微塑料老化机理及其环境行为影响研究进展

施庆还，林子增

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

塑料是以单体为原料，经加成、聚合或缩聚反应聚合而成的聚合化合物，由于其重量轻、耐腐蚀、化学性能稳定，而被广泛应用于医药、工业、包装等各领域[1]。主要应用的塑料种类为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚乳酸(PLA)等[2]。这些废弃塑料经过环境中的自然过程老化分解成丰度高、粒径小的微塑料，更易作为载体吸附环境污染物[3]。因此，本文通过对国内外相关研究进行归纳和总结，旨在了解微塑料的老化特性、机理及其对环境污染物吸附、添加剂的释放和MPs的生态毒性影响。论述了MPs表面生物膜的形成以及MPs老化与表面生物膜的相互作用。

1 微塑料老化机理

MPs老化的主要原因是物理完整性的丧失和聚合物的降解。如不饱和双键、支链、羰基和末端羟基等结构或组分都使MPs容易老化。此外，阳光、氧气、热、水、机械应力、高能辐射、细菌、海水等外部环境因素也会影响其老化。因此，在自然环境中，光降解、生物降解、物理磨损和化学氧化都会造成微塑料不同程度的老化[4]。

1.1 光降解老化

光引发的氧化老化涉及：①不饱和键吸收紫外线能量引发聚合物主链上的化学键(C—H键)断裂形成自由基；②聚合物自由基与氧反应形成过氧自由基，从而导致链断裂或交联；③含氧官能团的形成。MPs由于结构主链中有不饱和双键，当暴露在太阳紫外线中，其不饱和键C—H键吸收紫外线(290～440 nm)能量后断裂形成自由基，导致醇、酸、醛、酮和不饱和基团的形成，这些基团在紫外线的作用下成为激发态，加快了MPs老化进程，随着时间推移，MPs会变色和开裂，甚至出现催化和坍塌，最终形成惰性产物[5]。同时，紫外光照射可诱导各种各样的形态变化，使得MPs的表面化学基团被解构和重组。光降解可以破坏聚合物的主链，而微生物只能降解低聚物链长的聚合物，因此，光降解是微生物降解的前提条件[6]。

1.2 生物降解老化

MPs生物降解老化的主要机理是在细菌、真菌、藻类等自然环境中普遍存在的一些微生物的作用下，长的聚合物链发生断裂。其机制可分为生物物理降解和生物化学降解[7]。对于生物物理降解，微生物首先粘附在聚合物表面，其附着方式受MPs的表面张力、结构、孔隙度等因素影响。由于微生物细胞的生长，使MPs水解、电离或质子化裂解为低聚碎片。而对于生化降解老化，真菌或细菌分泌的酶将非水溶性聚合物分解为碎片，这些碎片随后被微生物吸收或消耗，形成低分子量的化合物(M<500 Dalton)，并最终转化为二氧化碳、水、生物量和能量[8]。

1.3 其他方式降解老化

除上述两种老化方式外，物理磨损及化学氧化也可使MPs老化。物理老化是聚合物经过链段的微观布朗运动，使凝聚态结构由非平衡态转变为平衡态的松弛过程。如MPs与土壤或水生环境中的沉积物、卵石、潮汐和波浪等相互作用后，其颗粒数量增加，粒径减小，老化进程加速[9]。而当MPs暴露在氧化剂中时，会与环境中的其他物质相互作用，发生化学氧化，此过程会加速MPs老化的速度[10]。

2 老化对MPs的吸附行为影响

由于MPs的多孔疏水结构，可以作为载体吸附环境中的重金属、有机污染物和微生物[11]。经过老化过程后，MPs的表面性质如比表面积、表面电荷和亲水性发生变化，影响其对环境污染物的吸附性能[12]。表1为老化MPs对不同的环境污染物的吸附容量对比。

