聚氯乙烯微塑料对海水青鳉胚胎的毒性效应

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随着塑料制品的广泛应用,势必会导致大量的塑料垃圾进入海洋环境,海洋塑料污染已成为与全球气候变化、臭氧耗竭、海洋酸化并列的重大全球环境问题,其中粒径小于5 mm的塑料碎片或颗粒(微塑料)更是倍受全球关注的新型污染物。由于其粒径小、化学性质稳定、疏水性强等特性,易被海洋生物所摄食,在生物体不同组织中发生累积和迁移,并且会在海洋食物链上发生传递,具有生物放大作用,对海洋生物的生存造成负面影响,甚至会威胁整个海洋生态系统的稳定和健康。然而,目前有关微塑料的研究主要集中在高浓度商品化微塑料标准品对海洋生物的毒性效应和致毒机制,而环境特征微塑料对海洋生物的毒性研究还很少,其致毒机制尚不清楚。因此,本研究采用海洋模式生物海水青鳉(Oryzias melastigma)的胚胎为实验生物,初生聚氯乙烯微塑料(微塑料标准品)和次生聚氯乙烯微塑料(破碎的微塑料)为实验材料,设置了对照组(不加聚氯乙烯微塑料),LPMP组(低浓度的初生聚氯乙烯微塑料组,1×103个/L),HPMP组(高浓度的初生聚氯乙烯微塑料组,1×106个/L),LSMP组(低浓度的次生聚氯乙烯微塑料组,1×103个/L)和HSMP组(高浓度的次生聚氯乙烯微塑料组,1×106个/L),本文研究了初生和次生聚氯乙烯微塑料在海水条件下的表面形态、悬浮性、平均水力直径和Zeta电位等环境行为;分析了聚氯乙烯微塑料的暴露下,海水青鳉胚胎的平均心率、孵化时间、孵化率和仔鱼的畸形率和畸形类型;最后通过测定海水青鳉胚胎表面氧气流以及观察微塑料与胚胎的相互作用,阐明聚氯乙烯微塑料对海水青鳉胚胎的致毒机制。研究结果如下:(1)初生聚氯乙烯微塑料的形状较为规则,主要为球形,表面较为光滑;与初生微塑料相比,次生聚氯乙烯微塑料形状不规则,表面更加粗糙、不光滑、凹凸明显、棱角突出。在海水条件下,初生和次生微塑料水力直径增大,均发生团聚。其中次生微塑料的平均水力直径要小于初生微塑料,表明初生微塑料的团聚性更强。初生和次生微塑料在前30 min内沉降量较大,达到50%以上,后期沉降趋于稳定,且次生微塑料在水层中含量较高;初生和次生聚氯乙烯微塑料的等电点(p Hzpc)分别为10.28和10.52,而自然海水的p H=8.20,更加远离次生微塑料的等电点,从而增加颗粒表面的负电荷,导致颗粒的水力直径减小,悬浮性能提高。所以次生微塑料的水力直径更小,悬浮性能更强。(2)经过25 d的暴露,发现初生和次生聚氯乙烯微塑料对海水青鳉胚胎的孵化率不产生显著影响,这表明聚氯乙烯微塑料毒性较小;与对照组相比,次生微塑料组和低浓度初生微塑料组显著抑制了海水青鳉胚胎的孵化时间,在第5 d时次生微塑料还导致胚胎的平均心率明显加快;此外,还发现高浓度次生聚氯乙烯微塑料暴露增加了海水青鳉胚胎的畸形率,畸形类型包括脊柱畸形、心包水肿、卵黄囊水肿、鳍腐烂、心脏拉伸和颅面畸形,并且畸形类型的种类要显著高于对照组、初生微塑料组和低浓度次生微塑料组。以上结果表明次生微塑料对海水青鳉胚胎的负面效应要大于初生微塑料。(3)经过24 h暴露后,发现初生微塑料实验组海水青鳉胚胎的氧气吸收流速要显著低于对照组和次生微塑料实验组,并且在海水青鳉胚胎的表面观察到大量的初生微塑料,这表明大量初生微塑料吸附在海水青鳉胚胎的表面造成了海水青鳉胚胎的缺氧。还观察到附着在海水青鳉胚胎表面的次生微塑料形状不规则,有棱角,比较尖锐,对海水青鳉胚胎表面造成了机械损伤。综上所述,次生微塑料对海水青鳉胚胎孵化的影响以及产生的畸形率和畸形类型要大于初生微塑料,这表明次生微塑料对海水青鳉早期发育的影响要大于初生微塑料,这主要是由于次生聚氯乙烯微塑料形状不规则,水力直径更小,对青鳉胚胎产生机械损伤,导致孵化时间缩短,畸形率增加。而初生微塑料对海水青鳉胚胎的影响主要是由于初生微塑料沉降性能大于次生微塑料,大量初生微塑料吸附在胚胎的表面造成海水青鳉缺氧,从而引起海水青鳉仔鱼出现畸形。所以,次生聚氯乙烯微塑料的机械损伤对海水青鳉胚胎的负面影响要大于初生微塑料吸附在胚胎表面造成青鳉缺氧引起的负面效应。
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