聚乳酸微塑料及其復合污染的生物毒性效應與機制研究進展

邵雪純,胡雙慶,張 琪,龔凱林,傅夢茹,張 衛,彭 程,,3*

聚乳酸微塑料及其復合污染的生物毒性效應與機制研究進展

邵雪純1,胡雙慶2,張 琪1,龔凱林1,傅夢茹1,張 衛1,彭 程1,2,3*

(1.華東理工大學資源與環境工程學院,上海 200237；2.上海市環境科學研究院,國家環境保護新型污染物環境健康影響評價重點實驗室,上海 200233；3.上海污染控制與生態安全研究院,上海 200092)

綜述了聚乳酸(PLA)微塑料單一暴露以及與其他污染物復合暴露的毒性效應,并探討了PLA微塑料對生物的毒性作用機制.PLA微塑料的攝入會影響生物體的攝食、生長、存活、繁殖和運動行為;PLA微塑料與有機物和重金屬復合污染對生物體存在一定的潛在風險;PLA微塑料主要通過機械損傷、氧化應激、神經損傷及免疫損傷對生物體造成損害.未來仍需對老化或降解的PLA微塑料的毒性效應、對陸地生物的復合暴露毒性效應與機制及其對全球生態系統和生物地球化學循環的影響等方面開展探索和研究,以期為今后PLA微塑料的環境生態風險評估提供思路.

聚乳酸微塑料；毒性作用；聯合毒性；生態毒理學

聚乳酸(PLA)是目前全球工業規模產量最高、消耗最多的可生物降解塑料.與傳統難降解塑料產品有所不同,PLA不具有持久性,因而不會對生態系統產生長遠的影響,被認為是傳統石油基塑料理想的替代品.在自然環境條件下可生物降解的塑料在經過生化、物化等過程后[1],其聚合物結構會受損并發生破裂和降解.并且,PLA對光氧化降解的響應明顯高于傳統石油基塑料,從而更易在短時間內形成微塑料[2].盡管已有研究表明,與傳統難降解微塑料相比,PLA微塑料毒性更低[3],但也有研究發現,PLA微塑料污染問題似乎更嚴重[4],即可降解微塑料產生的生物毒性效應可能不低于傳統難降解微塑料.目前微塑料對生物體潛在影響的研究主要集中在傳統的難降解微塑料上.鑒于PLA可生物降解塑料的發展、應用現狀及其產生的微塑料,本文分別從單一暴露和復合暴露的角度總結了PLA微塑料對生物體的毒性效應以及毒性作用機制,以期為今后可降解塑料產業的綠色發展提供科學指導.

1 PLA的應用及其產生的微塑料

為了減輕聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)聚氯乙烯(PVC)等傳統石油基塑料難以降解對環境帶來的持久性污染問題[5-6],可生物降解塑料(聚乳酸(PLA)、聚對苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二酯(PBS)和聚羥基丁酸酯(PHB)等)應運而生.廢棄后的可生物降解塑料系列產品可被微生物降解為CO2、H2O或CH4[7].其中,PLA被譽為“綠色塑料”、“玉米塑料”,它是由天然可再生植物資源(玉米、小麥、木薯等中的淀粉)經生物發酵得到的乳酸[8],再由乳酸直接縮合、固相聚合或將乳酸合成丙交酯后再催化開環聚合制備得到的聚合物[9].因其具備良好的生物相容性、高強度、熱塑性、可加工性、無毒性以及抗菌活性等特性,現已成為工業生產中最常用的可生物降解塑料[10],占全球可生物降解塑料市場的45%,被廣泛應用于農業、包裝材料、紡織、醫療用品等領域[11].PLA薄膜具有與PE相似的防滲透性,并且具有良好的透氣性、透氧性及透二氧化碳性[9],在農業上常被加工用作農用地膜;PLA是唯一透明的可生物降解塑料,在包裝材料領域常將其作為制造透明包裝容器、一次性餐具和保鮮膜等日用品的原料;由于PLA纖維具有與廣泛使用的聚酯纖維和尼龍纖維相媲美的力學性能,紡織領域已將其用于服裝制作;作為具有卓越的生物力學和可降解性能的材料,PLA在醫療領域也被應用于制備藥物緩釋包裝劑、一次性輸液用具、免拆型手術縫合線和骨螺釘等[12].此外,由于具有良好的拉伸強度、剛度、光澤度和加工性以及環境友好性,PLA也逐漸應用于汽車配件、新型綠色塑料樂高積木的制作中[13].在大力推動可生物降解塑料發展和使用的背景下,預計到2026年全球PLA的市場規模將達到78.9萬t[14].

