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在鄱阳湖,轮虫每天制造1.33亿亿个塑料颗粒

2024-02-07科学

轮虫每天在鄱阳湖制造的纳米塑料颗粒总数:1 后面跟着 16 个零。

随着塑料制品在生活中的使用变得越来越广泛,我们环境中的塑料颗粒也变得越来越多。它们无处不在,从北极到南极,从土壤到河流,从地面到云端,甚至存在于我们日常呼吸的空气中。

轮虫(图片来源:Juan Carlos Fonseca Mata, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons)

这些肉眼不可见的塑料被分为两类,尺寸在 1 微米到 5 毫米之间的是微塑料(microplastic),尺寸小于 1 微米的则是纳米塑料(nanoplastic)。越来越多研究已经表明,纳米塑料会损害人体各个器官和系统的功能。

微塑料和纳米塑料来源于塑料制品的降解。未被回收的塑料垃圾可能进入河流和海洋,被带往世界各地。历经几十上百年,机械作用、光化学等会将这种长链聚合物材料分解成小块。同时,生物的作用也加速了这个过程。

2018 年的一项研究显示,南极磷虾(Euphausia superba)能摄入微塑料,并用大颚(mandible,磷虾的咀嚼器)将其磨成纳米塑料。

南极磷虾(图片来源:Yale Peabody Museum, CC0, via Wikimedia Commons)

美国马萨诸塞大学的邢宝山教授长年从事微塑料相关研究,看完这篇论文的他意识到,既然南极磷虾这种生活在遥远极地的生物能「分解」微塑料,那么,在我们日常生活的范围内,是否也广泛存在能产生同样效果的生物,进而对环境中纳米塑料的含量造成影响呢?于是,他和中国海洋大学的赵建教授合作,开始研究这个问题。

他们选择了轮虫作为研究对象。这是一种广泛分布于全球地表水的常见浮游动物,大多数体长不超过 0.5 毫米。以我国最大的淡水湖——鄱阳湖为例,每升湖水中就有超过 900 只轮虫。而且,与南极磷虾一样,它们拥有一种独特的咀嚼器,通过机械作用将摄入的藻类研磨成小块。

研究人员观察了褶皱臂尾轮虫(Brachionus plicatilis)和萼花臂尾轮虫(B. calyciflorus)两种轮虫,它们平时分别生活在海洋和淡水中。研究人员发现,这些轮虫都能大量摄入小于 10 微米的塑料,这与它们日常食物的尺寸相似。它们偶尔也会吃些 20 微米大的塑料,不过再大就吃不下了。

轮虫摄入的微塑料(绿色小球)和研磨产生的纳米塑料(绿色小点)。图片来源:原论文

研究人员在显微镜下观察到,轮虫吃下微塑料后,消化道中出现了许多尺寸不一的塑料颗粒,其中纳米级塑料颗粒的数量远多于微米级。原本提供给轮虫的光滑、球形的微塑料,经过一番消化,表面变得粗糙不堪,像是被啃过一样。

可见,轮虫咀嚼器中的齿状结构通过研磨,从微塑料表面一点点「抠」下了这些塑料碎片。最后,碎片化的微塑料会从轮虫体内排出,回到水中。

浮游生物影响全球

我们所说的「塑料」,其实是一类高分子聚合物的总称。我们日常生活中最常见的是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)和聚苯乙烯(PS)。它们的组成单元不同,硬度、拉伸强度、光反应性和生物反应性等各不相同。

不同塑料类型及特性。图片来源:原论文

在这项研究中,研究人员发现,轮虫既能摄入和破碎硬度较低的 PE 塑料,也能有效地从硬度较高的 PS 塑料上磨损出纳米塑料颗粒。这说明轮虫对不同类型微塑料的「消化」具有普遍性。

更重要的是,研究人员还从山东青岛的书院水库、白沙河、大沽河和胶州湾等地采集了不同物种的轮虫样本,结果,所有采样点的轮虫体内均检测到了尺寸在 3~30 微米的微塑料。可见,即便是自然环境,在没有研究人员「投喂」微塑料的情况下,这种现象也是普遍存在的。

因此,轮虫很可能在全世界微塑料和纳米塑料的分布中扮演着重要角色,事实也确实如此。研究人员发现,在全世界范围内,尤其是东亚和欧洲,微塑料丰度较高的区域恰恰也是轮虫最多的区域,二者间存在高度的地理重叠。

轮虫的全球分布(左图)和微塑料的全球分布(右图)。图片来源:原论文

实际情况究竟有多可怕

为了让人们对这种影响有更具象的感知,研究人员以鄱阳湖作为案例进行说明。鄱阳湖面积约 3690 平方千米,文献表明,平均每升鄱阳湖水中约含 20.2 个直径在 50~500 微米的微塑料。

假设所有轮虫都生活在不超过 5 米深的湖水,按照本次研究的数据,将轮虫放入含微塑料的水体4小时后,平均每个微塑料颗粒会生成 131 个纳米塑料颗粒,那么,一天下来,全鄱阳湖的轮虫一共能产生1.33亿亿(1.33×10^16)个纳米塑料颗粒。

然而,这只是计算结果,实际数量可能还会更高。一方面,受实验条件限制,研究人员只能检测直径大于 0.6 微米的纳米塑料,因此,一颗微塑料能被轮虫磨损生成多少更小的纳米塑料,我们并不知道。但很明确,实际生成的纳米塑料颗粒必然远高于实验测得的数据。

轮虫将「消化」过后的微塑料从体内排出。图片来源:原论文

第二,文献中只报道了鄱阳湖中尺寸范围为 50~500 微米的微塑料,而轮虫摄入的主要是尺寸更小的微塑料。虽然尚不知道鄱阳湖中直径小于 50 微米的微塑料浓度几何,但研究人员估计,它一定会比大尺寸微塑料的丰度高得多。因此,轮虫生存环境中的实际微塑料颗粒数量也高于估算时所用的数值。

第三,实验条件与自然条件不同。实验过程中,研究人员在每升水中放入了 930 万个初始微塑料颗粒,却只有 2 万只轮虫;而文献中,平均每升鄱阳湖水的微塑料含量为 20.2 个,轮虫数量却有 909 只。因此,鄱阳湖中的轮虫能更充分地摄入和消化湖水中的微塑料,每颗微塑料也将产生超过 131 颗纳米塑料。

此外,研究人员只测试了「新鲜」微塑料和短暂暴露于模拟阳光 12 小时的微塑料。但自然界中的微塑料往往经历了长年的风吹日晒,这会让它们的形态、化学性质等发生变化,变得更脆弱。

实验已经证明,轮虫摄入光老化的微塑料会比摄入原始微塑料时产生更多塑料碎片。而大多数轮虫都生活在透光的水域,所摄入微塑料的日照时长远多于实验条件,结果必然更可怕。

最后,鄱阳湖只是一个案例,其实地球上许多地表水体中微塑料和轮虫的含量都远高于鄱阳湖。例如,文献表明,每升黄河水中约有 500 颗微塑料,而在印度阿蒂亚尔河(Adyar Creek)的河口,每升河水中约有 10,133 只轮虫。因此,我们可能远远低估了生物在这场全球纳米塑料「瘟疫」中发挥的作用。