环境科学  2021, Vol. 42 Issue (1): 485-491   PDF    
微塑料对斑马鱼胚胎孵化影响及其在幼鱼肠道中的积累
赵佳1,2, 饶本强2, 郭秀梅2, 高进勇3     
1. 信阳学院教育学院, 信阳 464000;
2. 信阳师范学院生命科学学院, 信阳 464000;
3. 信阳学院理工学院, 信阳 464000
摘要: 微塑料在环境中的广泛存在引起了研究者对其潜在的生物影响的关注.为评价微塑料对水生生物的影响,本文以模式生物斑马鱼胚胎及其幼鱼为研究对象,探究了两种粒径不同的微塑料:粒径0.5 μm的红色荧光标记聚苯乙烯微塑料(0.5RF-PM)和粒径10 μm的绿色荧光标记聚苯乙烯微塑料(10GF-PM)对斑马鱼胚胎发育的影响及其在出生后5 d的斑马鱼幼鱼肠道中的积累.结果表明,10GF-PM对出生后3 d胚胎孵化没有影响,0.5RF-PM在500 mg·L-1时对胚胎孵化抑制率达37%;10GF-PM溶液浓度为10、100、200和500 mg·L-1时,出生后5 d幼鱼平均存活率分别为80%、54%、44%和41%;对应浓度0.5RF-PM暴露溶液中,幼鱼平均存活率分别为62%、37%、25%和12%.暴露在10、100和500 mg·L-1的10GF-PM溶液中0.5 h,幼鱼肠胃道中微塑料荧光值分别是0.06、0.53和1.84,对应浓度0.5RF-PM暴露溶液中,荧光值分别是0.63、2.32和3.45.将暴露的幼鱼转移至清水中,1 h内可观察到微塑料通过肠道排出体外,持续放置24 h后,对应GF-PM暴露幼鱼肠道内微塑料荧光值分别是0.03、0.08和0.56,对应RF-PM暴露幼鱼肠道内微塑料荧光值分别是0.06、0.41和1.56.微塑料对斑马鱼的影响与浓度和粒径有关:浓度越高,胚胎孵化率和幼鱼成活率越低;粒径越小,越容易在肠胃道内积累.
关键词: 微塑料      斑马鱼      胚胎      幼鱼      肠道     
Effects of Microplastics on Embryo Hatching and Intestinal Accumulation in Larval Zebrafish Danio rerio
ZHAO Jia1,2 , RAO Ben-qiang2 , GUO Xiu-mei2 , GAO Jin-yong3     
1. School of Education, Xinyang University, Xinyang 464000, China;
2. College of Life Sciences, Xinyang Normal University, Xinyang 464000, China;
3. School of Technology, Xinyang University, Xinyang 464000, China
Abstract: Microplastics have been frequently detected in aquatic environments, and there are increasing concerns about the potential effects on aquatic organisms. In this study, the effects on hatching and the intestinal accumulation in embryos and larvae exposed to two sizes of polystyrene (PS) microplastics were evaluated. The two PS were green fluorescent polyethylene microplastics with 10 μm size (10GF-PM) and red fluorescent polystyrene microplastics with 0.5 μm size (0.5RF-PM). The results showed no significant difference between hatching rates compared with that of the control group of Danio rerio embryos after exposure for three days at 10-500 mg·L-1 10GF-PM, while the incubation rate was 37% at 500 mg·L-1 0.5RF-PM. The average survival rates of five day post fertilization larvae exposed to 10, 100, 200, and 500 mg·L-1 10GF-PM solutions were 80%, 54%, 44%, and 41%, and were 62%, 37%, 25%, and 12% in corresponding concentration of 0.5RF-PM solutions. A quantitative fluorescence analysis showed that the accumulation of 10GF-PM and 0.5RF-PM in larval intestines increased with the increase in the microplastic concentration, and the fluorescence values were 0.06, 0.53, and 1.84 and 0.63, 2.32, and 3.45 after exposure to 10, 100, and 500 mg·L-1 10GF-PM and 0.5RF-PM solutions for 0.5 h, and were 0.03, 0.08, and 0.56 and 0.06, 0.41, and 1.56 after transferred larval to clear water for 24 h, respectively. The negative effect of microplastics on zebrafish was related to the concentration and particle size:the higher the concentration, the lower the embryo hatching rates; the smaller the particle size, the easier it was to accumulate in the intestines.
Key words: microplastics      zebrafish      embryos      larval      intestinal     

