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老化对微塑料理化性质、环境过程和毒性效应的影响

王誉龙 ,  李玥 ,  王丰邦 ,  宋茂勇

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (1) :46-58

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化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (1) :46-58 DOI: 10.7536/PC240707
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老化对微塑料理化性质、环境过程和毒性效应的影响

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The Impact of Aging on the Physicochemical Properties, Environmental Processes and Toxic Effects of Microplastics

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摘要

微塑料污染已成为全球关注的重大环境问题。环境中的微塑料可在多种条件下发生老化。老化过程会改变微塑料的物理和化学性质, 从而导致其环境行为和毒性效应发生变化。因此,探究微塑料的老化过程与作用机制,对认识微塑料的环境过程和健康风险具有意义。本文围绕环境中微塑料的老化过程,从老化方式、影响因素、与污染物的相互作用、化学物质的释放以及毒性效应的改变进行综述,并对目前微塑料老化研究中存在的挑战和未来的研究方向进行了展望。

Abstract

Microplastic pollution has become a major environmental issue of global concern. Microplastics can undergo aging under various environmental conditions. The aging process will change the physical and chemical properties of microplastics, thereby leading to changes in their environmental behaviors and toxicities. Therefore, exploring the aging process and mechanism of microplastics is of significance for understanding the environmental processes and health risks of microplastics. This article focuses on the aging process of microplastics in the environment and reviews it from the aspects of aging pathways, influencing factors, interactions with pollutants, release of chemical substances, and changes in toxicities. It also looks forward to the existing challenges and future research directions in the current studies on microplastic aging.

Contents

1 Introduction

2 Pathways of microplastics aging

2.1 Physical aging of microplastics

2.2 Chemical aging of microplastics

2.3 Biological aging of microplastics

2.4 Artificial aging of microplastics

3 The factors influencing microplastics aging

3.1 The impact of physical and chemical properties on microplastics aging

3.2 The impact of environmental conditions on microplastics aging

4 The impact of aging on microplastics

4.1 The impact of aging on the physical and chemical properties of microplastics

4.2 The impact of aging on the interaction between microplastics and pollutants

4.3 The impact of aging on the release of chemicals from microplastics

4.4 The impact of aging on the toxicities of microplastics

5 Conclusions and perspectives

Graphical abstract

关键词

微塑料 / 老化 / 影响因素 / 污染物负载 / 添加剂浸出 / 毒性效应

Key words

microplastics / aging / influencing factors / pollutants loading / additives leaching / toxic effects

引用本文

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王誉龙, 李玥, 王丰邦, 宋茂勇. 老化对微塑料理化性质、环境过程和毒性效应的影响[J]. 化学进展, 2025, 37(1): 46-58 DOI:10.7536/PC240707
Yulong Wang, Yue Li, Fengbang Wang, Maoyong Song. The Impact of Aging on the Physicochemical Properties, Environmental Processes and Toxic Effects of Microplastics[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(1): 46-58 DOI:10.7536/PC240707

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1 引言

塑料被广泛应用于农业、工业、建筑以及人们日常生活等各个领域。2019年全球塑料年产量已达4.6亿吨,并呈现出逐年增加的趋势。经济合作与发展组织预测,2060年全球塑料制品年产量将达到12亿吨[1]。然而,由于生产、使用及管理等问题,大量塑料制品进入环境成为“白色污染”。数据显示,仅有9%的塑料垃圾被回收利用,19%的塑料垃圾被焚烧,近50%的塑料垃圾进入填埋场,剩余22%的塑料垃圾则被弃置和散落在环境中[1]。据估计,到2050年,约有120亿吨的塑料垃圾存在于垃圾填埋场或自然环境中[2]。

环境中的塑料在一定条件(拉扯、挤压、摩擦、紫外照射、生物等)下会破碎成为尺寸更小的碎片和颗粒。科学家把这些小于5 mm的塑料碎片或颗粒称之为微塑料。微塑料还可以进一步产生尺寸更小的颗粒,尺寸小于1 µm的塑料颗粒通常被称作纳塑料[3-4]。微塑料在环境中无处不在,人们在土壤、水体、大气、生物体中都发现了微塑料的存在[5-6]。2015年第二届联合国环境大会上,微塑料污染被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题,这使得其成为与全球气候变化、臭氧耗竭等并列的重大全球环境问题。研究表明,人或者其他生物体可通过食物、饮水、呼吸等暴露途径摄入微塑料并产生潜在的毒性效应,包括免疫毒性、遗传毒性、发育毒性、神经毒性及氧化应激等[7-8],且可能增加人体患上非传染性疾病的风险[9]。

环境中的微塑料可在机械力、光照、高温及微生物等作用下发生老化[10]。老化会改变微塑料的物理化学性质,包括粒径大小、形状形貌、表面基团以及元素组成等。长期以来,塑料被认为是一种惰性物质。老化会使微塑料的性质变得活泼,不仅会影响其在环境中的迁移转化过程,还会影响其与环境中其他物质(如重金属等污染物)的相互作用[11]。此外,老化还会导致微塑料中添加剂及中间体的浸出,增加其毒性效应和生态风险[12-13]。

