施慶還，林子增

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

塑料是以單體為原料，經(jīng)加成、聚合或縮聚反應(yīng)聚合而成的聚合化合物，由于其重量輕、耐腐蝕、化學(xué)性能穩(wěn)定，而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、工業(yè)、包裝等各領(lǐng)域[1]。主要應(yīng)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(jīng)過(guò)環(huán)境中的自然過(guò)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(huán)境污染物[3]。因此，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行歸納和總結(jié)，旨在了解微塑料的老化特性、機(jī)理及其對(duì)環(huán)境污染物吸附、添加劑的釋放和MPs的生態(tài)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(jī)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(jié)構(gòu)或組分都使MPs容易老化。此外，陽(yáng)光、氧氣、熱、水、機(jī)械應(yīng)力、高能輻射、細(xì)菌、海水等外部環(huán)境因素也會(huì)影響其老化。因此，在自然環(huán)境中，光降解、生物降解、物理磨損和化學(xué)氧化都會(huì)造成微塑料不同程度的老化[4]。

1.1 光降解老化

光引發(fā)的氧化老化涉及：①不飽和鍵吸收紫外線能量引發(fā)聚合物主鏈上的化學(xué)鍵(C—H鍵)斷裂形成自由基；②聚合物自由基與氧反應(yīng)形成過(guò)氧自由基，從而導(dǎo)致鏈斷裂或交聯(lián)；③含氧官能團(tuán)的形成。MPs由于結(jié)構(gòu)主鏈中有不飽和雙鍵，當(dāng)暴露在太陽(yáng)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(dǎo)致醇、酸、醛、酮和不飽和基團(tuán)的形成，這些基團(tuán)在紫外線的作用下成為激發(fā)態(tài)，加快了MPs老化進(jìn)程，隨著時(shí)間推移，MPs會(huì)變色和開(kāi)裂，甚至出現(xiàn)催化和坍塌，最終形成惰性產(chǎn)物[5]。同時(shí)，紫外光照射可誘導(dǎo)各種各樣的形態(tài)變化，使得MPs的表面化學(xué)基團(tuán)被解構(gòu)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(zhǎng)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(jī)理是在細(xì)菌、真菌、藻類等自然環(huán)境中普遍存在的一些微生物的作用下，長(zhǎng)的聚合物鏈發(fā)生斷裂。其機(jī)制可分為生物物理降解和生物化學(xué)降解[7]。對(duì)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(jié)構(gòu)、孔隙度等因素影響。由于微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)，使MPs水解、電離或質(zhì)子化裂解為低聚碎片。而對(duì)于生化降解老化，真菌或細(xì)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(zhuǎn)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(xué)氧化也可使MPs老化。物理老化是聚合物經(jīng)過(guò)鏈段的微觀布朗運(yùn)動(dòng)，使凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)由非平衡態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶鈶B(tài)的松弛過(guò)程。如MPs與土壤或水生環(huán)境中的沉積物、卵石、潮汐和波浪等相互作用后，其顆粒數(shù)量增加，粒徑減小，老化進(jìn)程加速[9]。而當(dāng)MPs暴露在氧化劑中時(shí)，會(huì)與環(huán)境中的其他物質(zhì)相互作用，發(fā)生化學(xué)氧化，此過(guò)程會(huì)加速M(fèi)Ps老化的速度[10]。

2 老化對(duì)MPs的吸附行為影響

由于MPs的多孔疏水結(jié)構(gòu)，可以作為載體吸附環(huán)境中的重金屬、有機(jī)污染物和微生物[11]。經(jīng)過(guò)老化過(guò)程后，MPs的表面性質(zhì)如比表面積、表面電荷和親水性發(fā)生變化，影響其對(duì)環(huán)境污染物的吸附性能[12]。表1為老化MPs對(duì)不同的環(huán)境污染物的吸附容量對(duì)比。

