微塑料对植物的毒性效应研究进展-辽宁化工2022年01期

摘      要： 塑料是人类生产生活中的必需品，但由于管制不当，废弃塑料在环境中大量存在，其风化破碎形成的塑料微粒已经成为水生生态系统中的重要污染物，并随着水流遍布世界各地。微塑料本身及其负载的毒性会对水中的植物带来严重威胁。综述了微塑料对高等植物和微藻的生理功能的影响，探讨了微塑料和环境中其他污染物结合产生的复合毒性效应，总结了造成这些负面效应的原因。

关  键  词：微塑料;毒理;水生生态系统;水生植物

中图分类号：TQ050.4⁺25     文献标识码： A     文章编号： 1004-0935（2022）01-0082-04

塑料因其价格低廉，使用方便等特点，具有广泛的商业，工业，医用价值，在人类的生产生活中占据了重要位置。据统计，塑料年产量已经从20世纪50年代的150万t增加到了2011年的约2.8亿t，且还在逐年递增。然而，塑料在给人们的生活带来巨大便利的同时，也引发了严重的污染问题。由于管控不利，大量的塑料废弃在自然环境中，引起更严重和更广泛的生态风险。

微塑料，是指一类尺寸小于5 mm的塑料碎片或微粒，由于质量轻小，它们会随着海洋飘散到世界各地。大多数常见的微塑料的密度范围在0.85～1.41 g·cm^-3，当它们进入水体环境时，密度大的微塑料会沉降至底泥中，密度小的微塑料则随水流飘散至直接各地^[1]，因此，在各种水生环境如地表水、深水、底栖区、沉积物、海岸线和海滩中都曾检测到微塑料的存在^[2]，微塑料甚至扩散到了最偏远的海洋环境中^[3]。这些微小颗粒易被水中的生物捕食，富集在生物体中，并沿着食物链和食物网逐级传递，或是吸附在生物体的表面，从而损害生物体的生理功能。如今，人们的注意力已经从微塑料的迁移和分布转移到评估它们对生态系统功能的影响上来，尤其是对淡水水生植物的毒理作用已经是当今微塑料的研究热点。本文概述了微塑料对水生高等植物和微藻的生长、光和效率和抗逆酶活性等生理指标的影响，以期为进一步的生态风险评估提供依据。

1  微塑料对水生植物的影响

微塑料在各种水生环境中广泛传播，因此可与水生植物互动，如浮萍^[4]、海草^[5]和红树林^[6]。水生植物可以通过植物稳定来吸收和积累微塑料到植物表面，并通过塑料特性、静电相互作用、植物表面形态和生物膜等不同的潜在机制从周围水环境中“诱捕”微塑料^[7]。自从微塑料的污染问题日益严重以来，国内外众多学者针对其水生生态毒性效应进行了大量研究，旨在解决微塑料的毒性效果和机理问题。

1.1  微塑料对低等水生植物的毒理影响

微藻指的是只有在显微镜下才能分辨其形态的藻类，是一种自养型微生物，以无机物质为能量，并且能通过光合作用释放氧气^[8]，在大自然中广泛存在。微藻属于水体自然环境中分布最广的低等水生植物，作为水生生态系统主要的初级生产者，微藻在产氧以及氮和磷生物地球化学循环中至关重要，然而，微藻也可能受到水体中微塑料的影响。许多研究证明，微塑料的颗粒和剂量会对微藻产生毒性作用。

Li^[9]等将莱茵衣藻暴露于聚苯乙烯微塑料中，发现微藻的密度随着聚苯乙烯微塑料浓度的增加而降低，其中100 mg·L^-1质量浓度的微塑料对微藻的抑制率最6a59de0851acdedfab98afc0dedbab56159816d8b88d48e095ca5f9acbb30a83高能达到45.8%，聚苯乙烯微粒也降低了叶绿素a荧光产量和光合活性，并使莱茵衣藻的可溶性蛋白含量增加。Yao^[10]等发现，聚苯乙烯抑制了细小裸藻的生长，并且对细小裸藻产生了氧化应激，使得细小裸藻的超氧化物歧化酶以及过氧化物酶的含量增高。Ansari^[11]等观察了不同类型微塑料对斜纹微藻的影响，发现高密度聚乙烯对微藻生长抑制率最高，其次是聚氯乙烯和聚丙烯，且微塑料浓度越高，斜纹微藻的光和效率越低，然而随着时间的推移，斜纹微藻会逐渐适应微塑料毒性。Zheng^[12]等发现聚苯乙烯微塑料会影响铜绿微囊藻细胞膜流动性和渗透性，造成膜损伤，使得细胞内物质被释放到水中，因此导致了微藻丙二醛含量的增高。但丙二醛的含量并没有随着聚乙烯和聚氯乙烯微塑料浓度的增加而增加。