微塑料的种类繁多,根据塑料类型可划分为聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚酯纤维(polyester,PET)、聚酰胺(polyamide,PA)、聚氨酯(polyurethane,PU)、聚乙烯(polyethylene,PE)和聚苯乙烯(polystyrene,PS)等。因此,不同种类的微塑料老化的过程和影响因素也不尽相同。本文综述了近年来微塑料老化方面的研究工作,以期深入了解微塑料老化的过程和特征,特别是老化对其理化性质和毒性效应的影响。

2 微塑料老化方式

环境中微塑料的老化过程可以分为物理老化、化学老化和生物老化(图1)。

2.1 微塑料的物理老化

环境中的微塑料在各种力的作用下可以破碎成粒径更小的颗粒,当微塑料破碎后的尺寸在纳米尺度时就形成了纳米塑料[14]。这些作用力包括波浪、湍流等产生的剪切力和拉伸力,也包括岩石、土壤等产生的摩擦力,以及颗粒之间的碰撞力[15]。对海滩上的微塑料进行采样分析后发现,碰撞使得微塑料颗粒变为近圆形,这一物理老化的过程也是微塑料表面纹理产生的重要因素[16]。物理老化是海洋环境中微塑料的主要碎裂途径,所产生的小尺寸塑料颗粒更容易抵达开放水域[17]。物理老化也广泛发生在人类日常生活中,布料、食品包装、防护设备和护理产品等可通过物理老化过程产生大量的微塑料[18⇓⇓-21]。当微塑料进入污水处理厂后,在机械应力作用下可进一步碎裂。研究发现,当能量密度为100 kJ∙L-1时,四叶式机械叶轮可将200 μm左右的微塑料分解为粒径100 nm左右的纳塑料颗粒[22]。

2.2 微塑料的化学老化

紫外线、高温、活性氧(ROS)等作用可使微塑料发生化学老化。

光老化是微塑料化学老化的重要途径,特别是紫外照射对微塑料的老化作用尤为明显[23]。如式1~7所示,微塑料碳链中的化学键可吸收光能产生自由基,这些自由基与氧气反应进一步生成过氧自由基导致链断裂或交联,最终生成更加惰性的产物[23-24]。

Initiator → R i ⋅
R i ⋅ + O 2 → R i OO ⋅
R i OO ⋅ +RH → R i OOH+R ⋅
R ⋅ + O 2 → ROO ⋅
ROO ⋅ +RH → ROOH+R ⋅
R ⋅ +R ⋅ → R − R
R ⋅ +ROO ⋅ → ROOR

对于海水中的微塑料,紫外光老化抑制了疏水性微塑料PE及聚四氟乙烯(PTFE)的垂直迁移,但促进了亲水性微塑料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的垂直迁移[25],因此导致了不同浸润性的微塑料在水体环境中长期行为的不同。

热老化是微塑料化学老化的另一种重要途径。与光老化的原理相似,高温使得微塑料分子链间的化学键解离,随着聚合物链断裂生成自由基并开始氧化作用(式8~15)[23,26]。

( R ) n − R → ( R ) n − R ⋅
( R ) n − R ⋅ → ( R ) n − 1 − R ⋅ + R
R ⋅ + R ⋅ → R − R
R ⋅ + R O ⋅ → R O R
R ⋅ + R O O ⋅ → R O O R ⋅
R O ⋅ + R O ⋅ → R O O R
R O ⋅ + R O O ⋅ → R O R + O 2
R O O ⋅ + R O O ⋅ → R O O R + O 2

有研究将热处理(较高温度)用于缓解污泥中的微塑料污染[27]。Sun等[28]的研究结果表明,当温度达到500 ℃时,污泥中的微塑料含量由550.8~960.9 particles∙g-1降低至1.4~2.3 particles∙g-1,且未检出粒径介于10~50 μm之间的塑料颗粒。

ROS被认为是微塑料化学老化的关键因素。ROS能够从聚合物链中提取H原子或电子而引发链反应,进而导致聚合物链的碎片化(式16~19)[26,29]。

R H → R ⋅
R ⋅ + O 2 → R O O ⋅
R O O ⋅ + R H → R O O H + R ⋅
R O O H → R O ⋅ + H O ⋅

研究发现,在ROS的作用下,含有不同类型塑料的雨水设施可释放大量的微塑料颗粒,且老化时间与微塑料释放量呈正相关[30]。在紫外光条件下,溶解性有机质(DOM)可促进电子传递而产生ROS,进而加速微塑料的老化[31]。

高级氧化技术(AOPs)因产生大量的活性物质(例如•OH)而在微塑料降解方面发挥了关键作用。这些活性物质能够将微塑料分解为小分子中间体,甚至能够进一步降解为CO2和H2O[32]。Fenton氧化是一种常见的AOP[33]。Duan和Wang等[34]采用水热耦合Fenton体系对超高分子PE进行分解,PE的16 h失重率达到95.9%,12 h矿化率达到75.6%,该过程中有大量的•OH产生(式20~21)[33]。

