微塑料在淡水多环境生物介质中迁移转化规律及影响机制研究进展

塑料是由复杂的有机化合物混合而成的聚合物，塑料制品因价格低、易塑型、用途广、耐腐蚀等特点而得到广泛应用，几乎可以在生活的任何地方都可以找到塑料制品。2004年，英国普利茅斯大学的汤普森等在《科学》杂志上发表了关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的论文，首次提出了“微塑料”的概念。微塑料通常被定为粒径小于5 mm的塑料纤维、颗粒或者薄膜。微塑料主要分为初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是指在微小范围内生产的塑料聚合物，是为商业应用而设计的，通常应用于医疗和化妆品等产品中。次级微塑料是由大塑料经过光降解、生物降解产生的纤维、颗粒或者薄膜，一次性塑料产品是次级微塑料的主要来源。由于微塑料容易通过大气沉降、地表径流和风力释放到环境中，使得不同环境中的生物摄入及沉积，从而对生物体的健康造成威胁。

目前，在中国的大部分江河湖泊中均有微塑料的发现。在长江流域微塑料的丰度平均值为25.2±116.0 items/L，在黄河流域兰州段中丰水期平均丰度为48.13±37.92 items/L，枯水期水体微塑料平均丰度为104.75±45.49 items/L。微塑料在中国的两大代表性河流中均有出现，但微塑料的丰度、类型等特点有明显的地理差异，影响这种分布的影响因素有风力、降水、地表径流等环境因素，也有因人类活动影响的微塑料的迁移和产生。除此之外在生活在附近流域的动植物体内也均有微塑料的发现，并且可能通过生物之间的捕食、呼吸等作用进入食物链最终对人体健康造成潜在的风险。

本文中综述了微塑料在水生态多环境介质中的赋存与迁移和对各个营养级的形态、生理特征的影响。突出了微塑料在上覆水和沉积物中的赋存和迁移，探讨了微塑料在藻类和水生植物等生产者的形态和生理特征的影响，梳理了微塑料在初级消费者底栖动物体内的赋存情况，概括了微塑料对高级消费者鱼类的毒性效应，归纳了微塑料在食物链传递方面的生物效应，更好地为微塑料在淡水多环境生物介质中的赋存和迁移转化揭示规律和影响机理。

目前，对于淡水环境中微塑料的研究主要集中在水环境和沉积物中，主要对微塑料的类型、组成、丰度进行研究，淡水环境中微塑料的来源主要包括污水排放、合流污水管道溢流、雨水和地表径流等。淡水环境中微塑料的主要类型是聚乙烯和聚丙烯，聚乙烯主要应用在制造薄膜、包装材料和日用品等生活用品上，聚丙烯广泛应用在服装、毛毯和医疗器械上等，其质量轻、密度小于水，被广泛使用和更加容易被检测到。

在格湖地表水微塑料污染的调查中，检测到表层水环境中微塑料的平均丰度为6.33±2.67 items/L，微塑料的类型主要以纤维为主，可能原因在格湖流域周围是农田和众多工厂，在格湖繁忙的渔业捕捞中，老化的渔具导致了纤维微塑料的产生，同时也有人认为这些纤维可能来自于附近的污水厂和洗涤废水。松山湖沉积物中的微塑料平均丰度在244 ± 121 items/kg，松山湖地区含有大量的薄膜微塑料，主要是一些透明薄膜和编织袋，可能来源于日常生活中的各种包装袋和塑料薄膜，这种城市湖泊在没有强大的水冲刷很难导致大型塑料物理降解，只能通过雨水径流等形式堆积在湖底破碎、光降解和生物降解。如表1所示，在国内外的很多河流湖泊中都有微塑料的发现，无论是在水环境还是在沉积物中都有大量的微塑料，丰度也从0.1个/L到上千个/L不等。受地理原因和生产生活方式的影响，微塑料在不同地域的来源和迁移方式也不相同，微塑料的类型、丰度等组成也各异。

