塑料论文（优选8篇）之第五篇
摘要：近年来, 由于微塑料分布广泛、难以降解且易生物富集的特点, 不同环境介质中微塑料的污染已经引起了广泛关注。由于纳米塑料尺寸更小, 具有更大的比表面积, 容易吸附更多的有毒有害物质, 对环境和人类健康构成的威胁比微塑料更为严重。阐明纳米塑料对健康影响的毒理学机制成为亟待解决的关键科学问题。本文论述了纳米塑料在环境中的迁移转化行为与毒理效应的研究进展, 对纳米塑料的健康效应和风险评估研究提供了重要的依据。
关键词：纳米塑料,环境行为,毒理效应,复合污染
1 引言
塑料是一种高分子量的有机聚合物, 具有较强的可塑性和较高分子量, 因其易制造、低成本、耐水、耐高温的特性, 被广泛应用于各个领域。塑料工业发展迅猛为经济增长作出了巨大贡献, 但同时也带来了一系列环境问题。全球范围内, 塑料的产量已达311亿吨, 然而只有69.2%的塑料通过回收被再次利用。其中, 约有10%的废弃塑料由陆地进入海洋[1], 对水生生物及其生存环境带来严重污染。塑料在环境中的累积及对水环境的毒理效应, 成为了许多研究者的焦点[2], 但目前着重研究微米级塑料的环境行为及效应, 而对纳米塑料的关注较少。纳米塑料粒径更小, 比表面积更大, 更易通过生物膜进入体内, 对机体的生命活动产生影响。本文主要综述了纳米塑料的环境行为及其毒理效应的研究进展, 为进一步地开展纳米塑料的风险评估及全面深入地研究其毒理学效应提供支持。
2 纳米塑料及其来源
塑料垃圾自然降解性差, 在淡水、海洋、陆地环境中积累。通常较大的塑料会以某种形式降解与分裂, 形成小片段塑料。而暴露在阳光下的塑料, 会在紫外辐射的条件下进行光氧化降解, 在经过短暂的自然降解后, 多以微塑料的形式存在。通常情况下, 微塑料是指尺寸在0.1～5000μm之间的塑料颗粒[3], 但在自然条件下, 微塑料可进一步分解成尺寸小于100 nm的“纳米塑料”。目前环境中检出的纳米塑料主要包括聚乙烯 (PE) 、聚丙烯 (PP) 、聚苯乙烯 (PS) 等。由于纳米塑料的比表面积极高[4], 极易被食物链底部的生物摄取。此外, 它还可以吸附在持久性有机污染物等物质表面造成生物累积和生物放大现象, 增加了环境和公共健康风险。
水生系统中微米和纳米尺寸材料的主要来源之一是生活废水中的泡沫和清洁产品, 这些微塑料会随冲洗过程经家庭排水系统进入废水处理厂, 然后再进一步进入到水环境中[5]。水环境中的纳米塑料是由微塑料在进一步的物理破碎中产生的。紫外线辐射和微生物活动同样可以加速大型塑料的分解。另一方面, 船舶产生的垃圾或在娱乐活动后丢弃的塑料制品, 以及渔船队中丢失的塑料渔具, 生产塑料制品中使用的原料以及塑料树脂粉末也是微塑料和纳米塑料的主要来源。另外, 这些颗粒还可通过农用薄膜中PE的分解和污泥肥料的降解转移到大气中。在某些工业化活动中, 例如聚苯乙烯泡沫的热切割可以产生纳米级聚合物颗粒20～220 nm。此外聚合物纳米颗粒和纳米胶囊的使用 (如药物递送) 也增大了纳米塑料在环境中大量存在的可能性[6]。
3 纳米塑料的迁移转化
环境中的塑料残体可以在风力、河流、洋流等外力作用下进行远距离迁移, 从高山湖泊到深海沉积物, 到处都有微塑料和纳米塑料的存在。如今, 塑料已成为海洋垃圾的主要组成部分, 约占海洋垃圾的60%～80%。陆地和淡水系统的塑料污染主要源于工业、农业运作过程中废弃塑料的直接排放, 及污水处理厂处理的尾水和污泥。虽然现有污水处理工艺能够去除绝大多数的塑料颗粒, 但粒径较小且随尾水、污泥排出的塑料颗粒仍是陆地淡水系统塑料污染的重要来源。目前已知的纳米塑料主要通过地表径流、滨海旅游业和海上养殖捕捞业等[7]途径进入海洋。其中, 有70%～80%的塑料颗粒通过淡水径流的方式直接引入海洋[8], 而粒径较小的塑料颗粒通过生物食物链的方式, 在不同食物链环节中累积传递, 进入海洋生物体内。研究发现, 北海和波罗的海5.5%的中上层和底层鱼类中及海鸟中分别发现了透明和白色塑料颗粒[9]。