MPs对重金属的吸附机理主要包括疏水分配和阴阳离子间的化学键合，重金属离子可以通过静电作用或络合作用吸附到MPs表面的等电位点，该吸附过程的主要影响因素为pH、盐度、金属离子浓度、MPs比表面积和表面吸附位[13]。与原始MPs相比，老化MPs表面亲水性更强，比表面积的增加提供了更多的吸附位点，MPs表面零电荷点(pHPZC)降低后表面更易形成负电荷，有利于MPs对重金属阳离子的静电吸引。Fu等[14]在温度25 ℃下研究了老化的MPs对于Pb2+的吸附效果，微塑料用量为 0.4 g/L，Pb2+浓度为10 mg/L。老化后的MPs比表面积达到8.4 m2/L，初始MPs对Pb2+的吸附量为5.0 mg/g，老化后，在pH=9时，最高吸附量可达13.6 mg/g，证明了老化后的MPs对重金属的捕获能力大大增强。MPs对有机污染物的吸附机理主要包括表面吸附、孔隙填充，该过程主要影响因素为温度、pH和MPs与有机物之间的疏水相互作用。Fan等研究了原始和老化聚乳酸(PLA)聚氯乙烯(PVC)对四环素(TC)和环丙沙星(CIP)吸附行为。老化后，PLA的比表面积增加了2.66倍，PVC的比表面积增加了1.85倍，PLA的Zeta电位分别从-7.79 mV降低到 -13.51 mV，PVC从 -4.96 mV 降低到 -8.34 mV，老化后的PLA对TC的吸附量从 0.90 mg/g 上升到1.97 mg/g，PVC对TC的吸附量从0.75 mg/g上升到1.36 mg/g，该实验证明老化过程会增强微塑料在环境中的吸附能力[15]。

表1 老化MPs对不同的环境污染物的吸附容量对比Table 1 Comparison of adsorption capacity of aged MPs for different environmental pollutants

3 老化对MPs的环境毒性影响

3.1 MPs老化对生物机体的影响

微藻在维持海洋生态平衡中发挥着重要作用，但MPs具有抑制微藻细胞生长甚至造成细胞损伤的潜力，图1为MPs与其他污染物联合毒性对动植物的影响。Fu等[19]通过每24 h计数一次细胞数得出，在浓度为10 mg/L的条件下，老化的MPs比原始MPs更能抑制微藻的生长，原始PVC对微藻生长抑制率为28.5%，而老化后的PVC对微藻的最大生长抑制率可达35.3%，同时，在原始和老化的MPs影响下，微藻生物质产率分别为13.7～28.3 mg/(L·d) 和11.1～27.5 mg/(L·d)，明显低于正常微藻的17.0～36.9 mg/(L·d)，可见老化MPs对微藻的生长影响更大。MPs可吸附在高等植物表面，甚至被植物根系吸收，通过蒸腾作用进入并转运到其他组织，塑料颗粒与植物的相互作用不仅引起氧化应激，还对光合作用、代谢、基因表达等生长参数产生不利影响[20]。Pflugmacher等[21]研究了新老MPs对植物生长的影响，大蒜幼苗接触到原始MPs颗粒，其植株根长显著降低40.0%，而暴露于40 d和80 d老化MPs颗粒的植株根长分别减少了 37.0% 和 15.0%，而叶绿素含量则分别降低58.0%，49.0%和 30.0%，120 d的老化MPs对根生长的抑制作用降低到3.0%，研究表明老化MPs对植物生长造成的负影响随着老化时间的延长而减少，因此MPs的毒性可能是在老化过程中随着时间推移而被浸出的化学物质。MPs可被动物摄入，并影响它们的健康包括抑制其生长和发育、影响食物摄入和行为，并诱导生殖毒性、免疫毒性和遗传损伤[22]。MPs的老化可导致其物理性质发生不同程度的变化从而改变生物体摄入MPs的方式和数量。Lu等[23]研究了斑马鱼对不同大小的PS的吸收和组织积累，用苏木精和伊红染色，通过荧光显微镜观察样品中的PS颗粒的摄取和分布。结果表明，暴露7 d后，荧光标记的直径为5 μm的PS在鱼鳃、肝脏和肠道中积累，粒径为20 μm的PS颗粒仅积累在鳃和肠道中，肝脏中未发现塑料颗粒。Choi等[24]调查了球形和不规则形状的MPs对小鱼的机体影响，发现与球形颗粒相比，不规则形状的MPs会损害器官内壁，导致更高的毒性。这些研究结果表明，MPs老化后会破碎成更小的颗粒并且其形状也有所改变，这将影响机体对MPs的摄入量。研究发现，MPs老化后表面形成的生物膜可改变塑料表面特性，掩盖塑料颗粒的惰性性质，从而诱导海洋浮游动物摄用，促进了被摄食量的增长，增加了其对机体的毒性风险[25]。

