关键词： 斑马鱼   行为响应规律   AChE与MDA   内在机制  

摘要： 本研究基于实验室研发的鱼类行为在线生物监测系统,探究微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下15 d内斑马鱼(Danio rerio)的行为响应,分析聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下斑马鱼的行为响应规律及其内在机制,通过分析聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下斑马鱼肠道及肝脏内脂质过氧化产物(MDA)和乙酰胆碱酯酶(ACh E)含量的变化趋势和行为强度的关系,来阐释微塑料对斑马鱼的行为响应的内在机制。实验采用斑马鱼的行为强度来反映胁迫下的行为变化,并对实验数据进行差异性分析、自相关分析(Autocorrelation)和自组织神经网络(Self Organization Map,SOM)分析,研究通过鱼类行为在线监测系统分析斑马鱼在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下的生理指标变化及行为响应规律,基于斑马鱼在两种类型、三种浓度的聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下的行为强度数据,总结了不同类型,不同浓度的两种微塑料胁迫下斑马鱼的行为强度变化规律,以及与其肠道及肝脏内ACh E和MDA含量是否存在相关性,以得到斑马鱼在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下的行为响应规律及内在机制,并得出以下结论: 1、微塑料胁迫15 d内斑马鱼行为活动受到抑制,且抑制程度随胁迫浓度升高而增加。微塑料胁迫实验组的行为强度均低于空白对照组的行为强度,行为强度数值为:空白对照组为0.80±0.09,0.02 mg/L、0.2 mg/L、2.0 mg/L聚苯乙烯胁迫组分别为0.72±0.08、0.69±0.07、0.64±0.05,0.1 mg/L、1.0 mg/L、10 mg/L聚乙烯胁迫组分别为0.77±0.08、0.75±0.11、0.70±0.07。根据行为强度数值可以得出,在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下,斑马鱼的行为强度持续下降,说明其行为受到抑制,同时根据抑制程度得出,在聚苯乙烯0.02-2.0 mg/L和聚乙烯0.1-10 mg/L的浓度范围内,随着微塑料的增加,斑马鱼行为受抑制程度越显著(P<0.001),其中,聚苯乙烯胁迫下对斑马鱼行为强度的抑制程度更加强烈。空白对照组的斑马鱼表现出规律的24 h周期昼夜节律现象,在微塑料聚苯乙烯和聚乙烯胁迫下斑马鱼同样出现规律的24 h周期昼夜节律现象,在行为强度的自相关和SOM分析中,证明斑马鱼行为在空白对照和微塑料胁迫下均存在24 h的昼夜节律现象,但在微塑料胁迫下,斑马鱼的行为在某些时间节点出现紊乱,自相关出现异常,这是由于聚苯乙烯和聚乙烯的胁迫出现明显的行为节律异常现象,且异常随胁迫浓度升高而更加明显。 2、微塑料胁迫下抑制斑马鱼肠道及肝脏的ACh E活性,同时导致MDA含量增加,出现明显的剂量-效应关系。微塑料胁迫下斑马鱼肠道及肝脏的ACh E活性均低于空白对照组,且都具有显著性差异。斑马鱼肠道及肝脏ACh E活性均随微塑料暴露浓度升高而下降,出现浓度效应。