近年来, 随着塑料制品的大量生产和应用, 不计其数的塑料进入到环境中, 海洋、湖泊和河流等水环境及沉积物甚至在海产品中, 都能检测到塑料的存在[1~5].环境中的塑料既有大片的碎屑, 也有微米和纳米级的颗粒, 最初人们更关注大块塑料对生物的影响, 随着研究的深入, 微塑料对海洋生物和人体健康的影响得到了研究者和政府部门的广泛关注[6~9].微塑料通常是指粒径在100 nm~5 mm之间的有机合成聚合物固体颗粒, 美妆产品、合成衣物、药物载体和汽车轮胎等塑料制品在进入环境中后, 都能够逐渐分解为微塑料[10].水环境中的微塑料不可避免地会对细菌、水生生物及动物等产生影响, 现有的研究表明, 微塑料可通过进食摄入方式进入到生物体内, 虽然多数能够随粪便排出体外, 但仍有部分微塑料积累在鱼鳃或者内脏中, 引发机体产生氧化应激反应, 甚至造成死亡[10~14].这些微塑料还能够与环境中其他污染物发生相互作用, 产生复合毒性影响[15~17], 经过食物链的传递, 严重威胁着人类健康[7].

微塑料的毒性与其大小、形状和化学成分有密切关系.Lei等[18]报道了0.1、1.0和5 μm粒径的非功能性聚苯乙烯(PS)微塑料对线虫的影响, 结果表明暴露在1.0 μm PS微塑料环境中线虫的死亡率最高, 且微塑料在线虫体内积累量最高.Jeong等[19]对轮虫的实验表明, 0.05 μm和0.5 μm PS微塑料被摄食后, 对轮虫的生长发育产生诸多负面影响, 包括生长速度减缓、繁殖率下降、生命周期减少和繁殖周期增加等, 而粒径较大的6 μm非功能性PS微塑料被摄食后容易排除体外, 不对机体产生毒性影响.目前关于微塑料性质与其毒性关系的研究有限, 需要进一步开展相关研究.斑马鱼具有饲养方便、产卵量大、胚胎透明和易于观察等优点, 是目前研究污染物毒性较好的动物模型[20, 21], 大量研究以斑马鱼为模式生物, 报道了化学材料和化学污染物的毒性效应[22~26].

因此, 本文以模式生物斑马鱼胚胎及幼鱼为研究对象, 选择两种粒径不同的PS微塑料:粒径0.5 μm的红色荧光标记微塑料(0.5RF-PM)和粒径10 μm的绿色荧光标记微塑料(10GF-PM), 统计了不同尺寸微塑料暴露环境下, 斑马鱼胚胎出生后3 d的孵化率和生长至5 d的幼鱼存活率, 并借助显微镜观察了暴露环境下, 两种粒径微塑料在斑马鱼幼鱼体内的积累情况, 以及将幼鱼转移至清水中后, 两种粒径微塑料在幼鱼体内的排泄情况, 并对幼鱼体内微塑料的荧光强度进行了定量分析, 通过观察不同粒径的微塑料对斑马鱼胚胎孵化的影响和在斑马鱼幼鱼肠道中的积累, 以期了解微塑料粒径对其生物可利用性和生物毒性的影响.

1 材料与方法 1.1 主要试剂与仪器

标准稀释水采用国标[27]方法配制.斑马鱼胚胎整个实验过程中的实验用水均为充分氧饱和、pH稳定在7.8±0.2和温度保持在(28±1)℃的标准稀释水.微塑料购买于上海辉质生物科技有限公司(上海), 10 μm绿色荧光微塑料(10GF-PM)和0.5 μm红色荧光微塑料(0.5RF-PM)颗粒的基本性质如表 1所示.将微塑料溶液振荡摇匀, 取1 mL原液(原液浓度为10000 mg·L-1)用标准稀释水稀释, 配制成100 mg·L-1的微塑料贮存液待用.贮存液避光保存在4℃冰箱中.