微塑料作為在環境中普遍存在的一種新污染物,近年來已成為人們關注的熱點問題.無論是傳統難降解塑料還是可生物降解塑料產品,在被丟棄并進入到環境中后都不可避免地會通過磨損、氧化、老化等過程產生塑料垃圾碎片,甚至進一步分解成粒徑小于5mm微塑料.并且自然環境中的生物擾動能夠促進塑料垃圾在環境介質中的遷移和運輸.Zhang等[15]發現蚯蚓會主動地將肉眼可見的塑料覆蓋物拖進它們的洞穴,從而將塑料埋在土壤中,這一過程會對其造成機械磨損,并極大可能會誘導其發生水解降解、微生物降解及酶促降解[16].然而,目前有研究表明,只有在優化的堆肥條件下PLA才能完全被降解,在自然的水、土條件下不會完全降解,這意味著PLA可能會比常規的難降解塑料分解速度更快,產生的微塑料更多,并在環境中持續積累.Bagheri等[17]通過室內模擬PLA在海水和淡水中的降解情況,發現PLA薄膜的降解速率始終很慢,且在一年內并未完全降解.同樣地,有研究發現在有氧條件下堆肥90d后,仍有40%的PLA殘留物[18].如果在自然環境中PLA塑料垃圾無法得到完全降解,那么PLA微塑料的持續釋放會對環境造成更嚴重的PLA微塑料污染[19].

2 PLA微塑料的生物毒性效應

2.1 PLA微塑料單一暴露的生物毒性效應

PLA微塑料一旦大量進入生物體后可能對生物的消化系統產生負面影響,甚至造成生化水平脅迫,其單一暴露對生物體的生理影響主要來自以下3個方面:

2.1.1 PLA微塑料對生物攝食的影響 PLA微塑料在環境中普遍存在,陸地和海洋生物均存在PLA攝入現象,這些微塑料會造成消化系統堵塞,進而減少生物體對正常食物的攝入.例如,Duan等[20]在斑馬魚()腸道內檢測到PLA微塑料,并發現隨著暴露時間由1d增加到5d,魚腸內PLA微塑料的豐度從(1080 ± 408)個增多至(2568 ±356)個.Sch?pfer等[21]的研究證實了秀麗隱桿線蟲()會將PLA微塑料吞食進入咽部和腸道,但由于PLA無法為線蟲提供所需的有機質,使得線蟲的生長受到抑制.其中,暴露于1mg/L PLA微塑料中的線蟲體長與未添加微塑料的對照組相比下降了14.5%.土壤環境中的PLA微塑料也會被赤子愛勝蚓()攝入,蚯蚓機體產生飽腹感,從而影響代謝而使蚯蚓的體重發生損失,甚至導致其死亡[22].同時,PLA微塑料在蚯蚓體內更易被分解并釋放出大量的粒徑更小的PLA顆粒.并且,由于PLA微塑料具有在消化道中分解的潛力,其在進入生物體內后可能會被視為可用碳源,排泄時間較傳統難降解塑料更長. Wang等[23]的研究評估了成年赤子愛勝蚓對聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和PLA微塑料的排泄特性,結果表明PET在蚯蚓體內的排泄半衰期為9.3h,而PLA的排泄半衰期為45h.

