海鞘生物过滤对水体中微塑料成分的影响

塑料的发明曾因其重量轻、强度高、用途广泛且生产成本低廉而备受赞誉。然而，如今它被认为是我们海洋生态系统中最持久且分布最广泛的污染物之一。自20世纪50年代以来，塑料的生产和使用迅速增长，超过了大多数其他人造材料。由于生产成本低廉，超过40%的塑料制品被视为一次性产品，设计用于立即丢弃。目前的估计认为，如果我们继续生产这些塑料而不同时改善废物管理，到2030年，每年将有9000万吨塑料垃圾进入地球的水生生态系统。

一旦塑料垃圾进入海洋，它就容易因自然力量而降解，如紫外线辐射、水流湍急、热量和生物活动。这会增加颗粒的表面粗糙度、孔隙率和表面功能性，同时削弱聚合物链，导致其尺寸减小至微米和纳米级颗粒。小于5毫米的塑料颗粒被定义为微塑料。因此，风化后的微塑料通常表现出与原始塑料（即未使用过的塑料）不同的物理化学表面性质。

生物塑料由一系列来自可再生生物质来源（如玉米淀粉、甘蔗和纤维素）的塑料组成，最近被提议作为传统塑料的替代品。它们因其碳足迹减少和潜在的生物降解性而经常受到赞扬。然而，生物塑料的生产比化石基塑料的成本效益低。

此外，这些生物塑料的生物降解是在工业堆肥设施中进行的，那里的温度通常超过50°C，而这一温度在海洋环境中不会自然出现。因此，检查生物塑料和传统塑料在自然环境中的风险和影响以及行为非常重要，以便揭示它们潜在的不同影响。

在这里，使用并比较了两种聚合物：聚苯乙烯（PS），代表传统的化石基塑料；以及聚乳酸（PLA），一种生物基塑料。PS是全球使用最广泛的聚合物之一，存在于包装产品和一次性餐具中。它由带有苯环的碳链构成，使其高度稳定且疏水，因此难以处理。

以低密度（约1.05克/立方厘米）和疏水性为特征，聚苯乙烯微塑料往往漂浮在水面上或悬浮在水的上层。这可能使它们更容易被主要在水面或靠近水面觅食的海洋生物获取。PLA是通过乳酸的化学缩合或丙交酯的开环聚合合成的。

与PS相比，PLA密度更高（约1.25克/立方厘米）且疏水性较低，使其在海水中沉降得更快。虽然被认为是一种可生物降解的聚合物，但PLA在自然环境中可能需要数年才能分解，同时与不同的生物相互作用。

随着微塑料尺寸的减小，能够摄取颗粒的生物范围从低营养级物种增加到高营养级物种。滤食性生物也被发现积累了微塑料。摄入这些颗粒会导致多种不良影响，如能量储备减少、炎症和机械堵塞。胃肠道中的大量聚集可能会产生饱腹感，进而导致进食活动减少。纳米级颗粒甚至可以穿透生物屏障，进入动物组织。

海洋生态系统中的粪便对于营养物质和有机物质循环至关重要。粪便和死亡物质一起被微生物回收，极大地影响着生态系统的能量动态。

悬浮食性生物的粪便颗粒不仅极其丰富，而且本质上是有机物质的重新包装形式，可用于进一步的生态过程。就像初级生产支持光层中的生物群落一样，那里产生的粪便通过水柱下降，有效地将碳从表层水输送到海洋的更深区域，在海洋碳循环中发挥着至关重要的作用。

越来越多的证据表明，粪便颗粒在营养物质以及微塑料的运输和扩散中都起着关键作用。从粪便中释放的微塑料可以被生物利用，并有可能成为污染物和微生物的载体。粪便的下沉速度在颗粒的分布及其含量中起着主要作用。已经表明，粪便的下沉速度会受到微塑料的存在和密度的影响，这会对海洋食物网产生重大影响。

据预测，含有微塑料且下沉速度比正常情况快的粪便将更快到达海底，从而降低了它们在下降过程中被低营养级生物消耗的可能性。无论哪种方式，粪便颗粒都成为载体，通过食物网和海洋区域传输微塑料。

独居的海鞘Styelaplicata（海鞘纲、固胸亚纲、柄海鞘科）是最广泛的入侵物种之一，分布于全球各地，很容易从以色列地中海沿岸的港口和码头采集到。海鞘栖息于各种海洋环境中，从深海到沿海，其中一些已知是高度优势和有弹性的入侵物种。大多数海鞘通过过滤大量的水并保留各种粒径的颗粒来进食，在海洋食物网和底栖-浮游耦合中起着至关重要的作用。

未被消化的颗粒可能会被排出体外，或者可能在它们的肠腔内积累一周以上。虽然已知海鞘会过滤、摄入、消化和排出微塑料，但这些过程对微塑料的组成、表面性质及其在水柱中的最终命运的影响尚不清楚。此外，尽管生物塑料的环保特性在解决塑料污染方面呈现出积极的进步，但直接比较它们与传统塑料的影响仍然至关重要。

在这项研究中，我们试图更深入地了解塑料性质的潜在变化，特别是在不同的降解、消化和与海洋生物相互作用的条件下。我们使用独居的海鞘S.plicata作为模式动物，将其暴露于具有高度环境相关性的PS和PLA微塑料中。我们评估了微塑料的生物过滤对其在水柱中的浓度和粒径分布的影响，并进一步检查了通过海鞘消化系统的过程对颗粒物理化学性质的影响。

此外，我们研究了海鞘粪便颗粒中微塑料的存在对其下沉速度的影响，并进一步确定这些影响在两种类型的塑料（可生物降解的PLA和不可生物降解的PS）之间是否不同。

图1海鞘生物过滤对水体中微塑料成分的影响

我们探讨了孤鞘Styelaplicata的过滤和消化对水柱中MP组成和粪便下沉速率的影响，重点关注两种不同塑料聚苯乙烯（PS）和可生物降解的聚乳酸（PLA）之间的差异。海鞘在过滤后2小时内有效去除了2–5μm颗粒。在消化和分泌过程之后，水中PS浓度增加，而PLA浓度保持稳定。

一些颗粒被吸入重新包装在粪便颗粒内的水柱中，这显着增加了颗粒的阻力和下沉速度。消解MP的拉曼光谱分析揭示了由于有机物质的包被而导致的明显光谱变化。这些发现突出了ascid和其他滤食者在改变其环境中MP结构中的作用。对此类修改的研究对于了解MP循环及其在海洋环境中的影响至关重要。

1.Eden Harel, Ines Zucker, Noa Shenkar, Effects of biological filtration by ascidians on microplastic composition in the water column, Chemosphere, Volume 367, 2024, 143589, ISSN 0045-6535, https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2024.143589.

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