陆地和水环境中的纳米粒子可与周围环境相互作用[10], 其迁移转化和生物利用度取决于粒子的尺寸、形状、电荷及其他性质。纳米颗粒的高表面积、高表面反应性使得它们具有不同的吸收速率、生物分布和高度的动态性。当颗粒存在于环境中或在生物系统中时, 这些粒子会经历四组转变, 其中包括:大分子相互作用, 物理、化学和生物转化, 如图1所示。其中, 所谓的大分子相互作用, 就是当粒子与天然有机材料相互作用时, 发生的大分子相互作用, 也被称为双分子电晕, 由于会在粒子周围形成新的表面或电晕, 使其表面结构与裸塑料颗粒不同, 改变了受其影响的生物体的生物学意义。同时电晕也会改变粒子的聚集倾向, 物理转化或聚集可以作为同聚集发生 (即相同类型的颗粒之间的聚集) , 又或者发生异质聚集 (即不同纳米颗粒或纳米材料之间的聚集) , 而颗粒聚集会导致表面积与体积比降低及产生新的表面结构。而生物转化是指细胞内和细胞外的颗粒和组织之间的反应, 这种反应发生在纳米颗粒的核心和涂层中, 影响颗粒的行为, 包括表面电荷, 聚集状态和反应性, 从而影响运输、生物利用度和毒性。最后, 化学转化意味着环境中的颗粒可以被还原或氧化, 而光氧化和光还原则会影响涂层氧化状态以及活性氧的产生和持久性。
4 纳米塑料的毒理效应
4.1 纳米塑料的生物毒性作用
纳米颗粒尺寸较小, 表面积巨大, 能够穿越肠道屏障进入体液循环系统, 并穿透组织在器官中积累。当纳米颗粒被多种海洋生物吞食后会积累在生物体内, 且其排出缓慢, 从而纳米塑料在细胞和分子层面上具有明显的毒性效应。
目前, 大多数研究似乎都关注聚苯乙烯 (PS) 的使用, 而不是其他常见的聚合物, 如聚乙烯 (PE) 或聚丙烯 (PP) 。这可能是一方面因为PS产品不能承受高于100℃的温度, 另一方面因为在水环境中, 被测PS颗粒的负载远远超过环境中的负载。有人运用粗粒分子模拟研究发现, PS纳米颗粒很容易渗透到脂质膜和溶解在细胞膜核心中, 降低分子扩散, 从而影响细胞功能[11]。还有研究表明, 细胞吸收了40～50 nm的PS纳米颗粒基本上是不可逆的, 而且细胞内纳米颗粒浓度在人肺癌细胞中随时间呈线性增加, 得出了PS纳米颗粒链可以诱导细胞膜结构变化[12]的结论。在之前更早的研究中发现60 nm的PS纳米颗粒对巨噬细胞和上皮细胞具有高毒性[13]且其表面积较大, 将进一步增加PS纳米颗粒的生物毒性。另外, 实验发现, 44 nm的PS纳米颗粒能够影响细胞活力、炎症基因的表达、细胞形态以及强烈诱导IL-6和IL-8上调基因, 影响胃癌病理的细胞因子[14]。纳米塑料主要积累在米鳉的鳃和肠道及睾丸中, 也少量存在于肝脏和血液中。更值得关注的是, PS纳米颗粒在水生生物的大脑中检测出来, 这意味着PS纳米颗粒能够穿过血脑屏障, 而血脑屏障是一种高度选择性的渗透屏障, 能够避免全身毒素扩散到大脑, 对大脑起到保护作用。换句话说, PS纳米颗粒对生物大脑可能会产生潜在的较为严重的影响。
4.2 纳米塑料作为载体的复合污染
由于纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大以及疏水性强等特点, 表面极易附着微生物, 而这些微生物会富集持久性有机污染物和重金属等污染物, 使纳米颗粒的污染能力增强。研究发现, 海水及沉淀物中的持久性有机污染物 (POPs) , 多氯联苯、滴滴涕和重金属极易吸附在纳米颗粒表面[15]构成疏水性污染物的载体, 从而形成复合污染。在这些化合物中, 多氯联苯, 多溴二苯醚 (PBDE) 和一些农药已经确定会引起生殖紊乱等问题。Ryan等报道了海鸟组织中多氯联苯的浓度运输是通过海鸟摄入的塑料颗粒与海鸟之间的相互作用进行的。这主要时由于纳米颗粒的表面积大, 疏水性强, 对菲具有高吸收能力并极易进入食物网, 造成生物累积和生物放大现象[16], 故而产生一系列毒理效应, 比单一污染物造成更为严重的危害。当纳米颗粒上吸附的化学物质被摄入体内, 极有可能会渗入组织, 导致长期的毒性问题。
