《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Antibiotic–biodegradable microplastic interactions: Mechanisms and environmental implications
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可降解塑料在环境老化过程中形成具有高吸附能力的微塑料，显著增强对抗生素的吸附并促进抗药基因传播，挑战其环保性假设。
Sadam Hussain Tumrani | Razium Ali Soomro | Nabi Bux | Zeenat Naz | Ali Raza Otho | Selcan Karaku?
北京师范大学环境学院水环境模拟国家重点实验室，中国北京 100875
摘要
可生物降解塑料由可再生材料制成，被视为传统石油基塑料的环保替代品。然而，在环境分解过程中，这些材料会碎裂成可生物降解的微塑料（Bio-MPs），这引发了人们对它们未能完全矿化以及可能与抗生素等共污染物相互作用的担忧。尽管可生物降解塑料被广泛使用，但关于Bio-MPs在环境老化过程中如何与抗生素相互作用的研究仍很有限。本综述综合了多项证据，表明通过紫外线暴露、机械磨损和生物膜形成，Bio-MPs的抗生素吸附能力显著增强，通常超过传统微塑料。这种增强作用是由于表面粗糙度增加、孔隙率提高以及含有氧的功能基团增多，而生物膜的形成则通过细胞外聚合物提供了额外的结合位点。吸附效率受多种机制调控，包括疏水作用、静电相互作用和氢键作用，并受溶液pH值、离子强度和溶解有机物等环境因素的影响。重要的是，这种增强的吸附能力使Bio-MPs成为抗生素的传输载体，在水生系统中形成抗微生物耐药性基因传播的局部热点。这一风险因素在生命周期评估中常常被忽视，挑战了“可生物降解即环保”的假设。为解决这一问题，需要建立全面的研究框架，考虑微塑料阶段携带污染物的潜力。然而，定量风险评估仍受到实验室研究中非环境浓度条件、沉积物系统代表性不足以及缺乏将Bio-MPs-抗生素复合物与耐药基因转移联系起来的现场证据的制约。未来的研究应明确可生物降解塑料是减少还是加剧了药物污染。
引言
塑料是一种通过各种有机单体组合而成的合成聚合物化合物。过去七十年间，由于其成本效益和出色的性能，许多行业都采用了塑料。全球塑料产量从1950年的200万吨增加到每年4.6亿吨，但仅有9%被回收，每年有480万至1200万吨塑料进入海洋（Jambeck等人，2015年）。由于物理、化学和生物作用，塑料产品会分解成小颗粒，即微塑料（MPs），定义为直径小于5毫米的塑料颗粒。微塑料具有化学稳定性，在环境中可持续存在数十年甚至数千年（Li等人，2020年；Shi等人，2022a年；Su等人，2016年；Zhang等人，2022年）。微塑料污染现象普遍存在，淡水系统中的浓度可达每升数千个颗粒，海洋沉积物中可达每千克数百个颗粒（Emisha等人，2024年；Das等人，2023年；Tumrani等人，2025a年，2025b年）。这些颗粒已在包括饮用水、农业土壤和大气沉降物在内的多种环境介质中被检测到。微塑料可通过食物链传递，对水生生物造成氧化应激、炎症和生殖障碍等毒性影响（Paul等人，2024年），并可能穿透血脑屏障，对人类健康构成严重威胁，有证据表明它们会在人体组织中积累并可能与炎症反应相关（Green，2016年；Zhuang等人，2023a年；Hussain Tumrani等人，2025年）。
为应对这些问题，可生物降解塑料（Bio-Plas）作为传统不可生物降解塑料的有希望的替代品出现，应用范围扩展到包装、农业薄膜、医药材料和3D打印等领域（Spierling等人，2018年）。尽管传统塑料仍占主导地位（图1），但由于环境意识的提高和可持续发展倡议的推动，可生物降解聚合物的市场份额正在增长。然而，降解过程中仍存在重大挑战。虽然Bio-Plas设计为能被自然存在的微生物分解为CO?、CH?和H?O，但在自然环境中无法完全降解为这些最终产物（RameshKumar等人，2020年；Qin等人，2021年）。重要的是，与传统塑料相比，Bio-Plas更容易碎裂成微塑料颗粒。在这一过程中，紫外线、机械磨损、温度波动、生物降解和生物污染等因素会导致表面性质的根本变化，包括表面积增加、含有氧的功能基团形成和生物膜形成，这些变化显著影响污染物的吸附（Shi等人，2022a年；Sun等人，2021a年；Fan等人，2021a年；Martin等人，2022年；Huang等人，2021年；Tumrani等人，2025c年）。可生物降解微塑料（Bio-MPs）的疏水性质和较高的表面积与体积比使它们能够吸附和传输各种污染物，包括有机污染物和重金属（Bakir等人，2014a年；Li等人，2018年；Mato等人，2001年；Teuten等人，2009年；Brennecke等人，2016年；Guo等人，2020年；Guzzetti等人，2018年）。
