微塑料老化機理及其環境行為影響研究進展

施慶還，林子增

(南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037)

塑料是以單體為原料，經加成、聚合或縮聚反應聚合而成的聚合化合物，由于其重量輕、耐腐蝕、化學性能穩定，而被廣泛應用于醫藥、工業、包裝等各領域[1]。主要應用的塑料種類為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乳酸(PLA)等[2]。這些廢棄塑料經過環境中的自然過程老化分解成豐度高、粒徑小的微塑料，更易作為載體吸附環境污染物[3]。因此，本文通過對國內外相關研究進行歸納和總結，旨在了解微塑料的老化特性、機理及其對環境污染物吸附、添加劑的釋放和MPs的生態毒性影響。論述了MPs表面生物膜的形成以及MPs老化與表面生物膜的相互作用。

1 微塑料老化機理

MPs老化的主要原因是物理完整性的喪失和聚合物的降解。如不飽和雙鍵、支鏈、羰基和末端羥基等結構或組分都使MPs容易老化。此外，陽光、氧氣、熱、水、機械應力、高能輻射、細菌、海水等外部環境因素也會影響其老化。因此，在自然環境中，光降解、生物降解、物理磨損和化學氧化都會造成微塑料不同程度的老化[4]。

1.1 光降解老化

光引發的氧化老化涉及：①不飽和鍵吸收紫外線能量引發聚合物主鏈上的化學鍵(C—H鍵)斷裂形成自由基；②聚合物自由基與氧反應形成過氧自由基，從而導致鏈斷裂或交聯；③含氧官能團的形成。MPs由于結構主鏈中有不飽和雙鍵，當暴露在太陽紫外線中，其不飽和鍵C—H鍵吸收紫外線(290～440 nm)能量后斷裂形成自由基，導致醇、酸、醛、酮和不飽和基團的形成，這些基團在紫外線的作用下成為激發態，加快了MPs老化進程，隨著時間推移，MPs會變色和開裂，甚至出現催化和坍塌，最終形成惰性產物[5]。同時，紫外光照射可誘導各種各樣的形態變化，使得MPs的表面化學基團被解構和重組。光降解可以破壞聚合物的主鏈，而微生物只能降解低聚物鏈長的聚合物，因此，光降解是微生物降解的前提條件[6]。

1.2 生物降解老化

MPs生物降解老化的主要機理是在細菌、真菌、藻類等自然環境中普遍存在的一些微生物的作用下，長的聚合物鏈發生斷裂。其機制可分為生物物理降解和生物化學降解[7]。對于生物物理降解，微生物首先粘附在聚合物表面，其附著方式受MPs的表面張力、結構、孔隙度等因素影響。由于微生物細胞的生長，使MPs水解、電離或質子化裂解為低聚碎片。而對于生化降解老化，真菌或細菌分泌的酶將非水溶性聚合物分解為碎片，這些碎片隨后被微生物吸收或消耗，形成低分子量的化合物(M<500 Dalton)，并最終轉化為二氧化碳、水、生物量和能量[8]。

1.3 其他方式降解老化

除上述兩種老化方式外，物理磨損及化學氧化也可使MPs老化。物理老化是聚合物經過鏈段的微觀布朗運動，使凝聚態結構由非平衡態轉變為平衡態的松弛過程。如MPs與土壤或水生環境中的沉積物、卵石、潮汐和波浪等相互作用后，其顆粒數量增加，粒徑減小，老化進程加速[9]。而當MPs暴露在氧化劑中時，會與環境中的其他物質相互作用，發生化學氧化，此過程會加速MPs老化的速度[10]。

2 老化對MPs的吸附行為影響

由于MPs的多孔疏水結構，可以作為載體吸附環境中的重金屬、有機污染物和微生物[11]。經過老化過程后，MPs的表面性質如比表面積、表面電荷和親水性發生變化，影響其對環境污染物的吸附性能[12]。表1為老化MPs對不同的環境污染物的吸附容量對比。