研究发现, 微塑料和纳米塑料颗粒中的多氯联苯和滴滴涕浓度明显高于其在海水中的浓度, 这说明两种微塑料颗粒具有很强的吸附能力。同时, 纳米塑料颗粒可以改变水环境中多氯联苯和多环芳烃等的生物有效性, 进而引起水生生物的蛋白质合成、能量存储等生理过程的复杂变化。另外, 纳米塑料颗粒对代谢酶活性的抑制会削弱多环芳烃的代谢转化, 提高其在生物体内的累积水平[17]。目前关于微纳米塑料与持久性有机污染物相互作用的问题还有待进一步研究, 虽然这些问题大部分专注于水生环境, 但是地表环境也不可忽略。
小结
本文从自然环境中纳米塑料的环境行为及毒理效应来进行分析, 发现纳米塑料不仅具有穿越生物屏障的能力, 其极高的比表面积同样使得生物累积和生物放大的污染物机制不断增大, 对人体的健康更是存在潜在的影响, 但仍存在一些认识不足和研究空白。因此, 为了更好地应对纳米塑料广泛暴露于自然环境的健康风险, 需要以后的科研活动中加强以下几方面的研究。
首先, 有关纳米塑料的生物效应研究大多是在实验室进行的, 而在自然环境中的研究还十分缺乏, 这需要进一步探索出更加简单快捷的纳米塑料分析研究方法。目前的分析方法仍存在着不足和局限性, 在今后的研究中, 要改进这些方法的不足, 还要不断尝试找到更加准确、便捷的分析方法。
其次, 在液体样品中彻底测定纳米塑料还受到一些技术限制, 由于纳米塑料的尺寸微小, 且环境样品中的颗粒数量可能会低于可用监测技术的检测水平, 因此在纳米塑料的分离, 浓缩和鉴定技术上仍然具有挑战性, 现在迫切需要研究在环境样品中检测纳米塑料的准确方法。
最后, 也是非常重要的一点, 就是纳米塑料源头控制的问题。目前, 我国塑料制品的广泛使用、塑料碎片的持续增加致使塑料污染将会在未来几百年内持续对环境造成破坏, 使得纳米塑料将会成为环境中分布较为广泛且危害严重的颗粒污染物。因此, 我们应该减少塑料制品的制造和使用, 提出一些新的相关政策法规和“限塑”措施, 把纳米塑料的从源头上切断, 这样才能防止因纳米塑料的污染而限制进一步发展的问题。
参考文献
[1]杨婧婧, 徐笠, 陆安祥, 等.环境中微 (纳米) 塑料的来源及毒理学研究进展[J].环境化学, 2018, 37 (3) :383-396.
[2]Duis K, Coors A.Microplastics in the aquatic and terrestrial environment:sources (with a specific focus on personal care products) , fate and effects[J].Environmental Sciences Europe, 2016, 28 (1) :2-3.
[3]Klaine S J, Koelmans A A, Horne N, et al.Paradigms to assess the environmental impact of manufactured nanomaterials[J].Environmental Toxicology and Chemistry, 2012, 31 (1) :3-14.
[4]郑宝凤.纳米氧化镧对小鼠原代成骨细胞增殖的影响机制[D].河北大学, 2015.