表 1 含有荧光染料聚苯乙烯微塑料颗粒基本性质 Table 1 Properties of fluorescent polystyrene microplastics

本实验过程中使用到的仪器设备包括:电子天平(Quintix124-1CN, Sartorius, 德国); 培养箱(LRH-250F, 上海一恒科学技术有限公司); 交配盒(上海海圣生物实验设备有限公司); U型底96孔板(Costar-3599, Corning, 美国); 高速粉碎仪(SKSI, 上海必横生物科技有限公司); 消解仪(EHD36, LabTech, 美国); 立式显微镜(SZ61, Olympus, 日本), evos显微镜(InvitrogenTM EVOSTM FL Auto, Thermo Fisher Scientific, 美国); 酶标仪(Varioskan Lux, Thermo Fisher Scientific, 美国).

1.2 斑马鱼胚胎暴露实验

成年斑马鱼购买于中国科学院水生生物研究所(湖北武汉).斑马鱼生长环境光照/黑暗周期为14 h/10 h, 每日09:00和15:00喂食2次.取胚胎前1 d的16:00, 从鱼缸中捞取2条雄鱼和1条雌鱼放入交配盒中, 将雌、雄鱼用挡板隔开; 第2 d的09:00抽取隔板, 雌、雄鱼交配产卵; 11:00将雌、雄鱼放回鱼缸中; 用滤网收集斑马鱼胚胎, 使用0.05%的亚甲基蓝溶液冲洗胚胎, 除去粪便和死卵, 然后将胚胎转移至培养皿中, 在(28±1)℃培养箱中培养; 13:00(即出生后4 h)在显微镜下挑选发育状态一致和健康的胚胎进行暴露实验.

将挑选出的胚胎用吸管转移至U型底96孔板中, 每个孔放1颗, 一行12个孔, 3行为一组暴露液的3个平行样.移去孔中多余的稀释水, 再加入200 μL标准稀释水或浓度分别为0.1、1、10、100、200和500 mg·L-1的10GF-PM和0.5RF-PM溶液.将96孔板置于温度为(28±1)℃, 光照/黑暗周期为14 h/10 h的培养箱中.暴露3 d后, 统计96孔板中胚胎孵化率, 继续暴露至第5 d, 统计96孔板中幼鱼成活率.

1.3 斑马鱼幼鱼实验

预实验表明斑马鱼幼鱼出生后5 d嘴巴发育完成, 开始进食行为, 进食1 h后, 开始排泄行为, 进食2 h后, 排泄行为基本结束.幼鱼暴露实验条件为:将挑选的健康胚胎放入6孔盘中, 每个孔50颗; 24 h及48 h时, 吸去胚胎膜, 并添加标准稀释水, 保证幼鱼生长环境; 发育至第5 d, 将标准稀释水吸出, 加入浓度分别为10、100和500 mg·L-1的10GF-PM和0.5RF-PM溶液进行暴露, 每组暴露液设置3个平行样.暴露0.5 h后, 用Evos显微镜观察微塑料在幼鱼体内的存在状态, 并测定微塑料荧光强度.将幼鱼转移到清水中, 饲养24 h后, 再次用Evos观察微塑料在幼鱼体内的存在状态, 并测定微塑料荧光强度.

1.4 微塑料荧光强度测定

将分别暴露0.5 h和24 h的幼鱼转移至50 mL离心管中后迅速加入液氮冷冻, 使幼鱼停止生命活动, 然后用超纯水冲洗5次以除去表面粘附的微塑料.将幼鱼转移至2 mL离心管, 移去多余水分, 再加入1 mL超纯水, 进行组织匀浆.采用文献[28]中KOH消解法处理匀浆液, 即以KOH为消解剂, 浓度为100 g·L-1, 消解体积40 mL, 消解温度60℃, 消解时间12 h.取200 μL消解液, 用酶标仪测定荧光强度.

1.5 数据分析

所有实验处理均设至少3组平行.使用GraphPad Prism软件进行数据分析与比较并绘图.本实验结果以平均值±标准差呈现, 采用单因素方差分析(ANOVA)处理组之间的显著性差异, P < 0.05表示处理组之间存在显著性差异.