表1 微塑料在淡水环境中的赋存情况

微塑料具有较小的体积和较大的比表面积，能够通过大气循环、地表径流、污水厂尾水、降雨等方式进入淡水环境中。雨水的冲刷被认为是道路地表径流中最关键的微塑料来源之一，在地表面的沉积和轮胎的磨损是微塑料的重要来源，降雨和风暴将这些微塑料输送到淡水环境中。

综上所述，塑料通过生物降解和光降解等方式产生微塑料，通过降雨、大气和径流的方式迁移和赋存在上覆水和沉积物中，由表1微塑料的来源方式众多、迁移方式较广，以至于微塑料在环境中大量赋存，但不同的微塑料由于不同地区的生活和生产方式的不同，产生的微塑料类型也不尽相同，追溯微塑料类型的不同，可以反推出它的来源和迁移。

藻类处于食物链低端的位置，是水生生态系统中最重要的生产者，无论是藻类还是其他水生植物生产者的变化最终都会影响水生生态系统的结构和功能。植物的抗氧化防御系统是指机体通过对抗氧化应激及其引发的氧化损伤来维护生物体内化学平衡和健康状态的过程，不同类型的微塑料作用在不同类型的生产者上，所研究的内容是不同的，如表2所示。沉水植物苦草的抗氧化防御系统可以消除生物体产生的活性氧ROS，在低浓度的微塑料时，抗氧化体系中CAT、POD和SOD的浓度增加，表明植物在受到低浓度微塑料的危害时可以激活抗氧化机制来保护自己。当微塑料浓度增加到50 mg/L，抗氧化系统的功效受到损害，无法通过产生酶来完全消除活性ROS的毒性，在这些条件下，酶活性显著降低，会使得细胞凋亡。浮萍作为一种淡水漂浮植物，虽然聚乙烯微塑料不对其叶片生长速率和光合作用造成影响，但是会通过机械阻隔极大地影响根系的生长，尖锐的塑料颗粒也影响了根细胞的活力，所以微塑料也会对淡水中漂浮的植物产生影响。

表2 微塑料对生产者的相互作用

微塑料与生产者之间的相互作用基本上都是在实验室条件下检测的，主要是通过测定各种微塑料对生产者的根长、株高、抑制率、叶绿素含量、光合活性、活性氧ROS含量、胞外聚合物EPS、丙二醛MDA含量、超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、过氧化物酶POD、可溶性蛋白酶等指标来表征微塑料的生态毒性和致毒机制，（如图1）。微塑料除了能直接作用于生产者上，也能间接与其他污染物联合产生复合毒性效应，微塑料由于比表面积大、粒径小、表面粗糙等特点容易成为污染物的载体，从而和其他污染物产生更加有危害的生态毒性。

图1  微塑料对生产者的毒性

淡水环境中的初级消费者大多以底栖和浮游动物为主，它们的绝大部分时间都生活在水体底部或者漂浮着，除捕食和生活活动外大多数将身体埋藏在底泥或附着在植物体表面。在一次小型的微观实验中观察底栖生物对于微塑料的摄入，在淡水沉积物中加入不同浓度的塑料微珠，通过捕食发现有56%的底栖生物在小于24 h内摄入了1.0 μm的PS微珠。其他生物可以通过捕食底栖生物，从而使微塑料进入下一营养级，可以发现生物的摄食成为微塑料吸收的重要组成因素。