MPs對(duì)重金屬的吸附機(jī)理主要包括疏水分配和陰陽(yáng)離子間的化學(xué)鍵合，重金屬離子可以通過(guò)靜電作用或絡(luò)合作用吸附到MPs表面的等電位點(diǎn)，該吸附過(guò)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(qiáng)，比表面積的增加提供了更多的吸附位點(diǎn)，MPs表面零電荷點(diǎn)(pHPZC)降低后表面更易形成負(fù)電荷，有利于MPs對(duì)重金屬陽(yáng)離子的靜電吸引。Fu等[14]在溫度25 ℃下研究了老化的MPs對(duì)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(dá)到8.4 m2/L，初始MPs對(duì)Pb2+的吸附量為5.0 mg/g，老化后，在pH=9時(shí)，最高吸附量可達(dá)13.6 mg/g，證明了老化后的MPs對(duì)重金屬的捕獲能力大大增強(qiáng)。MPs對(duì)有機(jī)污染物的吸附機(jī)理主要包括表面吸附、孔隙填充，該過(guò)程主要影響因素為溫度、pH和MPs與有機(jī)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(duì)四環(huán)素(TC)和環(huán)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(duì)TC的吸附量從 0.90 mg/g 上升到1.97 mg/g，PVC對(duì)TC的吸附量從0.75 mg/g上升到1.36 mg/g，該實(shí)驗(yàn)證明老化過(guò)程會(huì)增強(qiáng)微塑料在環(huán)境中的吸附能力[15]。

表1 老化MPs對(duì)不同的環(huán)境污染物的吸附容量對(duì)比Table 1 Comparison of adsorption capacity of aged MPs for different environmental pollutants

3 老化對(duì)MPs的環(huán)境毒性影響

3.1 MPs老化對(duì)生物機(jī)體的影響

微藻在維持海洋生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用，但MPs具有抑制微藻細(xì)胞生長(zhǎng)甚至造成細(xì)胞損傷的潛力，圖1為MPs與其他污染物聯(lián)合毒性對(duì)動(dòng)植物的影響。Fu等[19]通過(guò)每24 h計(jì)數(shù)一次細(xì)胞數(shù)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(zhǎng)，原始PVC對(duì)微藻生長(zhǎng)抑制率為28.5%，而老化后的PVC對(duì)微藻的最大生長(zhǎng)抑制率可達(dá)35.3%，同時(shí)，在原始和老化的MPs影響下，微藻生物質(zhì)產(chǎn)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(jiàn)老化MPs對(duì)微藻的生長(zhǎng)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(guò)蒸騰作用進(jìn)入并轉(zhuǎn)運(yùn)到其他組織，塑料顆粒與植物的相互作用不僅引起氧化應(yīng)激，還對(duì)光合作用、代謝、基因表達(dá)等生長(zhǎng)參數(shù)產(chǎn)生不利影響[20]。Pflugmacher等[21]研究了新老MPs對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，大蒜幼苗接觸到原始MPs顆粒，其植株根長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)根生長(zhǎng)的抑制作用降低到3.0%，研究表明老化MPs對(duì)植物生長(zhǎng)造成的負(fù)影響隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，因此MPs的毒性可能是在老化過(guò)程中隨著時(shí)間推移而被浸出的化學(xué)物質(zhì)。MPs可被動(dòng)物攝入，并影響它們的健康包括抑制其生長(zhǎng)和發(fā)育、影響食物攝入和行為，并誘導(dǎo)生殖毒性、免疫毒性和遺傳損傷[22]。MPs的老化可導(dǎo)致其物理性質(zhì)發(fā)生不同程度的變化從而改變生物體攝入MPs的方式和數(shù)量。Lu等[23]研究了斑馬魚(yú)對(duì)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(guò)熒光顯微鏡觀察樣品中的PS顆粒的攝取和分布。結(jié)果表明，暴露7 d后，熒光標(biāo)記的直徑為5 μm的PS在魚(yú)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(fā)現(xiàn)塑料顆粒。Choi等[24]調(diào)查了球形和不規(guī)則形狀的MPs對(duì)小魚(yú)的機(jī)體影響，發(fā)現(xiàn)與球形顆粒相比，不規(guī)則形狀的MPs會(huì)損害器官內(nèi)壁，導(dǎo)致更高的毒性。這些研究結(jié)果表明，MPs老化后會(huì)破碎成更小的顆粒并且其形狀也有所改變，這將影響機(jī)體對(duì)MPs的攝入量。研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)，從而誘導(dǎo)海洋浮游動(dòng)物攝用，促進(jìn)了被攝食量的增長(zhǎng)，增加了其對(duì)機(jī)體的毒性風(fēng)險(xiǎn)[25]。