2 结果与讨论 2.1 微塑料对斑马鱼胚胎发育的影响

本实验0.1、1.0、10、100、200和500 mg·L-1等浓度梯度的10GF-PM和0.5RF-PM溶液.将出生后4 h, 发育阶段一致的斑马鱼胚胎暴露于不同浓度梯度的微塑料溶液中.出生后第3 d, 微塑料对胚胎的主要影响是抑制孵化, 实验结果中未出现胚胎死亡或者是孵化后的胚胎有尾颈弯曲、心包囊肿等畸形症状.因此本研究将抑制胚胎孵化作为胚胎阶段微塑料暴露的敏感性测试终点, 统计胚胎孵化率.结果如图 1(a)所示. 10GF-PM溶液在0.1~500 mg·L-1时, 没有产生对胚胎孵化的抑制作用, 但在500 mg·L-1 0.5RF-PM暴露条件下, 胚胎孵化受到显著影响, 孵化率只有37%.暴露第3 d, 对照组和10、100及500 mg·L-1处理组胚胎典型发育状态如图 1(b)所示, 除500 mg·L-1 0.5RF-PM处理组有大量胚胎未孵化, 其他处理组胚胎均正常孵化, 且孵化出的幼鱼在表观上无异常现象.胚胎阶段, 胚胎膜允许水分子、离子及氧气等小分子通过膜孔进入膜内, 同时阻止外界大颗粒污染物质进入膜内, 影响胚胎孵化[29].本实验中, 只在高浓度0.5RF-PM溶液中出现了孵化抑制, 对于10GF-PM, 即使在高浓度条件下, 也没有产生孵化抑制.这主要是因为10GF-PM粒径是0.5RF-PM的20倍, 胚胎膜能够阻止其进入膜内, 进而对胚胎孵化产生影响.另一方面, 在实验过程中可以观察到, 随着时间的推移, 较大粒径的10GF-PM颗粒沉降在孔板的底部, 生物可利用性降低, 0.5RF-PM的粒径在微纳米级, 能够通过膜孔进入膜内, 对胚胎产生影响.但实验结果表明只有在500 mg·L-1时, 才表现出对胚胎孵化的抑制性, 这可能是由于0.5RF-PM带有亲水基团—COOH, 大部分的微塑料吸附在胚胎膜的表面, 并没有直接进入到胚胎膜内[图 1(b)], 只有在外界微塑料浓度足够高时, 进入膜内的量才足以影响胚胎的孵化.另一方面, 大量微塑料吸附在胚胎表面, 使胚胎表面与水中氧气交换速率减慢, 胚胎发育所需的氧气供应不足, 最终也会导致胚胎缺氧死亡[29].

***表示P < 0.001 图 1 斑马鱼胚胎出生后3 d孵化情况 Fig. 1 Hatching rates of embryos after exposure to 10GF-PM and 0.5RF-PM solutions for three days

胚胎继续发育至第5 d, 处于幼鱼阶段, 从实验结果中可以看出这一阶段微塑料对幼鱼产生的表观影响是导致幼鱼死亡, 因此将死亡作为幼鱼在微塑料中暴露的敏感测试终点, 统计幼鱼存活率.不同粒径微塑料暴露环境下幼鱼成活率如图 2所示.从图 2(a)中可以看出, 0.1~10 mg·L-1暴露条件下, 10GF-PM暴露组幼鱼成活率分别是96%、88%和80%, 幼鱼平均成活率随着浓度的升高而降低, 但幼鱼成活率与对照组相比没有显著性差异, 在统计学意义上, 0.1~10 mg·L-1的10GF-PM对胚胎发育没有影响. 100、200和500 mg·L-1暴露条件下, 幼鱼成活率分别是54%、44%和41%, 显著低于对照组成活率(P < 0.001), 而不同暴露浓度条件下, 幼鱼成活率没有显著性差异, 幼鱼成活率与暴露浓度之间没有线性的剂量-效应关系, 说明粒径较大的微塑料能够导致幼鱼死亡, 但并不是浓度越高, 成活率越低.以上结果表明, 10GF-PM浓度低于10 mg·L-1时, 不会对幼鱼生存产生影响, 而高于100 mg·L-1时, 会导致幼鱼的死亡.