图1 MPs与其他污染物的联合毒性对动植物的影响Fig.1 Effects of combined toxicity of MPs and other pollutants on animals and plants

3.2 老化MPs的添加剂对环境输入的影响

塑料中最常用的化学添加剂可大致分为四类，如功能性添加剂(增塑剂、阻燃剂、热稳定剂)、着色剂(颜料)、填充剂(高岭土、云母等矿物)和增强剂(玻璃和碳纤维)，而在MPs老化过程中，由于其聚合物链的断裂，有毒添加剂将从MPs滤出，对环境和生物造成极大危害。Luo等[26]通过将5.0 g MPs放在风华试验箱中暴露1～4周老化以研究MPs添加剂的浸出性能，研究表明，MPs的老化引起表面裂纹和断裂，在未老化MPs中，约有26.2%的颗粒小于30 mm，而老化4周后，这一比例上升到37.3%，比表面积和羰基含量有所增加，氧碳原子比从0.23增加到0.34，在pH=3.0时，未老化的MPs的Cr6+浸出量在12 h内从0增加到(5.2±0.6)mg/g，而第2周和第4周MPs的Cr6+浸出量分别为0～(14.2±0.8)mg/g和0～(18.3±1.2)mg/g，由此表明老化促进了Cr6+的释放，随着释放量的增加，对微藻的细胞生长及光合作用抑制效果更强，其叶绿素荧光参数Fv/Fm最大降低27.7%。Rani等[27]在黑暗、阳光照射和自然海洋条件下从聚苯乙烯颗粒浸出六溴环十二烷(HBCDD)情况，结果表明，在黑暗、光照及海面的条件下暴露180 d，PS球体外表面的HBCDD浓度随着时间的推移呈指数级下降直至平衡，在暴露7 d后，三种状态中的PS残留浓度分别为(44.4±2.05)mg/g、(35.6±1.65)mg/g和(27.1±2.80)mg/g，其中PS暴露于海面状态的HBCDD释放量最高，这可能在海面的波浪的物理摩擦作用、光照以及盐度的影响下，使得PS老化进程加速，促进了其添加剂的释放，老化时间越长，其添加剂等有害物质释放到环境中的总量越多，增加了其生态风险，表2为MPs老化对于动植物的毒性影响。

表2 MPs老化对于动植物的毒性影响Table 2 Toxic effects of MPs aging on animals and plants

4 老化MPs与其生物膜的耦合影响

MPs作为一种生态系统中的新型人工的疏水非极性物质，其表面很容易被生物膜定殖，如细菌、真菌、藻类和原生动物。当MPs发生老化后，表面粗糙度和比表面积的增加更有利于微生物在MPs表面的粘附。Hossain等[39]收集了废弃的4种消费后塑料(HDPE、LDPE、PP和PS)和两种侵蚀海滩塑料(LDPE和PP)，将其制作成两个直径4.5 mm的MP盘(腐蚀MP盘和新的MP盘)，在人工光照下培养不同类型的细菌(醋酸钙不动杆菌、大肠杆菌和洋葱霍尔德氏菌)。细菌在圆盘上定殖8周，在0，4，8周取样后测量细菌丰度。对照组为无细菌定殖的MP盘，采用荧光显微镜和扫描电镜测定MPs表面细菌的丰度和覆盖率。结果表明，被侵蚀的MP圆盘比新的MP圆盘在开始时具有更大的表面粗糙度，并观察到更丰富的细菌。经过8周的风化，较新的MP盘的表面粗糙度和表面定殖的细菌数量逐渐增加。因此，MPs一旦暴露在阳光和紫外线辐射下，由于老化表面会变得不均匀，导致表面粗糙，疏水性较低，这增强了MPs对营养物质的吸附，增加了营养物质的吸附，增加了细菌定殖的表面积和定殖的数量，更有利于生物膜的形成。

