贻贝中微塑料的污染特征及其与典型污染物的复合毒性效应

论文摘要

微塑料通常是指长度或直径（颗粒的最长维度）小于5毫米的塑料颗粒,它由于具有分布广泛、难以降解、易吸附环境中的污染物以及容易进入生物体等特殊的性质,对生态环境和人体健康构成潜在的威胁。2011年,联合国环境规划署将海洋微塑料污染列为全球要面对的一个新的环境问题和挑战。尽管国内外有大量的研究证实微塑料广泛存在于海洋的各种介质中,然而目前国际上还没有统一标准的技术方法对海洋微塑料进行监测和生态风险评估。海鸟和海龟已经被广泛用来监测尺寸在1毫米以上的塑料碎片,然而对于更小尺寸的微塑料的监测,目前尚缺乏有效的指示生物。贻贝作为传统污染物的生物指示种已经有四十多年的历史,且许多室内模拟实验已经表明它对微塑料的敏感性。另外,贻贝在食物链中的重要作用和作为主要海产品之一的现状,都促使它成为评估海洋微塑料污染生态和健康风险的优良指示物种。本文以贻贝作为模式生物,进行了以下研究:为了建立双壳类的微塑料分析方法,同时探索我国海产双壳类是否遭受了微塑料污染。本研究首先对我国上海水产市场上9种常见的海产双壳类进行了调查,对微塑料的丰度、类型、尺寸和化学组成进行表征。研究发现,9种双壳类中的微塑料数量可达2.1-10.5个/克软组织,其中毛蚶体内的微塑料平均含量可达大约每克10个,微塑料污染最为严重。被调查的双壳类体内含有多种不同类型的微塑料,包括纤维、碎片以及小球等。在检测到的微塑料中,纤维是最常见的类型,分别在8种生物体中占了微塑料总数的一半以上,但在褶牡蛎体内,小球的数量最多,占了总数的60%。最常见的微塑料尺寸范围是在5到250微米之间,这一尺寸在9个种中占33-84%。本研究结果表明被调查的海产双壳类体内均呈现出较高水平的微塑料污染,首次对其中多个物种的微塑料污染现状进行了报道,暗示了微塑料通过双壳类给人体健康带来的潜在风险。在上述研究中,我们建立了微塑料在双壳类体内的分离和鉴定方法,接着进一步开展了样品来源可控的贻贝微塑料污染特征和及其环境相关性研究,对中英沿海的紫贻贝（Mytilus edulis）进行了微塑料污染调查,本调查一共包含22个中国站点和16个英国站点。研究结果表明紫贻贝体内含有多种不同类型的微塑料,包括纤维、碎片、薄膜以及小球等,两国样品在类型和尺寸分布上具有相似的特点,微塑料外形特征也很相似,其中纤维是最常见的类型,其次是碎片。在检测到的微塑料中,最常见的微塑料尺寸范围是在250微米以下。不同的是,中国样品中赛璐玢（CP）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）和聚酯（PES）的含量最高,而英国样品中含量最高的聚合物类型为PES、人造丝、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。在丰度方面,以单位重量计,中国紫贻贝微塑料丰度显著高于英国;以个体计,两国紫贻贝无显著性差异。经过比较研究,中英两国野生紫贻贝单位软组织含有的微塑料数量均显著高于养殖贻贝;生长在重度污染区的紫贻贝体内的微塑料丰度显著高于生长在轻度污染区的紫贻贝;超市购买的人工去壳处理的紫贻贝比活体紫贻贝含有更高水平的微塑料污染,且具有显著性差异。在微塑料的类型分布方面,紫贻贝与其生活水体具有一致性。在尺寸方面,紫贻贝体内小于250微米的微塑料比重远高于水体,预示着紫贻贝对海水中较小尺寸的微塑料具有选择性。总体上,中英沿海紫贻贝体内的微塑料污染维持在相对稳定的水平,且与环境受人类活动干扰程度密切相关,紫贻贝体内的微塑料在一定程度上可以反映其生活水体中微塑料的污染特征,特此提出利用贻贝监测海洋微塑料污染。本研究是国际上最早对贻贝体内的微塑料开展的大范围调查,并揭示了其环境相关性;并且在同种研究方法下,进行了国际间的对比研究;在研究过程中,利用扫描电镜把贻贝体内的微塑料和硅藻进行了区分,避免了其他研究者把硅藻误认为微塑料,对微塑料的鉴定有重要意义。前期的野外调查明确了微塑料在贻贝中的污染特征,而微塑料生态和健康风险的评估还需要室内模拟实验探究与之相关的毒理学效应。通过毒理学研究一方面可以寻找贻贝对微塑料敏感的生物指标用于环境监测,另外可以通过毒性效应对其生态风险进行评估。在真实环境中,被生物摄食的微塑料携带或吸附了多种污染物,由此给海洋生物和人体健康带来潜在的风险。