微塑料对微藻的毒性影响可能不仅是物理性的，还与塑料相关的化学物质的相互作用有关。事实上，微塑料可能会析出化学物质，如不完全聚合反应产生的残留单体或添加剂，这些物质可能占最终塑料材料的很大比例^[13-14]。大多数塑料添加剂没有共价结合到塑料聚合物上，因此，它们可以迁移到材料表面，并缓慢释放到环境中。Capolupo等^[15]调查了塑料浸出物对微型藻类近头状尖胞藻和中肋骨条藻的影响，报告说，相当多的浸出物（苯并噻唑、苯酞、苯乙酮、钴、锌、铅）都抑制了藻类生长。然而，有人假设，通常以低浓度释放的一些添加剂的浸出也可能由于“兴奋”现象而刺激微藻的生长^[16-17]。

1.2  微塑料对高等水生植物的毒理影响

水生植物在净化水体方面有不可或缺的作用，它们会吸收和富集水中的各种污染物，如重金属、抗生素等。随着微塑料在湖泊，池塘，湿地中的存在越来越普遍，微塑料对水体中的高等植物的生理影响已经引起了国内外的广泛关注。

狸藻是湿地中常见的植物，Yu^[18]将狸藻培养在含有微塑料的水体中，24 h后在显微镜下发现狸藻的捕虫囊捕捉了大量微塑料，这些塑料颗粒会磨损捕虫囊器官，造成氧化损伤，促使狸藻的抗氧化防御系统被激活。微塑料所带的电荷也是影响因素之一，Sun^[19]等观察了拟南芥分别在带有正负电荷的微塑料下生长后的生理变化，发现带正电荷的微粒会促使拟南芥根部分泌草酸盐，这些分泌物将正电荷微粒聚集成大尺寸颗粒并吸附在根系表面，造成表皮细胞损伤，而带负电荷微粒不受分泌物的影响，这使得它们会被根系吸收，进入细胞中。两种微塑料都激发了植物的抗逆系统，RNA-seq转录组分析也证明了拟南芥会响应环境条件并诱导防御反应。Kalíková^[4]从一种去角质产品中提炼出两种塑料微珠，这些微小尖锐的颗粒富集在浮萍的根系表面，降低了根细胞的生存能力，并破坏了植物细胞膜的完整性，Kalíková将浮萍根部用伊文斯蓝染色后发现，其中一种微珠对根细胞的伤害堪比10mg/L的重铬酸钾。张晨^[20]等观察了聚苯乙烯微塑料对黑藻的生长和生理特性的影响，发现黑藻在含有不同浓度微塑料的水体中生长后，株高、生物量和叶绿素含量都有所降低，且低浓度的微塑料对黑藻抗逆性酶的浓度有促进作用，而高浓度的微塑料则显著降低了黑藻抗逆性酶的活性，这是由于低浓度微塑料刺激黑藻产生活性氧，激活了各种抗氧化酶来缓解活性氧的伤害，但高浓度微塑料对黑藻氧化损伤强烈，对抗逆性酶也从激活作用转变成抑制作用。Bosker^[21]等的研究中发现，与无微塑料的对照组相比，暴露于微塑料浓度约为105颗粒·mL^-1，粒径为4.5μL的水体中8 h后，水芹的萌发率下降了61%，显微镜下观察到微塑料会堵塞住水芹种子的孔隙，对种子的萌发带来不利影响。