F e 2 + + H 2 O 2 → F e 3 + + H O ⋅ + O H −
F e 3 + + H 2 O 2 → F e 2 + + H O O ⋅ + H +

除了Fenton氧化外,光催化也在塑料降解领域备受关注。在光催化中,半导体从光源吸收能量并被激发,产生•OH和•O2-等ROS(由H2O生成),这些ROS可使微塑料发生断裂、交联等反应,并最终将其降解为CO2(式22~28)[35-36]。

Photocatalyst + h υ → h V B + + e C B −
O 2 + e C B − → ⋅ O 2 −
⋅ O 2 − + H 2 O → H O O ⋅ + O H −
2 H O O ⋅ → O 2 + H 2 O 2
H 2 O 2 + h υ → 2 H O ⋅
h V B + + H 2 O → H O ⋅ + H +
R H + H O ⋅ + ⋅ O 2 − → C O 2 + H 2 O + O t h e r   p r o d u c t s

电催化作为另一种AOP技术,则是通过在电极表面施加电场,加速电荷在电极与电解质界面上的转移,进而促进微塑料的降解[37]。此外,多种技术的组合可以产生更有效的效果。光催化中存在易形成CO2、纳塑料和有机物的复合物而导致产物的选择性较低[38],而电催化效率则受限于塑料的疏水表面[39]。通过光催化和电催化技术的组合(即利用光能驱动电催化反应的光电催化技术),则可以获得高效率、高选择性、可持续性的微塑料降解[37,39]。Espinoza- Montero等[40]通过光电催化技术,采用TiO2改性的硼掺杂金刚石光阳极,在10 h内6.89 mA∙cm-2的 电流密度下,实现了对水中高密度聚乙烯(HDPE)微塑料89.91%± 0.08%的高降解效率。

2.3 微塑料的生物老化

细菌、真菌、藻类等微生物在自然界广泛存在。微塑料不仅为微生物提供了定殖和生长的场所[41-42],还可提供用于微生物生长的碳源[43-44]。微塑料的生物老化大致可分为定殖、解聚、同化、矿化等过程[45]。微生物可附着在微塑料表面生长繁殖[46],并释放用于解聚微塑料的细胞外酶,生成低分子量的低聚物、二聚体甚至单体[47]。微生物通过同化及矿化作用将这些低分子聚合物代谢转化为CO2、H2O等物质[48⇓-50]。微塑料的生物老化为微塑料污染的修复提供了思路。与其他微生物相比,真菌具有较强的吸附、定殖、存活能力以及分泌多种降解酶的能力,因此在微塑料降解方面具有更出色的性能[51]。但是,微塑料的生物降解可能是一个长期且缓慢的过程。例如,PE的微生物降解在腐殖质湖水中需要100~200 yr,在清湖水中需要300~4000 yr,而在人工淡水中则需要2000~20 000 yr[52]。但是,微塑料的生物老化过程也可能会产生大量的粒径更小的微/纳塑料。Shao等[53]的研究表明,海洋细菌Alcanivorax xenomutans和Halomonas titanicae在降解PS微塑料的同时会分解产生大量的微/纳米塑料,从而可能加剧海洋中微纳塑料的污染。

一些昆虫及浮游动物也可以参与微塑料的生物老化。在经过Chironomus sancticaroli幼虫的作用后,PS微塑料的平均粒径能够从24.5 μm变小到16.4 μm,这可能是幼虫体内的消化酶及共生细菌、PS微球与沙子在消化道内的摩擦等共同作用导致了微塑料的降解[54]。此外,在黄粉虫[55]和蚯蚓[56]体内也存在类似的案例。一些浮游动物,例如南极磷虾(Euphausia superba)[57]和轮虫[58]则能够将微塑料转化为纳米塑料。值得注意的是,生物老化的微纳塑料因其表面携带的生物冠而使得颗粒具有特殊的理化性质,这可能会导致更强的潜在健康危害和生态风险[59]。

目前,生物降解塑料正成为传统塑料的绿色替代品。生物降解塑料指能够通过酶及微生物的作用而转化为CO2、H2O、CH4和生物质的塑料,包括了聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚乳酸(PLA)及聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)等[60]。与传统微塑料相比,生物降解塑料在环境中可能更容易降解为微纳塑料并释放添加剂,且这些微塑料的表面含有更多的含氧官能团而能更好地负载污染物[61]。在微生物定殖方面,不可降解塑料表面负载的生物量低于可降解塑料,但负载的细菌和真菌却更多样化[62]。

2.4 微塑料的人工老化

微塑料的自然老化是一个复杂且动态的过程,大多数环境条件下多种老化作用会同时发生,且受到时间、气候及地理位置等错综复杂因素影响[63]。除了这些难以控制的因素之外,自然老化的实验周期较长[64]。因此,研究人员通过实验室的人工模拟条件探究特定因素对微塑料老化的影响。