斑马鱼肝脏ACh E活性抑制受微塑料影响程度较肠道更大,且聚乙烯对斑马鱼肠道及肝脏的ACh E活性抑制更强烈;微塑料胁迫下斑马鱼肠道及肝脏的MDA含量均高于空白对照组,且都具有显著性差异。斑马鱼肠道及肝脏MDA含量随微塑料浓度的上升而升高,所有微塑料胁迫组MDA含量均高于空白对照组,且出现浓度效应。斑马鱼肠道及肝脏的ACh E和MDA含量在微塑料胁迫下出现不同程度的变化且具有浓度效应。 3、微塑料胁迫下斑马鱼的行为强度与斑马鱼肠道的ACh E活性、MDA含量和聚乙烯胁迫下斑马鱼肝脏的ACh E活性表现出显著相关性(P<0.05),行为强度与聚苯乙烯胁迫下斑马鱼肝脏的ACh E活性表现出极显著相关性(P<0.01),具有统计学意义。斑马鱼的行为强度与肠道及肝脏内ACh E和MDA含量均具有显著相关性,说明微塑料胁迫下会导致斑马鱼肠道及肝脏出现氧化应激和神经毒性损伤,因此斑马鱼行为强度的变化与肠道及肝脏内ACh E与MDA含量变化异常有关。说明微塑料胁迫导致的斑马鱼肠道及肝脏出现氧化应激和神经毒性是斑马鱼行为响应发生的内在机制。 综上所述,本研究结果表明,在基于鱼类行为在线生物监测系统的微塑料胁迫15 d内的实验中,通过对斑马鱼行为强度数据的分析,得出微塑料胁迫下斑马鱼行为活动强度受到抑制,且抑制程度随胁迫浓度升高而增加。斑马鱼行为强度与其肠道及肝脏内ACh E及MDA含量变化存在相关性,斑马鱼行为强度的变化可能与ACh E与MDA含量变化异常有关,得出斑马鱼在微塑料胁迫下的行为响应规律及其内在机制,达到在线监测的目的且为鱼类行为在线监测系统提供有力的数据支持,为后续微塑料胁迫实验提供对照依据,为微塑料渗透环境的潜在风险提供了证据,也对微塑料污染下的鱼类行为的毒理学数据库进行数据充实。

关键词： 微塑料   光老化反应   重金属   增塑剂   吸附  

摘要： 近年来,随着塑料制品的大量生产与使用,塑料碎片,特别是微塑料(粒径小于5 mm)在环境中的含量呈现不断增长的趋势。与塑料碎片相比,微塑料在环境中表现出更优秀的分散性和高反应活性,并且能够与其他污染物产生强烈的相互作用。因此,微塑料对生态系统以及人类健康构成了更大威胁,开展进行它们的环境行为研究具有极其重要的价值。一般情况下,微塑料往往被认为是一种稳定的物质,然而,环境中的微塑料处于变化之中,光老化是影响其稳定性的重要因素之一。光老化反应会改变微塑料的比表面积、基团组成和亲水性等理化性质,并显著影响其对环境污染物的吸附行为。微塑料和共存污染物复合暴露的环境行为已成为微塑料研究的热点问题。光老化反应会影响微塑料的理化性质,进而会影响微塑料对共存污染物的吸附行为。本论文选取聚苯乙烯微塑料(PS)作为研究对象,探究光老化对不同尺寸PS理化性质的影响和不同光老化时间对同一粒径PS理化性质的影响,进而通过吸附实验,明晰光老化反应对PS吸附重金属Cu和增塑剂DEP的吸附行为的影响。本文的主要结论如下: (1)紫外光老化使1、50和100μm PS均发生了脱氢加氧反应,氧化强度与微塑料的粒径呈反比,粒径越大,氧化强度越弱。紫外光老化150h后,1μm的PS表面变得粗糙,50μm的PS表面出现裂缝,而100μm的PS表面破裂。紫外光老化使这三种不同粒径PS的比表面积均有一定的增加。FTIR和XPS的结果均表明光老化反应使PS表面含氧基团增多,且不同粒径含氧基团增多的顺序为:1μm>50μm>100μm。 (2)相比于伪一阶动力学模型,伪二阶动力学模型能够更好的拟合PS对Cu(Ⅱ)的吸附。对于1μm、50μm和100μm的PS,随着PS粒径增大,其对Cu(Ⅱ)的吸附能力逐渐降低。