海綿動物對微塑料的生物累積和排出

王婷婷，陳榮

廈門大學環境與生態學院，廈門市海灣生態保護與修復重點實驗室，廈門 361102

微塑料是指環境中粒徑介于1 μm～5 mm的塑料顆粒、纖維和薄膜等[1-2]，主要有2種來源：一是較大的塑料經過風蝕、水蝕和紫外老化等物理化學作用破碎后形成的次級微塑料；二是洗滌劑、制藥業以及化妝品中添加的微塑料[3-5]，伴隨著人類活動釋放到環境當中，即為初級微塑料。當微塑料被水生動物攝食后，會使水生動物產生假飽腹感，進而抑制其生長發育[6-7]。同時，微塑料具有巨大的比表面積，能富集重金屬、多環芳烴和致病菌等多種污染物質[8-11]，形成污染物復合體。因此水生生態系統中的微塑料污染具有潛在的生態風險。

在各類水生生態系統中，河流、湖泊和河口中檢出的微塑料密度可達到10 particles·L-1[12-14]。特別是在近海養殖環境，微塑料密度能達到60 particles·L-1[14-15]。這主要來源于養殖設施中塑料制品的廣泛使用，例如延繩養殖使用的尼龍繩、泡沫浮筒，吊養使用的網箱、蟹籠等。養殖使用的魚粉也檢出含有(337.5±34.5) particles·kg-1的微塑料[16]。海洋作為陸源輸入重要的匯，海洋生態系統中的微塑料污染已然成為環境熱點問題[17]。同時，其復合污染作用沿著食物鏈傳遞時產生的生物放大作用，逐漸成為人類健康風險評估的一大重要因素，其中主要以魚類的研究最為廣泛[18-20]。魚類[21]、太平洋牡蠣[22]和橈足類[23]等水生動物的微塑料檢出水平以及毒性測試結果表明，不同物種對于環境中微塑料的攝取具有選擇差異性。

海綿動物(Phylum Porifera)是在水中營固著生活的多細胞動物[24]，是海洋底棲生態系統中的重要組成部分，在全球海洋生態系統中分布廣泛[25]。海綿具有極強的濾水能力和多孔的形態特征，濾水效率可達38 L·d-1·g-1(以干質量計)[26]。水流攜帶著食物從海綿的入水口進入到海綿體內，其中的溶解性有機碳和微型浮游植物、有機物碎屑(<10 μm)等營養成分會被海綿體內的領細胞所攝食[27]，其他物質可能會留存在海綿的內層、中膠層和外層的任一區域，代謝產物和未被海綿吸收的物質則會經由海綿的出水孔排出體外。研究表明，海綿可以作為環境中50～200 μm顆粒物的生物監測器[28]，這說明環境中的微粒物質能在海綿體內穩定存在。海綿對于其他溶解態的環境污染物，如重金屬、有機污染物的生物監測和環境修復作用已被廣泛研究[29-35]，但其對于海水中微塑料污染的生物修復評估尚未開展研究。海綿的分布廣泛，極強的海水過濾能力，對環境中微粒物質的留存能力強，都使海綿成為緩解海洋生態系統中微塑料污染的理想修復生物。本研究首次開展了蜂海綿(Haliclonasp.)、沐浴海綿(Spongiasp.)對微塑料的生物累積和排出實驗。通過研究不同種屬的海綿動物對不同粒徑微塑料去除的動力學過程，為海綿修復海水中微塑料污染提供基礎數據，以期構建海綿和其他海洋生物共存的良性局面，進而促進海洋生態系統的可持續性發展。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實驗動物

海綿采自福建省漳州市東山縣陳城鎮岐下村的海綿人工養殖場(117°19′57″E，23°36′21″N)。在實驗室內將海綿置于經0.45 μm濾膜過濾后的清潔海水中，馴化一周。馴化期間，水溫20 ℃，鹽度30‰，溶解氧含量3.30 mg·L-1。

1.2 微塑料懸浮液的配制

有研究表明，海綿主要富集環境介質中50～200 μm的微粒物質，且對微粒材質方面沒有生物偏好性[28]。本文選用2種粒徑(<100 μm和100～300 μm)的顆粒狀聚苯乙烯(PS)微塑料。微塑料濃度設置為5 000 particles·L-1。配制2種粒徑范圍的微塑料母液(3×106particles·L-1)備用，其中，溶劑為經0.45 μm濾膜過濾后海水(鹽度30‰)，微塑料分散劑為六偏磷酸鈉(Na6O18P6，5 g·L-1)。分別取1 mL 2種粒徑范圍的微塑料母液用溶劑海水稀釋至600 mL。

1.3 微塑料的生物累積

隨機選取生理狀態良好、大小基本一致(22.0±4.7) g (濕質量)的蜂海綿和沐浴海綿，進行微塑料的生物累積實驗(圖1)。實驗設3個平行組，每組3只海綿。參照清濾率實驗中的穩態模型(Steady-State Model)[36]，設計微塑料的海綿生物累積實驗，設計模型如公式(1)所示。