**表示P < 0.01, ***表示P < 0.001, #表示P < 0.001, ##表示P < 0.01 图 2 斑马鱼胚胎出生后5 d幼鱼存活状态 Fig. 2 Survival rates of larvae after exposed to 10GF-PM and 0.5RF-PM solutions for five days

0.1~500 mg·L-1 0.5RF-PM暴露组幼鱼成活率分别是96%、92%、62%、37%、25%和12%, 0.1和1 mg·L-1暴露组幼鱼成活率与对照组相比, 无显著性差异.随着暴露浓度的进一步提高, 幼鱼成活率逐渐下降, 显著低于对照组幼鱼成活率(P < 0.01), 暴露组(1、10和100 mg·L-1)之间幼鱼成活率也存在显著性差异, 说明幼鱼在微纳米粒径微塑料中, 对微塑料的浓度更加敏感, 浓度增加会引起更高比例的死亡.与10GF-PM相比, 0.5RF-PM对幼鱼产生效应的浓度更低, 这也间接说明了小粒径微塑料对生物产生的影响更大.斑马鱼胚胎发育到第5 d, 嘴部器官已经发育完全, 可以进食, 产生了与胚胎阶段不同的暴露方式[30], 即由胚胎阶段的接触暴露为主转变为幼鱼阶段的进食暴露为主.因此, 斑马鱼幼鱼5 d的毒性暴露结果与3 d的暴露结果不同.生物通过进食方式摄入微塑料后, 微塑料进入肠胃道, 再通过消化、吸收最终排出体外[13]. 10GF-PM组暴露毒性低于0.5RF-PM组暴露毒性, 可能是因为粒径较大的10GF-PM生物可利用性低.因此进一步探究了微塑料在斑马鱼幼鱼体内的存在状态.

2.2 微塑料在斑马鱼幼鱼体内的存在状态

发育5 d的幼鱼进食0.5 h后, 用显微镜观察了微塑料在幼鱼体内的存在, 如图 3所示.图 3(a1)3(b1)表示使用单色相机采集的图像, 图 3(a2)3(b2)表示在保持样本位置不变条件下, 使用彩色相机采集的图像; 若斑马鱼体内不含荧光物质, 在彩色相机模式下, 采集到的照片为黑色(对照组).图 3(a1)图 3(a2)为10GF-PM暴露组, 图 3(b1)图 3(b2)为0.5RF-PM暴露组.斑马鱼能够通过鱼鳃呼吸和进食两种方式摄入微塑料, 通过鱼鳃摄入的微塑料能够在腮中积累并可能对鳃细胞造成DNA损伤.从图 3中可以看出, 微塑料主要集中在幼鱼肠道系统中, 在鳃部没有明显的荧光, 这也与文献[18]的报道一致.有研究表明, 纳米级的PS容易积累在幼鱼鳃部, 对于亚微米级和微米级的PS不会在鱼鳃中累积[31], 这与本实验的结果相一致, 亚微米级的0.5RF-PM及微米级的10GF-PM主要通过摄食行为进入了幼鱼肠道系统.微塑料为10 mg·L-1时, 0.5RF-PM暴露组可以观察到荧光, 10GF-PM组观察不到荧光; 微塑料浓度分别为100 mg·L-1和500 mg·L-1时, 随着微塑料浓度的增加, 幼鱼体内荧光强度增加; 对比相同暴露浓度的0.5RF-PM和10GF-PM, 0.5RF-PM暴露组荧光强度高于10GF-PM暴露组.以上观察到的结果与荧光测定结果一致(图 4).当微塑料进入幼鱼体内, 幼鱼会产生氧化应激反应, 进而产生组织损伤, 影响组织功能, 最终导致死亡[13, 32].浓度相同、粒径不同的荧光微塑料进入幼鱼体内后, 在幼鱼的体内观察到了不同强度的荧光, 说明微塑料在幼鱼体内存在的浓度不同.分析胚胎暴露5 d幼鱼死亡率结果与幼鱼体内荧光强度结果, 可以推测, 相同浓度条件下, 粒径较小的微塑料比粒径较大的微塑料在体内的含量高, 即粒径较小的微塑料的生物可利用性高, 因此小粒径的微塑料会产生比大粒径更高的生物毒性, 这也与已有研究报道的结果一致[19, 20, 33].清水实验则进一步证明了粒径大小影响微塑料的生物可利用性.