为了探索这一问题,本研究用氯化镉和聚氯乙烯（PVC）微粒联合暴露紫贻贝,并选取溶酶体膜稳定性（LMS）和三个基因（金属硫蛋白MT-20、过氧化氢酶CAT和丙酮酸激酶PK）在消化腺中的表达量作为生物指标,来探究微塑料对重金属在紫贻贝（Mytilus edulis）体内的吸收、积累和毒性有无影响。暴露7天后,组织切片显示微塑料进入到贻贝的鳃和消化腺等组织中,但微塑料对镉的生物可利用性并未产生影响。有氯化镉存在的两个处理组LMS都显著低于对照组,而PVC单独暴露组并未产生明显影响。MT-20在氯化镉暴露的两个处理组的贻贝消化腺中的表达量均明显上升,但两组之间并没有显著差异,这表明微塑料没有增强重金属镉的毒性效应。CAT仅在氯化镉单独暴露组有明显上升,而PK基因在所有实验组之间均无显著差异。总体上,PVC微粒并未对紫贻贝产生明显的影响,它对重金属镉的吸收、积累和毒性效应也没有显著影响。在上述研究中,由于并未发现对微塑料敏感的生物指标,且微塑料并未影响重金属的生物可利用性和毒性,因此需要选择不同的生物指标,继续探索微塑料与其他典型污染物的复合毒性效应。为此,本研究选取了另一种典型的有机污染物-雌激素继续探索相关的毒理学效应。用雌二醇（E2）和微塑料粒子（PVC+聚苯乙烯PS）联合暴露紫贻贝（Mytilus edulis）,并选取贻贝的条件指数（CI）、血细胞活性、雌激素受体基因（ER2）在性腺中的表达量作为生物指标,来探究微塑料对雌激素在生物体内的毒性有无影响。研究结果表明,在7天暴露后,微塑料分离实验和组织切片均显示微塑料进入到贻贝鳃和消化腺等组织中,微塑料和E2的暴露都未对贻贝的CI产生明显影响,ER2在性腺中的表达也未受到明显影响。有微塑料存在的两个处理组血细胞活性都低于对照组,但仅联合暴露组具有显著性差异,预示着两种污染物的混合会导致毒性增强,因此雌激素和微塑料的复合毒性可能存在协同效应。本章研究为微塑料特异性生物指标的选取和其生态风险评估提供了科学依据。本论文通过对紫贻贝中微塑料污染特征的调查和与之相关的复合毒性效应的研究,证实微塑料广泛分布在贻贝体内,且其相应的复合毒性效应不容忽视,指出微塑料可能通过贻贝带来一定的生态风险和人体健康风险。同时,研究表明贻贝中的微塑料污染程度与环境状况密切相关,贻贝体内的微塑料可以在一定程度上反映环境水体的微塑料污染特征,因此提出用贻贝监测海洋微塑料污染。本研究为海洋微塑料污染指示种的选择提供了理论基础,为微塑料的生物监测和生态风险评估方法的建立提供了科学依据,为维护我国海洋生态系统的安全和健康及制定相关政策法规做出了重要贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词
• 第一章 绪论
•   1.1 海洋微塑料污染概述
•     1.1.1 微塑料的来源与分布
•     1.1.2 微塑料对海洋生物的影响
•   1.2 问题的提出及研究意义
•   1.3 模式生物的选择
•     1.3.1 贻贝的主要生理特征
•     1.3.2 贻贝作为生物指示种的优势
•     1.3.3 贻贝中微塑料的研究进展
•     1.3.4 微塑料在贻贝体内的生态和健康风险
•   1.4 论文技术路线、可行性分析与研究目标
•     1.4.1 技术路线
•     1.4.2 研究方案可行性分析
•     1.4.3 研究目标
• 第二章 我国上海水产市场双壳类微塑料污染特征
•   2.1 引言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 九种双壳类简介
•     2.2.2 微塑料的分离方法
•     2.2.3 微塑料的鉴定方法
•     2.2.4 结果表征方法
•     2.2.5 质量控制
•   2.3 研究结果
•     2.3.1 微塑料的丰度
•     2.3.2 微塑料的类型
•     2.3.3 微塑料的尺寸
•     2.3.4 微塑料的化学组成
•   2.4 讨论
•     2.4.1 研究方法的改进
•     2.4.2 双壳类的微塑料污染特征
•     2.4.3 人体健康风险
•   2.5 本章小结