2.1.2 PLA微塑料對生物生長、存活和繁殖能力的影響 在水生環境中,500mg/L PLA微塑料暴露抑制了成年大型溞()的生長,顯著降低了其平均體長,且死亡率高達60%[24].Zhang等[25]的研究發現,光降解在一定程度上提高了PLA微塑料對斑馬魚幼魚骨骼發育的抑制作用.在土壤中添加PLA微塑料能夠顯著抑制大豆()根部的生長(根部長度縮短28.6%),并且會干擾大豆植株生長的代謝過程[7].Meng等[26]的研究也發現,暴露于1.5%、2.0%和2.5% PLA微塑料處理46d的菜豆()植株的生長受到抑制,其地上部和根部的生物量分別為(4.31±0.49) g、(3.80±0.43) g、(3.75±0.16) g和(1.50±0.06) g、(1.66±0.08) g、(1.64 ±0.09) g,顯著低于對照組(5.18±0.42) g和(1.82±0.20) g.張彥等[27]在對小麥()幼苗生長特性的研究實驗中發現,PLA微塑料對小麥幼苗的生長抑制作用整體表現出不斷增強的趨勢.土壤中的PLA微塑料會被微生物降解,其本身及降解過程中的代謝產物能夠直接或間接地通過改變土壤的理化特性、土壤微生物的多樣性和豐度[28--30],進而抑制玉米()植株的生長,并導致玉米植株的葉綠素含量發生顯著降低[31].暴露于高濃度PLA微塑料的沉積物中也發現了表層微藻生物量顯著減少,藻類中葉綠素a的含量降低的現象[32].但對生物體生長和存活的影響可能與PLA微塑料濃度有關.例如,當土壤中PLA微塑料豐度從125g/kg增加到500g/kg時,蚯蚓死亡率從2.5%增加到5%[4].低劑量PLA微塑料(0.1%和1% w/w)對玉米植株的生長起到一定的促進作用,而高劑量PLA微塑料(10% w/w)則顯著降低了玉米植株地上部(16%～40%)和根系(28%～50%)的生物量,說明高劑量PLA微塑料才可能具有較強的植物毒性[33].

表1 不同微塑料的生物毒理效應

PLA微塑料可產生生殖毒性,能夠改變生物體的生殖產量和后代發育.PLA能降低海鞘()的受精率[34].大型溞暴露于500mg/L的PLA微塑料后繁殖率顯著降低,從對照組的100只幼蟲/只銳減至不足20只幼蟲/只[24]. Sch?pfer等[21]將秀麗隱桿線蟲暴露于PLA微塑料中,其后代產量明顯下降(降幅最高可達6.5%),且隨著PLA微塑料濃度的升高,線蟲的排卵量下降更快.赤子愛勝蚓的精囊組織也會受到PLA微塑料的影響,并且精子束的排列隨著PLA濃度的增高呈現出更嚴重的損傷[22].另一項研究中也發現,當受到PLA微塑料暴露時,赤子愛勝蚓的繭和幼年蚯蚓的數量分別在PLA微塑料濃度為53g/kg、97g/kg時急劇下降了10%,在347g/kg、500g/kg時急劇下降了50%[4].此外,當受到PLA微塑料暴露時,小麥種子的平均發芽水平也會在一定程度上降低,發芽抑制率最高可達11.54%[27].

