甲殼動物能將塑膠微粒消化成「奈米級塑膠微粒」,對海洋生態可能造成什麼影響?

甲殼動物能將塑膠微粒消化成「奈米級塑膠微粒」,對海洋生態可能造成什麼影響?
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我們想讓你知道的是

甲殼類動物Gammarus duebeni(Lillj.)能將塑膠微粒,消化成奈米級塑膠微粒(nanoplastics)。研究也進一步提出這類生物消化塑膠微粒,將會是奈米級塑膠微粒產生的途徑之一。

議題背景

今(2020)年7月30日,一篇在《科學報告》(Scientific Reports)上的研究《Rapid fragmentation of microplastics by the freshwater amphipod Gammarus duebeni (Lillj.)》發現,甲殼類動物Gammarus duebeni(Lillj.)能將塑膠微粒,消化成奈米級塑膠微粒(nanoplastics)。研究也進一步提出這類生物消化塑膠微粒,將會是奈米級塑膠微粒產生的途徑之一。

為釐清小型甲殼動物消化塑膠微粒的機制,以及對海洋生態的影響,特別邀請專家學者回應。

本次議題相關新聞、報導:

來看看專家怎麼說。

陳德豪(國立海洋生物博物館副館長、國立東華大學海洋生物研究所教授)
2020年8月13日

一般來說,塑膠在環境中的破碎化通常是因為物理化學作用,例如紫外線照射、物理性磨損、氧化分解、以及微生物作用。但這樣的破碎速度很慢,單位通常是以年計算,在淡水生態系中則會更慢。

然而,今年7月剛發表的一篇論文指出,一種小型的淡水端足類甲殼動物(Gammarus duebeni)可以在四天之內將塑膠微粒,破碎成形狀大小不同的碎片(ref. 1)。

該研究發現,這種小型的淡水端足類生物可以吃進塑膠微粒,並快速消化為更小的奈米級塑膠微粒,但在實驗過程中並未觀察到致死效應,顯示在實驗條件下並不具有急毒性。該研究也發現,暴露時間和濃度增加,都會促進塑膠微粒破碎化;在暴露停止後的排空過程中,如果有食物的話也能促進塑膠微粒破碎化,顯示食物是塑膠生物破碎化過程中的重要因子。

事實上,2018年一篇關於南極磷蝦的研究,是首次發現微塑膠能藉由生物破碎化轉變成奈米級塑膠(ref. 2)。磷蝦數量龐大,是南極生態系中的關鍵物種,但微塑膠經由磷蝦的消化作用所產生的奈米級塑膠,會對生態產生何種影響,還不得而知。

目前只有這兩篇文獻,報導微塑膠藉由生物破碎化產生奈米級塑膠。然而,這些研究都是在實驗室,利用單一材質的微塑膠進行的暴露實驗。不同種類的塑膠因聚合物狀態不同,可能會有不同的破碎情形,因此還需要更多的研究來了解這些生物,在天然環境中對各種材質的微塑膠破碎情形。

端足蟲是淡水及海水生態系中廣泛分布的生物,他們的攝食構造具有剪切、研磨能力,這些研究顯示他們能快速增加微塑膠,甚至是奈米級塑膠碎片的數量。奈米級塑膠對生物本身的毒性資料相當缺乏,還需要更多研究去驗證。

從前在研究微塑膠的環境宿命模式中,並未考慮生物破碎化的影響。這兩篇研究結果顯示,這些都是在未來研究中需要考量的。

何攖寧(國立臺灣海洋大學海洋生物研究所助理教授)
2020年8月18日

海洋塑膠微粒(marine microplastics)已成為近十年來海洋環保重要議題,海洋塑膠微粒(小於五毫米的塑膠碎片或纖維)充斥海洋當中,然而塑膠微粒在水體環境中是如何轉換、傳遞、對於微環境的影響,以及是否會透過食物鏈進入到人體當中?這些問題都是現今科學家們關注且感興趣的議題。

塑膠微粒主要來源分為初級塑膠微粒(primary microplastics),以及次級塑膠微粒(secondary microplastics)(註1, ref. 3),據南京大學研究團隊估計一年約有120吉克(1 Gg, 1000公噸)的初級塑膠微粒廢棄物,進入到水體環境(ref. 4)。

而次級塑膠微粒,則來自於塑膠廢棄物在環境當中的自然崩解與分解,塑膠廢棄物在環境中以非生物性的方式(光照、潮汐、洋流等),隨著時間慢慢的崩解形成較小的碎片與顆粒(ref. 5),或透過生物性的方式在水體環境中被碎片化,塑膠表面的生物膜與附著生物改變微粒的密度,使其在水層中垂直傳播與分佈(ref. 6),這些塑膠微粒在環境中的動向對於生態的影響非常值得探討。

