微納塑料對水生態系統與水質安全的威脅

微（納）塑料（MNPs）在全球水體中廣泛存在，雖然本身不是傳統意義上的污染物，卻通過破壞生物地球化學循環、傳播病原體以及與新型污染物相互作用，間接威脅水質安全。

在此，新南威爾士大學倪丙杰教授聯合悉尼科技大學魏薇深入探討了MNPs如何影響養分的固定、關鍵元素的吸附及微生物功能，從而干擾水體中的碳、氮、磷、硫等重要元素循環。同時，MNPs還可作為病原體的載體，增加傳播風險，對水生生態系統和人類健康構成潛在威脅。此外，MNPs與新型污染物的協同作用會增強污染物的持久性和生物可利用性，加劇水質安全問題。因此，作者提出評估MNPs影響的科學方法，并建議建立相關監管機制以減緩其間接危害。在面對復雜多變的環境條件時，高級水處理技術、模塊化控制手段和預警系統尤為關鍵。要有效應對MNPs帶來的挑戰，必須通過科研、技術創新與政策協同，構建全面的水質保護體系。相關成果以“The threats of micro- and nanoplastics to aquatic ecosystems and water health”為題發表在《Nature Water》上，第一作者為Xuran Liu。

倪丙杰教授和魏薇

早期關于MNPs的研究多聚焦于其物理存在與攝入風險，如被水生生物誤食后造成的營養障礙與死亡等。而近年來，研究視角正快速拓展至其與微生物群落、污染物之間復雜而動態的交互作用，揭示了MNPs對水生態系統更為深遠的間接影響。正如圖2所示，研究已從可見污染逐步延伸到微觀的元素循環干擾和微生物群落改變。在全球范圍內，MNPs通過工業排放、農業殘留、城市地表徑流、塑料垃圾降解等多種途徑進入水體，其濃度從湖泊中的每升1.7到8.5個顆粒，到海洋年輸入高達12.7百萬噸不等（圖1，2）。這些塑料顆粒不僅難以自然降解，還具備高比表面積與親疏水表面特性，使其能高效吸附無機離子、有機污染物及微生物分泌物，進而參與并擾亂生物地球化學過程。

圖1：水資源中MNP的來源，傳輸和潛在的年通量。

圖 2：MNP 對水安全從直接間接影響到更微妙的間接影響的簡史

MNP影響生物元素的生物地球化學循環

在水體中，MNPs通過提供生物膜附著表面、吸附關鍵元素、干擾微生物轉化過程，全面擾亂碳、氮、硫與磷等生源要素的自然循環（圖3）。首先，MNPs表面的分級氫鍵與官能團提供了優越的吸附位點，使得大量營養鹽（如氮、磷）在塑料表面富集，從而影響水體中藻類、浮游動物等初級生產者的養分獲取。例如研究發現，大尺寸的聚苯乙烯顆粒會阻礙藻類的光合作用，而小尺寸NPs則能穿透細胞壁直接干擾細胞功能。甚至在不同營養條件下，MNPs對硝酸鹽的吸收行為還表現出“馬太效應”，在富營養狀態下促進吸收，而在貧營養狀態下則抑制轉化。其次，MNPs對氮循環的干擾尤為顯著。其通過釋放活性氧破壞微生物代謝、擾亂硝化與反硝化基因表達，進而改變微生物群落組成。研究顯示，在特定條件下，MNPs甚至能顯著促進或抑制反硝化過程，導致氮素失衡。再者，MNPs對硫循環的干擾體現在增強硫酸鹽還原菌（SRB）活性，改變硫同位素組成，甚至通過形成還原微環境，促進有機硫分解。類似機制也適用于磷循環：MNPs既可吸附磷限制其生物利用，又能在厭氧條件下促進磷釋放，加劇富營養化風險。更重要的是，這些元素循環并非孤立進行，而是高度耦合。MNPs通過擾動碳-氮-硫-磷的協同轉化，可能造成生態級聯效應，例如初級生產力下降、食物網紊亂與“死亡區”形成等。

圖 3：MNP 對水中生物元素生物轉化的影響

MNP對病原體遷移和傳播的影響

MNPs不僅能吸附營養鹽，更成為細菌、真菌、病毒等微生物群落的“漂浮家園”。如圖4所示，塑料顆粒表面形成的“塑圈”具有高度生物多樣性，甚至優于天然基底。研究發現，在MNPs附著的微生物中，細菌類群如變形菌門、放線菌、酸桿菌占據主導，常見致病菌包括沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等，其數量可達周圍水體的100-5000倍。真菌、原生動物和病毒（如Myoviridae、Siphoviridae）同樣可以在MNPs上大量富集，特別是病毒，還可能攜帶抗生素抗性基因（ARGs），在水體中進行“基因漂移”。此外，MNPs本身的物理化學性質會影響病原體的附著能力與存活率。例如，較高的疏水性、帶羧基的表面、粗糙度增加及尺寸減小，都會提升微生物的附著與定殖效率。而環境變量如溫度、鹽度、pH等，則進一步調節這種吸附關系。最終結果是，MNPs借助水流、浮游生物攝食與沉積再懸浮等途徑，實現了病原體的長距離傳播，甚至通過貝類進入食物鏈，間接威脅人類健康。

圖 4：MNP 對病原體在水中定植和遷移的影響

MNP作為新興污染物的載體

MNPs還承擔著“新興污染物載體”的角色。如圖5所示，研究已在MNPs上檢測到多種藥物殘留、個人護理品（PPCPs）、工業化學品（如PAHs、PCBs、PBDEs、雙酚A）等，其濃度可達環境水體的10?-10?倍。MNPs對這些污染物的吸附機制復雜多樣，涵蓋了疏水作用、氫鍵、靜電作用、π–π堆積與范德華力等。具體表現則受MNPs的粒徑、官能團、表面氧化程度及水體條件（pH、鹽度、溫度）的影響。例如，非極性的PE、PP偏好吸附疏水性污染物，而老化后的MNPs則更易吸附親水性藥物，如阿莫西林、甲氧芐氨嘧啶等。值得注意的是，這些污染物一旦進入生物體，往往表現出“特洛伊木馬效應”：MNPs將污染物帶入細胞，使其生物利用度和毒性顯著提升，加劇對藻類、貝類等水生生物的損害，最終沿食物鏈危及人類健康。

圖 5：MNP 作為水中新興污染物的載體

MNP對水的間接影響和模塊化監管策略

面對MNPs的“間接污染矩陣”，作者提出了多模塊調控策略（圖6）：源頭減排：開發易降解、低吸附、高排斥污染物的新型塑料，如引入生物酶、光敏添加劑或抗污染涂層，減少MNPs生成與負載；末端攔截：在水處理環節引入膜過濾、凝聚沉淀、吸附捕集等技術，提高MNPs及其伴隨污染物的去除率；自然凈化：利用濕地、沉水植物（如狐尾藻）等生態系統進行大尺度攔截，兼顧去除微塑料與富營養鹽；實時監測：推動高靈敏度現場檢測技術與AI模型預測系統，構建早期預警機制；政策響應：在法規層面制定MNPs限值、完善水質標準、推動全生命周期管控，構建“從塑料設計到廢棄管理”的閉環治理體系。

圖 6：MNP 對水質間接影響的綜合干擾和調節

來源：高分子科學前沿

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