水环境中微塑料的危害及防治

崔铁峰 廖晨延 崔彤彤 李子竹 张杰 鲁玉蝶 王宏伟

摘 要：梳理、分析现有文献与研究成果，从微塑料的毒性效应、微塑料富集微生物和动植物所引发的生态效应、加剧水体中环境激素污染、微塑料富集多种污染物所引发的联合毒性效应等方面介绍了微塑料对水生生态系统的危害，综述了现阶段水域微塑料防治措施包括：源头上减少塑料制品的生产，研发可降解塑料并投入使用，建立并完善水环境中微塑料研究方法体系、研发和改进相关技术与设备。

关键词：微塑料;毒性效应;生态效应;吸附作用;防治

微塑料为直径小于5 mm的塑料碎片和颗粒[1]， 中国启动“海洋微塑料监测和生态环境效应评估技术研究”项目并将该项目列为科技部“十三五”国家重点研发计划“海洋环境安全保障”重点专项之一[2]。微塑料是形状各异的非均匀塑料颗粒混合体，由塑料垃圾经过各种形式的降解作用分解而成，在化学成分上与塑料制品基本一致。近年来随着塑料制品在全球范围内的大量使用，海洋、淡水环境中的塑料垃圾污染问题也日益严峻。相比于“白色污染”塑料，微塑料体积小，肉眼难以辨别，其对水生生态环境的破坏也是无形之中悄然进行的，对于环境的危害程度更深。微塑料种类繁多，根据其外部形貌可主要分为碎片型、颗粒型、纤维型、薄膜型四类;根据其材质类型大体可分为乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚酯（PEst）和聚对苯二甲酸类（PET）、聚氯乙烯（PVC）等，其形态特点和材质类型的多样也增加了微塑料对生态环境危害的复杂程度。

1 微塑料对水生生态系统的危害

1.1 微塑料的毒性效应

微塑料是自然界本不存在的、人工合成的化學物质，其自身的化学成分在水环境中的暴露会对水生生物产生一定的毒性效应，此外，微塑料表面易吸附水体中其它污染物，多种污染物的结合导致复合毒性的出现。又由于其体积小、疏水性强，故易吸附于生物体表面或被小型水生生物误食，使其毒性效应从食物链底端开始积累、富集，并沿食物链传递、放大，进而威胁到整个水生生态系统。

1.1.1 行为毒性 微塑料的摄入会对生物个体的行为特征造成影响。研究发现，桡足类汤氏纺锤水蚤幼体暴露在45 μm的塑料微球中，其游泳行为出现异常，甚至出现“跳跃”反应[3]。此外，关于微塑料对中华绒螯蟹的负面影响的研究发现，甲壳动物的鳃组织与外界水环境直接接触，极易富集水环境中的微塑料。微塑料在中华绒螯蟹鳃组织中富集后，会影响鳃组织中的离子转运，长时间暴露在一定浓度微塑料的水环境会显著抑制鳃中各ATP酶的活力，进而对中华绒螯蟹的各项生长行为指标造成影响[4]。另有研究表明，微塑料暴露会严重影响生物体的正常摄食行为，生物的摄食行为受到影响，将直接影响生物体正常的生长发育，这一点将在生长发育毒性中做详细介绍。

1.1.2 生长发育毒性 微塑料摄入会对生物体的生长发育产生负面影响。生物主要通过摄食获取营养，而毫无营养的微塑料被水生生物误食进入体内后会在生物体的消化道中聚集、积累并阻塞消化道，动物会由此产生饱腹感，开始减少摄食，最终导致机体生长所需能量来源补充不足，从而影响生物体的生长发育。微塑料对生物的生长发育毒性已被大量研究证实，将海胆暴露在不同浓度的聚乙烯微球中，研究结果表明，微球暴露浓度越高，海胆摄入微球数量越多，海胆体形越小[5]。

