聚苯乙烯和聚丁酸丁二醇酯微塑料的危害潜力：长期暴露后的细胞毒性以及汞(II)的载体效应

《Science of The Total Environment》：Hazard potential of polystyrene and polybutylene succinate microplastics: Cellular toxicity following long-term exposure and Mercury(II) carrier effects

微塑料毒性差异及汞吸附机制研究显示：PS和PBS微塑料在HT-29肠上皮细胞模型中表现出不同毒性及重金属吸附特性。PS-MPs长期暴露（28天）显著降低细胞存活率至67%，而PBS-MPs自身毒性较低。PS-MPs短期暴露（7天）引发ROS增加和细胞凋亡，而PBS-MPs汞吸附量是PS的3-7倍，并在14天内释放导致细胞存活率下降20%。研究证实可降解塑料的降解特性可能增强其作为污染物载体的风险，揭示“生物降解≠安全”的误区，需同时评估材料毒性和污染物载体潜能。

　　

作者名单： Puretat Saetan | Pornwipa Phuangbubpha | Nirawit Kaewnok | Nantanit Wanichacheva | Supakij Suttiruengwong | Adisri Charoenpanich

泰国那空帕通市西帕科恩大学（Silpakorn University）理学院生物系环境评估研究小组，邮编73000

摘要

微塑料（MPs），如聚苯乙烯（PS）和聚丁酸丁二醇酯（PBS），是广泛存在于环境中的污染物。尽管PBS被认为具有生物降解性，但其对环境的影响仍不确定。本研究使用HT-29人肠上皮细胞系评估了PS-MPs和PBS-MPs（粒径约16微米）的细胞毒性和汞（HgCl?）吸附能力。长期暴露下，这两种微塑料均在肠道黏液层中积累并被其捕获，但它们的毒理学特性存在显著差异：原始PS-MPs在28天后使细胞存活率降至约67%，而PBS-MPs的细胞毒性较低。短期暴露（7天）下，PS-MPs主要增加了活性氧（ROS）的产生并诱导细胞凋亡；相比之下，PBS-MPs具有更强的汞吸附能力，其吸附的汞量几乎是PS-MPs的3至7倍，并且释放速度更快。含汞的PBS（PBS-Hg）导致细胞内汞含量显著升高，约22%的细胞出现染色质凝聚，细胞存活率下降约20%。而含汞的PS（PS-Hg）则几乎不会引起基因毒性或细胞死亡。这些发现表明，促进PBS生物降解性的化学性质也可能增强其吸附和运输重金属的能力。这种“特洛伊木马”机制表明，将塑料标记为“可生物降解”并不一定能降低环境危害，因此需要同时评估聚合物的毒性和作为污染物的潜力，以开发更安全的材料。

