微塑料对微藻的毒性作用研究进展
时间：2020-07-15作者：凌晨 陈思语 李建宏
【转载】来自：《生物学教学》2020年第7期
塑料污染己是人们普遍关注的问题，越来越多的研究显示环境中的废弃塑料给人类健康带来了直接和间接的影响。环境中的塑料废弃物最终都会分解为微塑料颗粒，继而进入水体生态系统。微藻是水体生态系统中的主要生产者，微藻对水环境中的污染物非常敏感，藻类数量和组成的变化将导致整个水生生态系统平衡的改变，因此弄清微塑料对微藻的影响，对于评估微塑料对水生环境的影响至关重要。
1、微塑料污染现状
塑料由于其方便快捷的性能而成为了人类生活中必不可少的材料，全球塑料制造和消费量每年超过3亿吨。大量的塑料废弃物常常会进入废水处理厂，继而分解形成微塑料颗粒大量进入淡水系统，最终又会源源不断汇入海洋，其中约有10%的塑料废弃物进入海洋，进入海洋的塑料废弃物占所有海洋垃圾的60%至80%:。
进入自然环境中的塑料废弃物会逐步分解成微小的塑料颗粒在环境中大量存在。微塑料分布广泛，研究发现在江湖、湖泊、近海以及大洋甚至极地地区都出现了不同浓度的微塑料。例如，在长江口及其邻近海域的水体沉积物的表层中微塑料的平均密度达到121粒子/kg（DW），大西洋水体中微塑料浓度也高达2.46粒子/m。预计水生生态系统中微塑料的浓度仍将增加，这使研究人员越加关注微塑料的毒性作用。因尺寸较小，微塑料可被各种营养水平的生物(如哺乳动物、鱼类、甲壳类动物和浮游动物)直接或者间接摄取而产生各种毒性作用，包括引起生长抑制、生殖力受限、耗氧量改变、寿命缩短、摄食能力降低，以及抗氧化相关的酶活性增加等严重后果。但是，至今对于初级生产力—浮游植物的毒性研究却很有限。
2、微塑料的来源与种类
在海洋中，由于波浪的作用，较大的塑料碎片会因为光降解和磨损而成为更小的碎片，而一些小的塑料颗粒可以直接来源于各种消费品和工业应用的废弃物。据报道，2009年美国液体肥皂产品中约有263吨聚乙烯塑料微粒，这些微塑料已经成为了一种新兴污染物，引起了研究者的重视。
根据尺寸区分，尺寸大于5mm的被定义为宏观塑料，小于5mm或者1mm的塑料颗粒为微塑料，纳米塑料指的是尺寸为1μm至100μm的塑料颗粒。根据来源定义了两种类型:一种是原始微塑料，主要来源于化妆品、油漆、家庭废水中的纺织品或塑料工业颗粒;另一种是次级微塑料，由大颗粒(直径大于5mm)在紫外线、波浪或物理磨损下形成的颗粒。其中聚乙烯(PE),聚苯乙烯(PS)和聚丙烯(PP)是环境中最为常见的塑料类型。
3、微塑料对微藻的毒性效应
由于微藻在水体生态系统中是最主要的初级生产者，是整个食物链的基础，它们对水体生态系统中的氮、磷等物质循环和能量流动起着至关重要的作用，微塑料对微藻的毒性效应己引起了一些研究者的关注。研究发现，微塑料的浓度、粒径和表面性质对藻类的毒害作用均有影响。
3.1微塑料的浓度Zhang等网通过对海洋微藻中肋骨条藻的生长抑制实验发现，随着微塑料聚乙烯mPVC(直径约为1μm)浓度增加，最大生长抑制率会随着mPVC浓度的提高而增加，但不随着时间的延长而增加，原因是微塑料不会像氧化锌和二氧化钦颗粒污染物一样对藻类有毒性积累效应。高浓度(50mg/L)的mPVC处理相较于低浓度(5mg)的mPVC处理，叶绿素含量下降幅度更大，对叶绿体光合作用系统PSII电子传递效率的影响也更大。在微藻暴露初期，微藻可能还不能适应微塑料的毒性作用，随着时间的推移，微藻可能对微塑料产生抵抗力，并且可以与微塑料共存，可以更好地生长，也就意味着微塑料对藻类光合作用的抑制作用随时间的增加会逐渐减弱。Ma。等通过对蛋白核小球藻(Chlorellapyreuoido.sa)30d的生长实验也发现，随着微塑料聚苯乙烯(mPS)浓度的增加，生长抑制率也逐渐增加。