在澳大利亚的东部淡水中，对当地的淡水虾进行采样鉴定发现，约有36%的淡水虾含有微塑料，平均含量0.52±0.55 items/g，在淡水虾中以蓝色的人造丝微塑料最为常见。在国内养殖的淡水虾中，同样也有微塑料的发现。在浙江某养殖池塘的日本沼虾中微塑料在鳃中的平均丰度为3.82±2.09 items/g，肠中的平均丰度为1.97±1.75 items/g。在鄱阳湖的饶河、赣江2个主要入湖段典型的底栖动物河蚬、圆顶珠蚌、中国圆田螺体内也都发现了微塑料，其中饶河底栖动物体内微塑料丰度依次是河蚬3.62±0.70 items/g>中国圆田螺1.34±0.08 items/g >圆顶珠蚌0.73±0.18 items/g。赣江中支底栖动物体内微塑料丰度表现为圆顶珠蚌1.04±0.91 items/g >中国圆田螺0.74±0.36 items/g >圆顶珠蚌0.67±0.34 items/g。

无论是在养殖场还是在野外自然区域的不同环境中，初级消费者体内均发现了各种各样的微塑料，初级消费者作为食物链中重要的一环，承载着物质循环和能量流动的重要作用，从初级消费者内体含有微塑料的含量这一环节可以看出，高级消费者有极大可能通过捕食环节将微塑料摄入到体内，从而可能使得微塑料在营养级之间传递。

微塑料不光能对淡水环境中的生产者产生形态和生理的影响，还会对淡水环境中的其他消费者造成影响。斑马鱼由于养殖方便、繁殖周期短、产卵量大、胚胎体外受精、体外发育、胚体透明等特点，成为了实验室研究的重点对象。斑马鱼在PE微塑料中暴露20 d后可能对抗氧化酶和Na/K-ATP酶活性产生非常大的影响，Na/K-ATP酶活性是调节污染物诱导的氧化应激在斑马鱼中促进离子损失的合理机制。

微塑料不仅在酶活性方面影响鱼类，还在氨基酸剂量方面也受影响，氨基酸是鱼类代谢反应的重要化学来源，PS微塑料显著降低了氨基酸的水平和PS微塑料浓度与氨基酸剂量的关系，表明PS微塑料导致剑尾鱼肝脏中氨基酸的代谢受到影响，据报道如果鱼体内缺乏组氨酸会降低鱼的摄食行为。斑马鱼和淡水鲈鱼摄入PP微塑料后阻碍了鳃和肝细胞的细胞功能，一般来说肝脏的代谢组比鳃的代谢组受到的影响更大，特别是在能量、神经递质和核酸代谢相关的代谢物方面，可能归因于肝脏的高代谢率及其作为其他器官主要分布着的作用。

微塑料除了能在实验室中人为添加外，在野外水域淡水鱼的各个部位鳃、肠胃、肉组织和鳞片上也能检测到微塑料。通过表3可以看出鱼体内的各个部位几乎都能检测到微塑料，间接说明微塑料在淡水中无处不在。

表3 淡水鱼不同部位微塑料的特征

淡水鱼体内的微塑料主要通过尺寸、颜色、形状和类型等特点，可以推测微塑料的大致来源。像聚乙烯和聚丙烯类塑料，由于质量轻、韧度高等特点常被用于包装行业。高密度聚乙烯常常被用来做薄膜、渔网、绳索和编织袋等，因耐酸碱、低温时仍有一定的韧性而被广泛应用。低密度聚乙烯柔软、有较大的透气性等特点，被用于食品包装、日化用品包装和服装等。这些塑料的方便、快捷、高效的特点让其被大量应用，随之而来的就是被抛弃污染环境。

综上所述，在水生态系统中无论是消费者还是生产者都起着不可替代的作用。微塑料对生产者和消费者形态和生理特征的影响主要表现在物理影响：微塑料自身的比表面积大的特性，吸附于其表面或体内，作用于细胞和致使生物的生长和发育受到影响甚至变形。化学影响：微塑料在生物体内通过与酶相互作用产生一系列化学作用如光合活性的降低和氧化应激反应等胁迫效应，从而影响生态系统的稳定。