生物膜的定殖会导致MPs的理化性质发生变化，如表面疏水性的降低、含水氧化物的形成速度加快、增强MPs的吸附能力[40]。Wang等[41]研究了生物膜附着的聚苯乙烯对Cu2+和Pb2+的吸附行为，并与原始PS和紫外线辐射老化PS进行了比较，结果表明，在Cu2+和Pb2+浓度为0.05 mmol/L和 0.1 mmol/L，MPs含量为0.25 g/100 mL，pH=6.0时，原始PS对Cu2+和Pb2+的最大吸附量为 16.15 μg/g 和23.83 μg/g，经过紫外照射的PS对两者吸附量则为19.89 μg/g和26.68 μg/g，而有生物膜附着的PS的吸附量则最大可达31.40 μg/g和43.88 μg/g。与两者相比，生物膜的存在增加了PS的吸附能力，甚至超过紫外照射老化后的PS对重金属的吸附量，极性的增加以及生物质在PS表面的形成可以加速表面位点的可用性吸附。在水环境中，生物膜也可能影响MPs的重量和浮力，此外，生物膜可以掩盖塑料的表面性能、增加塑料的密度、降解添加剂、释放代谢生化物质。一些添加剂可以作为营养源促进微生物的生长。生长出的生物膜可以保护上层水层中的MPs减少紫外线照射，减弱光降解的影响，从而降低氧化引起MPs的老化程度[42]。生物膜的生长因聚合物类型而异，并在不同程度上对有机污染物及重金属吸附都有着不同程度的影响，微生物生物膜中的官能团在金属络合中有着重要作用，生物膜可占据高能吸附位点，通过在土壤、水体和MPs的累积吸附和共吸附对有机污染物的运输和吸附产生显著影响[43]。Cu2+在生物膜中的吸附被证明导致Cu2+与生物膜中发现的细胞外聚合物质中的羟基和酰胺基团结合[44]，这表明生物膜中的生物可以利用金属离子作为营养物质，通过离子吸附和解吸来维持生物膜内可持续的营养丰富的环境。

5 结论和展望

MPs经过光照氧化、物理裂解、非生物降解和生物降解后将经历广泛老化，老化效应是影响MPs在环境中迁移和转化以及与环境污染物相互作用的重要因素。本文总结了MPs的老化机理和环境行为，评价了MPs老化如何影响其表面物化性质、吸附性能、毒性以及与生物膜的耦合作用。经过老化过程的MPs会破碎成更细小的颗粒，外表面变得粗糙、开裂，导致比表面积会大幅增加，氧碳比和羰基键含量增加，老化过程中生成的含氧基团增加了表面极性、亲水性和负电荷，都直接或间接影响MPs的吸附性能。MPs的老化会对藻类的生长产生抑制作用，其更加细小的体积导致了动物的摄食量增加。老化后的MPs添加剂等有毒物质释放量得到大幅提升，增强了MPs的环境潜在毒性。最后讨论了微塑料的老化与其表面生物膜的相互影响及作用，老化后的MPs促进了其表面生物膜的形成，增强了其吸附能力，同时生物膜对于环境中的MPs有着一定保护作用，减缓了由于紫外线照射引起的进一步老化的速度。

为了更多地了解MPs的老化以及老化对其环境行为的影响，减少自然生物与这些污染物的持续接触对环境造成的危险后果，本文对未来研究方向提供了参考：①MPs的自然老化过程比较缓慢及复杂，需要开发更多的实验技术以模拟不同作用下的老化过程，缩短老化周期，缩小实验室模拟与自然界中老化的差距来增加环境相关性；②目前，老化MPs与重金属对各种生物体的联合毒性研究较少，对海洋生物影响的信息也非常有限，其老化后与重金属对淡水和陆地生物群的影响亟需研究；③陆地和水生环境的植物在这一研究中容易被忽视，老化的MPs以及其释放的添加剂可能改变土壤结构和微生物群落，从而对植物产生深远的生态影响，因此应对MPs对高等植物特别是农作物和蔬菜的潜在影响开展更多研究，评估其对食品安全以及人类健康的潜在风险；④如何快速、有效地分离MPs表面形成的生物膜并对微生物进行定量考察，以及其老化程度与生物膜的生长速率的关系值得进一步的研究。