• 第三章 中英沿海紫贻贝的微塑料污染特征及其环境相关性研究
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 研究区域
•     3.2.2 采样方法
•     3.2.3 样品基本信息
•     3.2.4 微塑料分析方法
•     3.2.5 统计方法
•   3.3 研究结果
•     3.3.1 中国沿海紫贻贝微塑料污染特征
•     3.3.2 英国沿海紫贻贝微塑料污染特征
•     3.3.3 中英沿海紫贻贝微塑料特征异同点
•     3.3.4 紫贻贝体内的微塑料与生活水体中微塑料的相关性
•     3.3.5 野生与养殖紫贻贝比较研究
•     3.3.6 重度污染区与轻度污染区比较研究
•     3.3.7 超市去壳贻贝与活体贻贝比较研究
•   3.4 讨论
•     3.4.1 全球贻贝中微塑料的污染特征
•     3.4.2 研究方法的标准化、校准及突破
•     3.4.3 贻贝中微塑料污染的环境相关性
•   3.5 本章小结
• 第四章 微塑料和氯化镉对紫贻贝的复合毒性效应
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 微塑料的制备
•     4.2.2 紫贻贝的采集和驯养
•     4.2.3 暴露实验设置
•     4.2.4 化学分析
•     4.2.5 组织学分析
•     4.2.6 溶酶体膜稳定性测定
•     4.2.7 分子生物学分析
•     4.2.8 统计方法
•   4.3 研究结果
•     4.3.1 海水和紫贻贝消化腺中的Cd浓度
•     4.3.2 紫贻贝对微塑料的吸收
•     4.3.3 溶酶体膜稳定性
•     4.3.4 MT-20,CAT和 PK基因表达
•   4.4 讨论
•     4.4.1 紫贻贝对于微塑料和镉的吸收
•     4.4.2 微塑料和氯化镉的复合毒性效应
•   4.5 本章小结
• 第五章 微塑料和雌二醇对紫贻贝的复合毒性效应
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 微塑料（PVC+PS）的制备
•     5.2.2 暴露实验设置
•     5.2.3 血细胞活性检测
•     5.2.4 其他指标检测方法
•     5.2.5 统计方法
•   5.3 研究结果
•     5.3.1 紫贻贝性腺发育及条件指数
•     5.3.2 紫贻贝对微塑料的吸收
•     5.3.3 血细胞活性
•     5.3.4 ER2 基因表达
•   5.4 讨论
•     5.4.1 微塑料在贻贝体内的迁移特征
•     5.4.2 微塑料和雌二醇的复合毒性效应
•     5.4.3 室内模拟研究待解决的问题
•   5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
•   6.1 用贻贝监测海洋微塑料污染的可行性
•   6.2 主要结论
•   6.3 论文的特色与创新之处
•   6.4 研究展望
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读学位期间参与科研项目
• 攻读学位期间科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李佳娜

导师: 施华宏

关键词: 微塑料,贻贝,双壳类,重金属,雌激素

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,海洋学,环境科学与资源利用,环境科学与资源利用

单位: 华东师范大学

基金: 科技部国家重点研发计划专项“海洋微塑料监测和生态环境效应评估技术研究”(2016YFC1402204),国家自然科学基金面上项目“我国沿海紫贻贝中微塑料的污染特征及环境指示作用”(41571467)

分类号: X55;X171.5

总页数: 152

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