今年一篇由科克大學地球環境科學研究團隊,發表在《科學報告》(Scientific Reports)上的研究發現,淡水端足目生物Gammarus duebeni(Lillj.)可以快速的將聚乙烯(polyethylene, PE)碎片化(fragmentation),進而改變攝入塑膠微粒的形狀與大小,甚至可將塑膠微粒變為奈米級的微粒(558 nm- 1 µm)(ref. 7)。

科學家發現在端足目G. duebeni進食的時候,攝入的塑膠微粒被碎片化的現象最為明顯,在消化道當中,被碎片化的塑膠微粒佔全部塑膠微粒的65.7%。端足目G. duebeni在24~96小時內,就可以把塑膠微粒快速碎片化成更小的顆粒。此研究的結果指出,生物性消化碎片化(digestive fragmentation)的作用,可能在決定環境中塑膠微粒的命運上扮演著關鍵角色。

此研究的發現,意味著在自然界環境中,初級或是次級的塑膠微粒都有機會透過生物性的碎片化作用,變成更細微的奈米級塑膠微粒,此現象使得塑膠微粒更有機會進入到食物鏈當中。同樣是今年(2020)由葡萄牙波爾圖大學(University of Porto)研究團隊的研究報導指出,大約有32%的魚背肌肉(dorsal muscle)樣本,被發現有微小的塑膠微粒(< 150 µm)累積,微小的塑膠微粒是有機會進入魚肉組織中,並經由魚肉的攝取進入到人體當中(ref. 8)。

此外這些誤食塑膠微粒的端足目G. duebeni,透過消化系統所形成的奈米級塑膠微粒,若釋放到水體環境當中,將可能促進水體裡有機質的聚集(microgels)(ref. 9),在塑膠生物圈或是微生物圈帶來新的棲息環境。

註釋

  1. 初級塑膠微粒以微小柔珠顆粒或是纖維的形式(產品小於5毫米),直接釋放到環境當中,聚乙烯(polyethylene, PE)為柔珠相關產品中主要的成分之一,這些塑膠柔珠大多添加於清潔劑、化妝品或是洗護用品(洗面乳、沐浴露、磨砂膏等用品)。次級塑膠微粒則為較大的塑膠製品因暴露於自然環境當中,透過非生物性與生物性的方式變為小型的塑膠微粒,此類型的塑膠微粒,稱之為次級塑膠微粒。

參考資料

  1. Mateos-Cárdenas, A., et al., Rapid fragmentation of microplastics by the freshwater amphipod Gammarus duebeni (Lillj.). Scientific Reports, 2020. 10(1): p. 12799.
  2. Dawson, A.L., et al., Turning microplastics into nanoplastics through digestive fragmentation by Antarctic krill. Nature Communications, 2018. 9(1): p. 1001.
  3. Sundt, P, Schulze P-E,Syversen F, Sources of microplastic-pollution to the marine environment Mepex for the Norwegian Environment Agency, 2014. 86.
  4. Wang, T, Li B, Zou X, Wang Y, Li Y, Xu Y, et al., Emission of primary microplastics in mainland China: invisible but not negligible Water research, 2019. 162: 214-224.
  5. Ter Halle, A, Ladirat L, Gendre X, Goudounèche D, Pusineri C, Routaboul C, et al., Understanding the fragmentation pattern of marine plastic debris Environmental science & technology, 2016. 50(11): 5668-5675.
  6. Lagarde, F, Olivier O, Zanella M, Daniel P, Hiard S,Caruso A, Microplastic interactions with freshwater microalgae: hetero-aggregation and changes in plastic density appear strongly dependent on polymer type Environmental Pollution, 2016. 215: 331-339.
  7. Mateos-Cárdenas, A, O’Halloran J, van Pelt FN,Jansen MA, Rapid fragmentation of microplastics by the freshwater amphipod Gammarus duebeni (Lillj.) Scientific reports, 2020. 10(1): 1-12.
  8. Barboza, LGA, Lopes C, Oliveira P, Bessa F, Otero V, Henriques B, et al., Microplastics in wild fish from North East Atlantic Ocean and its potential for causing neurotoxic effects, lipid oxidative damage, and human health risks associated with ingestion exposure Science of the Total Environment, 2020. 717: 134625.
  9. Shiu, R-F, Vazquez CI, Tsai Y-Y, Torres GV, Chen C-S, Santschi PH, et al., Nano-plastics induce aquatic particulate organic matter (microgels) formation Science of The Total Environment, 2020. 706: 135681.

本文經新興科技媒體中心授權刊登,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航