1.1.3 生殖毒性 生物个体长期生活在微塑料暴露的环境中会对其生殖行为造成一定影响，主要表现在以下几个方面：产卵量下降、生殖细胞质量下降、孵化率下降。 Cole M等将哲水蚤在20 μm的聚苯乙烯微塑料中暴露6 d后，哲水蚤所产卵的质量明显下降，孵化成功率显著下降[6]。这些现象的出现可能与微塑料对水生生物消化系统及内分泌系统的干扰作用有关。塑料生产过程中许多添加剂是内分泌干扰物，生物长期暴露于一定微塑料浓度中会造成机体内分泌的紊乱，进而影响其生殖能力。相关研究表明，合成塑料制品所用到的邻苯二甲酸酯和双酚A等塑化剂通过干扰动物的内分泌影响其发育和繁殖过程[7]。

1.1.4 免疫毒性 微塑料在生物体内的富集会刺激体内免疫系统，产生免疫毒性。机体对微塑料的免疫敏感性与微塑料的性状有关，表面形状不规则的微塑料颗粒要比表面平滑的微塑料颗粒更能引起机体的免疫反应，粒径小于16 μm的微塑料会转移到贻贝淋巴系统，造成溶酶体膜的不稳定，进而引起机体免疫系统的炎症反应[8]。将水生生物暴露在一定浓度的微塑料水环境中一段时间，其肝脏组织病理损伤水平增加 [9-10]。

1.1.5 基因及遗传毒性 有少量研究发现微塑料吸附某种有毒物质后会对水生生物产生基因毒性效应。将暴露在100 μm、1.5 g/L吸附有多环芳香烃（PAHs）的PS和PE中的紫贻贝的DNA分子进行检测，发现部分DNA存在断链现象[11]。此外，一定浓度的微塑料环境下，水生生物的基因表达水平也会受到影响。

1.2 微塑料富集微生物所引发的生态效应

近年来，“微塑料+微生物”的生态效应开始受到人们的关注，成为微塑料生态效应研究的新兴热点话题。微塑料物理、化学性质稳定，且易吸附水体中的无机营养盐、有机物，为水体中微生物生存提供了适宜的栖息环境。各类细菌在微塑料的表面增殖形成菌落，并随着微塑料在水体中的迁移发生扩散。此外，微生物在微塑料表面形成的生物膜结构使微塑料的疏水性减弱、在水体中黏性和所受浮力均发生改变，导致部分微塑料发生沉降，最终以沉积物的形式存在于底泥中。微塑料横向上的迁移和纵向上的沉降拓宽了附着其上的微生物的生存领域，是微生物“移民”的良好载体。

Keswani等（2016）进行的相关研究表明溶藻弧菌可大量黏附在聚乙烯等材质微塑料上[12]并随之发生扩散。

微生物间基因交流频繁，而同一粒微塑料上富集的微生物往往不止一种，不同菌种间的基因重组会可能导致新型物种的产生，致病菌基因交流所产生的新型物种更会对水生生物的生存造成威胁。此外，随着抗生素在各个领域的广泛应用，水体中抗生素污染状况严重，导致抗性基因和抗病菌的出现。当前研究表明，废水处理厂下游水体中富含耐药菌[13]。某一水域中耐药菌附着于微塑料表面并随水体迁移到其它水域，将会导致该耐药菌及其携带的抗性基因在水域空间上的扩散，最终导致抗性基因在环境中的泛滥。

综上，微塑料富集微生物所引发的生态效应多样且复杂，这与二者自身独特的性质密切相关。微生物随微塑料迁移将导致物种入侵、基因交流、抗性基因泛滥、产生新型物种等一系列生态效应，进而危害水生生态系统的健康。

1.3 微塑料富集动植物所引发的生态效应

微塑料疏水性强的特点使其在水体环境中易富集磷、氮等无机营养盐，且自身性质稳定，适合浮游植物的生存。若有害藻种附着于微塑料表面并随之迁移，一旦漂移至适合其繁殖的环境，便会呈现爆发性繁殖状态，造成赤潮、水华等环境问题，对水体性质、水域中其它生物的生存造成威胁[13]。