2.1.3 PLA微塑料對生物運動行為的影響 有研究表明,暴露于PLA微塑料中的斑馬魚表現出的反掠食性防御反應[35].De Oliveira等[36]通過野外試驗發現,3和9mg/L的PLA微塑料不僅降低了斑馬魚幼蟲的游動能力,還誘導了斑馬魚的類焦慮樣行為.連續暴露于高濃度PLA微塑料(80μg/L)會顯著提升歐洲扁平牡蠣()的呼吸速率,并且可能會改變大型底棲動物的組合結構、多樣性、豐度和生物量,對其棲息地造成損害[37].連續一個月暴露于PLA微塑料后,沙蠋()的生物活動發生了改變,生活在沉積物中的沙蠋攝食活性顯著降低[32].也有研究表明,可生物降解微塑料可顯著改變微生物群落組成[38-40].這是因為可生物降解微塑料可能會被某些異養微生物利用,因此會對環境中微生物群落產生更多的擾動[41].在加入了PLA微塑料的沉積物中可以觀察到微生物群落組成發生了顯著變化,其中海百合科()以及滑動菌科()的微生物群落含量降低[42].

目前學者們也發現,在實驗條件范圍內,PLA微塑料的生物毒性作用極有可能高于傳統難降解微塑料,PLA及其他類型微塑料的生物毒性效應及毒性大小見表1.

2.2 PLA微塑料復合污染暴露的生物毒性效應

2.2.1 PLA微塑料對有機物和重金屬的吸附作用 自然條件下形成的PLA微塑料具有比表面積大、疏水性強等特性,具有較強的吸附性能,容易吸附環境介質中的各種有機污染物和重金屬污染物.作為可生物降解微塑料,PLA在環境中對共存污染物的載體能力與傳統難降解微塑料相比可能有所不同[43].通常認為,PLA微塑料會對環境中有機污染物表現出強吸附作用.相比于傳統難降解微塑料,其對疏水污染物具有更強的親和力和吸附能力(表2). Gonzalez-Pleiter等[44]的研究表明,PLA微塑料對疏水性的抗生素阿奇霉素(AZI)的吸附高于克拉霉素(CLA).在水生生態環境中,PLA微塑料對磺胺甲惡唑(SMX)和阿莫西林(AMX)的平衡吸附量分別為1.50和3.17mg/g,并且發現PLA微塑料對這兩種抗生素具有較高的解吸量和解吸率,這說明PLA微塑料更容易攜帶較多的抗生素等污染物,進而對抗生素的水環境行為產生影響,改變其潛在生態風險[43].也有研究表明,PLA微塑料對兩種環境中常見的抗生素——四環素(TC)和環丙沙星(CIP)的吸附能力都很高,可以很好的作為抗生素的載體,并且其吸附性能在老化過程中發生了顯著變化[45].PLA微塑料對氟蟲腈(Fipronil)也具有較強的吸附能力,可能在農藥的歸趨和運輸中發揮重要作用[46].Fan等[45]采用紫外光老化的研究中也發現,紫外線輻射增加了PLA微塑料表面含氧官能團的強度,使其親水性增強,從而對氟蟲腈的吸附量更高.菲(Phenanthrene)和1-硝基萘(1-nitronaphthalene)在PLA微塑料上的吸附量也在風化條件下得到顯著增加[47].土霉素(OTC)在PLA微塑料上的吸附研究表明,PLA微塑料比表面積的增加、含氧官能團的增多、氫鍵的增強以及PLA上生成的生物膜解釋了PLA微塑料在自然環境中對土霉素更強的吸附能力[48].然而,PLA微塑料對芳香烴的吸附性能較弱[49-51],這說明其對不同類別的有機污染物的吸附存在差異.吸附環境的pH值、鹽度和天然有機質類型和濃度等也會影響其對有機污染物的吸附能力.

相比于有機污染物,當前對PLA微塑料吸附重金屬的研究較欠缺.Guan等[52]的研究表明,PLA微塑料可以吸附沉積物中Pb(II),并且可以作為其在環境中的載體.其他相關研究表明,PLA微塑料的老化程度對吸附能力存在顯著差異,接觸時間、吸附環境性質、介質中重金屬離子的濃度、天然有機質的濃度等均是影響PLA微塑料對重金屬吸附性能差異的重要因素[53].