MPs對重金屬的吸附機理主要包括疏水分配和陰陽離子間的化學鍵合，重金屬離子可以通過靜電作用或絡合作用吸附到MPs表面的等電位點，該吸附過程的主要影響因素為pH、鹽度、金屬離子濃度、MPs比表面積和表面吸附位[13]。與原始MPs相比，老化MPs表面親水性更強，比表面積的增加提供了更多的吸附位點，MPs表面零電荷點(pHPZC)降低后表面更易形成負電荷，有利于MPs對重金屬陽離子的靜電吸引。Fu等[14]在溫度25 ℃下研究了老化的MPs對于Pb2+的吸附效果，微塑料用量為 0.4 g/L，Pb2+濃度為10 mg/L。老化后的MPs比表面積達到8.4 m2/L，初始MPs對Pb2+的吸附量為5.0 mg/g，老化后，在pH=9時，最高吸附量可達13.6 mg/g，證明了老化后的MPs對重金屬的捕獲能力大大增強。MPs對有機污染物的吸附機理主要包括表面吸附、孔隙填充，該過程主要影響因素為溫度、pH和MPs與有機物之間的疏水相互作用。Fan等研究了原始和老化聚乳酸(PLA)聚氯乙烯(PVC)對四環素(TC)和環丙沙星(CIP)吸附行為。老化后，PLA的比表面積增加了2.66倍，PVC的比表面積增加了1.85倍，PLA的Zeta電位分別從-7.79 mV降低到 -13.51 mV，PVC從 -4.96 mV 降低到 -8.34 mV，老化后的PLA對TC的吸附量從 0.90 mg/g 上升到1.97 mg/g，PVC對TC的吸附量從0.75 mg/g上升到1.36 mg/g，該實驗證明老化過程會增強微塑料在環境中的吸附能力[15]。

表1 老化MPs對不同的環境污染物的吸附容量對比Table 1 Comparison of adsorption capacity of aged MPs for different environmental pollutants

3 老化對MPs的環境毒性影響

3.1 MPs老化對生物機體的影響

微藻在維持海洋生態平衡中發揮著重要作用，但MPs具有抑制微藻細胞生長甚至造成細胞損傷的潛力，圖1為MPs與其他污染物聯合毒性對動植物的影響。Fu等[19]通過每24 h計數一次細胞數得出，在濃度為10 mg/L的條件下，老化的MPs比原始MPs更能抑制微藻的生長，原始PVC對微藻生長抑制率為28.5%，而老化后的PVC對微藻的最大生長抑制率可達35.3%，同時，在原始和老化的MPs影響下，微藻生物質產率分別為13.7～28.3 mg/(L·d) 和11.1～27.5 mg/(L·d)，明顯低于正常微藻的17.0～36.9 mg/(L·d)，可見老化MPs對微藻的生長影響更大。MPs可吸附在高等植物表面，甚至被植物根系吸收，通過蒸騰作用進入并轉運到其他組織，塑料顆粒與植物的相互作用不僅引起氧化應激，還對光合作用、代謝、基因表達等生長參數產生不利影響[20]。Pflugmacher等[21]研究了新老MPs對植物生長的影響，大蒜幼苗接觸到原始MPs顆粒，其植株根長顯著降低40.0%，而暴露于40 d和80 d老化MPs顆粒的植株根長分別減少了 37.0% 和 15.0%，而葉綠素含量則分別降低58.0%，49.0%和 30.0%，120 d的老化MPs對根生長的抑制作用降低到3.0%，研究表明老化MPs對植物生長造成的負影響隨著老化時間的延長而減少，因此MPs的毒性可能是在老化過程中隨著時間推移而被浸出的化學物質。MPs可被動物攝入，并影響它們的健康包括抑制其生長和發育、影響食物攝入和行為，并誘導生殖毒性、免疫毒性和遺傳損傷[22]。MPs的老化可導致其物理性質發生不同程度的變化從而改變生物體攝入MPs的方式和數量。Lu等[23]研究了斑馬魚對不同大小的PS的吸收和組織積累，用蘇木精和伊紅染色，通過熒光顯微鏡觀察樣品中的PS顆粒的攝取和分布。結果表明，暴露7 d后，熒光標記的直徑為5 μm的PS在魚鰓、肝臟和腸道中積累，粒徑為20 μm的PS顆粒僅積累在鰓和腸道中，肝臟中未發現塑料顆粒。Choi等[24]調查了球形和不規則形狀的MPs對小魚的機體影響，發現與球形顆粒相比，不規則形狀的MPs會損害器官內壁，導致更高的毒性。這些研究結果表明，MPs老化后會破碎成更小的顆粒并且其形狀也有所改變，這將影響機體對MPs的攝入量。研究發現，MPs老化后表面形成的生物膜可改變塑料表面特性，掩蓋塑料顆粒的惰性性質，從而誘導海洋浮游動物攝用，促進了被攝食量的增長，增加了其對機體的毒性風險[25]。

