关键词:
海洋生物毒素种类
季节特征
粒径分布
人体健康风险
影响因素
摘要:
海洋生物毒素能通过食物链富集引起鱼贝、哺乳动物、人体疾病,危害人体健康同时造成严重经济损失。近年来研究发现,海洋生物毒素也可气溶胶化进入大气环境,并通过呼吸暴露造成负面健康效应,比如引起人体上呼吸道应激反应,严重者会出现呼吸困难甚至死亡。然而,目前有关大气中海洋生物毒素的种类、浓度、粒径分布等信息尚不清楚,我国大气中海洋生物毒素的信息更加缺少。为获得我国沿海大气颗粒物上携带的海洋生物毒素信息,本研究于2019至2020年采集了青岛鳌山湾的沿海和内陆大气颗粒物样品,分析海洋生物毒素的种类、浓度和粒径分布,探讨影响这些大气海洋生物毒素的因素和潜在的来源。具体来说,本研究利用大流量生物气溶胶采样器HighBioTrap和安德森六级采样器采集沿海大气,同时采用无菌聚乙烯瓶收集同期海水,并利用生化分析方法酶联免疫法(Enzyme linked immunosorbent assay,ELISA)进行毒素分析。对于大气和海水样品,本研究分析了常见且具有显著毒性的八种毒素:短裸甲藻毒素(Brevetoxin,BTX)、大田软海绵酸(Okadaicacid,OA)、软骨藻酸(Domoicacid,DA)、河豚毒素(Tetrodotoxin,TTX)、西加毒素(Ciguatoxin,CTX)、石房蛤毒素(Saxitoxin,STX)、扇贝毒素(Pectenotoxin-2,PTX-2)和芋螺毒素(ω-Conotoxin)。本论文通过对比分析海洋生物毒素的年际、季节和日变化特征,探讨了海洋环境因素(海水中的产毒藻和产毒细菌、海水水温、海水中的海洋生物毒素和叶绿素a)和大气环境因素(大气中的产毒藻和产毒细菌、温度、相对湿度、光照、常规大气污染物和风速风向)对单一海洋生物毒素颗粒物的影响机制,揭示了沿海大气中海洋生物毒素的主要来源。研究结果显示,沿海大气颗粒物上的海洋生物毒素的浓度在0.22pg/m3-205.24 ng/m3范围,其中最高的是ω-芋螺毒素,最低的是短裸甲藻毒素。而且,大田软海绵藻酸、软骨藻酸、河豚毒素、石房蛤毒素、扇贝毒素和ω-芋螺毒素是全球首次在大气样品中检测到的毒素种类。通过对比分析海洋生物毒素的年际、季节和日变化特征,我们发现沿海大气中的海洋生物毒素的季节变化最为显著,短裸甲藻毒素、大田软海绵藻酸、河豚毒素、扇贝毒素和ω-芋螺毒素的最高浓度都出现在夏季,软骨藻酸的最高浓度出现在初春,而西加毒素的最高浓度出现在冬季。此外,大气中的海洋生物毒素在白天和夜间的粒径分布大致相同。软骨藻酸、河豚毒素、扇贝毒素和ω-芋螺毒素的空气动力学直径范围为4.49-6.86 μm。为评估大气颗粒物上的毒素引起的呼吸暴露风险,本研究通过暴露呼吸评价模型计算呼吸沉降通量(Respiratory Deposition Flux,RDF)发现,大部分(高达75%)大气海洋毒素可在头部气道区(Head Airway,HA)沉积。而且,有53.4%的海洋生物毒素细颗粒被吸入并沉积在肺泡区域(Alveolar Region,AL)中,这种细颗粒的沉积可能导致肺功能下降并威胁人类呼吸系统健康。通过对比海水和大气中的毒素浓度,我们发现沿海大气中海洋生物毒素和海水中的同类毒素在不同季节和不同时间段的比值较为稳定。除ω-芋螺毒素外,其他毒素的空气/海水比值范围介于1×10-6%至4×10-6%。本研究通过实验室模拟和环境实测数据发现,大部分海洋生物毒素颗粒物浓度与温度呈正相关,且风向也能促进一个地区的毒素水平。此外,这项工作还证明了悬浮在海水表面的产毒藻类和细菌直接释放毒素是沿海大气中海洋生物毒素的主要来源方式。相比于已有的研究,本工作较早地对中国北方沿海大气中的海洋生物毒素进行研究,揭示了我国沿海大气颗粒物中海洋生物毒素信息,较为系统地分析了八种海洋生物毒素的日变化、季节变化和年度变化特征,通过对比海洋和大气环境因素条件,探讨了大气海洋生物毒素的影响因素与作用机理,揭示了八种海洋生物毒素在沿海大气中的粒径分布并评估了它们能对人体呼吸系统的潜在健康影响。本论文为沿海大气颗粒物的毒性评估提供了新的视角,也为沿海地区的公共卫生提供了重要的理论参考。