微塑料联合镉对菲律宾蛤仔抗氧化生理的影响

李国新 李斌 黄鹤 蒋清富

摘要：微塑料（100nm～5mm）作为一种新型环境污染物，具有潜在的生态风险，受到广泛的关注，但尚缺乏微塑料与重金属协同作用下水生生物的生理应激响应研究。本文研究了在5 ?m聚苯乙烯微塑料和Cd的单一及组合胁迫下，菲律宾蛤仔（Ruditapes philippinarum）消化腺和鳃部的生理响应。结果表明：在微塑料浓度50和500 ?g/L条件下，菲律宾蛤仔消化腺和鳃部的MDA含量上升，表明微塑料能对生物体产生氧化胁迫，同时组合暴露实验表明二种污染物存在协同效应。单一微塑料处理提高了鳃部SOD、CAT活力。消化腺CAT活性上升，而SOD活性受到抑制。相比单一Cd处理，微塑料协同作用下鳃和消化腺内SOD、CAT等抗氧化酶活力均提高。

关键词：微塑料;镉;菲律宾蛤仔;抗氧化酶

中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）12-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.12.050

Single and combined influence of microplastics and cadmium on antioxidant system of Ruditapes philippinarum

Li Guoxin， Li Bin， Huang He， Jiang Qingfu

（College of Environmental Sciences and Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen Fujian 361024，China）

Abstract：As a new environmental pollutant， microplastic has been received extensive attention for its potential ecological risks. However， the physiological responses for aquatic organisms under the effects of microplastic and heavy metal was still unclear. This study investigate the physiological and innate immune response for Ruditapes philippinarum under the single and combined effect of microplastic and cadmium. The MDA contents in gill and digestive gland were increased under the effect of microplastic with the concentrations of 50 and 500 μg/L， which indicated that microplastic could increase oxidative stress on organisms. The combined impacts showed that the microplastic and cadmium have synergistic effect on the degree of oxidative stress on R. philippinarum. Microplastic could increase the activities of SOD and CAT in the gills. In the digestive gland， the activities of CAT were increased， and the SOD activities were decreased. The SOD and CAT activities in the gill and digestive gland were up-regulated under the effects of microplastic compared to the tissues exposed to single cadmium ions.

Key words：Microplastic;Cadmium;Ruditapes philippinarum;Antioxidant system

微塑料（MPs）通常是指尺寸在5 mm以下的塑料碎片或顆粒。由于微塑料较难降解，会较长时间存在于环境中，对生态系统产生潜在的危害，目前已引起广泛的关注[1]。微塑料在海洋环境中分布广泛，目前在海水和沉积物中均有微塑料检出，如在北太平洋副热带环流区域海水中浓度可达3 276个·m-3 [2]，且其污染水平呈逐年增加的趋势。微塑料颗粒广泛存在于生物体内，目前共有约220种不同营养级的海洋生物体内检测到微塑料[3]。

微塑料被海洋生物摄入后，可能会产生消化道阻塞、诱发炎症、摄食行为改变等一系列生态效应，且MPs极有可能吸附环境中的其他污染物，形成复合污染[4]。重金属是海洋环境中的典型污染物，具有易蓄积、难降解、易于沿食物链富集等特点，具有高危害性和难治理性。全球众多近岸海域重金属污染水平相对较高，如南黄海海域表层海水中镉离子（Cd2+）的浓度可达0.186μg·L-1。海洋环境中的微塑料颗粒会吸附重金属，随后微塑料颗粒被海洋生物摄食可能会增加重金属的生态风险。

底栖生物对海洋生态系统的物质循环、能量生产和传递均有重要作用。然而，广泛使用的聚苯乙烯（PS）是否能作为重金属的载体增加其对底栖动物的毒性效应尚不明确。菲律宾蛤仔（Ruditapes philippinarum）是我国沿海地区重要的滩涂贝类，分布广泛，对污染物具有高蓄积性特点，被广泛应用于环境预警研究中。本实验通过海水直接暴露方式，分析微塑料胁迫及微塑料+Cd胁迫下菲律宾蛤仔鳃和消化腺组织的丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等生理生化指标，探讨PS微球与Cd2+对底栖生物生理生化过程的交互作用，以期为正确评价微塑料及重金属对海洋生物的毒性效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

成体蛤仔壳长（3.4±0.13） cm，壳宽（2.0±0.12） cm，采购于福建省厦门市集美区水产品批发市场，实验开始前于实验室驯养1周。实验中所用到的海水采集于远离工业和生活区的近海海域，经过滤后采用。

