白玉蜗牛与土壤(微)塑料的相互影响

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塑料制品的广泛使用与回收管理不善已经导致全球性塑料污染问题,土壤则是大量塑料垃圾的蓄积地。土壤中的塑料会破碎或降解成更小的塑料碎片,尺寸小于5 mm的塑料残片称为微塑料,是近年来倍受关注的新型污染物。以往较多的研究关注于海洋环境中的微塑料,而对陆地土壤环境中微塑料的环境归趋和生态风险还知之甚少。土壤动物有很多机会接触土壤中的塑料碎片,是否会通过摄食和消化来影响微塑料在土壤中的归趋,并诱发动物的毒性效应,还鲜有研究报道。此外,尚不清楚土壤动物是否具备降解土壤中残留塑料的能力。本文选择常见的土壤无脊椎动物白玉蜗牛(Achatina fulica)作为实验对象,使用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)微塑料纤维(MFs,平均长度和平均直径分别为1257.8μm,76.3μm)和聚苯乙烯(PS)泡沫为实验材料,观察动物对(微)塑料的摄食、代谢和排出,分析(微)塑料对蜗牛生长发育、组织病理和氧化应激相关酶活的影响;通过体视显微镜镜检、扫描电子显微镜(SEM)观察、凝胶色谱分析(GPC)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和质子核磁共振(1H NMR)对比分析排出粪便中残留的和原(微)塑料的表面形态、粒径分布、分子量、基团结构变化,从而分析土壤动物和(微)塑料的相互影响。主要结果如下:(1)尼罗红染色的PET微塑料纤维喂食白玉蜗牛5小时,在5、10、12、24小时后分别在食道、胃、前肠和后肠观察到微纤维的大量积聚,它们在48小时后完全排出体外。扫描电镜显示,微塑料纤维经消化排出后表面出现明显裂纹和腐蚀痕迹,且被排出体外的微塑料纤维的直径较摄食前显著性地减小了10.81±6.26%(p<0.001)。(2)蜗牛在浓度分别为0.01、0.14、0.71 g kg-1的微塑料纤维模拟土壤暴露28天后,均未观察到蜗牛死亡。与对照组比较,中高浓度的微塑料纤维暴露使蜗牛摄食量平均减少24.7-34.9%,排泄量显著减少46.6-69.7%,但未观察体重、壳长和壳口直径与对照组的明显差异。通过主要器官的组织病理学切片分析,发现高浓度组40%的蜗牛的胃肠道组织受到损伤,表现为胃肠壁绒毛缩短或破裂,但对肝组织和肾脏没有明显的损伤效应。另外,高浓度组蜗牛肝组织的谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)活性下降了59.3±13.8%,总抗氧化能力(T-AOC)下降36.7±8.5%,脂质过氧化指数(MDA)上升58.0±6.4%,均与对照组具有显著性差异,表明微纤维引起机体氧化应激。(3)经过为期4周的PS泡沫板和油麦菜联合喂食实验后,每只蜗牛平均摄食18.5±2.9 mg的PS,对所有粪便经30%H2O2消解和过滤提取PS,其中PS残留量为每只蜗牛12.8±1.1 mg,通过质量核算后测定摄入的30.7%的PS被消化。对粪便中PS进行形态尺寸统计,粒径分布在0.146-3.1 mm之间。摄食PS的蜗牛体重、壳长和壳口直径与对照组相比没有异常变化。GPC分析表明粪便残留的Mw值从摄食前的234,500 Da增长到250,300 Da,Mn值从92,000 Da增长到106,000 Da,这说明PS在蜗牛体内发生有限的解聚。FTIR和1H NMR的分析结果显示,蜗牛体内形成了氧化中间体和化学修饰官能团,如碳碳双键(-CH=CH-)、羰基(H2C=O)和羟基(-OH)等新基团出现。(4)预先对蜗牛进行五天的土霉素喂食后,其肠道菌群数量下降两个数量级,然后进行同前的泡沫板喂食4周,残留粪便的PS分子量也发生了一定变化,Mw值增长到245,900 Da,Mn值增长到100,860 Da,与未进行抗生素干扰的正常蜗牛实验结果基本一致。通过高通量测序详细分析了PS泡沫喂食0、2、4周时蜗牛肠道菌落的种群变化,结果显示PS摄食和消化导致肠杆菌科、鞘脂杆菌科相对丰度明显增加,反映这些肠道菌群与PS的生物降解有关。以上结果表明:(1)白玉蜗牛能主动摄食并消化排出PET微塑料纤维,5小时的暴露不会引起微纤维在蜗牛体内的累积;蜗牛的消化能够加速微塑料表面磨损,肠道是影响微塑料的主要消化器官。(2)微塑料纤维影响蜗牛的摄食和排泄,诱导胃肠道发生病理学变化,氧化应激参与了微纤维的毒性机制。(3)蜗牛能被诱导摄食PS泡沫,通过咀嚼和消化破碎成微塑料。蜗牛的消化能解聚部分低分子量PS,导致PS的限制生物降解作用。(4)摄食和消化PS能够影响蜗牛肠道菌群的结构和丰度,表明肠道菌群可能间接参与了蜗牛的生物降作用。本论文首次探究了PET和PS(微)塑料与土壤动物蜗牛的相互作用,揭示了(微)塑料对土壤动物多方面的毒性和不良影响;另一方面,土壤动物能反过来对(微)塑料造成磨损、破碎化和降解等产生一系列生物作用。这些新颖的研究结果为陆地土壤环境中微塑料的源剖析和归趋分析提供了科学依据,为土壤(微)塑料污染的生态环境风险提供了新证据。
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