圖1 MPs與其他污染物的聯合毒性對動植物的影響Fig.1 Effects of combined toxicity of MPs and other pollutants on animals and plants

3.2 老化MPs的添加劑對環境輸入的影響

塑料中最常用的化學添加劑可大致分為四類，如功能性添加劑(增塑劑、阻燃劑、熱穩定劑)、著色劑(顏料)、填充劑(高嶺土、云母等礦物)和增強劑(玻璃和碳纖維)，而在MPs老化過程中，由于其聚合物鏈的斷裂，有毒添加劑將從MPs濾出，對環境和生物造成極大危害。Luo等[26]通過將5.0 g MPs放在風華試驗箱中暴露1～4周老化以研究MPs添加劑的浸出性能，研究表明，MPs的老化引起表面裂紋和斷裂，在未老化MPs中，約有26.2%的顆粒小于30 mm，而老化4周后，這一比例上升到37.3%，比表面積和羰基含量有所增加，氧碳原子比從0.23增加到0.34，在pH=3.0時，未老化的MPs的Cr6+浸出量在12 h內從0增加到(5.2±0.6)mg/g，而第2周和第4周MPs的Cr6+浸出量分別為0～(14.2±0.8)mg/g和0～(18.3±1.2)mg/g，由此表明老化促進了Cr6+的釋放，隨著釋放量的增加，對微藻的細胞生長及光合作用抑制效果更強，其葉綠素熒光參數Fv/Fm最大降低27.7%。Rani等[27]在黑暗、陽光照射和自然海洋條件下從聚苯乙烯顆粒浸出六溴環十二烷(HBCDD)情況，結果表明，在黑暗、光照及海面的條件下暴露180 d，PS球體外表面的HBCDD濃度隨著時間的推移呈指數級下降直至平衡，在暴露7 d后，三種狀態中的PS殘留濃度分別為(44.4±2.05)mg/g、(35.6±1.65)mg/g和(27.1±2.80)mg/g，其中PS暴露于海面狀態的HBCDD釋放量最高，這可能在海面的波浪的物理摩擦作用、光照以及鹽度的影響下，使得PS老化進程加速，促進了其添加劑的釋放，老化時間越長，其添加劑等有害物質釋放到環境中的總量越多，增加了其生態風險，表2為MPs老化對于動植物的毒性影響。

表2 MPs老化對于動植物的毒性影響Table 2 Toxic effects of MPs aging on animals and plants

4 老化MPs與其生物膜的耦合影響

MPs作為一種生態系統中的新型人工的疏水非極性物質，其表面很容易被生物膜定殖，如細菌、真菌、藻類和原生動物。當MPs發生老化后，表面粗糙度和比表面積的增加更有利于微生物在MPs表面的粘附。Hossain等[39]收集了廢棄的4種消費后塑料(HDPE、LDPE、PP和PS)和兩種侵蝕海灘塑料(LDPE和PP)，將其制作成兩個直徑4.5 mm的MP盤(腐蝕MP盤和新的MP盤)，在人工光照下培養不同類型的細菌(醋酸鈣不動桿菌、大腸桿菌和洋蔥霍爾德氏菌)。細菌在圓盤上定殖8周，在0，4，8周取樣后測量細菌豐度。對照組為無細菌定殖的MP盤，采用熒光顯微鏡和掃描電鏡測定MPs表面細菌的豐度和覆蓋率。結果表明，被侵蝕的MP圓盤比新的MP圓盤在開始時具有更大的表面粗糙度，并觀察到更豐富的細菌。經過8周的風化，較新的MP盤的表面粗糙度和表面定殖的細菌數量逐漸增加。因此，MPs一旦暴露在陽光和紫外線輻射下，由于老化表面會變得不均勻，導致表面粗糙，疏水性較低，這增強了MPs對營養物質的吸附，增加了營養物質的吸附，增加了細菌定殖的表面積和定殖的數量，更有利于生物膜的形成。