圖1 MPs與其他污染物的聯(lián)合毒性對(duì)動(dòng)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(duì)環(huán)境輸入的影響

塑料中最常用的化學(xué)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(wěn)定劑)、著色劑(顏料)、填充劑(高嶺土、云母等礦物)和增強(qiáng)劑(玻璃和碳纖維)，而在MPs老化過(guò)程中，由于其聚合物鏈的斷裂，有毒添加劑將從MPs濾出，對(duì)環(huán)境和生物造成極大危害。Luo等[26]通過(guò)將5.0 g MPs放在風(fēng)華試驗(yàn)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(shí)，未老化的MPs的Cr6+浸出量在12 h內(nèi)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(jìn)了Cr6+的釋放，隨著釋放量的增加，對(duì)微藻的細(xì)胞生長(zhǎng)及光合作用抑制效果更強(qiáng)，其葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm最大降低27.7%。Rani等[27]在黑暗、陽(yáng)光照射和自然海洋條件下從聚苯乙烯顆粒浸出六溴環(huán)十二烷(HBCDD)情況，結(jié)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(shí)間的推移呈指數(shù)級(jí)下降直至平衡，在暴露7 d后，三種狀態(tài)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(tài)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(jìn)程加速，促進(jìn)了其添加劑的釋放，老化時(shí)間越長(zhǎng)，其添加劑等有害物質(zhì)釋放到環(huán)境中的總量越多，增加了其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，表2為MPs老化對(duì)于動(dòng)植物的毒性影響。

表2 MPs老化對(duì)于動(dòng)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(tài)系統(tǒng)中的新型人工的疏水非極性物質(zhì)，其表面很容易被生物膜定殖，如細(xì)菌、真菌、藻類和原生動(dòng)物。當(dāng)MPs發(fā)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(fèi)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(gè)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(yǎng)不同類型的細(xì)菌(醋酸鈣不動(dòng)桿菌、大腸桿菌和洋蔥霍爾德氏菌)。細(xì)菌在圓盤上定殖8周，在0，4，8周取樣后測(cè)量細(xì)菌豐度。對(duì)照組為無(wú)細(xì)菌定殖的MP盤，采用熒光顯微鏡和掃描電鏡測(cè)定MPs表面細(xì)菌的豐度和覆蓋率。結(jié)果表明，被侵蝕的MP圓盤比新的MP圓盤在開(kāi)始時(shí)具有更大的表面粗糙度，并觀察到更豐富的細(xì)菌。經(jīng)過(guò)8周的風(fēng)化，較新的MP盤的表面粗糙度和表面定殖的細(xì)菌數(shù)量逐漸增加。因此，MPs一旦暴露在陽(yáng)光和紫外線輻射下，由于老化表面會(huì)變得不均勻，導(dǎo)致表面粗糙，疏水性較低，這增強(qiáng)了MPs對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附，增加了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸附，增加了細(xì)菌定殖的表面積和定殖的數(shù)量，更有利于生物膜的形成。

