小水体微塑料的污染特征及其对水生生物的毒性效应

论文摘要

微塑料这一新型污染物因在全球范围内广泛分布,已受到人们极大的关注。随着塑料年产量的不断增加,塑料垃圾总量随之攀升。大塑料破碎降解成微塑料后在陆地环境中积聚,特别是在人为影响较大的区域。当前微塑料污染主要集中在对海洋生态系统的研究,尽管已有大量研究指出其来源主要是陆源塑料垃圾的输入,但是目前对这方面的认识仍然比较缺乏。陆源微塑料经雨水径流、大气沉降等途径进入到湖泊、河流等淡水大水域中,同时也会进入到池塘、沟渠等小水体中。小水体是全球数量最多的淡水生态系统,具有高物种多样性和众多生态服务功能。因其体积小且呈斑块状,易受到污染物污染,而目前却并未见小水体微塑料污染的研究。因此,本论文结合室内外研究对小水体的环境介质和栖息生物进行了微塑料污染特征的调查,同时探究了微塑料在水生生物体内的动力学过程和毒性效应。首先,本研究选取了中国人口密集和人类活动频繁的长江三角洲城市群——上海和浙江的25个小水体进行微塑料分布特征的调查。结果表明,微塑料在小水体中普遍存在,不同位点的微塑料丰度存在差异性。表层水中微塑料的平均丰度为0.5-21.5个/L;主要形状是纤维,占比87.8%;且聚酯纤维（PES）含量最高,占78.5%。表层沉积物中微塑料的平均丰度为35.8-3185.3个/kg;纤维和碎片基本各占一半,占比分别是42.6%和55.4%;最多的聚合物类型则是聚丙烯（PP）,其中纤维状PP占39.6%,碎片状PP占36.4%。<0.5 mm的微塑料在水体和沉积物中均是最多的,分别占45.5%和69.9%,且随微塑料尺寸的增大,微塑料的丰度呈逐渐减少趋势。然后,以池塘这一在各景观普遍存在的小水体为例,进一步详细探究了雨水径流对小水体微塑料污染的影响。选取美国达勒姆地区3个自然形成和3个人工设计的暴雨残留池进行了区域性和季节性的微塑料调查。结果表明,高密度区的人工设计的暴雨残留池的表层水中的微塑料平均丰度为1.7±1.2个/L,表层沉积物中的微塑料平均丰度为274.8±193.5个/kg,显著高于人口稀疏的绿色区域暴雨残留池的表层水（0.8±1.0个/L）和表层沉积物（97.5±85.1个/kg）中的微塑料平均丰度（p<0.01）。不同采样季节对比发现,高密度区暴雨残留池中的微塑料丰度随降雨量增多而增加,尤其是沉积物中微塑料显著增加,而绿色区域的暴雨残留池中的微塑料丰度与降雨量无关。对比人工设计的暴雨残留池出入口的微塑料污染发现,沉积物中无差别,但入口表层水中的微塑料丰度高于出口处,猜想微塑料可能随水流分散在整个池塘中或者由出口流出。暴雨残留池中的微塑料尺寸主要集中在<0.5 mm,表层水中以纤维居多,沉积物中微塑料碎片稍多,聚合物类型主要是PP。对比中美小水体中的微塑料污染发现,我国小水体中的微塑料丰度远高于美国暴雨池,一方面可能由于我国上海和浙江的人口密度大、塑料垃圾产量大造成的,另一方面可能是暴雨池中的微塑料随水流从出口流出的原因。微塑料在小水体中的普遍存在和持久性令人担忧,因为它们可能会被小水体中的栖息生物摄食,从而对生物的健康构成潜在的威胁。为了了解小水体中栖息生物体内的微塑料污染特征,我们同时采集了上海和浙江小水体中的4种蝌蚪和食蚊鱼进行了研究。