抗生素是杀死或抑制细菌的重要药物。然而，由于抗生素的广泛使用，它们在水生生态系统中频繁被检测到，废水处理无法完全去除（Wang等人，2016年，2020a年，2021a年，2023年；Zhuang等人，2021年；Liu等人，2023a年；Tumrani等人，2021年）。微塑料已成为抗生素在水生环境中传输和积累的关键载体，研究表明它们对多种聚合物类型具有显著的吸附能力。微塑料与抗生素之间的相互作用通过多种机制发生，包括疏水作用、静电吸引、氢键作用和孔隙填充过程，吸附效率受聚合物特性、抗生素性质和环境条件的影响（Paul等人，2025年）。重要的是，与自由溶解形式相比，微塑料结合的抗生素可能表现出不同的生物利用度和持久性，从而延长其在水生系统中的停留时间。此外，微塑料表面为生物膜的形成提供了基底，创造了抗生素高浓度积累的微环境，促进了细菌群体间抗生素耐药基因的发展和水平传播（Tumrani等人，2025a年；Hussain Tumrani等人，2025年；Sooriyakumar等人，2022年；Reuben等人，2019年）。微塑料与抗生素的这种结合导致了复杂的污染情况，对生态系统健康和全球抗生素耐药性危机产生了影响。虽然已有研究探讨了微塑料作为有机污染物（Zhang等人，2022年；Wang等人，2021b年；Torres等人，2021年；Tang等人，2021a年；Xu等人，2018a年）、重金属和细菌病原体（Liu等人，2021a年，2022a年；Mammo等人，2020年）的载体，但对于可生物降解微塑料（Bio-MPs）与抗生素等药物的相互作用仍缺乏了解。
本综述通过研究Bio-MPs与抗生素之间的相互作用，评估Bio-Plas作为传统塑料替代品的潜力及其在降解过程中的污染物吸附行为，填补了这一研究空白。主要目标是：（i）表征不同类型的生物塑料及其作为传统塑料替代品的独特特性；（ii）总结药物分类；（iii）评估Bio-MPs从水源中去除药物的能力；（iv）分析老化过程如何增强吸附；（v）确定影响抗生素在Bio-MPs上吸附的材料参数；（vi）分析调节这些相互作用的环境因素。
分类框架和市场概述
在包装、农业薄膜、药品和3D打印等领域，Bio-Plas被广泛使用。在特定环境条件下，这些塑料会降解为CO?、H?O、CH?和生物质。图2（I）根据制造工艺将塑料分为天然聚合物和合成聚合物。大多数塑料由生物质和植物等可再生资源制成，常用的聚合物包括PLA、PHA、淀粉、纤维素和蛋白质等。
药物废物造成的环境污染：来源、分布及其对水生生态系统抗生素耐药性的影响
从广义上讲，共有65种主要用于治疗目的的药物化合物，可归类为15个不同的药理类别。主要药物类别包括抗生素、抗高血压药、抗抑郁药、镇痛药、抗真菌药、降脂药、抗癌药、抗炎药、麻醉药、利尿剂、抗惊厥药、抗糖尿病药、抗组胺药、戒烟辅助药物和环氧化酶抑制剂。
微塑料在自然老化过程中与药物抗生素的相互作用
微塑料与药物抗生素之间的相互作用是一个关键的环境问题，直接影响污染物的传输和抗微生物耐药性的传播。随着微塑料经历风化引起的结构变化和化学反应性变化，这种相互作用不断发展。
增强微塑料吸附能力的重要性
微塑料会随时间老化，这增加了它们的孔隙率，提高了它们从水和土壤中吸收有机污染物的能力。当塑料降解和分解时，微塑料会在海洋环境中积累长达40年。磨损、波浪冲刷和沙子或道路磨损也会导致材料降解。化学降解也可能由碱或酸水解引起。
抗生素在微塑料上的吸附过程和机制
吸附是指化学物质从液相或气相通过表面吸附和基质吸收转移到固相的过程。这一过程受吸附剂和被吸附物之间疏水-亲水平衡的调控（Tourinho等人，2019a年；Hüffer等人，2016年）。由于抗生素和塑料的分子结构不同，抗生素在微塑料上的吸附与常规有机污染物有所不同。
影响抗生素在微塑料上吸附的因素
不同参数影响抗生素在微塑料上的吸附。图10展示了影响抗生素在微塑料上吸附的主要参数。调整特定表面积（SSA）和功能基团可以改善π–π相互作用和氢键作用，从而影响微塑料的结晶度、疏水性和表面特性。这些微塑料的固有特性和环境参数（如pH值、离子强度和溶解有机物（DOM）都会影响吸附。
挑战与展望
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目前，微塑料的检测和定量方法仍然有限。准确识别和评估自然环境中的传统塑料和生物基塑料污染至关重要。因此，需要优先开发简单、实用且经济可行的方法来去除微塑料。在这一领域，明确区分可生物降解塑料和不可生物降解塑料的差异至关重要。
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关于生物基
结论
本综述表明，可生物降解微塑料在水生环境中可作为抗生素的动态吸附剂，其吸附能力在环境老化过程中显著增强。可生物降解聚合物的降解速度比传统塑料快，产生的颗粒浓度可高出三个数量级。物理化学降解和生物膜形成通过增加表面粗糙度，使抗生素吸附能力提高两到二十倍。
作者贡献声明
Sadam Hussain Tumrani： 数据分析。Razium Ali Soomro： 编写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督。Nabi Bux： 数据分析。Zeenat Naz： 数据分析。Ali Raza Otho： 数据分析。Selcan Karaku?： 编写——审稿与编辑，撰写——初稿，调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