微塑料虽然不止在不同环境介质水和沉积物有大量发现，还在生产者和消费者体内有所发现，但微塑料在食物链之间的生物放大或生物缩小效应研究还非常有限。在黄河三角洲的自然保护区中，沙蚕-螃蟹-黑嘴鸥这条食物链中，沙蚕作为螃蟹和黑嘴鸥的食物，沙蚕将沉积物中的微塑料摄入体内，然后沙蚕被螃蟹和黑嘴鸥捕食后，将微塑料传递到其体内，沙蚕体内微塑料的平均丰度为1.06±0.04 items/g，螃蟹体内微塑料的平均丰度为0.38±0.02 items/g，鸟体内微塑料的平均丰度为4.45±0.11 items/只，通过食物链传递发现微塑料并没有随营养级的增加而增加，而是产生了稀释效应。

纳米微塑料可以通过藻类-浮游动物-鱼类的三级营养级进行食物链转移，从而影响鱼类的摄食行为，以及肝脏、肌肉和大脑的代谢，此外经过食物链转移的经过修饰的纳米微塑料可以穿透鱼类的血液和大脑屏障，引起鱼类脑损伤和行为障碍，从而严重破坏了自然生态系统的功能。PS纳米微塑料可以在淡水藻类莱茵衣藻-浮游动物水蚤-中华青鳉-宽鳍鱲组成的四营养级食物链中转移，纳米微塑料依靠表面特性附着于藻类表面，最终通过捕食存在于高营养级鱼类的胃和肠器官中，此外，纳米塑料可以穿透鱼中华青鳉的胚壁，并存在于孵化幼鱼的卵黄囊中。

在水生环境中，微塑料不仅会被生物有意无意地直接摄入，还会通过食物链间接地从低营养级到高营养级之间传递。正常情况下，微塑料在低营养级生物体内的停留时间与其食物链迁移能力呈正相关性，停留时间越长，微塑料越易出现生物放大效应。并不是所有的微塑料都会使其产生生物放大效应，由于物种的不同消化器官的构造也有差异性，会影响摄食和传递，消化系统的调节功能也会影响微塑料的排出，进而不会产生生物放大效应。

综上所述，微塑料在环境中非常丰富，使得微塑料的危害在食物链方面转移和潜在放大，产生了直接或间接的生物效应。然而微塑料进入食物链的机制在很大程度上还没有得到充分的研究，还要对其进行充分的研究，来揭示微塑料在食物链方面的迁移转化规律及影响机理。

不同的地区微塑料对于淡水生态环境影响各有差异，地区不同人们的生产生活方式往往不同，历经各种类型的生物降解转化为微塑料后，微塑料粒径、尺寸和类型的不同，使得微塑料对水环境、沉积物中的赋存和迁移方式会出现不同的结果。同样微塑料也会在淡水生物中赋存和累积，对淡水环境中的生产者和消费者造成毒性危害，对生产者主要作用于酶活性、生长抑制、光合作用等毒性效应；对消费者主要作用于酶活性、肠胃系统、氧化应激反应等毒性效应；最终都会对淡水生物的形态和生理特征造成影响，进而影响水生态环境的稳定性。

（1）水环境和沉积物环境中微塑料的丰度和形态主要受人类生产生活的影响，淡水环境中微塑料主要来源于污水厂尾水、地表径流和渔业生产生活等，如何对其截留仍然亟待研究。

（2）目前微塑料对淡水生物的毒性的研究也较多，但毒性数据还比较分散，不成系统，有必要建立微塑料毒性的数据库，为致毒机理提供必要的数据支持。

（3）在实验室条件下，越来越多的研究表明微塑料可以通过食物链传递，但在野外区域的微塑料经食物链传递的研究仍然非常有限，所以在微塑料沿食物链方面的迁移转化规律仍然是需要关注的重点问题。

目前对微塑料在水生物种和食物链方面的危害还非常有限，随着实验室和实地数据越来越多，开始意识到了微塑料的复杂性和危害性。总体而言，通过掌握微塑料与环境和生物之间的相互作用，为研究其相关规律和机理提供了一定科学方法和理论依据。