老化PS对Cu(Ⅱ)的吸附能力大于原始PS。 (3)环境因子pH和盐度均会影响PS对Cu(Ⅱ)的吸附。当pH值上升时,PS表面的含氧基团会失去氢离子,导致其表面呈现出更强的负电荷特性,同时减少了其亲水性,这进一步提升了PS对于Cu(Ⅱ)的吸附力。此外,不同的pH水平会影响Cu自身的形态转变,这也可能间接地影响到PS与之的吸附关系。然而,随着Na Cl浓度提高,钠离子之间的竞争吸附及PS自身的聚集作用可能会削弱PS对Cu(Ⅱ)的吸附效果。本文的研究结果表明表面络合和静电吸附是PS吸附溶液中Cu(Ⅱ)的主要机制。 (4)随着老化时间的推移,PS表面的粗糙度、裂纹和孔隙都会有所增加。当老化时间达到180h以上,PS表面出现了大量的粒状凸起和凹陷,破损后呈片状,与原始微塑料相比,其表面裂纹和孔隙数量明显提升。对于老化时间为0h,60h,150h和180h的PS,它们的羰基指数值分别为0.081、0.14、0.23和0.45,说明PS的老化程度随着老化时间增长而增强。XPS的结果表明,老化180h的O/C为老化0h的1.15倍。 (5)伪二阶动力学模型很好的拟合了老化PS对DEP的吸附,说明老化PS对DEP的吸附存在多个吸附阶段,包括DEP吸附到PS上的不同位点,DEP扩散到PS的孔隙内和传质扩散等吸附过程。老化作用增强了PS对DEP的吸附,不同老化程度PS对DEP的吸附量的大小顺序为PS180>PS120>PS60>PS。PS对DEP的吸附在pH2-7范围内保持相对稳定。盐度越大,PS对DEP的吸附能力也越大。

关键词： 微塑料   双壳贝类   丰度   生物特征参数   健康风险评估  

摘要： 微塑料污染现象已经成为全球环境关注的热点之一。我国作为塑料生产和消费大国,沿海地区微塑料污染问题尤为严重。微塑料在海洋环境中的广泛分布,对海洋生物造成了多方面的不利影响。微塑料因其体积小,容易被多种海洋动物误食。近年来,海洋动物体内微塑料富集及其潜在健康危害引起人们广泛关注。人类处于食物链顶端,可能通过食用多种海洋生物摄入微塑料。虽然有关微塑料在贝类中的富集情况已有较多研究,但在我国缺乏大空间尺度下多个贝类物种微塑料富集特征的研究。此外,关于贝类加工制品微塑料污染特征的研究更是鲜有报道。因此,亟待选取微塑料污染热点海域的经济贝类和干贝制品开展相关研究。本研究分别在环渤海11个站位、沿海9个城市和烟台海域采集了21种贝类活体、5种干贝以及10个常见贝类样本,对其体内微塑料富集特征进行了详细表征。本研究结果可为全面解析我国沿海贝类体内微塑料的污染特征提供重要数据支撑,也为人类通过食用贝类摄入微塑料的潜在健康风险评估提供重要参考。主要研究结果如下: (1)环渤海海域贝类微塑料的污染特征研究 在环渤海沿岸11个地点采集了21种不同栖息习性的贝类(n=2006),对其体内微塑料的富集特征进行了分析。应用傅里叶变换红外光谱(μ-FTIR)鉴定贝类样本内的微塑料颗粒,并对食用贝类摄入微塑料的健康风险进行了评价。在所有采集到的物种中,约有91.9%的个体摄入微塑料,平均丰度为3.30±2.04个/个体或1.04±0.74个/g湿重。微塑料颜色以黑色,透明和蓝色为主。微塑料形状以纤维状为主,共检测到8种聚合物,其中人造丝的检出率最高(58.3%),其次是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(27.3%)。爬行型贝类体内的微塑料丰度、摄入率和聚合物组成最高,表明它们可能通过食物摄入微塑料。