Ce.rate=(C0×Q-Ce×Q-Ce×CR×BM)/V

(1)

式中：Ce.rate為微塑料排出速率(particles·L-1·d-1)；C0為入口濃度(particles·L-1)；Ce為出口濃度(particles·L-1)；Q為流速(L·d-1)；CR為海綿清濾率(L·g-1·d-1)；BM為生物量(g) (干質量)；V為體系體積(L)。

圖1 海綿生物累積微塑料連續流動裝置示意圖Fig. 1 Diagram of a continuous flow device for sponge bioaccumulating microplastics

使用OpenModal對上述參數進行調整擬合，直至排出的微塑料與入口濃度在一段時間后產生明顯差異并趨于穩定。根據本研究前期獲得的海綿清濾率和預實驗結果，流動裝置參數設計為：生物量為1 g干質量的海綿，能在1.6 h以內，穩定去除流速為21.7 L·d-1的0.6 L微塑料溶液中50%以上的微塑料。每20 min取出口處水樣進行微塑料計數，直至計數結果相對穩定，實驗時間100 min。

微塑料清除比例=

(2)

微塑料累積量=(初始微塑料濃度-累積結束
時刻微塑料濃度)×恒定溶液體積

(3)

1.4 微塑料排出實驗

累積實驗結束后，立即將海綿轉移到0.45 μm過濾后的2 L清潔海水中進行排出實驗，實驗過程采用磁力攪拌器攪拌水體。分別在第2、4、8、12、24、48和72 h采樣。每次采樣時，均先將海綿轉移至新的2 L清潔海水中，再過濾收集原體系全部海水中的微塑料，并分離糞便相微塑料。實驗過程中不喂食。

累積微塑料排出比例=

(4)

累積微塑料總排出比例=

(5)

1.5 微塑料的測定

為減少樣品受外來微塑料污染，實驗過程全程穿戴棉質實驗服、丁腈手套。分離過程用到的容器盡量采用玻璃材質，且實驗前均用RO水和超純水(18.2 MΩ·cm)沖洗2～3次。所有實驗溶液都經0.22 μm PC濾膜過濾后使用，海水均用0.45 μm PC濾膜過濾。樣品過濾時用錫箔紙密封住過濾裝置的開口。設置空白對照，以避免空氣粉塵的影響。

1.5.1 微塑料分離

累積實驗中，每20 min取10 mL水樣，用0.45 μm濾膜過濾。

排出實驗中，對于<100 μm微塑料，使用100 μm篩網(150目)過濾全部水樣，截留在篩網上的為糞便相微塑料；對于100～300 μm微塑料，則使用300 μm(50目)篩網分離糞便相微塑料。篩網過濾后的水樣再用0.45 μm濾膜過濾，保存濾膜用于計數。

1.5.2 微塑料計數

水相微塑料使用光學生物顯微鏡(重慶奧特BDS400)觀察濾膜并計數。糞便相微塑料則是將分離收集的海綿糞便消解(20 mL 30% H2O2，65 ℃水浴加熱，12 h)，0.45 μm濾膜過濾，再進行顯微計數。

1.6 數據分析

利用Excel 2019進行數據的初步處理。多因素方差分析交互作用，post-hoc(TukeyHSD函數)分析顯著差異性，R Studio(4.1.2版本)作圖。

2 結果(Results)

2.1 海綿對微塑料的生物累積

蜂海綿和沐浴海綿對微塑料的生物累積如圖2所示。由圖2可知，蜂海綿和沐浴海綿均可高效累積2種粒徑范圍的微塑料，均可在2 h內穩定去除體系中大多數微塑料。其中蜂海綿在實驗開始1.6 h后達到累積穩定，對<100 μm和100～300 μm微塑料去除率可達(64.03±2.69)%和(65.34±2.02)%。沐浴海綿也表現出相似的生物累積情況，但累積穩定時間更短(1 h)、累積效率更高；對<100 μm和100～300 μm微塑料去除率分別達到(70.82±0.60)%和(71.36±1.04)%。同種海綿對2種粒徑微塑料的生物累積無顯著差異。

圖2 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)對微塑料的生物累積Fig. 2 Bioaccumulation of microplastics byHaliclona sp. and Spongia sp.

2.2 海綿對微塑料的排出

蜂海綿和沐浴海綿的微塑料排出實驗結果如圖3所示。由圖3可知，2種海綿對不同粒徑微塑料的排出速率均在第12小時開始趨于穩定，在第72小時均基本停止排出微塑料。對于<100 μm微塑料，蜂海綿和沐浴海綿對體內累積微塑料的排出比例分別為(41.17±2.53)%和(27.31±0.87)%，低于其各自對100～300 μm微塑料的排出比例(67.10±4.21)%和(29.36±1.34)%)，由此可見，2種海綿對于體內累積的<100 μm微塑料的留存能力更強。沐浴海綿對2種粒徑微塑料的排出比例均低于蜂海綿，說明沐浴海綿對于體內累積微塑料的留存能力更強。

圖3 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)對微塑料的排出Fig. 3 Elimination of microplastics by Haliclona sp. and Spongia sp.