2  微塑料与其他污染物的复合污染效应

微塑料的毒性还体现在其能够吸附水中的其他污染物质，形成复合污染物，或是一些微塑料本身添加有化学物质，暴露在水体中时将化学物质释放出来，对生态系统造成威胁和破坏。微塑料能够作为阿奇霉素和克拉霉素的载体^[22]，且疏水性越强的阿奇霉素吸附的比例比克拉霉素高，负载了抗生素的微塑料显著抑制蓝藻的生长和叶绿素含量。壬基酚^[23]是水体中新兴的污染物，单独的微塑料和壬基酚都会抑制小球藻生长以及产生氧化应激，但它们的联合毒性具有拮抗作用，微塑料的存在可以减轻壬基酚对小球藻的毒性影响。Merve^[24]等设计了微塑料-金属复合污染物对小球藻的毒理实验，他们发现单一微塑料对小球藻生长和叶绿素a抑制率为20%和15%左右，而单一金属-微塑料复合物对小球藻的生长和叶绿素a抑制率达到了48%和47%左右，三重金属-微塑料复合物的抑制甚至高达70%和64%。这是由于微塑料颗粒被吸附并嵌入微藻细胞中，阻止了光的穿透以及微藻细胞的氧的转移，影响微藻发育。环丙沙星是水中常见的抗生素污染物，黑麦草能够吸收环丙沙星并净化水质，单宁^[25]发现在黑麦草在吸收环丙沙星的同时，表面负载ea08aa79be2de6e8867a783dc34c6ea1了环丙沙星的微塑料也会被黑麦草吸收，因此当水体中有微塑料的存在下，黑麦草对环丙沙星的去除率有所提升，且微塑料还会促进黑麦草根部吸收的环丙沙星向叶片转移。另一方面，微塑料与环丙沙星各自都会抑制黑麦草的生长和光合能力，但二者的复合效应对黑麦草的生长损害更加强烈。

3  微塑料毒性机理

氧化应激是微塑料对水生植物造成毒性影响的主要机制。一般来说，植物体会自发地平衡体内活性氧（ROS）含量，但氧化应激会扰乱植物体应对过量活性氧的能力，从而诱导植物体的抗氧化防御系统被激活，并对分子造成氧化损伤。过量的活性氧导致多不饱和脂肪酸的过氧化，破坏细胞膜的渗透性，并破坏其他分子的结构，如脂质、蛋白质和DNA。生物分子的损伤会引发一系列反应，如细胞死亡、组织损伤和DNA损伤，并对植物的代谢系统产生影响。氧化应激可以通过产生自由基（非酶类抗氧化剂）和抗氧化防御来调节，平衡过量的活性氧并修复受损的细胞。

迄今为止，研究人员对微塑料毒性机制的探讨还十分有限，除了氧化应激外，微塑料对水生植物的作用机理是十分复杂的，造成的负面效果也会根据微塑料的大小和暴露时间而不用。深入了解微塑料的环境行为方式，对解决微塑料对生态环境的毒害问题具有重大意义。

4  结束语

自从微塑料的问题被提出以来，已经吸引了世界各处研究学者们的密切关注。过去，微塑料的研究主要集中在定性定量、污染特征和迁移过程上，而如今，微塑料已经越来越多地进入食物链和食物网，对生物体产生了毒性效应。尺寸较小的微塑料甚至纳米塑料会被植物体的根部、种子吸收，从植物体内部阻碍营养物质的运输，尺寸较大的微塑料会聚集覆盖在植物的根部、叶片表面，降低了植物的光合作用，并破坏细胞膜的完整性，造成氧化应激损伤。因此，微塑料对植物的影响多为负面作用，它们限制了植物的生长发育，并激活了植物对于逆境的响应系统。为了缓解微塑料污染，保护生态健康，未来对于微塑料关注除了集中在对人类和动植物的胁迫效应外，还应及时出台合理的相关法规，加强塑料管制，从源头上降低废弃塑料进入自然生态环境的风险。

参考文献：

[1]M C A. Microplastics as contaminants in the marine environment： A review. Marine Pollution Bulletin[J]. Marine Pollution Bulletin，2011，62 （12）： 2588-2597.

[2]WRIGHT S L， THOMPSON R C，GALLOWAY T S. The physical impacts of microplastics on marine organisms： A review[J]. Environmental Pollution， 2013，178： 483-492.

[3]SUL J， SPENGLER A，COSTA M F. Here， there and everywhere. Small plastic fragments and pellets on beaches of Fernando de Noronha （Equatorial Western Atlantic）[J]. Marine Pollution Bulletin， 2009，58（8）： 1236-1238.

[4]KALíKová G. Impact of polyethylene microbeads on the floating freshwater plant duckweed Lemna minor[J]. Environmental Pollution， 2017，230： 1108-1115.

[5]HAYLEY G， JACOB J，RANDI R. Thalassia testudinum as a potential vector for incorporating microplastics into benthic marine food webs[J]. Marine Pollution Bulletin， 2018，135： 1085-1089.

[6]JIA. Characterization， source， and retention of microplastic in sandy beaches and mangrove wetlands of the Qinzhou Bay， China[J]. Marine Pollution Bulletin， 2018，136： 401-406.

