水体微塑料对污染物的生物富集与归趋的影响

  微塑料作为一种新型环境污染物在全球环境介质中普遍存在,其存在可能会影响传统有机污染物的分布、迁移和环境归趋。大量的研究发现,环境中的微塑料上往往负载着各类有机污染物,例如多环芳烃(PAHs)、多氯联苯(PCBs)、多溴联苯醚(PBDEs)、内分泌干扰物(EDCs)、药品和个人护理用品(PPCPs)等。这些有机污染物既包括塑料生产和使用过程中使用的添加剂或残留的中间体和降解产物,也包括从周围环境迁移进入微塑料的污染物。

1.微塑料对污染物的吸附机理

  有机污染物在水体微塑料上的吸附往往受到分配作用、表面吸附、交互作用和其他微观机制的共同驱动,而其中的分配作用和表面吸附是两种最主要的作用机制(图1)。

图1微塑料对有机污染物的吸附机理示意图

2.微塑料对污染物生物有效性的影响

  在自然环境中,微塑料可以通过分配和表面吸附等作用机制吸附周围环境中的各类有机污染物,降低局部环境中的有机污染物的水相自由溶解态浓度,从而改变这些有机污染物对水生生物的生物有效性。生物有效性可以用来表征污染物被生物吸收利用的程度及潜在的毒性,评价生物效性最直接的方法是采用生物富集或毒性测试实验[1]。微塑料对有机污染物生物有效性的影响主要体现在对其浓度的影响上,图2描绘了微塑料通过对有机污染物的吸附和释放,改变有机污染物的自由溶解态浓度和生物有效性的主要途径。

图2 污染物在微塑料上的吸附和脱附对其生物有效性的影响示意图

3.微塑料对污染物生物富集的影响

  微塑料上负载的疏水性有机污染物(HOC)可随着微塑料的摄入而被生物体吸收。实验室研究发现,微塑料和污染物共存时,往往能促进HOC在水生生物体内富集,并改变污染物的毒性效应和作用机制。也有报道指出,微塑料的存在会促进污染物的代谢,降低生物死亡率等。而模型预测结果显示在受到HOC污染的生态系统中,微塑料的载体作用十分有限,甚至可能降低污染物在生物体内的富集,并且有研究发现微塑料对污染物的稀释和清除作用超过了其载体效应(图3)。

图 3 微塑料对负载疏水性有机物的迁移和累积作用的两类观点

4.微塑料对污染物环境归趋的影响

  通过微塑料与化学物质的吸附—脱附实验,我们了解到微塑料对污染物有较强的吸附性能,微塑料上的污染物富集浓度可较水体浓度高出几个数量级。实验室和野外研究均发现,微塑料对多氯联苯等HOCs的吸附能力与沉积物或沉积物中的有机组分相当[2, 3]。虽然微塑料对污染物有良好的吸附性能,但其自身的迁移能力并不高。研究者通过建立了塑料的迁移模型,预测发现微塑料的水平迁移量比其他随着洋流迁移的物质质量低4~6个数量级,因此微塑料与共存污染物可能对原位水生生物的生态风险更高。

  但值得注意的是,微塑料可以显著改变污染物的垂直迁移和分布。在水体环境中,通常高密度的微塑料下沉,而低密度的微塑料上浮、停留在水面表层。但随着微生物的栖居,微塑料的疏水性下降,颗粒密度被修饰,浮力逐渐下降,从而影响其在水体中的垂直分布[4]。在土壤生态系统中,微塑料对污染物的迁移与污染物的极性高低密切相关。研究者发现了低浓度的纳米塑料会显著增强非极性(芘)和弱极性(BDE-47)在饱和土柱中的迁移,但对三种极性化合物(双酚A、双酚F和壬基酚)的迁移基本没有显著影响[5]。

  污染物也可能随着微塑料的迁移而沿着食物链迁移,并影响鱼的脂质代谢和行为活动。近年来,水体微塑料对污染物的迁移和转化也受到越来越多的关注,在迁移的同时,微塑料还可以改变污染物的降解与转化。尽管微塑料对有机污染物的生物富集、迁移转化和归趋的研究已有报道,但关于水体微塑料对负载有机污染物的迁移转化和毒性作用方向尚未有定论,未来应在不同的环境影响条件限定下开展更多的研究。

  

参考文献:

1.  May, A.T.S., etal., Marine microplastics as vectors ofmajor ocean pollutants and its hazards to the marine ecosystem and humans. Prog. Earth Planet. Sci., 2021. 8.
2.  Velzeboer,I., C.J. Kwadijk, and A.A. Koelmans, Strongsorption of PCBs to nanoplastics, microplastics, carbon nanotubes, and fullerenes. Environ. Sci. Technol., 2014. 48.
3.  Chen,Q., et al., Pollutants in plastics within the north Pacific subtropical gyre. Environ. Sci. Technol., 2018. 52(2): p. 446-456.
4.  Lobelle,D. and M. Cunliffe, Early microbial biofilm formation on marine plastic debris. Mar. Pollut. Bull., 2011. 62(1): p. 197-200.
5.  Liu,J., et al., Polystyrene nanoplastics-enhanced contaminant transport: role of irreversible adsorption inglassy polymeric domain. Environ. Sci. Technol., 2018. 52(5): p. 2677-2685.