图 3 出生后5 d的斑马鱼幼鱼暴露于微塑料溶液中0.5 h后, 微塑料在幼鱼肠道内的积累情况 Fig. 3 Microplastic accumulation in the intestines of five day post fertilization larvae after exposure for 0.5 h

图 4 出生后5 d的斑马鱼幼鱼暴露于微塑料溶液中0.5 h后, 幼鱼体内微塑料荧光强度值 Fig. 4 Quantitative fluorescence analysis of microplastics of five day post fertilization larvae after exposure for 0.5 h

2.3 微塑料在斑马鱼幼鱼体内的排泄

将暴露组幼鱼转移到清水中, 可以看到(图 5), 在清水中生活24 h后, 幼鱼体内大部分微塑料能够排出体外, 但仍然有少量存留在体内.对于暴露在初始浓度为10 mg·L-1微塑料中的幼鱼, 已经在显微镜下观察不到荧光存在(图 5中未显示), 体内荧光值与对照组相比没有显著性差异(图 6).暴露在初始浓度为100 mg·L-1微塑料中的幼鱼, 在显微镜下只能观察到红色荧光, 说明幼鱼体内含有红色荧光微塑料, 绿色荧光微塑料几乎能够完全排出体外.暴露在500 mg·L-1微塑料中的幼鱼, 显微镜下可以观察到红色荧光和绿色荧光, 荧光检测显示红色荧光和绿色荧光强度分别是1.55和0.56.以上实验结果表明, 粒径为10 μm的10GF-PM被幼鱼进食后, 在一定浓度下能够排出体外, 随着进入体内微塑料浓度的升高, 10GF-PM在幼鱼体内积累, 导致幼鱼死亡(图 2).粒径为0.5 μm的0.5RF-PM被幼鱼进食后, 被排出体外的微塑料较少, 导致在体内的积累量增加, 暴露浓度越高, 幼鱼体内的积累量越大(图 6), 幼鱼的死亡率越高.这与文献报道的粒径较大的微塑料比粒径较小的微塑料的毒性高的结论相同[18, 19, 34].

图 5 转移至清水中24 h后, 幼鱼肠道内微塑料积累情况 Fig. 5 Microplastic accumulation in the intestines of five day post fertilization larvae after living in clean water for 24 h

图 6 转移至清水中24 h后, 幼鱼体内微塑料荧光强度值 Fig. 6 Quantitative fluorescence analysis of microplastics of five day post fertilization larvae after living in clean water for 24 h

图 7显示了0.5RF-PM排出幼鱼体外的动态过程, 其中编号1~12为进食2 h后每隔30 s在显微镜下拍摄的图片, 白色圆圈显示0.5RF-PM从产生到排出体外的过程.从图中可以看出, 被幼鱼吞食的微塑料, 源源不断的经过肠道被排出体外, 在5 min的时间内, 有大量的0.5RF-PM积聚在幼鱼泄殖腔附近(图 7中编号12), 即进入到体外环境中.微塑料对幼鱼的生物可利用性较低, 但一旦被利用, 就会对幼鱼生存产生威胁.

图 7 0.5RF-PM排出幼鱼体外的动态过程 Fig. 7 Dynamic process of expelling 0.5RF-PM in larvae

3 结论

(1) 微塑料对斑马鱼胚胎和幼鱼的毒性与微塑料的浓度和粒径相关.低浓度条件下, 微塑料对胚胎发育没有影响, 高浓度条件下, 小粒径微塑料表现出对胚胎的毒性作用.

(2) 随着胚胎发育成幼鱼, 微塑料暴露途径由接触暴露为主变成进食暴露为主, 两种粒径的微塑料均表现出对幼鱼的致死作用, 小粒径微塑料对幼鱼的毒性作用强于大粒径微塑料, 生物可利用性更高.

(3) 将暴露后的幼鱼转移到清水中, 暴露浓度低、粒径大的微塑料更容易全部排泄出体外, 粒径小、浓度高的微塑料溶液在幼鱼肠道内产生积累.因此, 改善水质环境, 能够降低微塑料在水生生物体内的积累, 降低微塑料的生态风险.

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