聚合物的化学性质决定了纳米塑料的毒性：一项关于毒代动力学与毒效动力学的分析

《Journal of Hazardous Materials》：Polymer identity determines nanoplastic toxicity: A toxicokinetic–toxicodynamic analysis

　　

王梅|张尧|方海涛|苗爱军

中国江苏省南京市南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，210023

摘要

纳米塑料（NPs）在水生环境中广泛存在，然而目前的毒理学研究主要集中在聚苯乙烯（PS）上，忽视了自然系统中存在的多种聚合物。为了解决这一差距，本研究使用了淡水原生动物Tetrahymena thermophila作为模型，比较了四种常见纳米塑料：聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、PS和聚氯乙烯（PVC）。通过聚集诱导释放（AIE）标记技术，我们能够精确量化细胞内的纳米塑料负荷，并应用毒动-毒效（TK–TD）框架结合损伤评估模型（DAM），从机制上将内部纳米塑料剂量与Ca²⁺失调联系起来。研究发现，PMMA和PS纳米塑料最容易积累，但仅引起中等程度的氧化应激、Ca²⁺失衡和膜损伤。相比之下，PVC纳米塑料产生的干扰最为严重，且表现出最高的TD损伤积累率，这表明毒性潜力主要受聚合物化学性质的影响，而不仅仅是内部剂量。值得注意的是，尽管PS是纳米塑料毒理学研究中的主要模型塑料，但在我们的实验中其毒性最低，而全球普遍存在的聚合物如PVC则表现出更强的TD效应。这些发现强调了需要超越以PS为中心的方法，建立一种预测性的、基于机制的框架，以评估水生生态系统中特定聚合物的纳米塑料毒性。

引言

过去几十年里，塑料的生产和消费量急剧增加，2023年全球达到4.14亿吨[1]。由于塑料的耐久性极强且可回收性有限（即只有约9%的塑料被回收），大部分塑料会在自然环境中积累，逐渐分解成微塑料（MPs，1–5微米）和纳米塑料（NPs，<1微米）[2]、[3]、[4]。与MPs相比，NPs具有更高的表面积与体积比、更强的反应性以及更强的穿透生物屏障的能力，能够在组织中积累并干扰重要的细胞过程[5]、[6]。在环境中的浓度通常以微克/升（μg/L）为单位，而在严重污染的水生环境中，MPs和NPs的质量浓度可接近毫克/升（mg/L）[7]、[8]，表明这些浓度可能对生物造成威胁。许多研究记录了NPs引起的氧化应激、炎症、细胞凋亡、代谢功能障碍、基因毒性甚至致癌效应[9]、[10]。总体而言，这些发现凸显了NPs可能带来的重大生态和健康风险，强调了迫切需要建立严格的、基于机制的环境风险评估框架。

纳米塑料风险评估的基础在于理解其生物积累潜力和特定聚合物的毒性效应。尽管包括聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）在内的多种聚合物在水生生态系统中普遍存在[11]，但超过80%的实验室毒理学研究主要集中在PS纳米塑料上[12]、[13]。这种偏见忽视了不同聚合物具有不同的物理化学性质（例如极性、密度、表面化学性质），这些性质对其吸收、细胞内命运和毒性有重要影响。少数比较研究表明，即使在相同的暴露条件下，PVC纳米塑料产生的活性氧（ROS）和ATP消耗水平也高于PS纳米塑料，导致哺乳动物细胞的细胞毒性更强[14]。这些证据表明，聚合物的化学性质是决定毒性结果的关键因素；然而，系统的评估仍然有限。更复杂的是，大多数纳米塑料毒性评估依赖于静态终点，如半数致死浓度或最低观察效应浓度[15]，未能捕捉到生物积累动力学、内部剂量升高、细胞修复和延迟毒性反应等时间变化过程[16]、[17]。因此，忽略这些时间动态的危害估计本质上是不完整的，可能无法反映真实的长期环境暴露情况。