常用的人工老化技术包括光照、化学氧化等[63]。与几十年甚至上百年的自然老化相比,人工老化会使得微塑料在短短几天或几个月内产生显著变化,极大地加速了老化进程[65]。在Freitag等[66]的研究中,实验室辐射强度是中欧平均辐照强度的5.2倍,因此实验室200、400及600 h的老化时间所对应的自然老化时间分别为43、86及130 d。虽然实验室模拟并不能完全反映微塑料的自然老化行为,但可以用来评估及预测微塑料的周期和过程[64]。通过多种条件的耦合可以尽量弥补人工模拟和自然条件的差距。例如,Briffa等[67]构建了一个试验箱,通过调节紫外辐照、曝气及温度等参数模拟了地中海海岸的真实老化环境。

3 影响微塑料老化的因素

微塑料的老化过程受到多种因素的综合影响,主要包括微塑料本身的物理化学性质和环境条件(图2)。

3.1 微塑料物理化学性质对老化的影响

微塑料的物理性质包括颗粒大小、结晶度及颜色。与大尺寸的微塑料相比,小尺寸的微塑料因具有较大的比表面积而更容易被氧化。Gu等[68]的研究表明,粒径越小的PVC光老化的速率越高。但是,Paik和Kar[69]的研究表明,小尺寸的PE纳米塑料由于其较高的结晶度及较低的熵,其老化过程更为困难。

微塑料的结晶度反映了其结晶区域的比例,根据微塑料分子链的排列可分为结晶相、半结晶相及非晶相[70]。一定程度的结晶度会使微塑料更为坚韧,但过高的结晶度会使微塑料的弹性降低及脆性增加[71],这使得其在自然磨损的过程中更容易碎裂为小颗粒[72]。

微塑料的颜色也会影响其老化。波长较长的红色或黄色颜料可吸收能量较高的短波长光,而波长较短的蓝色颜料则吸收能量较低的长波长光。塑料颜色波长越长,光吸光度越强,紫外线透射率越低,光老化速率越低。因此,红色塑料的碎片通常比蓝色塑料的碎片大[73]。此外,颜色还可能影响微生物在微塑料上的定殖。例如,定殖于蓝色微塑料的生物膜比定殖于透明或黄色微塑料的生物膜具有更高的功能多样性[74],而这种不同程度的定殖则会进一步影响微塑料的生物老化。

与以O原子、N原子及其他原子为主链的微塑料相比,以C原子为主链的微塑料更难以被老 化[75-76]。例如,PE的骨架链是由不易水解的C—C单键组成,由于缺乏紫外可见光谱中的发色团而难以被光氧化降解[77],在自然环境中可以长时间存在。不同分子组成的微塑料具有不同的浸润性,微生物难以在高疏水的微塑料表面形成生物膜,进而抑制其对微塑料的降解[78]。微塑料在老化过程中释放的添加剂可能会对其降解而产生一定的促进作用。Rivaton和Sleiman等[79]的研究结果表明,含有溴代阻燃剂(BFRs)的PS薄膜比纯PS薄膜具有更高的光老化速率,且BFRs的添加还改变了PS的降解机理,生成了14种溴化光产物。

3.2 环境条件对微塑料老化的影响

环境条件能够对微塑料的老化产生显著影响(如表1所示)。光照的强度和波长对微塑料老化的影响十分显著。研究发现海滩沉积物中存在着来源相似的微塑料,但因受到不同强度的光照而具有不同的老化程度[80]。当PVC置于不同波长的紫外光下时,UVC辐照下的PVC光老化效率大于UVA及UVB条件下的光老化效率,且UVC辐照下产生的ROS强度和浸出毒性最大[81]。

氧气参与了微塑料老化过程中ROS的生成,可有效地促进微塑料的老化[82]。在PVC的光老化过程中,好氧条件下释放的Cl-浓度大于其在缺氧条件下释放的Cl-浓度[68]。Zhou等[83]认为,在缺氧-好氧的交替下,沉积物中PS的老化程度大于其在静态好氧及静态缺氧下的老化程度,其原因是缺氧-好氧的条件下沉积物中有更多ROS的产生。在微塑料的生物老化中,氧气作为微生物酶的电子受体能够影响微生物的代谢[84-85];在缺氧条件下,还原剂的加入则能够促进微塑料的快速老化[86]。

温度能够通过影响微塑料分子链反应动力学过程而影响其老化速率[87],并在一定温度的条件下影响添加剂及其他物质的释放[88]。在污泥的过硫酸盐和水热共处理中,温度升高导致了PP微塑料的熔融变形以及粗糙度和结晶度的变化,加剧了PP的老化[89]。此外,温度可以通过影响酶活性以及微生物的群落结构而影响微塑料的生物老化。Zhou等[90]的研究结果表明,超嗜热堆肥(70 ℃)对PS的降解效率为7.3%,是传统嗜热堆肥(40 ℃)条件下的6.6倍,其原因是高温下提升了Thermus、Bacillus及Geobacillus等微生物的氧化性能。