实验所用氯化镉（CdCl2·2.5H2O）为分析纯，购自天津市科密欧化学试剂公司;5 ?m PS微球分散液购自天津倍思乐色谱技术开发中心，浓度为2.5% w/v。

1.2 实验方法

1.2.1 胁迫实验

设置3个微塑料浓度（0，50，500 ?g/L），2个Cd2+浓度（0，25 ?g/L）。每组设置3个平行组，海水总体积为5 L。每个实验组随机投放20只菲律宾蛤仔。饲养期间温度保持在20～25℃，盐度25‰～30‰，pH 7.7～8.5。连续充氧，且24 h更换1次实验海水。每日正常投放绿藻粉，投放量占菲律宾蛤仔体重的0.6‰。

1.2.2 样品的制备及测定

实验于第10天取样，采样后分立即分组织取出菲律宾蛤仔的鳃和消化腺，拭干，称取组织样1 g，加入预冷的贝类生理盐水[5]（0.02 mol·L-1 HEPES缓冲液，0.4 mol·L-1 NaCl，0.1 mol·L-1 MgSO4，0.01 mol·L-1 KCl，0.01 mol·L-1 CaCl2，pH 7.4），匀浆（组织质量（g）：贝类生理盐水体积（mL）=1：9），在4℃下2 500 r·min-1离心10 min后立即取上清液，冻存于-80℃超低温冰箱中，留待蛋白质含量和生理活性指标测定。SOD、CAT活性和蛋白质含量均采用南京建成生物工程研究所试剂盒方法测定。

1.3 数据分析

所有数据均用3个平行组数据的平均值±标准差（Mean ± SD）表示。采用SPSS 11.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、Duncan检验法统计分析，当P<0.05时，即认为差异显著。

2 结果与讨论

2.1 单一及组合胁迫下蛤仔鳃和消化腺MDA含量变化

不同暴露处理下蛤仔鳃和消化腺组织的MDA含量如图1所示。在单一MPs处理下，蛤仔鳃和消化腺组织MDA含量相比对照显著上升，分别在MPs 50 ?g/L时达到峰值，为对照的22.75倍和24.50倍。在50和500 ?g/L MPs和25 ?g/L Cd组合暴露时，相比单一Cd处理，鳃组织内部MDA含量分别上升了29.33%和18.84%，消化腺组织则上升了56.74和47.07倍。Cd及MPs的单一和组合处理均显著增加鳃和消化腺体内的MDA含量，且消化腺组织内的MDA含量均低于同处理下的鳃组织。

现有研究表明，微塑料对斑马鱼[6]、海水青鳉鱼[7]、贻贝[8]等均能产生氧化胁迫。MDA是脂质过氧化作用的最终产物，常作为生物遭受逆境胁迫的重要指标。本研究中，在MPs和Cd单一胁迫时，鳃和消化腺组织内MDA含量相比对照显著上升，表明此时生物体内部脂质过氧化程度加剧。Wang等[7]研究了PS微塑料对海水青鳉鱼的氧化胁迫效应，表明鱼体内的鳃、肠道、肝脏、睾丸各组织中，MDA含量相比对照显著增加，与本研究结果相一致。MPs和Cd的组合胁迫实验表明，相比单一胁迫，鳃和消化腺组织内MDA含量呈协同效应，表明微塑料能提高污染物对生物体的氧化胁迫效应。另外，消化腺组织内MDA上升幅度较小，表明相比鳃，消化腺组织有着更强的抗氧化性能。

2.2 单一及组合胁迫下蛤仔鳃和消化腺抗氧化酶活性变化

单一及组合胁迫时，蛤仔鳃及消化腺的SOD活性变化如图2a所示。在MPs单一胁迫下，鳃部SOD活性相比对照显著上升，在50 ?g/L處理时达到最高。在组合胁迫时，相比Cd的单一处理，MPs的添加提高了鳃部的SOD活性，在50和500 ?g/L时，活性分别提高了44.32%和50.47%。对消化腺组织而言，在MPs单一处理下，SOD活性相比对照分别降低了18.04%和23.23%。相对单一Cd处理而言，微塑料的添加有助于诱导SOD活性的升高。在50 ?g/L MPs协同作用时，SOD活性提高了7.11%。

各胁迫下蛤仔鳃及消化腺的CAT活性变化如图2b所示。MPs单一处理提高了蛤仔鳃和消化腺组织的CAT活性，在50 ?g/L时达到最高，分别为对照的5.71倍和3.73倍。单一Cd处理诱导了CAT活性的增强。在组合暴露时，相比单一25 ?g/L Cd处理，50 ?g/L的MPs诱导CAT活性增强，鳃部和消化腺内CAT活性分别提高了1.46倍和1.13倍。而在更高浓度100 ?g/L微塑料组合胁迫时，CAT活性则相比受到抑制。