此外,Fan等[45]的研究中發現PLA微塑料在模擬腸液中比在去離子水中有更高的抗生素解吸率,這表明PLA微塑料可以作為抗生素等環境污染物的載體,在環境介質和生物中轉移和釋放有害物質,并會對生物體具有巨大的潛在危害.

表2 不同微塑料對環境污染物的吸附性能

2.2.2 PLA微塑料與有機污染物的聯合毒性效應 研究表明吸附污染物的PLA微塑料會對生物體產生聯合毒性效應,從而可能給生物體的生命健康帶來更大的威脅.PLA微塑料與抗生素(阿奇霉素和克拉霉素)聯合暴露不僅能抑制淡水環境中藍藻(sp.)的生長,而且也可降低藍藻體內葉綠素的含量[44].藍藻作為自養型生物,能通過光合作用將無機物合成有機物,并不會以微塑料和攜帶污染物的微塑料為食,因此PLA微塑料作為載體能促進化學污染物運輸到生物體周圍水體并發生釋放才是對藍藻的生長造成毒性的原因.也有研究表明,PLA微塑料與有機污染物之間存在拮抗作用.三氯生(TCS)負載的PLA微塑料并未對藍藻的生長造成明顯損害[54].Li等[55]的研究也表明,PLA微塑料能夠吸附磺胺甲惡唑,降低了溶液中磺胺甲惡唑的濃度,從而進一步削弱了磺胺甲惡唑與藻類接觸的可能性以及對藻類的毒性.上述研究結果表明PLA微塑料與有機污染物聯合作用時對生物體的毒性效應很有可能取決于污染物的類型.

2.2.3 PLA微塑料與重金屬的聯合毒性效應 PLA微塑料與重金屬聯合暴露時能改變重金屬離子的生物有效性.微塑料作為重金屬離子的載體,使其在生物體的器官內富集,甚至穿透生物體的細胞膜進入細胞體內,產生毒性作用,進而影響生物體的生理過程.Jang等[56]的研究結果表明,微量重金屬銅(Cu)和鉛(Pb)會在PLA微塑料的作用下轉移到鯰魚()的魚腮、肝臟、腸道和可食用肌肉等部位,造成毒性作用,降低魚類的免疫力,從而使它們容易受到弧菌感染.Liao等[57]通過體外人體消化模型的實驗發現,PLA微塑料上負載的Cr(VI)在胃、小腸和大腸這三個消化階段中表現出較高的生物可給性.重金屬污染環境中土壤細菌群落的多樣性會在鉛鋅污染土壤加入高劑量PLA微塑料后出現降低,這一結果也佐證了PLA微塑料對重金屬生物有效性的提高[58].可生物降解的PLA微塑料也會使沉積物中的砷(As)由較穩定的組分向較不穩定組分轉化,進而對微生物的活性產生抑制作用[59].Wang等[31]的研究結果也表明,PLA微塑料和鎘(Cd)共存可共同驅動植物生長性能和根系共生關系的變化,從而對農業生態系統和土壤生物多樣性構成額外風險.上述研究結果表明,PLA微塑料可以從周圍環境中富集重金屬離子,并可以在遷移過程中直接在生物體內釋放,對生物體會造成更加明顯的毒性效應.

PLA微塑料與有機污染物或重金屬相互作用產生的復合毒性效應見表3.

