通过毒代动力学-毒效动力学建模研究发现，聚苯乙烯纳米塑料对铜毒性的敏感性取决于其尺寸

《Journal of Hazardous Materials》：Size-dependent sensitization of copper toxicity by polystyrene nanoplastics revealed by toxicokinetic–toxicodynamic modeling

本研究通过毒理动力学-毒理动力学（TK-TD）模型，探究50nm和300nm聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）与铜的联合毒性，发现小尺寸PS-NPs因清除率减缓（33.2%延迟）导致铜生物积累量增加2.05倍，并通过降低铜的临界内部阈值（ sensitization effect）增强毒性，机制涉及氧化应激（脂质过氧化增加）和肠道屏障损伤（杯状细胞减少）。该研究揭示了小尺寸纳米塑料与重金属共存的生态风险，强调复合污染场景的优先评估需求。

　　

罗晓蓉|薛宇|冯建峰|卢学强

中国天津市南开大学环境科学与工程学院，天津国际环境生物地球化学技术联合研究中心，天津复杂跨媒体污染环境技术重点实验室，邮编300350

摘要

纳米塑料（NPs）和重金属在水生环境中广泛共存，但纳米塑料颗粒大小如何调节其联合毒性的定量机制尚不清楚。本文采用毒代动力学-毒效学（TK-TD）建模方法，研究了铜（Cu）和聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs，50纳米和300纳米）对斑马鱼的单独和联合影响。毒代动力学分析显示，50纳米的PS-NPs（PS₅₀）的吸收率比300纳米的PS-NPs（PS₃₀₀）高5.6%，消除速率慢33.2%。PS₅₀在体内的停留时间更长（12.1小时；PS₃₀₀为8.1小时），这表明其作为载体的能力更强，导致斑马鱼体内的铜负荷比仅暴露于铜的情况下增加了2.05倍。关键的是，毒效学建模显示了一种敏化效应：同时暴露于2毫克/升的PS₅₀和铜会显著降低铜的临界内部阈值，表明生物体的耐受性受损。这种敏化作用是由于氧化应激加剧和肠道屏障损伤引起的，表现为脂质过氧化、抗氧化剂耗竭和杯状细胞丢失。因此，较小纳米塑料增强铜的毒性不仅仅是由于体内负荷增加，还由于宿主自身的敏化作用。本研究揭示了较小纳米塑料及其与重金属相互作用所带来的更高生态风险，强调了在环境风险评估中优先考虑这些共暴露情景的紧迫性。

引言

塑料垃圾对水生生态系统的普遍污染引发了全球关注，最近的研究重点转向了塑料污染的纳米级部分[1]、[2]。纳米塑料（NPs）定义为小于1微米的塑料颗粒，来源于较大塑料的破碎或各种消费产品的直接释放[3]。由于其微小尺寸、高表面积和增强的生物可利用性，NPs表现出独特的行为和危害[4]。同时，重金属污染继续威胁水生生物，通常与塑料污染物同时存在于环境中[5]、[6]。NPs和重金属的共存创造了一种复杂的暴露情景，这比仅关注单一污染物的研究更能反映现实世界的污染情况[6]、[7]。

NPs可以吸附金属污染物并促进其在生物体内的内化，表现出“特洛伊木马”效应[8]、[9]。这种载体功能可以增加金属的生物可利用性和生物积累，从而加剧毒性效应，如氧化应激和DNA损伤[10]、[11]。然而，在某些条件下，NPs也可以结合金属离子，降低其即时生物可利用性，可能减轻急性毒性[12]、[13]。尽管认识到了这两种潜在的结果，但纳米塑料的性质（特别是颗粒大小）如何调节毒性后果的机制基础仍不清楚[14]、[15]。此外，大多数现有研究依赖于在固定暴露时间下测量的描述性终点，如生物积累或死亡率，而忽略了控制内部暴露时间和生物体敏感性的动态过程[16]、[17]。这些方法限制了对机制的解释，并限制了区分毒性增强是由于体内剂量增加、毒代动力学改变还是生理耐受性变化的能力。

