《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microplastic-Heavy Metal Ions Interactions in Aquatic Environments: Sources, Biofilm-Driven Adsorption Mechanisms, Ecological Risks, and Remediation Frontiers
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微塑料（MPs）与重金属离子的相互作用机制及污染治理研究。重点分析生物膜（plastisphere）对重金属吸附的影响，探讨联合毒性效应及化学、生物和物理去除技术进展，为水环境复合污染治理提供理论依据。
余高|魏高|雷晨|刘宇志|赵军
教育部松辽水环境重点实验室，吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春，130118，中国
摘要：
由于微塑料（MPs）在水生环境中的广泛分布，它们最近引起了广泛关注。微塑料可以作为水环境中重金属离子的载体或传输媒介，对水生生物和人类健康构成潜在威胁。本文综述了微塑料与水环境中重金属离子的来源及其相互作用机制，特别关注了微塑料表面生物膜（称为“塑料圈”）对重金属离子吸附行为的影响。系统地回顾了由生物膜驱动的吸附机制、联合毒性效应以及去除技术的进展。采用吸附分析机制、吸附动力学和等温线模型来解释微塑料对重金属的吸附作用。吸附过程受到多种因素的影响，包括微塑料的形态特征、吸附能力以及环境条件。随后评估了微塑料与重金属离子共同存在于水中对水生生物、植物和动物的潜在风险。本文还探讨了化学、生物和物理方法去除微塑料吸附的重金属复合污染物的研究进展，旨在为实际水体中微塑料-重金属复合污染的精确风险评估提供理论基础。
引言
由于塑料具有重量轻、便携性强、物理化学性质稳定和成本低等优点，其在全球范围内被广泛使用。然而，塑料垃圾带来了严重的环境问题。在持续的物理磨损和光氧化作用下，塑料碎片会逐渐分解成更小的颗粒。直径小于5毫米的颗粒被称为微塑料（MPs）[1]，[2]，而当其尺寸小于1000纳米时，则被进一步归类为纳米塑料（NPs）[3]。微塑料具有多种聚合物类型和形状，通常呈现为纤维、碎片或颗粒状，颜色从白色和灰色到半透明不等。其表面通常存在裂纹和孔隙，具有较大的比表面积，这增强了它们的环境反应性。越来越多的证据表明，塑料垃圾是水污染的主要来源之一，尤其是在海洋环境中[4]，[5]。据报道，塑料占海洋垃圾的比重高达四分之三，这凸显了微塑料对水生生态系统潜在威胁的日益严重性。
微塑料通过地表径流、土壤侵蚀和大气沉降（干湿循环）等途径进入水生环境，在那里它们不可避免地会发生老化（也称为风化）[6]，[7]。由于微塑料具有很强的疏水性和较大的比表面积，这使得它们能够吸附各种污染物，包括重金属离子[8]。研究表明，填埋和煤炭开采等人类活动显著加剧了地下水和土壤中的重金属污染[9]。同时，越来越多的研究开始关注微塑料与重金属离子之间的相互作用机制。使用Web of Science数据库进行文献计量分析发现，关于微塑料吸附重金属离子的研究占微塑料相关研究的很大比例（图1a）。自2014年以来，关于微塑料-重金属相互作用的研究呈指数级增长，反映了科学界的关注度不断提高。图1b展示了主要研究的微塑料类型和重金属离子，其中聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）以及镉（Cd）、铅（Pb）和铜（Cu）、铬（Cr）是关键研究对象。微塑料对重金属离子的吸附能力受到其物理化学性质（如官能团、聚合物类型、颜色）和水质参数（如盐度、pH值、溶解有机物）的影响[10]，[11]。值得注意的是，水生系统中的微塑料表面很快会被生物膜覆盖——这些生物膜是由产生胞外聚合物物质的微生物组成的复杂聚集体，形成了所谓的“塑料圈”。这些生物膜可以进一步促进痕量金属的吸附[12]，[13]，[14]。因此，研究微塑料表面生物膜对重金属离子的吸附行为具有重要意义。