表3 PLA微塑料與不同污染物的復合毒性效應

2.2.4 PLA微塑料添加劑及其生物毒性效應 塑料制品在生產加工過程中會通過加入增塑劑、阻燃劑、光熱穩定劑、抗氧化劑、發泡劑、著色劑、增白劑、抗菌劑、抗靜電劑等添加劑來增強其使用性能[61].與吸附在微塑料表面的污染物不同,這些添加劑會隨著微塑料的老化、降解過程在環境和生物體體內浸出,并逐漸釋放,進而對生物的生長發育以及生命活動產生影響[62-63].Uribe-Echeverria等[64]的研究中檢驗了由PLA透明塑料杯及聚乳酸/聚羥基鏈烷酸酯(PLA/PHA)復合3D打印材料制得的微塑料(<250μm)中的添加劑,化學分析結果見表4.而且上述兩種微塑料的浸出物毒性實驗結果表明,在所測的滲濾液稀釋濃度(分別為33.3%、10%、3.3%)下它們都不會對海膽()幼蟲造成毒性影響[64].也有研究表明,雖然含有添加劑的PLA微塑料會抑制大型溞的生長、繁殖,甚至誘導死亡,但其毒性效應僅與PLA顆粒自身特性有關[24].

表4 PLA及PLA/PHA微塑料的化學添加劑列表

3 PLA微塑料對生物的毒性作用機制

3.1 機械損傷機制

粒徑小且形狀不規則的PLA微塑料被生物攝取后可能會直接對生物體內的組織和器官造成物理損傷.廉宇航等[7]用掃描電鏡(SEM)觀察到的PLA微塑料大多呈現片狀,邊緣較為鋒利,這表明其在與植物根部相互作用的過程中,容易對植物組織造成機械性傷害.經PLA微塑料處理后可觀察到赤子愛勝蚓出現明顯的表皮損傷、腸道損傷和精囊損傷[22].類似的結果也在斑馬魚的實驗中發現,攝入PLA微塑料的斑馬魚腸道內出現了組織病理學損傷[20]. Khalid等[65]對藍貽貝()的毒理學效應實驗中未檢測到明顯的氧化應激、神經毒性和免疫毒性相應指標的變化,他們認為PLA微塑料在腸道內的物理堵塞可能是造成生物體直接死亡的原因.接觸含PLA微塑料的中肋骨條藻表面出現不同程度的皺褶和變形,表明PLA微塑料對藻細胞產生了物理損傷作用[55].此外,PLA微塑料在環境介質中的聚集或對生物組織的堵塞作用會影響機體的物質能量交換,從而間接對生物體產生毒性作用.例如,微藻周圍PLA微塑料的聚集會限制微藻與外界環境的氣體交換(O2和CO2)和物質傳遞(營養物質的吸收和代謝產物的釋放),進而限制微藻的生長[66]. Boots等[3]將黑麥草()種子暴露于添加了PLA微塑料的土壤中,發現PLA可能通過堵塞種子蒴果的氣孔從而降低種子的萌發率.沙蠋消化道受到PLA的阻塞和磨損后也可能降低對營養物質的吸收,進而抑制其生長并最終危及到沙蠋的生存[3].

3.2 氧化應激機制

研究發現PLA微塑料暴露可通過觸發生物體體內抗氧化酶的活性變化,進而導致氧化應激反應,從而抑制生長率、存活率和繁殖力.張書武等[22]將赤子愛勝蚓暴露于PLA微塑料中,結果發現蚯蚓體內超氧化物歧化酶(SOD)活性增加,過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽硫轉移酶(GST)活性降低,說明PLA能誘導蚯蚓發生氧化應激反應.PLA微塑料暴露同樣會導致蝌蚪()體內GST、SOD和CAT酶活性增強[67].攝入PLA微塑料的蜻蜓幼蟲體內活性氧(ROS)含量增高,并引起了氧化應激過程,使得亞硝酸鹽、硫代巴比妥酸活性物質和脂質過氧化水平增加[68].Zimmermann等[69]的研究也發現PLA材料可以激活人類mcf-7細胞的氧化應激反應.

此外,可生物降解的PLA微塑料會降解產生乳酸低聚物[3],降解的PLA可能會加劇生物體內的氧化應激反應.研究資料表明,降解的PLA對斑馬魚幼魚具有氧化應激毒性,引發了細胞內線粒體發生結構損傷、去極化、裂變抑制和凋亡等功能紊亂,從而抑制了斑馬魚幼魚的生長[25].降解的PLA可能會抑制細胞分裂,刺激海藻細胞產生脂質過氧化產物(MDA),破壞SOD酶的合成途徑[70].