但是在微塑料的存在下，藻类的对数期会延长，最终导致小球藻密度的显著增加。通过对光合作用参数的测定，他发现mPS对光合作用的抑制作用随时间的推移而降低。从延滞期到早期对数期，随浓度的增加，抑制作用更加明显，原因可能是电子传递率的降低将会导致电子的积累，随后活性氧(ROS)水平的增加，使得小球藻处于氧化应激状态。从对数期结束到稳定期，刺激光合作用，抑制作用逐渐减弱。在后期阶段，藻细胞似乎对微塑料产生抵抗力，藻细胞的生长逐渐恢复。另外，在有些研究中也发现，随着微塑料浓度的增加，藻细胞的数量与对照组并没有出现显著差异，其原因可能是观察时间过短，藻细胞还处于对数期初期阶段。
3.2微塑料的粒径颗粒大小是影响微塑料对微藻毒性的一个重要因素，当粒径为毫米级时，微塑料对海洋藻类的生长没有显著影响。有研究显示，即使是浓度高达2000mg，在直径约1mm的mPVC处理下，中肋骨条藻(S.co.statum)细胞密度与对照组没有显著差异·而用直径约1μm的mPVC处理时，1mg的低浓度mPVC即可导致藻细胞浓度与对照组有显著差异，藻细胞生长受到抑制。另一个研究也发现，小颗粒的mPS(直径约0.OSN,m)可明显抑制杜氏藻(Duualiellatertiolecta)的生长，而较大颗粒mPS(直径约6μm)对藻类没有显著影响。推测大颗粒的微塑料虽然会阻止光直接照射于藻类，但是光可以通过烧瓶透明壁作用于藻类，满足藻类的生长，而小颗粒的微囊藻可以稳定而均匀地存在于培养基中，与藻类相互作用产生毒性。Ma。等发现相较于在直径约为1N,m的PS，直径约为0.1μm的PS处理对C.pyreuoido.sa对光合作用电子传递的最大传递率有更大的抑制作用，最大抑制率几乎是1N,m微塑料的两倍，但最大抑制率往往较迟出现mPS对光合作用抑制作用达到最大值后会随着时间而降低，也就意味着更小粒径的微塑料对藻细胞的抑制作用时间更长。
随着粒径的减小，微塑料对微藻的抑制作用更加明显，但同样随着时间的增加，抑制作用将会减弱，藻细胞恢复生长。目前对水体中微塑料颗粒大小的测量是不精确的，对颗粒大小测量的不精确可能会影响对水体中藻细胞毒害效应的预测。
3.3微塑料颗粒的表面性质微塑料和藻类之间的相互作用和物理损害可能是微塑料对藻类产生毒性的重要原因，因为微藻表面的特殊性，可以吸附大量的mPVC而限制了藻细胞与环境之间的能量与物质的转移，如果光和空气交换受阻，会阻碍藻细胞的光合作用，影响藻类的生长。Ma。等在透射电子显微镜下对mPS处理下的小球藻的观察发现，对照组藻细胞呈现整体圆润状态，具有完整细胞壁和透明类囊体，并且有淀粉颗粒环绕淀粉核;而mPS处理下的藻细胞淀粉核无法精确区分，细胞壁从质膜上脱落，类囊体扭曲且不清晰，但在25d之后，细胞形态大多又恢复正常。研究者对微藻在后期毒性解除给出了3种可能的机制:第一种可能是细胞壁的增厚，有效阻止微塑料的侵入，从而避免细胞损伤;第二种可能是在微塑料的作用下，藻类之间会自发聚集(即群体效应)，会降低细胞的表面积和体积比，因此只能吸附更少的微塑料;第三种推测是微藻与微塑料的异质聚集会导致藻类的沉淀，许多藻类会产生多糖，特别是在高浓度或当他们受到光照和营养限制压力时，由于湍流胞外多糖可能会凝结成透明聚合物颗粒，由于多糖有足够的茹性，微藻与mPS之间的碰撞会导致细胞聚集，虽然这一过程会影响藻类的生长，但也间接地降低了微塑料的毒性。
近年来对于微塑料对微藻影响的研究涉及了多种类型的微塑料和多种藻属的藻类，但是对于不同类型的微塑料对同一藻属的影响或者是同一类型的微塑料对不同藻属的研究却比较少，有待更多、更详细的研究去揭示微塑料对藻类生态系统的效应。