[7]  KALÍKOVÁ G. An environmental concentration of aged microplastics with adsorbed silver significantly affects aquatic organisms[J]. Water Research， 2020，175： 115644.

[8]刘金金. 微藻的固定化和分离技术及其在污水处理中的应用[J]. 辽宁化工， 2021，50 （06）： 836-839.

[9]Sl A. Influence of polystyrene microplastics on the growth， photosynthetic efficiency and aggregation of freshwater microalgae Chlamydomonas reinhardtii-ScienceDirect[J]. Science of The Total Environment， 2020，714： 136767-136775.

[10]XIAO Y. Adverse physiological and molecular level effects of polystyrene microplastics on freshwater microalgae[J]. Chemosphere， 2020，255： 126914-136922.

[11]ANSARI F A. Effect of microplastics on growth and biochemical composition of microalga Acutodesmus obliquus[J]. Algal Research， 2021，56： 102296-102309.

[12]ZHENG X. Growth inhibition， toxin production and oxidative stress caused by three microplastics in Microcystis aeruginosa- ScienceDirect[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2021，208： 11575-11584.

[13]A L H. Occurrence and effects of plastic additives on marine environments and organisms： A review-ScienceDirect[J]. Chemosphere， 2017，182： 781-793.

[14]MAITY S，Pramanick K. Perspectives and challenges of micro/nano plastics induced toxicity with special reference to phytotoxicity[J]. Global Change Biology， 2020，26 （6）： 3241-3250.

[15]CAPOLUPO M. Chemical composition and ecotoxicity of plastic and car tire rubber leachates to aquatic organisms[J]. Water Research， 2019，169： 115270-115281.

[16]CS A. Different interaction performance between microplastics and microalgae： The bio-elimination potential of Chlorella sp. L38 and Phaeodactylum tricornutum MASCC-0025-ScienceDirect[J]. Science of The Total Environment， 2020，723： 138146.

[17]YOOEUN. Effects of micro-sized polyethylene spheres on the marine microalga Dunaliella salina： Focusing on the algal cell to plastic particle size ratio-ScienceDirect[J]. Aquatic toxicology （Amsterdam， Netherlands），2019，216： 105296-105296.

[18]YU H. Ecotoxicity of polystyrene microplastics to submerged carnivorous Utricularia vulgaris plants in freshwater ecosystems[J]. Environmental Pollution， 2020，265： 114830-114869.

[19]SUN X D. Differentially charged nanoplastics demonstrate distinct accumulation in[J]. Nature Nanotechnology， 2020，15（9）：755-760.

[20]张晨. 聚苯乙烯微塑料对黑藻生长及生理生化特征的影响[J]. 应用生态学报， 2021，32 （1）： 317-325.

[21]BOSKER T. Microplastics accumulate on pores in seed capsule and delay germination and root growth of the terrestrial vascular plant Lepidium sativum[J]. Chemosphere， 2019，226： 774-781.

[22]PLEITER M G. Microplastics as vectors of the antibiotics azithromycin and clarithromycin： Effects towards freshwater microalgae[J]. Chemosphere， 2020，268 （7）： 128824-128832.

[23]WYA B. The combined toxicity influence of microplastics and nonylphenol on microalgae Chlorella pyrenoidosa[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety， 2021，195： 110484-110494.

[24]TUNAL M.r/iBJ6ETlAbNdDq0vYjSmyef/ukmItd5yHpqCi+eZU0= Effect of microplastics and microplastic-metal combinations on growth and chlorophyll a concentration of Chlorella vulgaris[J]. Science of The Total Environment， 2020，743： 140479-140486.

[25]努扎艾提·艾比布， 单祖米. 微塑料对黑麦草吸收和累积水体中环丙沙星的影响[J]. 环境科学研究， 2020，272 （12）： 266-272.

Research Progress in Toxic Effects of Microplastics on Plants

WEI Li-chao

（Guilin University of Technology， Guilin Guangxi 541006， China）

Abstract：  Plastic is a necessity in human production and life. However， due to improper control， a large number of waste plastics exist in the environment. Plastic particles formed by weathering and crushing have become important pollutants in aquatic ecosystems， and they are spreading all over the world with the flow of water. The toxicity of microplastics itself and its load will pose a serious threat to plants in water. In this paper， the effect of microplastics on the physiological functions of higher plants and microalgae was reviewed， the combined toxic effect of microplastics and other pollutants in the environment was discussed， and the causes of these negative effects were summarized.

Key words： Microplastics; Toxicology; Aquatic ecosystem; Aquatic plant