SOD-CAT系统通常被认为是生物体逆境胁迫下抵抗活性氧毒性的第一道防线[9]。本实验中，单一Cd处理抑制了鳃部SOD活性，但对消化腺组织影响不大。单一MPs处理显著提高了鳃部的SOD活性，但降低了消化腺组织的SOD活性，同时，单一微塑料处理显著提高了鳃部及消化腺的CAT活性，且MPs提高了Cd胁迫下消化腺组织的CAT活性，鳃部CAT活性也呈现先增加后减少的趋势。Qu等研究了微塑料介导下文拉法辛（venlafaxine）对泥鳅SOD活性的影响，结果表明：在50 mg/L MPs影响下，泥鳅肝脏SOD活性相比未添加MPs时上升了3倍[10]，与本研究结果较相似。相比单一Cd处理，MPs的添加显著提高了Cd胁迫下菲律宾蛤仔鳃部的SOD活性。

3 结论

（1）单一PS微塑料暴露对菲律宾蛤仔产生较强的氧化胁迫效应，50 ?g/L处理10 d后鳃和消化腺组织MDA含量分别为对照的22.75倍和24.51倍。微塑料单一及与Cd组合胁迫下，消化腺组织内的MDA含量均低于同处理下的鳃组织，消化腺有着较为强大的抗氧化能力。

（2）单一微塑料胁迫可以诱导菲律宾蛤仔体内SOD、CAT活性发生变化。微塑料胁迫下鳃和消化腺中CAT活性均上升，而SOD活性则存在组织差异。相比单一Cd处理，组合胁迫下鳃和消化腺组织的SOD和CAT活性增加，表明生物体可以通过调节自身的抗氧化酶活性以应对微塑料及复合胁迫环境。

参考文献

[1]朱永官，朱冬，许通，等.（微）塑料污染对土壤生态系统的影响：进展与思考[J].农业环境科学学报，2019，38（1）：1-6.

[2]Goldstein M C，Rosenberg M，Cheng L.Increased oceanic microplastic debris enhances oviposition in an endemic pelagic insect[J].Biology Letters，2012，8（5）：817-820.

[3]Hernandez-Milian G，Lusher A，Macgabban S， et al.Microplastics in grey seal （Halichoerus grypus） intestines： Are they associated with parasite aggregations？[J].Marine Pollution Bulletin，2019，146：349-354.

[4]Zhu Z L，Wang S C，Zhao F F， et al.Joint toxicity of microplastics with triclosan to marine microalgae Skeletonema costatum[J].Environmental Pollution，2019，246：509-517.

[5]Hannam M L，Bamber S D，Moody J A， et al.Immune function in the Arctic Scallop， Chlamys islandica， following dispersed oil exposure[J].Aquatic Toxicology，2009，92（3）：187-194.

[6]Lu Y，Zhang Y，Deng Y， et al.Uptake and Accumulation of polystyrene microplastics in Zebrafish （Danio rerio） and toxic effects in liver[J].Environmental Science & Technology，2016，50（7）：4054-4060.

[7]Wang J，Li Y，Lu L， et al.Polystyrene microplastics cause tissue damages， sex-specific reproductive disruption and transgenerational effects in marine medaka （Oryzias melastigma）[J].Environmental Pollution，2019，254（Pt B）：113024.

[8]Magni S，Gagne F，Andre C， et al.Evaluation of uptake and chronic toxicity of virgin polystyrene microbeads in freshwater zebra mussel Dreissena polymorpha （Mollusca： Bivalvia）[J].Science Of the Total Environment， 2018，631-632：778-788.

[9]Pandey S，Parvez S，Sayeed I， et al.Biomarkers of oxidative stress： a comparative study of river Yamuna fish Wallago attu （Bl. & Schn.）[J].Science of the Total Environment，2003，309（1-3）：105-115.

[10]Qu H，Ma R，Wang B， et al.Enantiospecific toxicity， distribution and bioaccumulation of chiral antidepressant venlafaxine and its metabolite in loach （Misgurnus anguillicaudatus） co-exposed to microplastic and the drugs[J].Journal of Hazardous Materials，2019，370：203-211.

收稿日期：2020-10-11

基金項目：福建省自然科学基金项目（2016J01695）;大学生创新实验项目（201811062216）

作者简介：李国新（1981-），男，博士，副研究员，研究方向为环境生态与修复。