3.3 神經損傷機制

暴露于PLA微塑料還會影響生物體體內乙酰膽堿酯酶(AChE)的活性,引起相應的神經毒性. AChE是在膽堿能突觸中能水解神經遞質乙酰膽堿(ACh)的關鍵性酶,在神經元間的信號傳遞中起著至關重要的作用,并且在有關神經毒性的實驗中通常采用其作為生物標志物來判斷是否引起神經毒性. Chagas等[68]將蜻蜓()幼蟲暴露于PLA微塑料中,結果發現蜻蜓幼蟲體內的AChE活性受到抑制,表明PLA微塑料具有神經毒性作用.斑馬幼魚在積累PLA微塑料后體內的AChE活性受到抑制,神經遞質傳遞受阻,并對神經和神經肌肉功能具有潛在的負面影響[36].也有研究發現,PLA微塑料暴露會導致斑馬魚氧化損傷和神經性損害,并誘導AChE的活性增強[35].Malafaia等[67]對暴露于PLA中蝌蚪體內AChE和丁酰膽堿酯酶(BChE)活性進行了檢測,發現這兩種酶的活性水平均出現升高,也表明了PLA微塑料能夠引起神經毒性.

3.4 免疫損傷機制

研究發現,攝入PLA微塑料可以通過破壞生物體內的免疫系統,引發機體的免疫力下降,從而導致生物個體的生長受到抑制甚至是死亡.Zhang等[71]的研究表明,3D打印機釋放的PLA顆粒誘導小鼠細胞死亡、氧化應激和炎癥反應,并導致它們的一些生理現象發生變化.Duan等[20]的研究發現PLA微塑料處理的斑馬魚腸腔黏液體積增大,表明PLA攝食引起其腸上皮發生損傷,并且會誘導的腸道菌群高度失調,也進一步導致了魚腸道內出現炎癥反應.將藍貽貝連續52d反復暴露于PLA微塑料中,其體內血淋巴中部分免疫反應蛋白的豐度增加,引發了免疫反應[72].在用含PLA微塑料的魚食飼養的尖吻鱸()幼魚腸道內,主要組織相容性復合體(MHC)蛋白復合物和自噬相關蛋白均發生下調,這兩種蛋白在適應性免疫中發揮著關鍵作用,能夠幫助宿主激活免疫反應來控制感染和限制不受控制的炎癥[73].

圖1 PLA微塑料對生物的毒性作用機制

4 結論

4.1 PLA微塑料通過機械性損傷、氧化應激、神經損傷、免疫損傷等多種機制影響生物體對正常食物的攝入和生長、存活、繁殖能力及運動行為.

4.2 關于PLA微塑料與共存污染物的相互作用及復合污染物的科學研究剛剛起步,污染物在PLA微塑料表面上的富集會改變污染物的生物有效性,進而對生物體的毒性產生影響.

4.3 PLA微塑料對生物帶來的機械性損傷可能是直接對機體造成組織病理學損傷,也可能因為其聚集和堵塞作用影響機體的物質能量交換,從而間接對生物體造成傷害.

4.4 由于PLA微塑料具有生物可降解性,其降解過程中的中間產物可能會加劇對生物體的負面影響,誘導氧化應激反應.

5 展望

現有的PLA微塑料的生態毒理學研究尚十分匱乏,并且PLA微塑料的吸附能力及其與共存污染物的聯合毒性效應也是近年來才受到關注.實際上,這種“環境友好型”可生物降解塑料產生的微塑料很可能對生物體表現出更強的負面影響,是否成為一種新的潛在威脅仍需要更多的實驗研究探索來確定PLA微塑料的生物毒性及其背后的機制.同時,對PLA微塑料的生態毒理研究不應局限于其在單一暴露情況下的影響,還應關注PLA微塑料與共存污染物的復合暴露及其在自然老化過程中的化學物質釋放.