毒动-毒效（TK–TD）建模提供了一个强大的框架，通过明确将细胞内纳米塑料浓度与时间依赖的生物反应联系起来，来填补这些空白[18]、[19]。在TK–TD方法中，损伤评估模型（DAMs）特别有优势，因为它们量化了损伤形成与生理恢复之间的动态平衡[20]。传统的终点，如死亡率或生长抑制，对早期分子扰动不敏感，往往无法预测亚致死或累积毒性效应。相比之下，敏感的细胞生物标志物，包括ROS、线粒体功能障碍和细胞内钙（i-Ca）失调，提供了关于纳米塑料诱导应激途径的机制性见解。值得注意的是，i-Ca失衡在放大氧化应激、破坏线粒体能量代谢、损害膜完整性以及最终触发细胞死亡方面起着核心作用[21]。尽管这些生物标志物在机制上很重要，但它们尚未被完全整合到纳米塑料的TK–TD模型中，限制了向预测性、基于机制的风险评估的进展。

在这里，我们使用对水生营养循环至关重要的淡水原生动物Tetrahymena thermophila，系统研究了四种常见纳米塑料（即PC、PMMA、PS和PVC纳米塑料）的生态毒性效应[22]、[23]。选择这些聚合物是基于它们在全球的高产量以及在水生环境中的频繁检测，同时它们涵盖了与纳米塑料吸收和毒性相关的各种物理化学性质[24]。我们合成了具有聚集诱导释放（AIE）标记的纳米塑料，以实现细胞内纳米塑料积累的精确量化，并应用TK–TD建模来从机制上将纳米塑料的内化与i-Ca失调联系起来。这种综合方法使得可以直接比较不同聚合物的TK和TD过程，揭示了不同聚合物类型在生物积累和毒性方面的显著差异。总体而言，我们的发现挑战了在毒性研究中过度依赖PS纳米塑料的做法，并为水生生态系统中特定聚合物的纳米塑料风险评估提供了坚实的框架。

章节摘录

生物培养

Tetrahymena thermophila SB210来自中国科学院水生生物学研究所（武汉），在26 ± 1 °C的温度下，12小时光照/12小时黑暗周期的SPP培养基中培养[25]。为了避免SPP培养基中有机成分的干扰，所有暴露实验都在简化的Dryl培养基（2 mM NaH₂PO₄、1 mM Na₂HPO₄、1.5 mM CaCl₂，pH 6.9）中进行[26]。暴露前，细胞被培养到指数中期，然后通过离心（1700 × g，10分钟）收集。

物理化学特性

合成的纳米塑料的形态和初级粒径通过SEM进行了表征。所有四种纳米塑料（PC、PMMA、PS和PVC）都呈现出良好的分散性，呈球形（图1a–d）。值得注意的是，PMMA和PS纳米塑料的粒径分布比PC和PVC纳米塑料更均匀，这与它们的合成方法一致：PMMA和PS纳米塑料是通过微乳液聚合法生产的，该方法可以精确控制成核和生长过程，而PC和PVC纳米塑料则不是

结论

通过将定量TK–TD建模与细胞反应的机制分析相结合，我们的研究提供了系统性的、针对特定聚合物的纳米塑料风险比较。尽管PMMA和PS纳米塑料在细胞内的积累量较高，但它们仅引起中等程度的ROS产生、Ca²⁺失调和膜损伤。相比之下，PVC纳米塑料在所有终点上都产生了最明显的细胞扰动，这反映在它们显著更高的TD损伤上

环境影响

纳米塑料（NPs）是具有全球关注度的有害物质，但目前大多数毒性数据都来自聚苯乙烯，忽视了实际环境中存在的多种聚合物。我们的研究表明，不同聚合物表现出不同的毒动（TK）和毒效（TD）行为：PVC纳米塑料尽管积累量较低，但引起的氧化应激和钙相关应力最强，而PS的毒性最低。这些发现表明，聚合物的化学性质对其毒性有显著影响

CRediT作者贡献声明

王梅：撰写——原始草稿、可视化、方法论、实验设计。张尧：实验设计。方海涛：方法论。苗爱军：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢四位审稿人对本文提出的建设性建议。这项工作得到了中国国家自然科学基金（22436002、22176093、22206029和21822605）和中国国家重点研发计划（项目编号2022YFA1205603）对苗爱军的支持。