结果表明,在蝌蚪体内微塑料普遍存在,泽陆蛙（Rana limnochari）、中华蟾蜍指名亚种（Bufo gargarizans）、饰纹姬蛙（Microhyla ornata）和黑斑侧褶蛙（Pelophylax nigromaculatus）蝌蚪体内的微塑料丰度分别为0-2.7±0.8个/只（按重量计:0-168.5±52.0个/g）,0.2-1.9个/只（2.4-56.9个/g）,0.5-2.6个/只（35.2-157.9个/g）和1.3-1.8个/只（3.0-4.5个/g）。在同一位点采集的不同种蝌蚪体内微塑料丰度均有显著差异,并且发现泽陆蛙蝌蚪体长和蝌蚪体内微塑料丰度（以个体计算）存在正相关性（pc=0.589,p<0.001）。通过分析环境介质和蝌蚪体内的微塑料特征,同时结合蝌蚪的生活习性,我们认为蝌蚪体内的微塑料主要来自于水体。食蚊鱼体内微塑料平均丰度为0-0.2个/条（0-1.9个/g）,显著低于蝌蚪体内的微塑料丰度,这可能与生物的摄食方式及微塑料在生物体内的残留时间有关。前面已经证实微塑料在小水体的栖息生物体内普遍存在,为了探究生物如何摄入微塑料,是否能够排除微塑料以及微塑料对生物的毒性如何,接下来我们在室内进行模拟暴露实验对这些问题进行了研究。首先我们利用室内经典的两栖类模式生物——热带爪蟾的蝌蚪以及荧光示踪粒子——聚苯乙烯微球探究了微塑料在水生生物体内的毒动力学过程。结果表明,聚苯乙烯微球（1和10μm）可以通过口和鳃进入蝌蚪体内。在暴露1 h后即可进入蝌蚪体内,但6 h后便以粪便的形式排出,48 h的摄入实验显示微球在蝌蚪体内的积累有浓度效应,但无时间效应。暴露后的蝌蚪在清水中培养,第一天就将大部分微球排出体外,之后逐渐下降,到第六天仍有少量残余。研究还发现缺乏食物的情况下,蝌蚪会大量摄入塑料微球,且很难将其排出。随着水环境中的微塑料丰度持续增加,相较之下生物可利用的食物变少,那么它们可能会摄入更多的微塑料,加剧微塑料的毒害效应。目前室内研究大多数主要还是使用微塑料颗粒或碎片来进行研究,而与野外调查检测到最多的是塑料微纤维的事实不符。为了探究具有环境特征的微塑料对生物的毒性效应,我们选择了小型模式鱼种——青鳉鱼为受试生物,进行了常用纤维PES微纤维和PP微纤维21天亚急性暴露的研究。在青鳉鱼的口腔、咽部、鳃腔和肠道中均发现了微纤维,通过对粪便中微纤维的量化发现一条青鳉鱼每天可以摄入1,367±819个PES微纤维或者157±105个PP微纤维。运用扫描电镜观察到暴露组青鳉鱼的鳃弓和鳃丝表面破损,鳃腔中的黏液增多,同样组织学切片显示鱼鳃和鳃腔均发生细胞水平的病变,如动脉瘤、上皮突起、部分的和完全的上皮融合以及上皮紊乱。另外还发现暴露组青鳉鱼的前肠上皮细胞中的粘液细胞和分泌物增加。但是21天暴露并未对成鱼的身体状况、性腺和肝脏指数以及胚胎发育造成显著影响,只是PP微纤维暴露增强了青鳉鱼的生殖能力。该研究提供了微纤维毒性的新证据,并确定了微纤维进入和排出鱼体的关键途径。综上所述,微塑料在淡水小水体的表层水、表层沉积物和栖息生物体内普遍存在,并且小水体微塑料污染不亚于其他淡水大水域,两栖类蝌蚪体内的微塑料丰度较其他水生生物也较高。由此可见,水环境微塑料污染的背景越高,可能对淡水生物的影响越大。此外,小水体呈斑块状,体积小易受人类影响,非常脆弱。一旦受到污染,不仅对其依赖性极高的栖息生物的生存构成威胁,而且可能会对整个生态系统造成无法挽回的影响。本研究丰富了淡水微塑料污染数据,增进了人们对小水体的认识,而且提供了微塑料生态危害和健康风险的新证据,为微塑料的管控和法案制定提供了强有力的科学数据支撑。由本研究可知,此前对小水体微塑料高污染现状的忽视,可能低估了陆源污染对海洋微塑料污染的贡献。因此,今后应进一步加强对小水体微塑料污染的研究。