微塑料在环境中的老化还受其他环境因素的影响。与低盐度相比,高盐度更能促进在含有腐植酸(HA)溶液中的PS微塑料的光老化[91]。Cl-及Br-等卤素离子可显著影响微塑料的光老化过程[92-93],但无机离子对微塑料老化的影响比较复杂,其可能参与微塑料光老化过程中的自由基反应[94]。环境pH则可以通过干扰微生物的活性而影响微塑料的老化过程,微碱性的土壤中可能有利于微生物的生长,进而促进PE的老化[95]。较低的pH能够促进海水浸泡过的PE聚合物键的弱化,进而使其扭曲、消融和剥落[96]。当对模拟海水中的微塑料进行光老化时,pH的降低会促进微塑料的老化,但其老化效果因聚合物的种类而异[97]。环境中的有机物,如透明质酸和维生素C能够促进·OH的产生,进而促进了PS微塑料和纳米塑料的光老化[98]。HA和黄腐酸(FA)可以通过清除ROS[99]或阻碍紫外光达到微塑料表面[82]而抑制微塑料的老化。但也有研究表明,低分子量的FA(FA< 1 kDa)因具有较强的氧化还原能力及电子供体能力而能促进PS微塑料的光老化[100]。一些农药,例如百草枯则可以通过生成超氧化物而加速PE的老化[101]。环境中的其他物质,如黄铁矿[102]、高岭土及蒙脱石[103-104]等矿物的存在可以促进微塑料的老化。

4 老化对微塑料的影响

4.1 老化对微塑料物理化学性质的改变

老化可以显著改变微塑料的尺寸、形貌及表面特征。当PS在O3条件下进行老化后其平均粒径可降至老化前的一半[105]。低密度聚乙烯(LDPE)及PP经过60 d的光老化后,表面出现了泥浆样裂缝及平行裂缝,并在PP表面裂纹之间观察到了PP碎片[106]。在模拟海滩环境的条件下,紫外光和沙粒磨损的协同作用会导致微塑料主链上C—C及C—H键的解离,进一步导致微塑料变脆而产生裂缝[107]。老化也会对微塑料的颜色产生影响,PS在紫外光老化过程中会由白色变为黄色[108]。苯乙烯-丁二烯-橡胶微塑料(mSBR)在紫外老化之后,其光滑的表面变得粗糙,且颜色由近白色变为黄色,老化时间越长则颜色越深[109]。微塑料老化前后颜色变化的原因可能是其中的热稳定剂(如酚类抗氧化剂)变为了醌类有机物等黄色物质[110],也可能是与多烯链长度的变化和光漂白之间的竞争有关[111]。

老化会改变微塑料元素及表面官能团组成。PVC经H2O2老化后,其Cl元素的含量增高,Ca及O元素的含量降低[112]。PP经紫外灯辐照后,其O元素的质量百分比由2.80%增加到20.95%[113]。在官能团方面,老化可使微塑料表面产生羟基、羰基及醛基等含氧官能团,这些含氧官能团的增加会增强微塑料的亲水性[114]。PS经紫外照射后,其表面含氧官能团增加[115]。mSBR在紫外光照射下,其表面的C—H键发生解离并形成电子空位,随后进一步被氧化为羟基和羰基[109]。微塑料在不同老化途径中所导致的官能团变化不同。在PE分别经过光老化和热老化后,其形成的氧化产物(酮类、羧酸及酯类等)的浓度不同,这是由于光老化时,发生的Norrish反应导致酮类转化为新的不饱和基团; 而在热老化中,Norrish反应的缺乏则导致了酮类的积累[116]。此外,热老化不一定能显著影响微塑料的结构。Esterhuizen等[117]在70 ℃下对聚碳酸酯(PC)进行了长达160 d的热老化,但微塑料的结构并未产生明显变化。

4.2 老化对微塑料污染物负载能力的影响

微塑料可作为环境中多种污染物的载体,其中涉及的相互作用包括疏水作用、静电作用、氢键、范德华力及π-π作用等[118]。研究发现,微塑料表面的化学污染物浓度是周围水体中的六倍[119]。老化过程改变了微塑料表面的理化性质,进而影响其对污染物的负载能力。