毒代动力学-毒效学（TK–TD）模型提供了一个定量框架，将随时间变化的外部暴露与内部污染物动态及由此产生的生物效应联系起来，从而将环境风险评估提升到静态终点的水平之上[18]。通过明确模拟吸收、消除和内部损伤积累的过程，TK–TD模型建立了暴露历史与生物体水平反应之间的机制联系[19]、[20]。这种方法已成功应用于量化水生系统中重金属和有机污染物的毒性，例如，在动态环境条件下确定临界体内负荷和时变致死阈值[21]、[22]。然而，尽管TK–TD模型在传统污染物研究中的应用越来越多[23]，但它很少用于解析NPs和金属的联合毒性。鉴于NPs能够改变共存污染物的毒代动力学和毒效学，TK–TD方法特别适合于阐明颗粒大小如何调节内部暴露和宿主敏感性。

为了解决这些知识空白，我们研究了聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs；50纳米和300纳米）和铜（Cu）对斑马鱼的单独和联合影响。选择PS-NPs作为代表性聚合物，因为它们在环境中普遍存在，并且经常在水生系统中被检测到[3]。选择铜作为模型重金属，是因为它与塑料广泛共存，并且其毒性特征明确，使其成为研究联合毒性效应的理想共污染物[24]。使用了两种环境相关的纳米塑料尺寸（50纳米和300纳米）来代表具有不同生物行为的颗粒[25]。此外，选择了两种纳米塑料暴露浓度（0.2毫克/升和2毫克/升）来涵盖不同的评估情境：0.2毫克/升是基于最近野外监测数据支持的一个合理的环境相关情境[26]、[27]，而2毫克/升则作为高暴露下的机制测试浓度。本研究旨在：（1）比较两种尺寸（50纳米和300纳米）的PS-NPs的毒代动力学过程（积累和消除）；（2）利用毒代动力学建模量化纳米塑料大小和浓度对铜生物积累的影响；（3）通过毒效学建模确定共暴露是否影响宿主对铜的生理耐受性。通过综合的TK-TD方法，本研究可能为理解NPs和重金属的联合毒性效应提供一个机制框架，为它们在现实环境暴露情景下的影响提供见解。

实验化学品

从海安智川电池材料科技有限公司获得了纯净和荧光的PS-NPs（50纳米和300纳米；激发/发射波长488纳米/520纳米；浓度2.5% w/v）。使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM；Apreo S Lovac）对颗粒进行了形态学表征。使用Zetasizer Nano ZS90分析仪（Malvern Panalytical，英国）测量了颗粒的流体动力学直径（DLS）和Zeta电位，以评估其在实验条件下的胶体稳定性

PS-NPs的物理化学性质

图1展示了PS-NPs的全面物理化学表征。动态光散射（DLS）分析显示PS₅₀和PS₃₀₀颗粒均呈单峰分布（图1a）。Z平均流体动力学直径分别为71.5±4.9纳米和294.9±4.4纳米（图1b）。两种颗粒的多分散指数（PDI）值分别为0.22±0.04和0.14±0.03（图1c），表明它们是单分散且稳定的

结论

本研究通过综合的TK–TD建模框架阐明了PS-NPs增强铜毒性的尺寸依赖性机制。与较大的PS-NPs（300纳米）相比，较小的PS-NPs（50纳米）表现出更大的生物积累，主要归因于较慢的消除速率和延长的生物半衰期。PS₅₀在体内的停留时间延长，从而增加了体内的铜剂量并持续了毒性损伤的可能性。重要的是，毒效学效应表明

环境意义

本研究揭示了一个明显的尺寸依赖性效应：较小的（50纳米）聚苯乙烯纳米塑料通过两种机制显著增强了水生生物中的铜毒性：它们通过延长体内停留时间增加了铜的生物积累（毒代动力学效应），并且关键的是，它们通过降低体内毒性阈值增强了生物体的敏感性（毒效学效应）。这些发现表明，纳米塑料和重金属的共暴露比单独存在时带来更大的生态风险

CRediT作者贡献声明

冯建峰：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。卢学强：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。罗晓蓉：撰写——初稿撰写、可视化、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。薛宇：数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42377271）、国家重点研发计划（编号2024YFC3713203）和中央高校基本科研业务费的支持。