贝类的壳高和壳长以及软组织湿重等生物特征参数与其体内微塑料丰度无明显的相关性。腹足类动物略胀管蛾螺的微塑料丰度最高,如果不切除消化腺而整个食用,可能会增加人类接触的风险。这些贝类体内微塑料的聚合物危险等级为III级(H=299)。通过食用环渤海贝类,人体摄入微塑料的平均数量为3399个/年。 (2)我国沿海干贝产品微塑料的污染特征研究 本章对我国沿岸9个地点5种常见贝类干制品(n=900)中微塑料的摄入量进行了分析,包括菲律宾蛤仔、栉孔扇贝、缢蛏、紫贻贝和虾夷扇贝。应用傅里叶变换红外光谱(μ-FTIR)鉴定贝类干制品中的微塑料,并对食用贝类干制品摄入微塑料的健康风险进行了评价。结果表明,我国沿海干贝产品体内普遍存在微塑料污染,共检测到微塑料1351个,微塑料平均丰度为1.75±1.09个/g(湿重)或1.6±0.76个/个体。菲律宾蛤仔的微塑料丰度最高。微塑料形状以纤维、碎片和薄膜为主,小于500μm的纤维状微塑料为常见。干贝制品中共检测到10种聚合物,人造丝(Rayon)、尼龙(PA)和PET是主要的聚合物类型。颜色以透明、黑色和蓝色为主。这些贝类干制品中微塑料的聚合物危险等级为III级(H=736)。通过食用贝类干制品,人体摄入微塑料的平均数量为5720个/年。 (3)烟台海域贝类微塑料的污染特征研究 本章探讨了烟台海域常见贝类体内的微塑料污染特征。在烟台采集了共10种常见贝类(n=100),包含长竹蛏、毛蚶、栉孔扇贝、中国蛤蜊、菲律宾蛤仔、紫贻贝、扁玉螺、海湾扇贝、文蛤和脉红螺。将样品进行消解和提取后,采用安捷伦激光红外成像系统(LDIR)对微塑料进行分析,其精准度相较于μ-FTIR更高,尤其是对20-100μm的微塑料。微塑料平均丰度为7.55±4.87个/g(湿重)或28±1.99个/个体。微塑料形状主要包括纤维、颗粒和薄膜,且小于50μm的纤维最为常见,颜色以透明和白色为主。共检测到8种聚合物,聚乙烯(PE)、尼龙(PA)和聚氯乙烯(PVC)是主要的聚合物类型。微塑料丰度与生物特征参数间的斯皮尔曼相关性分析结果为负相关,软组织湿重和微塑料丰度的相关性最大。烟台海域贝类中微塑料的聚合物危险等级为Ⅳ级(H=2115)。通过食用烟台海域贝类,人体摄入微塑料的平均数量为24680个/年。

关键词： 微塑料   雾霾天气   污水处理厂   微藻   代谢组学   健康风险  

摘要： 微塑料因其体积小、比表面积大在环境中广泛分布,由于微塑料难降解、易于吸附有毒物质,对生物及人类健康安全存在极大风险,近年来受到广泛关注。空气中微塑料通过自然沉降、降雨降雪等作用汇聚到城市道路,经雨水冲刷汇入水体。承接生活污水的污水处理厂既是城市环境中微塑料的汇,又是微塑料流向江河湖海等水体的源。目前对微塑料的赋存特征研究大多数集中在沿海城市,而对中国寒区内陆城市环境中微塑料污染特征的研究较少。特别是雾霾天气下空气中微塑料的污染情况尚未明晰。为了提高对微塑料在水环境中迁移规律的认识,加深对微塑料与空气微生物和人类活动相关性的理解,进一步探索微塑料对微藻的毒性效应机制,本文选取寒区城市哈尔滨市市内典型区域探究微塑料的时空分布特征,分析了微塑料的污水处理厂中的迁移特征,探讨了空气中微塑料浓度及环境因子与空气微生物浓度间的相互关系,并评估微塑料对人类健康的潜在风险。另外以模式生物小球藻为实验对象,借助代谢组学手段深入探究微塑料对微藻生长的影响,为微塑料在城市污水处理厂和空气中的赋存特征及其对微藻的毒性效应提供理论依据。 