从物理化学和来源角度探讨水生系统中微塑料的风险

《ACS ES&T Water》：A Physicochemical and Source-Based Perspective on Microplastic Risks in Aquatic Systems

微塑料环境危害与风险评估需整合来源与物理化学特性，现有分类仅基于来源导致风险评估不足。应考虑粒子尺寸、形态、表面化学及生物持久性等动态属性，建立多维度健康导向评估框架。通过高分辨表征、生物可及性实验及整合模型，强化对纳米塑料等高风险颗粒的监测与风险预测。

　　

塑料在现代生活中无处不在，导致了广泛的环境污染。微塑料（MPs），即尺寸小于5毫米的塑料颗粒，已成为日益令人关注的污染物，在海洋和淡水环境、土壤以及大气中都有检测到。(1) 水生系统中的微塑料来源于多种途径，包括在微观尺度上故意生产的初级微塑料，以及通过物理、化学和生物过程从较大塑料碎片中分解产生的次级微塑料。(2) 尽管对微塑料的存在及其生态影响进行了大量研究，但目前对初级和次级微塑料的分类仍主要基于它们的来源。这种以来源为中心的分类方式可能会掩盖一些关键的物理化学特性，如颗粒大小、形状、聚合物组成、表面化学性质以及转化途径，而这些特性决定了微塑料的命运和迁移方式、污染物的吸附情况以及与生物体的相互作用。因此，仅基于来源的定义不足以进行可靠的生态和人类健康风险评估。

微塑料是一种具有特定物理化学性质的物质，其大小、形态、密度和表面功能都会影响其浮力、迁移路径、与其他污染物的相互作用以及在水生系统中的持久性。例如，表面粗糙度和官能团会影响持久性有机污染物、金属和微生物生物膜的吸附。此外，紫外线照射、水解和机械应力会改变表面化学性质和颗粒大小分布，进一步促进微塑料的破碎和化学物质的释放。因此，即使聚合物组成相同，但大小、形状或表面特性不同的微塑料，在环境中的行为和毒性也可能存在显著差异。这些差异无法仅通过来源分类来反映。

人类可能通过饮用受污染的水、食用受污染的海产品和其他水生食品而接触到微塑料。微塑料的生物效应、生物可利用性和潜在毒性在很大程度上取决于其物理化学特性。较大的微塑料颗粒可能通过消化道后随粪便排出体外，而较小的颗粒（包括纳米塑料）可能在体内停留更长时间，并有可能穿过肠壁进入血液循环系统，从而增加与细胞相互作用、引发炎症和全身性转移的风险。此外，微塑料作为吸附污染物或释放添加剂的载体的能力也受其表面化学性质的影响，这会进一步影响相关风险状况。

我们提出了一个以健康为导向的多维框架，该框架结合了来源分类和物理化学特性，以改进水生系统中的微塑料风险评估。主要考虑因素如下：

• 微塑料颗粒的大小和形状会影响其穿透生物屏障的能力、被细胞吸收的情况以及进入血液循环系统的潜力。纳米级碎片和细纤维可能比较大颗粒更容易穿过这些屏障，从而可能造成更大的生物影响。
• 表面化学性质和吸附的污染物会影响微塑料与生物组织（如肠上皮）的相互作用，以及微塑料从受污染水中吸附或从聚合物基质中释放的有毒物质的传递能力。
• 微塑料的生物持久性和可降解性决定了其在体内的停留时间，进而影响慢性或延迟性毒性反应的可能性。

要推进这一框架的发展，需要方法论的创新，因为传统的微塑料监测方法主要关注其数量和聚合物类型，无法充分捕捉影响生物相互作用、环境命运和健康风险的特性。我们建议采取以下措施：

• 使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行高分辨率成像，以评估颗粒大小和形状，并表征表面形态；利用SEM-EDS技术分析风化特征和颗粒表面的元素组成。
• 运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱技术来识别官能团并确定聚合物组成。
• 通过生物可利用性和体外实验来评估微塑料与人体组织的相互作用、细胞吸收情况以及毒性。
• 未来的研究应致力于开发综合建模方法，综合考虑微塑料暴露量（颗粒大小、剂量和持续时间）、物理化学性质以及吸附的污染物负荷，从而得出综合的人类健康风险指数。

通过明确将微塑料的物理化学性质与其生物相互作用及其携带污染物的能力联系起来，这一框架有助于识别高风险的微塑料类型，为制定缓解策略提供依据，并为水资源制定暴露限值提供支持。它还有助于促进环境化学家、毒理学家和政策制定者之间的跨学科合作，帮助将环境监测与风险评估联系起来。

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