引言

塑料污染已成为全球性问题，主要原因在于塑料消费量不断增加以及废物管理不善（Nikiema和Asiedu，2022年）。据估计，到2015年，全球产生了63亿吨塑料废物（Geyer等人，2017年），其中仅有9%被回收，近80%堆积在垃圾填埋场或环境中（Geyer等人，2017年）。因此，人们开始关注微塑料——这些由大块塑料降解产生的微小碎片（Horton，2022年）。这些微塑料现已广泛分布于各种生态系统和暴露途径中，包括海盐、海产品、农业土壤、牛奶、饮用水，甚至我们呼吸的空气中（Chang等人，2022年；Singh等人，2021年）。在温哥华到新加坡之间的北太平洋海域，每平方公里记录到多达102,700个漂浮的塑料颗粒，这凸显了海洋环境中塑料垃圾的严重负担（Rynek等人，2024年）。在其他地区，如极地锋面以南的表层水域，塑料碎片多为细小颗粒，94.5%的颗粒直径小于100微米，60.6%的颗粒直径小于25微米（Leistenschneider等人，2024年）。 每年人体摄入的微塑料数量估计在39,000至121,000个之间，其中瓶装饮料等来源每升可贡献数千个微塑料颗粒（Cox等人，2019年；Vitali等人，2024年）。微塑料通过胃肠道的吸收受到其粒径的显著影响：直径小于150微米的颗粒倾向于在肠道中积累，小于20微米的颗粒可进入血液循环系统，而小于10微米的颗粒能够深入组织和器官（Zhu等人，2023年）。这种迁移从胎儿时期就开始了，胎盘组织（5–10微米）和新生儿胎便（>50微米）中均检测到了微塑料（Braun等人，2021年；Ragusa等人，2021年）。它们在人类嗅球（5.5–26.4微米）中的存在证实了它们能够突破生物屏障并进入受保护的神经组织（Amato-Louren?o等人，2024年）。令人担忧的是，这种组织中的微塑料积累似乎正在增加；例如，2016年至2024年间，脑组织中的微塑料浓度中位数增加了近50%（Nihart等人，2025年）。 微塑料的毒性受多种因素影响，包括粒径、形状、浓度和暴露时间，尤其是聚合物类型（Ma等人，2024年）。聚苯乙烯（PS）球体因其商业可用性和明确的性质而被广泛用于微塑料和纳米塑料的毒性研究（Brachner等人，2020年；Gupta等人，2023年）。大量已发表的数据和PS的悠久工业历史使其成为评估新型塑料细胞毒性的有效参考材料。相比之下，像聚丁酸丁二醇酯（PBS）这样的可生物降解聚合物越来越多地被宣传为安全、环保的解决方案，尤其是在食品包装等高接触应用中（Nabeoka等人，2021年）。然而，这种观点假设“可生物降解”就意味着“生物无害”，但最新研究表明，这一假设需要通过严格的环境风险评估来验证。最新研究表明，PBS和类似生物聚合物在酶促和紫外线/光氧化降解过程中会释放大量微塑料颗粒，尤其是直径小于50微米的颗粒（Tong等人，2022年）。虽然酶促途径可能有助于这些微塑料的分解，但紫外线照射通常会导致其形成更持久的碎片（Cui等人，2025年）。此外，PBS微塑料释放后与环境的相互作用也引发了新的问题：例如，在降解后的PBS微塑料表面观察到显著的细菌定植和生物膜形成（Li等人，2022年）。这种生物膜大大增强了PBS颗粒吸附重金属（如Pb(II)）的能力，其吸附能力比原始PBS高出十倍（Li等人，2022年）。此外，小颗粒微塑料特别擅长吸附和运输金属及类金属阳离子，并能在模拟的胃肠道条件下释放这些毒素，从而成为有害金属的“特洛伊木马”（Hildebrandt等人，2021年）。这一过程可能将有害物质引入食物链，增加人类健康风险。这些发现表明，需要同时考虑微塑料的直接毒性和作为环境污染物载体的间接效应。 尽管有这些发现，但仍存在关键的知识空白：缺乏关于传统塑料（如PS）与其可生物降解替代品（如PBS）在包含保护性黏液层的生理相关人体肠道模型中的细胞毒性和污染物载体潜力的直接比较数据。在本研究中，我们评估了来自PS和PBS的微塑料的细胞毒性，重点关注粒径小于30微米的颗粒。选择这一粒径范围是因为它们在环境和瓶装饮料中普遍存在，并且能够穿透肠道屏障。为了更好地模拟生理条件，我们使用了HT-29人肠上皮细胞系，该细胞系以分泌黏液的能力而闻名，并模拟了长达28天的长期暴露。此外，我们还研究了这些微塑料作为汞(II)载体的能力，通过评估它们的吸附、释放和转移至细胞的能力来进行研究。为了实现实时监测，我们使用了一种新型荧光探针，可以追踪汞(II)从微塑料到肠上皮细胞的吸收、释放和转移过程，以及由此产生的细胞毒性效应。

微塑料的制备与表征

商业级别的聚苯乙烯（PS）和聚丁酸丁二醇酯（PBS）颗粒经过机械研磨后通过400目不锈钢筛网过滤。使用扫描电子显微镜（SEM；TESCAN MIRA3，捷克共和国）观察微塑料的形态和表面特征。利用ImageJ软件（v2.14.0/1.54f）分析SEM图像，测量每个颗粒的投影面积，并计算出相应的球形直径（即颗粒大小）。

微塑料的表征

通过研磨并过滤400目筛网，制备出粒径小于30微米的PS和PBS微塑料。扫描电子显微镜（SEM）显示，PS和PBS微塑料具有多样的颗粒形态，类似于从受污染环境中收集的次级微塑料的典型不规则形状（图1A）（Zhou等人，2025年）。高倍率SEM图像显示，PS-MPs的表面更加光滑。

结论

本研究表明，可生物降解的塑料并不一定更安全，反而可能成为污染物的强大载体，这挑战了环境风险评估中的常见假设。虽然原始聚苯乙烯的长期细胞毒性更强，但聚丁酸丁二醇酯能更有效地吸附和运输汞。这种增强的吸附作用带来了明显的生态风险：在水生系统中，像PBS这样的聚合物可能成为汞等重金属的局部聚集地。

作者贡献声明

Puretat Saetan：撰写初稿、可视化处理、数据验证、方法设计、实验实施、数据分析。 Pornwipa Phuangbubpha：撰写初稿、可视化处理、数据验证、方法设计、实验实施。 Nirawit Kaewnok：数据验证、资源准备、方法设计、实验实施。 Nantanit Wanichacheva：数据验证、资源准备、方法设计。 Supakij Suttiruengwong：数据验证、资源准备、方法设计。 Adisri Charoenpanich：撰写内容审核与编辑、撰写初稿、可视化处理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢泰国科学研究与创新局（TSRI）2024财年的国家科学、研究与创新基金（NSRF）以及国际原子能机构（IAEA）通过项目THA7006提供的财政支持。同时，作者感谢Srisuda Konthong在微塑料制备方面的技术协助，以及Witoon Wattananit在SEM成像技术上的专业支持和帮助。