尽管关于微塑料-重金属离子相互作用的研究不断增多，但在塑料圈在这些过程中的具体作用方面仍存在许多知识空白。目前的研究主要集中在纯净的微塑料上，而生物膜对吸附动态、联合生态毒性和后续环境风险的影响尚未完全了解[15]，[16]。此外，针对自然水环境中吸附在微塑料上的重金属离子的有效修复策略仍需进一步探索。
因此，本文旨在系统地解决这些空白，具体目标如下：（1）总结水环境中微塑料和重金属离子的来源以及微塑料表面生物膜的形成过程；（2）阐明微塑料与重金属离子之间的吸附行为并确定关键影响因素；（3）讨论微塑料吸附的重金属离子对水生系统的潜在生态风险；（4）回顾去除吸附在微塑料上的重金属离子的最新技术进展。通过整合塑料圈的关键作用，本文旨在提供关于生物膜增强吸附机制、联合生态毒理学效应和新兴修复方法的结构化分析。
水中的微塑料来源
日常使用的塑料主要在陆地生产，并且大部分在陆地被消费和处理。然而，由于回收和处理不完全，仍有部分塑料通过各种途径进入淡水环境。水生环境中的微塑料主要来源于三个途径：（1）较大塑料碎片的风化分解；（2）洗衣过程中释放的合成纤维；（3）个人护理产品的直接排放。如表1所示，微塑料的来源包括……
塑料圈的发展动态和阶段
微塑料具有较大的比表面积、难以降解的特性以及较强的吸附能力，这使它们能够为微生物提供保护性和营养支持，为微生物创造稳定的生存环境和丰富的营养基础。漂浮在水中的微塑料垃圾会吸引细菌、真菌、藻类等单细胞生物在其周围聚集，形成独特的微生物群落
微塑料与重金属离子之间的吸附和解吸机制
最近，许多学者对微塑料的吸附机制进行了研究。他们发现微塑料能够吸附镉、铬、铜、铁、铅等重金属离子，并具有很强的吸附能力。研究表明，微塑料吸附重金属离子的机制主要包括金属离子与带电或极性区域之间的静电相互作用、金属离子与微塑料表面之间的配位作用，以及中性金属-有机物之间的非特异性相互作用
微塑料-重金属离子复合物对水生生物的联合毒性
微塑料可以吸附水环境中的多种重金属离子，并改变这些离子的毒性。由于微塑料在颜色和大小上与水生动物食物相似，因此常被它们摄入。微塑料吸附的重金属离子可能对水生生物、植物和动物产生不同的毒性效应，包括协同效应和拮抗效应。
受污染水体的修复策略
总之，含有重金属离子的微塑料在水生生态系统中普遍存在，对生态环境和公共健康产生负面影响。因此，从受污染的水生生态系统中去除微塑料和重金属离子对于环境可持续性至关重要。对于难以去除的微塑料-重金属复合污染问题，主要的解决措施包括：首先从源头直接防止它们进入自然生态系统
前景与挑战
本文回顾了微塑料与重金属离子在水环境中的来源、相互作用机制及其联合毒性效应，以及当前的修复方法。尽管关于微塑料吸附污染物的研究正在增加，但在“塑料圈”的作用方面仍存在显著的知识空白。未来的研究应优先考虑以下方向，以获得更真实和机制性的理解：
(1) 从控制实验到实际应用
CRediT作者贡献声明
刘宇志：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资金筹集、数据管理、概念构思。赵军：软件开发、资金筹集、数据管理。余高：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、资金筹集、数据管理、概念构思。魏高：资金筹集、数据分析、数据管理。雷晨：方法论设计、实验研究、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（编号52500114）、吉林省教育厅科研计划（JJKH20250999KJ和JJKH20250141KJ）、香港环境与保护基金（2021-09），以及吉林建筑大学教育部松辽水环境重点实验室开放基金（编号JLJUSLKF042024003）的财政支持。
