微塑料对藻类的胁迫效应及富集特征研究

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微塑料(Microplastics)通常指粒径<5 mm的塑料微粒,由于微塑料具体积小、难降解等特性,在外力作用下,已成为水生生态系统中普遍存在的一种新型污染物。海藻作为海洋初级生产力,在海洋生态系统中发挥着固碳增汇等重要作用,为科学认识微塑料对海洋微藻的毒性效应以及在海洋藻类介质中的污染现状,以剖析其对海洋生态系统的危害性。本论文通过室内受控实验,以单独微塑料和微塑料与有机磷酸酯(磷酸三(1-氯-2-丙基)酯,TCPP)对海洋微藻的毒性胁迫为研究基础。同时调查了浙江省三大半封闭港湾之一,也是浙江大型藻类重要产地之一——乐清湾,分析悬浮紫菜中微塑料的富集特征,以及微塑料吸附其他污染物特性等科学问题。主要研究结果如下:(1)微塑料对两种海洋微藻的毒性胁迫。在微塑料暴露下,均对两种海洋微藻生长有抑制影响;微塑料对微拟球藻(Nannochloris oculata)的毒性大于小球藻(Chlorella marine);对小球藻最大抑制率为32.6%,对微拟球藻最大抑制率为41.5%。不同微塑料浓度处理下,两种海藻叶绿素a含量变化在三个时间点均呈下降趋势。两种海藻Fv/Fm变化在三个时间点变化情况相似,且两种海藻Fv/Fm也随微塑料浓度的增加而降低。在倒置显微镜(Olympus,CKX53,日本)下观察到微藻出现团聚、吸附在微塑料表面的状况,造成沉降或遮蔽效应等来影响藻细胞正常光合作用和生理代谢。此外,微塑料胁迫可激活藻细胞抗氧化系统,以抵御微塑料对自身的毒害。(2)微塑料与TCPP对小球藻的复合毒性胁迫。TCPP是有机磷酸酯中毒性最强之一,TCPP和微塑料与TCPP复合暴露下,对小球藻的生长均有抑制影响;TCPP单独暴露下,对小球藻的最大抑制率为32.1%;微塑料与TCPP复合暴露下,对小球藻的最大抑制率为31.9%。72 h的连续培养后,TCPP单独暴露和微塑料与TCPP复合暴露处理组的小球藻叶绿素a含量,均低于对照组及溶剂对照组;TCPP单独暴露和微塑料与TCPP复合暴露下,三个时间点小球藻各处理组的Fv/Fm响应值均与对照组有极显著性差异;通过热场发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观察,藻细胞表面明显出现物理损伤,且微塑料吸附在藻细胞表面。在TCPP单独暴露和微塑料与TCPP复合暴露下,ROS水平增加明显,并促使了细胞膜脂质过氧化反应,抗氧化防御系统被激活,CAT和GSH活性相比SOD更敏感。(3)乐清湾紫菜(Porphyra haitanensis)中的微塑料富集特征。乐清湾紫菜中微塑料的平均丰度为1.45±0.26个/g;共检出8种类型的微塑料,分别为尼龙(PA)、聚乙烯(PE)、聚酯纤维(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚丙烯-聚乙烯(PP-PE)、聚氯乙烯(PVC)和人造丝(Rayon)。其中主要为Rayon,占58.67%,其次为PES,占13.27%;共检出5种形状的微塑料,分别为纤维状、线状、碎片状、薄膜状、颗粒状,其中纤维状占比最高为67.86%。微塑料尺寸范围为63.76-4639.25μm,主要集中在0-1500μm,占79.59%。微塑料丰度从内湾至湾口,微塑料丰度呈下降趋势。热场发射扫描电子显微镜图像显示,微塑料在环境中会进一步破碎、裂解成多个微塑料,X射线能谱仪(Energy Dispersive Spectroscopy,EDS)分析结果显示,检出的微塑料主要吸附Fe、Zr等重金属元素。综上所述,本论文以微塑料标准品作为室内受控实验暴露试剂,揭示了单独微塑料和微塑料与TCPP复合暴露下,对海洋微藻光合效应和生理生化毒性胁迫。同时调查了乐清湾海域悬浮紫菜中微塑料富集特征,揭示了紫菜对微塑料具有较强的富集能力。本研究对于阐明微塑料与TCPP对海洋微藻的毒理学效应及我国近海大型海藻中微塑料的分布特征具有重要的指示作用,可以为海洋微塑料的生态风险评估提供理论依据。该论文有图28幅,表7个,参考文献192篇。
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