蜂海綿和沐浴海綿排出微塑料的途徑如圖4所示。由圖4可知，在排出實驗開始的前12 h，蜂海綿和沐浴海綿主要以水相排出微塑料。隨后水相途徑排出占比逐漸降低，同時糞便相占比逐漸升高。48 h后，2種排出途徑的微塑料占比逐漸趨于均等。

圖4 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)排出微塑料的途徑Fig. 4 Elimination forms of microplastics by Haliclona sp. and Spongia sp.

蜂海綿和沐浴海綿對2種粒徑微塑料的總排出率如圖5所示。蜂海綿對<100 μm微塑料的排出，經水相、糞便相排出的微塑料占比分別為(23.01±0.07)%和(18.19±2.97)%；對100～300 μm微塑料的排出，經水相、糞便相排出的微塑料占比分別為(33.90±0.94)%和(28.54±0.40)%，水相排出的微塑料占比略高于糞便相，但無顯著差異(P>0.1)。沐浴海綿對微塑料的排出與之類似，但對2種粒徑微塑料的水相和糞便相排出率均顯著低于蜂海綿(P<0.05)。蜂海綿對<100 μm微塑料排出率顯著低于其對100～300 μm微塑料的排出率(P<0.05)，而沐浴海綿對2種粒徑微塑料的排出率無顯著差異。

圖5 蜂海綿(Haliclona sp.)和沐浴海綿(Spongia sp.)微塑料總排出率注：不同字母代表有顯著差異，P<0.05。Fig. 5 Total microplastic elimination of Haliclona sp. and Spongia sp.Note: Different letters represent significant differences, P<0.05.

3 討論(Discussion)

本研究首次通過室內模擬實驗，探究了海綿對海水微塑料的生物累積能力。本研究發現，蜂海綿和沐浴海綿均能夠快速、高效地累積海水中的微塑料。Fallon和Freeman[37]通過調查研究也發現，在巴拿馬共和國博卡斯德爾托羅省穩定存在的海綿，體內的微塑料檢出密度為(169±71) particles·g-1(以干質量計)，高出周圍環境介質2～3個數量級。邦加島的15只珊瑚礁海綿體內微塑料的檢測密度為96～612 particles·g-1(以干質量計)[28]。這都說明，海綿能夠長期累積海水中的微塑料，在海洋微塑料污染修復方面具有潛在的應用價值。

海綿累積的微塑料有可能用于自身的生存與發展。Baird和Clifford Alan[38]研究發現，將Tethyabergquistae、Crellaincrustans2種海綿暴露在1 μm和5 μm的塑料溶液中，海綿的呼吸以及對食物顆粒保留并未受到顯著影響。而且，海綿傾向于選擇50 μm以上的顆粒來支持其骨骼，在骨針中保留50 μm以下的顆粒[39]，5 μm以下的微塑料則會被海綿的組織所吸收[40]。本研究也發現海綿對100 μm以下微塑料的留存能力更強。本研究發現沐浴海綿對微塑料的凈累積量高于蜂海綿，這可能與其結構有關。沐浴海綿的水溝系統為最復雜的復溝型，具有多個鞭毛室和相對發達的中膠層，體內的領細胞通過鞭毛進行主動濾食時具有更大的流速和流量，對海水中微塑料的截留效率更高。

本研究發現海綿累積環境微塑料后，可以通過水相和糞便相排出部分微塑料。海綿體內累積的微塑料約有10%以糞便的形式排出。這部分微塑料相比于水相中顆粒態微塑料更容易被底棲浮游生物攝食，進而被魚類、雙殼類等水生生物選擇性地攝食，可能影響水生動物的生長發育，增加了微塑料通過食物鏈傳遞的風險[41]。

除了微塑料，海綿對海水中其他污染物也有很好的耐受性。有研究結果表明，海綿動物對于海水中的重金屬[29]、多氯聯苯[42]和林丹[31]污染均具有緩解作用，并且其自身能保持相對穩定的微生物群落組成[30]。且在養殖海水中，海綿還會與藻類形成良好的共生局面，藻類既可以為海綿提供自身生長發育所需要的營養物質支持，同時也為海綿體內的共生微生物提供營養元素和有機質[43]。因此，海綿作為實際海水微塑料污染的修復生物具有良好的應用前景。

綜上所述，本研究表明：(1)蜂海綿和沐浴海綿均對海水中300 μm以下微塑料具有良好的生物累積能力。(2)沐浴海綿對海水中300 μm以下微塑料的凈累積效果較蜂海綿更佳。(3)粒徑越小的微塑料越不易被海綿排出。(4)海綿可以通過水相和糞便相排出部分微塑料，2種途徑無顯著性差異。