1.4 加剧水体中环境激素污染

环境激素（Environmental hormones）是一类通过干扰生物体内分泌功能进而对生物体及其后代的生长发育产生不利影响的外源性化学物质。具有类似雌性激素功能，生物体暴露在一定浓度的环境激素中，会导致其生殖能力下降，免疫力降低，出现各种生殖异常现象[14]。环境激素脂溶性强的物理性质使其易吸附于水体中悬浮颗粒表面且具有生物蓄积性。壬基酚、酚甲烷化合物是典型的环境激素，同时也是塑料制品生产过程中的重要原料、它们将伴随着塑料制品的迁移在水体中扩散[15]。微塑料是塑料制品的碎片形式，自身本就含有壬基酚等环境激素成分，加之比表面积大、疏水性强，是水环境中包括各类环境激素在内的脂溶性物质的优良附着物。相比于“白色垃圾”，微塑料体积小，易被小型生物误食，这也造成其上附着的环境激素在低级营养级的积累。此外，微塑料表面物质的大量富集最终导致其以沉积物的形式稳定存在于水体底部，环境激素也随之在水体底部沉积，并在底栖动物体内富集，并沿食物链流动，通过生物积累、生物浓缩、生物放大等途径对水生生态系统造成危害。

1.5 微塑料富集多种污染物所引发的联合毒性效应

现阶段国内外关于微塑料单一毒性的研究已较为成熟，但有关微塑料与其它污染物复合毒性的研究较少。有学者将实验室购买的用于单一毒性研究的微塑料与自然环境下水体中提取的相同材质微塑料的毒性程度进行对比，结果显示自然环境来源的微塑料毒性效应更强。不考虑其它因素，仅从微塑料的成分保留程度进行分析，购买来的微塑料未经水体浸泡，自身化学成分的保留程度要比水体中提取的微塑料高，理论上讲购买来的微塑料毒性要高于自然环境来源的微塑料。实验结果与分析相反，说明微塑料对环境中其它疏水性物质的富集作用加剧了对生物的毒性效应[16]。Prata等通过检测藻类植物Tetraselmis chuii（T.chuii）分别暴露在一定浓度的微塑料、药物普鲁卡因胺、药物强力霉素中与暴露在三者同时存在的环境下比生长率（生长率）和叶绿素a浓度（叶绿素）的变化程度，探究微塑料、普鲁卡因胺、强力霉素三者的复合毒性。实验结果表明，塑料微粒本身没有显著影响T. chuii的生长率和叶绿素浓度，即没有产生显著的毒性效应;普鲁卡因胺、强力霉素在低浓度范围内对T. chuii均具有毒性效应;而微塑料-药物混合物的毒性比单独的药物毒性更大[17]。

2 水域微塑料的防治

2.1 源头上减少塑料制品的生产

联合国环境署（UNEP）与全球资源信息数据库于2017年7月24日公布了双方共同参与制作的《海洋垃圾图式报告》。报告探究了“微塑料”的全球性分布，旨在呼吁人们提升对微塑料污染的重视程度并及时采取防治措施。在源头上，UNEP督促各国根据本国国情制定限制塑料制品使用的相关政策，如：限制化妆品中塑料颗粒的添加、对塑料袋进行征税、禁止塑料袋的使用[18]。

2.2 研發可降解塑料并投入使用

随着科学技术的发展、生产可降解塑料并将其商品化成为未来塑料制品行业的发展趋势。 加拿大埃克塑料（Ecoplastics）有限公司利用烯类单体与乙烯基酮共聚与塑料成分光降解技术，生产了一系列光降解聚烯类树脂 ，现已将其商品化生产并将商品命名为“Ecolytel”。现阶段我国在光降解塑料研发领域发展迅猛，LC系列光敏型地膜系列塑料制品现已投入市场使用[19]。