微塑料对重金属的吸附作用主要包括物理吸附、配位、静电吸引、疏水作用、阳离子-π键相互作用等[120-121]。老化后的微塑料比表面积增大、易形成表面负电荷、亲水性增加,这些条件的改变可能有利于重金属的吸附。光老化后的PA、PS及PE对Cr(Ⅵ)的平均饱和吸附量分别从730.69、146.11及75.61 μg∙g-1增加到了736.31、318.75及136.78 μg∙g-1,这主要得益于老化后静电相互作用的增强[122]。Fenton或H2O2老化能够显著增强PS对Cd2+的吸附能力,其主要原因是老化后的PS表面暴露出了更多的Cd2+吸附位点。Lin和Lan等[123]的研究表明,O3老化增加了微塑料表面的亲水性及负电荷,因此其对Hg(Ⅱ)的吸附能力比未老化的微塑料提高了4~20倍。Tan等[124]研究了湘江中自然老化的微塑料对Pb(Ⅱ)的吸附。结果表明,老化微塑料表面上的有机膜在Pb(Ⅱ)的吸附中起到了重要作用,这些有机膜富含羧基和羟基等含氧官能团,能够通过静电力吸附Pb(Ⅱ)。Breider等[125]比较了O3、太阳光模拟器和湖泊老化的PS对Cu的吸附。湖泊老化PS的氧化程度最低,但是对Cu的吸附能力却最高,这可能是因为湖泊中的Si、Al、Mg及Fe等元素沉淀在PS表面从而形成了有利于吸附Cu的金属氧化物。

微塑料可通过疏水作用、表面配位作用、范德华力、氢键和π-π作用等与有机物发生相互作用,其中疏水作用占主导地位[121]。一般来说,老化后微塑料表面形成的含氧基团不利于其对疏水性有机污染物的吸附。Junck等[126]的研究表明,老化后的PE疏水性降低并在表面形成了负电荷位点,因此降低了对疏水性除草剂特丁津的吸附能力。Li等[127]比较了PE、PS及PA三种微塑料对盐酸左氧氟沙星(LEV)的吸附,研究发现PA对LEV的吸附能力最强,这得益于PA与LEV的极性-极性相互作用以及PA的酰胺基与LEV的羰基之间所形成的氢键。光老化显著增强了三种微塑料对LEV的吸附,特别是PS老化后对LEV的吸附增强最为显著,这是因为老化后PS表面产生的褶皱及裂纹提供了大量的LEV吸附位点,并增强了PS中苯环与LEV的π-π相互作用。Liu等[128]研究了湖水培养的PE微塑料对盐酸四环素(TC-HCl)和头孢氨苄(CFX)的吸附。PE对两种抗生素的吸附速率与表面扩散、粒子内扩散和膜扩散过程有关。湖水老化的PE表面上存在较多的生物膜,这些生物膜通过增大比表面积、产生C=O基团及降低表面Zeta电位等方式增强了微塑料对抗生素的吸附。Kang等[129]将PP暴露在空气中并在阳光下进行老化。与未老化的PP相比,老化的PP由于具有更大的比表面积、更多的含氧官能团和吸附位点,以及更强的氢键作用,进而表现出更强的壬基酚吸附能力。

4.3 老化对微塑料中化学物质释放的影响

添加剂是在塑料生产过程中人为添加的化学品,其目的是提高塑料产品的质量及性能,以抵抗O3、微生物、辐射及湿度等对塑料产品的影响[130]。常用的添加剂包括邻苯二甲酸酯(PAEs)、双酚A(BPA)、金属以及其他化合物等。微塑料老化过程中各种添加剂会伴随着其聚合链的断开而释放到环境中或进入到生物体中(图3)[131]。

微塑料释放重金属的研究大多集中于PET、PVC、PP、PE及PS等材料,其中PVC释放的重金属较多(Ca、Cu、Zn及Sb的浓度较高)[132]。在PVC的H2O2化学老化过程中,Cr、Ni、Pb、Cu、Zn、Cd和Mn等多种金属的释放量随着H2O2浓度的升高而增加[112]。Qu等[133]对含Cd颜料的PP中Cd2+的释放开展了研究。在黑暗条件下,2.00~3.50 mm的PP几乎不释放Cd2+,粒径 <0.15 mm的PP释放了少量Cd2+; 在模拟阳光条件下,粒径 < 0.15 mm的PP则释放出了大量的Cd2+,这些Cd2+源于光生空穴与颜料晶格的反应导致的颜料光溶解。Liu等[134]研究了模拟紫外光、自然光和自然水体中微塑料的老化过程。在模拟紫外光条件下,微塑料中的Zn浓度随老化时间的增加而降低,更倾向于浸出重金属。但是,Zn浓度在自然光和自然水体老化的微塑料中呈现出明显的波动,这是由于微塑料在光、水及微生物的老化作用下释放重金属的同时,表面形成的生物膜对重金属具有一定的吸附作用。

