些研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著微塑料濃度的增加，藻細胞的數(shù)量與對照組并沒有出現(xiàn)顯著差異，其原因可能是觀察時間過短，藻細胞還處于對數(shù)期初期階段。
3.2微塑料的粒徑顆粒大小是影響微塑料對微藻毒性的一個重要因素，當(dāng)粒徑為毫米級時，微塑料對海洋藻類的生長沒有顯著影響。有研究顯示，即使是濃度高達2000mg，在直徑約1mm的mPVC處理下，中肋骨條藻(S.co.statum)細胞密度與對照組沒有顯著差異·而用直徑約1μm的mPVC處理時，1mg的低濃度mPVC即可導(dǎo)致藻細胞濃度與對照組有顯著差異，藻細胞生長受到抑制。另一個研究也發(fā)現(xiàn)，小顆粒的mPS(直徑約0.OSN,m)可明顯抑制杜氏藻(Duualiellatertiolecta)的生長，而較大顆粒mPS(直徑約6μm)對藻類沒有顯著影響。推測大顆粒的微塑料雖然會阻止光直接照射于藻類，但是光可以通過燒瓶透明壁作用于藻類，滿足藻類的生長，而小顆粒的微囊藻可以穩(wěn)定而均勻地存在于培養(yǎng)基中，與藻類相互作用產(chǎn)生毒性。Ma。等發(fā)現(xiàn)相較于在直徑約為1N,m的PS，直徑約為0.1μm的PS處理對C.pyreuoido.sa對光合作用電子傳遞的最大傳遞率有更大的抑制作用，最大抑制率幾乎是1N,m微塑料的兩倍，但最大抑制率往往較遲出現(xiàn)mPS對光合作用抑制作用達到最大值后會隨著時間而降低，也就意味著更小粒徑的微塑料對藻細胞的抑制作用時間更長。
隨著粒徑的減小，微塑料對微藻的抑制作用更加明顯，但同樣隨著時間的增加，抑制作用將會減弱，藻細胞恢復(fù)生長。目前對水體中微塑料顆粒大小的測量是不精確的，對顆粒大小測量的不精確可能會影響對水體中藻細胞毒害效應(yīng)的預(yù)測。
3.3微塑料顆粒的表面性質(zhì)微塑料和藻類之間的相互作用和物理損害可能是微塑料對藻類產(chǎn)生毒性的重要原因，因為微藻表面的特殊性，可以吸附大量的mPVC而限制了藻細胞與環(huán)境之間的能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，如果光和空氣交換受阻，會阻礙藻細胞的光合作用，影響藻類的生長。Ma。等在透射電子顯微鏡下對mPS處理下的小球藻的觀察發(fā)現(xiàn)，對照組藻細胞呈現(xiàn)整體圓潤狀態(tài)，具有完整細胞壁和透明類囊體，并且有淀粉顆粒環(huán)繞淀粉核;而mPS處理下的藻細胞淀粉核無法精確區(qū)分，細胞壁從質(zhì)膜上脫落，類囊體扭曲且不清晰，但在25d之后，細胞形態(tài)大多又恢復(fù)正常。研究者對微藻在后期毒性解除給出了3種可能的機制:第一種可能是細胞壁的增厚，有效阻止微塑料的侵入，從而避免細胞損傷;第二種可能是在微塑料的作用下，藻類之間會自發(fā)聚集(即群體效應(yīng))，會降低細胞的表面積和體積比，因此只能吸附更少的微塑料;第三種推測是微藻與微塑料的異質(zhì)聚集會導(dǎo)致藻類的沉淀，許多藻類會產(chǎn)生多糖，特別是在高濃度或當(dāng)他們受到光照和營養(yǎng)限制壓力時，由于湍流胞外多糖可能會凝結(jié)成透明聚合物顆粒，由于多糖有足夠的茹性，微藻與mPS之間的碰撞會導(dǎo)致細胞聚集，雖然這一過程會影響藻類的生長，但也間接地降低了微塑料的毒性。
近年來對于微塑料對微藻影響的研究涉及了多種類型的微塑料和多種藻屬的藻類，但是對于不同類型的微塑料對同一藻屬的影響或者是同一類型的微塑料對不同藻屬的研究卻比較少，有待更多、更詳細的研究去揭示微塑料對藻類生態(tài)系統(tǒng)的效應(yīng)。
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