论文目录

摘要

ABSTRACT

缩略词

第一章绪论

1.1 微塑料污染概述

1.1.1 塑料污染

1.1.2 微塑料特征概述

1.1.3 微塑料的采集和分析方法

1.1.4 海洋微塑料污染及来源

1.1.5 淡水微塑料污染

1.2 小水体的特征及污染概述

1.2.1 小水体的定义和特征

1.2.2 小水体的脆弱性

1.2.3 小水体微塑料污染

1.2.4 小水体的保护与管理

1.3 微塑料的生态效应研究

1.3.1 塑料残骸与微塑料影响生态系统的主要方式

1.3.2 微塑料在生物体内的赋存特征

1.3.3 微塑料对生物的毒性效应

1.4 模式生物简介

1.4.1 热带爪蟾及其蝌蚪简介

1.4.2 青鳉鱼简介

1.5 研究内容、目的与意义

1.5.1 研究内容

1.5.2 研究目的和意义

第二章我国上海和浙江小水体中微塑料的污染特征

2.1 引言

2.2 材料方法

2.2.1 主要仪器、试剂和耗材

2.2.2 研究区域和采样方法

2.2.3 小水体中微塑料的提取方法

2.2.4 微塑料样品的观察统计及鉴定方法

2.2.5 数据分析

2.3 结果

2.3.1 小水体中微塑料的丰度

2.3.2 小水体中微塑料的形状及尺寸

2.3.3 小水体中微塑料的聚合物类型和表面结构

2.4 讨论

2.4.1 与大水域中微塑料的比较

2.4.2 与人类活动的相关性

第三章美国达勒姆暴雨残留池中微塑料的污染特征

3.1 引言

3.2 材料方法

3.2.1 主要仪器、试剂和耗材

3.2.2 研究区域和采样方法

3.2.3 微塑料的提取、观察与鉴定

3.2.4 数据分析

3.3 结果

3.3.1 暴雨残留池中微塑料的丰度

3.3.2 暴雨残留池中微塑料的物理和化学特征

3.3.3 中美小水体微塑料对比研究

3.4 讨论

3.4.1 暴雨残留池的微塑料污染水平

3.4.2 暴雨残留池的沉降作用

第四章蝌蚪和食蚊鱼体内微塑料的污染特征

4.1 引言

4.2 材料方法

4.2.1 主要仪器、试剂和耗材

4.2.2 研究区域和采样方法

4.2.3 微塑料的提取方法

4.2.4 微塑料样品的观察统计及鉴定方法

4.2.5 数据分析

4.3 结果

4.3.1 蝌蚪体内微塑料的丰度

4.3.2 食蚊鱼体内微塑料的丰度

4.3.3 蝌蚪体内的微塑料特征分析

4.3.4 与环境中微塑料的相关性分析

4.4 讨论

4.4.1 生物体内微塑料的污染特征分析

4.4.2 蝌蚪体内微塑料的来源分析

第五章微塑料在热带爪蟾蝌蚪体内的毒动力学过程

5.1 引言

5.2 材料方法

5.2.1 主要仪器、试剂和耗材

5.2.2 聚苯乙烯微球溶液制备

5.2.3 热带爪蟾及其蝌蚪的养殖

5.2.4 实验设计

5.2.5 聚苯乙烯微球观察及计数

5.2.6 数据分析

5.3 结果

5.3.1 微球在蝌蚪体内的分布

5.3.2 蝌蚪对微球的清除

5.3.3 食物的影响

5.3.4 微球暴露对蝌蚪生长的影响

5.4 讨论

5.4.1 微塑料在蝌蚪体内的毒动力学过程

5.4.2 对食物作用的探讨

第六章微纤维对青鳉鱼的毒性研究

6.1 引言

6.2 材料方法

6.2.1 主要仪器、试剂和耗材

6.2.2 青鳉鱼养殖

6.2.3 实验设计

6.2.4 样品的收集与处理

6.2.5 组织学切片分析

6.2.6 扫描电镜分析

6.2.7 数据分析

6.3 结果

6.3.1 对青鳉鱼成鱼的影响

6.3.2 对繁殖力和胚胎发育的影响

6.3.3 微塑料分布

6.3.4 组织学变化

6.3.5 表面损伤

6.4 讨论

6.4.1 微塑料对鱼类生长生殖的影响

6.4.2 微塑料对鱼鳃和肠道的物理损伤

第七章总结与展望

7.1 主要结论

7.2 特色与创新

7.3 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: 胡玲玲

导师: 施华宏

关键词: 微塑料,小水体,蝌蚪,青鳉鱼,毒性效应

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: 国家自然科学基金项目(21277049),留学基金委([2017]3109)

分类号: X55;X171.5

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