通过安德森六级生物采样器,同时收集雾霾天气条件下空气中的微塑料和微生物,发现行人通行量（13.2人/min）更多的中学采样点空气中微塑料平均浓度（162.6±44.6个/m3）高于大学（63.2±21.8个/m3）和公园（12.8±5.5个/m3）。空气中有超过70%的微塑料是纤维状,还有部分碎片状和球形微塑料;0-100μm的空气微塑料占总微塑料的69.06%;聚酯、聚乙烯和聚苯乙烯（Polystyrene,PS）等是空气微塑料的主要类型。在微塑料和微生物样本中均观察到时间变化,晚间空气中微塑料及微生物浓度高于早间和午间。采集器中粒径>7.0μm的空气样本中检测到平均细菌浓度最高,微生物浓度整体上随着粒径减小而降低,2.1-3.3μm和1.1-2.1μm样本中微生物浓度略有升高。空气中微塑料浓度与风速和O3浓度成负相关,与温度、PM2.5、PM10、NO2、CO、SO2、细菌浓度和真菌浓度成正相关。在空气中检出肠杆菌属、沙雷氏菌属、苍白杆菌属及马尔尼菲篮状菌等机会致病菌。人体通过吸入空气摄入的微塑料和微生物对儿童造成的健康风险大于成年人,晚间吸入风险高于日间。 污水处理厂是城市环境中微塑料的汇,微塑料在污水处理厂各处理单元中的浓度分布不同,在污水处理厂的进水中检测到微塑料的平均浓度为126.0±14.0个/L,沉砂池、初沉池、生化池、二沉池及最终出水中微塑料的平均浓度分别为86.9±13.4个/L、72.6±4.5个/L、51.3±5.6个/L、37.9±8.5个/L和30.6±7.8个/L;纤维是污水样品中微塑料的主要形状。固体样品格栅栅渣和沉砂池砂粒中微塑料浓度分别为24.2±2.9个/g和5.8±1.2个/g,回流污泥和污泥滤饼中微塑料浓度分别为36.3±5.7和46.3±5.2个/g,粒径尺寸0.1-0.5mm和碎片是污泥和沉砂池样品中微塑料的主要粒径和形状。聚酯是最常见的微塑料类型（29.5%）,其次是尼龙（20.5%）,聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene glycol terephthalate,PET）(14.3%)和聚乙烯（11.6%）,表明污水处理厂中微塑料主要来自合成服装和食品包装及个人洗漱用品等。污水处理厂进水中微塑料浓度受到季节影响,同年内1、2、7、8、11和12月进水中的微塑料浓度显著高于其他月份的微塑料浓度。污水中微塑料经污水处理厂处理后流向格栅栅渣、沉砂池砂粒及污泥。各处理单元对微塑料的去除率受到季节变化影响,呈现夏季高,春冬低的趋势。 空气中微塑料沉降后汇入水体环境,污水处理厂中微塑料也随着出水排放再次进入到水体环境中。在空气和污水中均检测到橡胶的存在,在橡胶渗滤液中检测到含有较高浓度的金属Zn。小球藻是水生生态重要生产者,也是常用来进行毒性测试的模式生物。PET和PS微塑料是污水处理厂和空气中微塑料的主要类型,选取42–170μm PET和0.1μm PS微塑料对小球藻进行单一暴露实验,并选用毒性效应更显著的PS微塑料和金属Zn开展联合毒性研究。PET、PS、Zn和Zn-PS均抑制微藻生长,且抑制率随着时间和浓度增加增大,其中100 mg/L PET、100 mg/L PS、1.0 mg/L Zn和Zn-PS（1.0 mg/L Zn+100 mg/L PS）对微藻抑制率分别为18.43%、23.06%、35.77%和30.67%。PET、PS、Zn和Zn-PS降低了藻细胞对培养基中葡萄糖和NO3--N的利用率及藻细胞中色素、碳水化合物和蛋白质的积累。PET微塑料诱导Chlorella sp.油脂含量增加,PS微塑料诱导Chlorella sp.类胡萝卜素的积累来抵