2.3 建立并完善水环境中微塑料研究方法体系、研发和改进相关技术与设备

微塑料污染是近年来逐渐引起广泛关注的环境污染问题，属于新型环境污染物，故关于各流域、海域微塑料污染分布规律的相关调查尚处于起步阶段，国内外关于微塑料监测与毒性效应评估的方法学体系也有待完善。

2.3.1 完善微塑料监测的方法体系、提升监测技术水平

监测水域中微塑料的过程大致分采样、分选、鉴定、分析四个阶段。通过阅读大量文献，对现阶段国内外水环境微塑料监测的方法与技术上存在的问题进行了总结，为完善微塑料污染的治理体系提供参考。

微塑料在水域的分布受季节、水域深度等多方面因素影响，因此针对不同特点的水域环境需采取适当的采样工具和方法，以降低调查结果的偶然性从而增强数据的说服力，故针对不同水域建立统一的采样标准尤为重要。然而，现阶段国内外还未对塑料采样过程所用方法及工具做统一规定，深度、采样地点、采样面积、取样体积、网端口大小等具体参数缺乏统一标准。

在微塑料的分选过程中，由于研究单位设备条件和分选程序设计的差异，导致分选效果参差不齐，采用粗略的分选程序、分选精度低的设备将导致极微小尺寸的微塑料的筛出率较小、分选效率低，这将对微塑料尺寸、材质、浓度等数据统计结果的准确性产生影响。

我国学者采用的微塑料的检测方法主要有以下几种：目视法、 电子显微镜、拉曼光谱、红外光谱、热分析法。这些方法或测量鉴别效率低下，或检测成本高，无法应用于大范围调查或作为常规监测的方法体系[20]。

因此，探讨研发一套成本低、可操作性强的微塑料检测鉴别技术可以加快推进微塑料研究的系统化发展。

2.3.2 完善微塑料毒理學评价指标，深入研究微塑料毒性效应机制

一是要建立微塑料毒理学测评指标及其阈值。大量研究证实，微塑料对水生生物存在诸多毒性效应，并会沿食物链积累、传递、放大，但在生态毒理学中缺乏关于微塑料毒理的评价指标和阈值的界定。污染物毒理评价指标及阈值是污染物评价标准中重要的一部分，故应尽快完善微塑料毒理学体系，推动微塑料污染评价标准的建立。

二是要深入微塑料复合毒性机制的研究。目前已有较多关于微塑料单一毒性效应机制的研究，但在实际水生生态系统中，微塑料常与周围环境中的污染物以复合物的形式存在，故研究微塑料复合毒性效应机制具有很大的现实意义，可为针对性治理不同水环境中微塑料污染问题提供科学依据[22]。

三是应多学科领域合作探究、共同治理。由于微塑料对周围环境物质具有富集作用，故其在实际环境中的化学性质复杂;微塑料的来源与归趋受季节、洋流、地势等多种地理因素影响;探究微塑料的生态效应是研究微塑料污染的出发点和落脚点，故微塑料对环境中生物的影响机制是关键问题。综上，水环境中微塑料污染问题是一项涉及多个学科、多个领域的复杂研究问题。多学科领域学者在水环境微塑料污染问题上达成合作共识将极大地推动研究进展，研究结果也将更具科学性与说服力。

综上，微塑料的防治可主要从以下两大方面入手。一是在源头上“减塑、替塑、限塑”，以防止污染加剧。减少塑料制品的生产，逐渐以可降解塑料替代传统塑料制品，各国出台相关政策限制塑料制品的使用，提升世界公民的环保意识。二是完善水环境微塑料污染的治理体系，以有效监控水域微塑料污染程度。建立水环境微塑料污染评价体系、完善微塑料研究方法体系、明确微塑料毒理学评价指标。

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（收稿日期：2020-10-18;修回日期：2020-11-09）