河口水环境中的塑料添加剂释放及其毒性效应研究

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塑料在环境中长期赋存,来源众多,其污染问题是当前生态环境研究的热点内容之一。河口区域作为塑料残骸的源和汇,堆积了大量塑料制品。河口区域复杂的水动力条件会加速塑料残骸的老化,并且添加剂也将持续释放到环境中。本研究选择长江口崇明东滩为野外的调查区域,实测河口环境中塑料残骸的分布类型和特征,探究在机械磨损、水动力扰动以及紫外照射等河口常见条件下塑料的表面微观变化,选用非靶标污染物的筛选方法对塑料浸出液中的添加剂进行筛查。考虑到不同生物对于塑料浸出液的毒性效应不同,本研究综合选定四种模式生物进行暴露实验,探究塑料浸出液生物毒性效应及其潜在环境风险。本文获得的主要结论如下:(1)野外堤岸采集的塑料残骸种类包括漂浮泡沫、塑料瓶、渔网、硬质浮球、塑料袋五种主要类型的塑料,其中漂浮泡沫和渔网丰度较高,分别为4.8±5.1 g/L和3.0±2.5 g/L,而塑料袋丰度相对较低为0.31±0.58 g/L,由于塑料袋在野外条件下极易降解为小尺寸的塑料碎片而难以被采集。实验结果发现塑料袋的表面磨损最严重,其次为泡沫和渔网,波浪扰动的老化条件更容易造成塑料表面变形。(2)在三种典型河口塑料残骸浸出液中,共鉴定出了70种疑似添加剂物质。在室内模拟波浪的情景的浸出液中筛查出67种添加剂,在模拟浅滩的情景中筛查到的种类仅有40种。塑料袋浸出液中的添加剂种类最多为40种,其次为泡沫和渔网。本研究在塑料袋的浸出液中发现了一种高毒高含量的物质——聚乙二醇单-4-壬苯醚(PEGM-4-N5),该化学物质响应值高(>2×10~7),且具有明显急性毒性(黑头呆鱼在96 h的LC50为0.76 mg/L)。通过定量分析,发现其在波浪情景下释放出的浓度最高,可以达到2.4±0.8 mg/L。(3)室内模拟实验中,将斑马鱼胚胎暴露在不同的塑料浸出液中,发现塑料浸出液会对胚胎的心跳速率产生影响。在波浪场景下塑料袋浸出液对心跳速率的影响最大,低浓度暴露组呈现出与空白组的显著差异。此外,实验还对塑料袋浸出液中筛查出的关键致毒物质PEGM-4-N5进行了深入分析,发现在河口环境相关暴露浓度下,PEGM-4-N5能够显著降低斑马鱼胚胎的孵化率,并随着暴露浓度的升高,孵化率逐渐降低;同时PEGM-4-N5的暴露还引起了斑马鱼胚胎心跳速率加快和幼鱼脊柱弯曲等现象。(4)实验进一步综合比较分析了传统塑料和新型生物降解塑料在河口波浪场景下的浸出液的毒性效应,针对四种不同营养级的模式生物开展了暴露实验。研究结果显示降解塑料聚二恶烷酮(PPDO)浸出液对秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)、斜生栅藻(Scenedesmus obliquus)和斑马鱼(Danio rerio)的急性毒性(EC20:16.2–796.1 g塑料/L)小于传统塑料浸出液(EC20<1.6 g塑料/L);而经过C8接枝改性的PPDO-octane浸出液的秀丽线虫和大型蚤(Daphnia magna)的急性毒性(EC20:0.04–1.9 g塑料/L)与传统塑料的基本相同。实验发现塑料浸出液对斑马鱼幼鱼的体长影响并不显著,但对秀丽线虫的体长影响较大,其中传统塑料渔网和塑料袋的浸出液对秀丽线虫的生长影响最大,在低浓度(≤0.001 g塑料/L)条件下就产生显著的生长抑制现象。可降解塑料中的PPDO在高浓度组(≥0.1 g塑料/L)时才会抑制线虫的生长,但PPDO-octane浸出液对秀丽线虫的生长影响显著,在暴露浓度为0.0001 g塑料/L时,相比空白组,线虫的体长下降了20%。综上所述,本文通过野外调查得到河口塑料的环境暴露浓度。在室内模拟野外环境下塑料中添加剂的浸出,发现波浪环境中添加剂的浸出量最大。运用非靶标化学物质筛查,得到塑料袋在河口环境中添加剂的浸出种类较多。同时本研究结合生物毒性测试方法,探索并找到了河口塑料浸出液中的一些关键致毒物质。此外,由于不同生物对塑料浸出液的毒性敏感程度有差异,研究中还考虑了运用不同营养级生物的毒性指标,来综合揭示塑料浸出液的生态效应。因此本论文的研究将为河口环境中塑料浸出液的环境风险评估提供了一种有效可行的方法及相关科学依据。
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