生物膜的定殖會(huì)導(dǎo)致MPs的理化性質(zhì)發(fā)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(qiáng)MPs的吸附能力[40]。Wang等[41]研究了生物膜附著的聚苯乙烯對(duì)Cu2+和Pb2+的吸附行為，并與原始PS和紫外線輻射老化PS進(jìn)行了比較，結(jié)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(shí)，原始PS對(duì)Cu2+和Pb2+的最大吸附量為 16.15 μg/g 和23.83 μg/g，經(jīng)過(guò)紫外照射的PS對(duì)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(dá)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(guò)紫外照射老化后的PS對(duì)重金屬的吸附量，極性的增加以及生物質(zhì)在PS表面的形成可以加速表面位點(diǎn)的可用性吸附。在水環(huán)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(zhì)。一些添加劑可以作為營(yíng)養(yǎng)源促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)。生長(zhǎng)出的生物膜可以保護(hù)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(zhǎng)因聚合物類型而異，并在不同程度上對(duì)有機(jī)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(tuán)在金屬絡(luò)合中有著重要作用，生物膜可占據(jù)高能吸附位點(diǎn)，通過(guò)在土壤、水體和MPs的累積吸附和共吸附對(duì)有機(jī)污染物的運(yùn)輸和吸附產(chǎn)生顯著影響[43]。Cu2+在生物膜中的吸附被證明導(dǎo)致Cu2+與生物膜中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞外聚合物質(zhì)中的羥基和酰胺基團(tuán)結(jié)合[44]，這表明生物膜中的生物可以利用金屬離子作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)離子吸附和解吸來(lái)維持生物膜內(nèi)可持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)豐富的環(huán)境。

5 結(jié)論和展望

MPs經(jīng)過(guò)光照氧化、物理裂解、非生物降解和生物降解后將經(jīng)歷廣泛老化，老化效應(yīng)是影響MPs在環(huán)境中遷移和轉(zhuǎn)化以及與環(huán)境污染物相互作用的重要因素。本文總結(jié)了MPs的老化機(jī)理和環(huán)境行為，評(píng)價(jià)了MPs老化如何影響其表面物化性質(zhì)、吸附性能、毒性以及與生物膜的耦合作用。經(jīng)過(guò)老化過(guò)程的MPs會(huì)破碎成更細(xì)小的顆粒，外表面變得粗糙、開(kāi)裂，導(dǎo)致比表面積會(huì)大幅增加，氧碳比和羰基鍵含量增加，老化過(guò)程中生成的含氧基團(tuán)增加了表面極性、親水性和負(fù)電荷，都直接或間接影響MPs的吸附性能。MPs的老化會(huì)對(duì)藻類的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，其更加細(xì)小的體積導(dǎo)致了動(dòng)物的攝食量增加。老化后的MPs添加劑等有毒物質(zhì)釋放量得到大幅提升，增強(qiáng)了MPs的環(huán)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(jìn)了其表面生物膜的形成，增強(qiáng)了其吸附能力，同時(shí)生物膜對(duì)于環(huán)境中的MPs有著一定保護(hù)作用，減緩了由于紫外線照射引起的進(jìn)一步老化的速度。

為了更多地了解MPs的老化以及老化對(duì)其環(huán)境行為的影響，減少自然生物與這些污染物的持續(xù)接觸對(duì)環(huán)境造成的危險(xiǎn)后果，本文對(duì)未來(lái)研究方向提供了參考：①M(fèi)Ps的自然老化過(guò)程比較緩慢及復(fù)雜，需要開(kāi)發(fā)更多的實(shí)驗(yàn)技術(shù)以模擬不同作用下的老化過(guò)程，縮短老化周期，縮小實(shí)驗(yàn)室模擬與自然界中老化的差距來(lái)增加環(huán)境相關(guān)性；②目前，老化MPs與重金屬對(duì)各種生物體的聯(lián)合毒性研究較少，對(duì)海洋生物影響的信息也非常有限，其老化后與重金屬對(duì)淡水和陸地生物群的影響亟需研究；③陸地和水生環(huán)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(jié)構(gòu)和微生物群落，從而對(duì)植物產(chǎn)生深遠(yuǎn)的生態(tài)影響，因此應(yīng)對(duì)MPs對(duì)高等植物特別是農(nóng)作物和蔬菜的潛在影響開(kāi)展更多研究，評(píng)估其對(duì)食品安全以及人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)；④如何快速、有效地分離MPs表面形成的生物膜并對(duì)微生物進(jìn)行定量考察，以及其老化程度與生物膜的生長(zhǎng)速率的關(guān)系值得進(jìn)一步的研究。