此外,對于PLA微塑料生物毒性效應的研究還可以重點關注以下幾個方面:

(1)關注PLA微塑料的環境行為.截止目前,有關自然環境中PLA微塑料賦存豐度的認知還幾乎處于空白,其環境行為尚不明晰.因此,十分有必要開展野外實驗和室內模擬實驗探究PLA微塑料在環境中的賦存、來源及釋放途徑.

(2)關注老化PLA微塑料.目前老化PLA微塑料與共存污染物的研究僅停留在其相互作用方面,而環境中的PLA微塑料相較于其他傳統難降解微塑料更容易在短時間內受到老化,這意味著它可能更容易作為環境污染物的載體,改變這些污染物對生物體的暴露風險.因此,在今后的研究中,可以考慮老化PLA微塑料與不同污染物聯合暴露對生物體的毒性.

(3)關注PLA微塑料的降解產物.PLA微塑料在自然環境中并不會直接降解成水和二氧化碳,而是會在降解過程中先生成中間產物.但這些中間產物是否對生物體具有毒性,是否會影響PLA微塑料的毒性及其毒理學機制尚不明確.需要開展相應的研究來考察PLA微塑料降解產物帶來的影響.

(4)PLA微塑料與環境污染物聯合暴露對陸地生物的影響有待進一步研究.目前大多數研究集中在水生環境中的生物和微生物,極少有對陸地生態系統中生物組分聯合毒性的研究,未來應該提高對該領域的重視度.

(5)關注PLA微塑料對全球生態系統和生物地球化學循環的影響.當前生態毒理學也十分重視污染物對非生物組分的影響,雖然PLA被認為是維持自然界“碳循環平衡”的材料之一,但已有研究認為,包括PLA微塑料在內的微塑料可能對水稻土的氮循環有抑制作用.同時,PLA微塑料的生物可降解性使其可以作為微生物群落的有機碳基質.考慮到以上證據和日益增加的PLA微塑料污染,其對全球生態系統和生物地球化學循環的影響值得深入研究.

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Research progress on biotoxicological effects and mechanism of polylactic acid microplastics and their combined pollution.

SHAO Xue-chun1, HU Shuang-qing2, ZHANG Qi1, GONG Kai-lin1, FU Meng-ru1, ZHANG Wei1, PENG Cheng1,2,3*

(1.School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Health Impact Assessment of Emerging Contaminants, Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China；3.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China)., 2023,43(2)：935～945

The toxicity effects of single exposure of polylactic acid (PLA) microplastics, as well as their combined exposure with other environmental pollutants were reviewed. Moreover, the toxicity mechanisms of PLA microplastics on organisms was further summarized. The ingestion of PLA microplastics can affect the feeding, growth, survival, reproduction and motor behavior of organisms. The combined contamination of PLA microplastics with organics and heavy metals has certain potential risks to organisms. PLA microplastics mainly damage organisms through the toxicity mechanisms of mechanical damage, oxidative stress, nerve damage and immune damage. Future studies are needed to explore the toxic effects of aged or degraded PLA microplastics, the toxicity effects and mechanisms of combined exposure to terrestrial organisms, and their impacts on global ecosystems and biogeochemical cycles. This review could provide ideas for the environmental and ecological risk assessment of PLA microplastics in the future.

polylactic acid microplastics；toxic effect；combined toxicity；ecotoxicology

X503

A

1000-6923(2023)02-0935-11

邵雪純(2000-),女,江西上饒人,華東理工大學碩士研究生,主要從事微塑料的環境行為及其生態毒性研究.發表論文3篇.

2022-06-27

國家環境保護新型污染物環境健康影響評價重點實驗室開放基金資助項目(SEPKL-EHIAEC-202207);國家自然科學基金資助項目(42177395)

* 責任作者, 副教授, cpeng@ecust.edu.cn