微塑料老化过程中也常伴随着有机污染物的释放。当废阴极射线管塑胶外壳被置于含有腐殖质的溶液中时,塑料渗滤液中多溴联苯醚(PBDEs)的浓度介于14~200 μg∙L-1(尽管PBDEs具有相对疏水的物理化学性质)[135]。在PS微塑料的紫外光/过碳酸钠高级氧化过程中,检测到了苯乙烯、苯乙酮、苯甲醛及乙酸等15种氧化中间体[136]。Lin等[137]研究了PS和PE的氯老化过程,研究发现这些微塑料释放的有机物具有形成消毒副产物的潜力。PS老化过程中有机物的释放更为显著,这可能是由于PS的耐氯性更低导致氯化时微塑料颗粒的碎裂促进了有机物的释放。另一种原因可能是PS和PE中添加剂的不同,因为微塑料中抗氧化剂的缺乏会加速有机物的释放[138]。一些微塑料中含大量的有机磷酸酯(OPEs),Xiao等[139]认为 > 60%的OPEs(甚至98%的极度疏水的OPEs)会留在聚合物中并在长时间内缓慢释放。Hong等[140]在韩国海湾中开展了发泡聚苯乙烯(EPS)在黑暗/光照室老化以及漂浮于海面的海水老化实验,比较了六溴环十二烷(HBCCDs)的浸出情况。暴露7 d后,黑暗舱室中的EPS有37%的HBCCDs浸出,光照舱室中的EPS则有49%的HBCDDs浸出。海面海水老化过程中,在紫外光、温度、微生物及海浪震荡等多种因素的影响下,导致了61%的HBCDDs从EPS中浸出。

目前对生物老化过程中微塑料的化学物质释放研究仍然有限,特别是微塑料表面生态冠的作用。例如,微塑料表面生物膜既有可能作为屏障可影响添加剂的浸出,也可能利用塑料作为碳源,通过加速微塑料的生物降解而增加化学物质的释放[141]。此外,添加剂浸出还可以进一步影响微塑料和环境微生物之间的交互作用,导致微塑料中化学物质的释放过程更加复杂。

4.4 老化对微塑料毒性效应的影响

研究表明,微塑料会引发代谢紊乱、炎症发生、氧化应激、细胞凋亡等多种毒性效应[142-143]。经过老化后,微塑料的物理化学性质发生了改变,进而导致了其毒性效应的变化。老化微塑料所产生的毒性效应可分为: 微塑料本身的毒性效应、负载其他环境污染物所产生的复合毒性效应,以及老化释放的添加剂和中间体的毒性效应(图4)。

微塑料的尺寸大小在生物摄取中起到了关键作用。例如,1 μm是甲壳类动物胃过滤器截获微塑料的常见尺寸[144],而11~700 μm的微塑料则可能易被端足类动物摄入[145]。Vroom等[146]的研究表明,在PS微塑料经过自然海水老化后,其被海洋浮游生物摄取的比例和速率高于未老化的PS,这可能是由于老化后的PS表面形成了生物膜(可能与浮游生物所摄食的生物中存在相似的物质),进而增加了微塑料被摄取的可能性。微塑料的老化也会影响其在生物体中的转运、赋存和代谢过程。例如,微塑料粒径大小在一定程度上决定了其在各器官中的生物分布特征,通常认为粒径更小的塑料颗粒更容易传输到更多的器官和更容易渗透到细胞之中[147]。Zou等[148]将PA微塑料在含有HA和FA的水溶液中进行光老化处理,结果表明,老化后的PA主要通过其改变的物理化学性质而非浸出物的作用机制加剧了对斑马鱼的毒性效应。未老化的PA主要分布在斑马鱼肠道中,而老化后的PA在肠道、胰腺和肝脏中均能检测到,这可能是由于老化后形成的较小尺寸的纳塑料更容易穿过生物体的肠膜。此外,老化后的PA不仅导致了斑马鱼体长和体重的减少、肠道结构和功能损伤、肠道中ROS水平的增加及氧化应激的增强,还下调了与甘油三酯再合成和运输的基因(cd36、dgat1a及dgat2等),从而干扰脂质代谢。此外,微塑料表面的官能团变化也能对其毒性效应产生影响。老化PS导致了A549肺细胞的细胞核显著减小、F-肌动蛋白结构被破坏、基础糖酵解率增加以及单层屏障的完整性降低等[149],该效应可能与紫外老化后PS微塑料表面的C—O键和羧基含量增加有关。Wang等[150]研究了老化PS、PS-NH2、PS-COOH和PMMA对球等鞭金藻(Isochrysis galbana)的毒性效应。在老化后,PS对球等鞭金藻产生了较大的危害(如增加氧化应激、抑制生长和改变能量代谢等),PS-NH2和PS-COOH由于官能团脱落而对生物的毒性较小,而PMMA由于其自身的结构以及其中含有的高浓度增塑剂而存在较强的老化抗性。