生物膜的定殖會導致MPs的理化性質發生變化，如表面疏水性的降低、含水氧化物的形成速度加快、增強MPs的吸附能力[40]。Wang等[41]研究了生物膜附著的聚苯乙烯對Cu2+和Pb2+的吸附行為，并與原始PS和紫外線輻射老化PS進行了比較，結果表明，在Cu2+和Pb2+濃度為0.05 mmol/L和 0.1 mmol/L，MPs含量為0.25 g/100 mL，pH=6.0時，原始PS對Cu2+和Pb2+的最大吸附量為 16.15 μg/g 和23.83 μg/g，經過紫外照射的PS對兩者吸附量則為19.89 μg/g和26.68 μg/g，而有生物膜附著的PS的吸附量則最大可達31.40 μg/g和43.88 μg/g。與兩者相比，生物膜的存在增加了PS的吸附能力，甚至超過紫外照射老化后的PS對重金屬的吸附量，極性的增加以及生物質在PS表面的形成可以加速表面位點的可用性吸附。在水環境中，生物膜也可能影響MPs的重量和浮力，此外，生物膜可以掩蓋塑料的表面性能、增加塑料的密度、降解添加劑、釋放代謝生化物質。一些添加劑可以作為營養源促進微生物的生長。生長出的生物膜可以保護上層水層中的MPs減少紫外線照射，減弱光降解的影響，從而降低氧化引起MPs的老化程度[42]。生物膜的生長因聚合物類型而異，并在不同程度上對有機污染物及重金屬吸附都有著不同程度的影響，微生物生物膜中的官能團在金屬絡合中有著重要作用，生物膜可占據高能吸附位點，通過在土壤、水體和MPs的累積吸附和共吸附對有機污染物的運輸和吸附產生顯著影響[43]。Cu2+在生物膜中的吸附被證明導致Cu2+與生物膜中發現的細胞外聚合物質中的羥基和酰胺基團結合[44]，這表明生物膜中的生物可以利用金屬離子作為營養物質，通過離子吸附和解吸來維持生物膜內可持續的營養豐富的環境。

5 結論和展望

MPs經過光照氧化、物理裂解、非生物降解和生物降解后將經歷廣泛老化，老化效應是影響MPs在環境中遷移和轉化以及與環境污染物相互作用的重要因素。本文總結了MPs的老化機理和環境行為，評價了MPs老化如何影響其表面物化性質、吸附性能、毒性以及與生物膜的耦合作用。經過老化過程的MPs會破碎成更細小的顆粒，外表面變得粗糙、開裂，導致比表面積會大幅增加，氧碳比和羰基鍵含量增加，老化過程中生成的含氧基團增加了表面極性、親水性和負電荷，都直接或間接影響MPs的吸附性能。MPs的老化會對藻類的生長產生抑制作用，其更加細小的體積導致了動物的攝食量增加。老化后的MPs添加劑等有毒物質釋放量得到大幅提升，增強了MPs的環境潛在毒性。最后討論了微塑料的老化與其表面生物膜的相互影響及作用，老化后的MPs促進了其表面生物膜的形成，增強了其吸附能力，同時生物膜對于環境中的MPs有著一定保護作用，減緩了由于紫外線照射引起的進一步老化的速度。

為了更多地了解MPs的老化以及老化對其環境行為的影響，減少自然生物與這些污染物的持續接觸對環境造成的危險后果，本文對未來研究方向提供了參考：①MPs的自然老化過程比較緩慢及復雜，需要開發更多的實驗技術以模擬不同作用下的老化過程，縮短老化周期，縮小實驗室模擬與自然界中老化的差距來增加環境相關性；②目前，老化MPs與重金屬對各種生物體的聯合毒性研究較少，對海洋生物影響的信息也非常有限，其老化后與重金屬對淡水和陸地生物群的影響亟需研究；③陸地和水生環境的植物在這一研究中容易被忽視，老化的MPs以及其釋放的添加劑可能改變土壤結構和微生物群落，從而對植物產生深遠的生態影響，因此應對MPs對高等植物特別是農作物和蔬菜的潛在影響開展更多研究，評估其對食品安全以及人類健康的潛在風險；④如何快速、有效地分離MPs表面形成的生物膜并對微生物進行定量考察，以及其老化程度與生物膜的生長速率的關系值得進一步的研究。