老化后的微塑料可以负载更多的环境污染物,进而对生物体产生联合毒性。Wang等[151]的研究表明,老化后的PE能够导致枝角目生物Moina monogolica消化道的内部磨损和机械损伤,且PE携带的Cd可能在生物的消化道内释放,通过细胞内的分子靶点产生更高的毒性效应。这种复合暴露不仅影响了生物体的繁殖,还会造成后代的营养不良(例如蛋白质、碳水化合物和脂质的含量降低)甚至死亡。类似地,老化后的PE负载Ag的复合物对浮萍(Lemna minor)和水蚤(Daphnia magna)的毒性效应均强于老化PE单独的毒性效应,该毒性效应主要是由于复合物中Ag的释放(特别是在酸性介质中)而不是PE本身[152]。值得注意的是,这种联合暴露有时也不一定会产生协同毒性效应。例如,光老化的PET和Pb2+在单独暴露时均可抑制小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的生长繁殖(分别引起物理胁迫和化学胁迫)。当二者共存但未吸附时,能够抑制小球藻细胞的生长并损伤其细胞膜和抗氧化系统。但是,当PET吸附了Pb2+之后,由于水中Pb2+的浓度及活性下降,其对小球藻的化学胁迫降低(但仍存在物理胁迫)[153]。老化微塑料也可联合有机污染物而对生物体产生毒性。Zong和Song等[154]研究了老化PS与环丙沙星(CIP)对大肠杆菌(Escherichia coli)的联合毒性。研究发现,老化提高了PS对CIP的吸附速率和吸附量。CIP与老化PS的联合暴露所产生的毒性效应包括下调ABC转运蛋白的表达而引发细胞膜损伤,影响氨基酸代谢和脂质代谢而影响细胞生长、细胞膜的完整性及细胞抗氧化应激能力,在双链DNA切割阶段及之后捕获旋转酶分子而使DNA复制受阻,以及下调osmY、osmB、osmC基因而使渗透压失衡等。但是CIP与老化PS的联合暴露时,由于CIP在老化PS上的吸附而降低了CIP对大肠杆菌的抑制率。Yu和Yang等[155]研究了污泥中水热老化的PLA及其吸附的挥发性有机物对小鼠巨噬细胞的毒性效应。有意思的是,与未老化的PLA相比,120 ℃和130 ℃处理的PLA复合物可提高细胞活力(分别提高了21.99%和27.31%),这可能是因为细胞可以利用老化后PLA表面的有机物作为碳源;但140 ℃处理的PLA复合物则降低了细胞活力(降低了16.07%),这可能是因为高温导致了PLA复合物中有毒物质的释放而产生了细胞毒性。

微塑料老化过程中会导致添加剂和中间体的释放,这些化合物可能带来一定的生态风险。当聚氨基甲酸酯(TPU)微塑料经过紫外老化及氯化后,其释放的有机物对人肝癌细胞(HepG2)的半致死浓度(LC50)仅为原始TPU的10%左右,这表明其细胞毒性的显著增加[156]。Peng等[157]将微藻(Chlorella vulgaris)暴露于光老化的PE及PVC海水浸出液中,通过比较微藻的基因功能、细胞生长和氧化应激情况,发现对微藻的毒性大小为PVC浸出液 > PE > PE浸出液 > PVC。PVC浸出液对微藻的毒性效应最强,这可能是由于老化的PVC释放出了更多的物质(包括Zn、法尼醇异构体a、2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚及乙酰蓖麻油甲酯等)。浸出液暴露会降低微藻的细胞密度、细胞干重和叶绿素a含量降低,但会增强其胞外聚合物的分泌和氧化应激激酶系统。在转录组水平上,PE浸出液和PVC浸出液分别通过干扰微藻的核糖体生物合成过程,以及影响微藻与病原体的相互作用等途径而对微藻细胞产生毒性。值得注意的是,较长的老化过程也可能会减少微塑料的毒性效应。例如,未老化的PC和短期老化的PC能够对水芹(Lepidium sativum)的生长和叶绿素浓度造成不良影响,但随着老化时间延长,PC对水芹的毒性反而降低,这可能是由于微塑料添加剂在老化过程中的潜在释放随老化时间的增加而减少[117]。

5 结论及展望

老化是微塑料必经的环境过程。老化过程带来的物理和化学性质变化会影响微塑料的环境行为和毒性效应,增加其环境命运和健康风险的不确定性。尽管目前已经针对微塑料的老化过程开展了大量研究并取得了一些重要进展,但是无论在研究方法上还是理论认知上仍面临众多挑战。

(1)微塑料理化性质的改变是导致其环境行为和毒性效应变化的关键。老化过程中,微塑料会发生多种理化性质的同时改变。因此,明晰微塑料不同理化性质与其生物过程和毒性效应之间的构效关系,是揭示复杂环境条件下调控微塑料关键生物过程和诱导毒性效应的关键。

(2)尽管目前已有多种方法可以对微塑料老化后的理化性质进行表征,但大部分方法只能进行定性分析而无法进行定量分析。因此,如何精准测量和表征老化前后微塑料的理化性质,比如表面官能团的数量,是阐明微塑料暴露和毒性效应之间“真实的”剂量效应关系的关键。

(3)在真实环境中,重金属、持久性有机污染物等化学物质以及微生物等均可以与微塑料发生相互作用,影响微塑料老化的同时还会对其环境行为和毒性效应产生影响,进一步增加了该过程的复杂性。因此,基于真实环境的研究将有助于提升对微塑料老化过程、环境行为和健康风险的认知。

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基金资助

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国家自然科学基金项目(22125606)

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