微納塑料對水生態(tài)系統(tǒng)與水質(zhì)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(tǒng)意義上的污染物，卻通過破壞生物地球化學(xué)循環(huán)、傳播病原體以及與新型污染物相互作用，間接威脅水質(zhì)安全。

在此，新南威爾士大學(xué)倪丙杰教授聯(lián)合悉尼科技大學(xué)魏薇深入探討了MNPs如何影響?zhàn)B分的固定、關(guān)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(huán)。同時，MNPs還可作為病原體的載體，增加傳播風(fēng)險，對水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在威脅。此外，MNPs與新型污染物的協(xié)同作用會增強(qiáng)污染物的持久性和生物可利用性，加劇水質(zhì)安全問題。因此，作者提出評估MNPs影響的科學(xué)方法，并建議建立相關(guān)監(jiān)管機(jī)制以減緩其間接危害。在面對復(fù)雜多變的環(huán)境條件時，高級水處理技術(shù)、模塊化控制手段和預(yù)警系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。要有效應(yīng)對MNPs帶來的挑戰(zhàn)，必須通過科研、技術(shù)創(chuàng)新與政策協(xié)同，構(gòu)建全面的水質(zhì)保護(hù)體系。相關(guān)成果以“The threats of micro- and nanoplastics to aquatic ecosystems and water health”為題發(fā)表在《Nature Water》上，第一作者為Xuran Liu。

倪丙杰教授和魏薇

早期關(guān)于MNPs的研究多聚焦于其物理存在與攝入風(fēng)險，如被水生生物誤食后造成的營養(yǎng)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(fù)雜而動態(tài)的交互作用，揭示了MNPs對水生態(tài)系統(tǒng)更為深遠(yuǎn)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(huán)干擾和微生物群落改變。在全球范圍內(nèi)，MNPs通過工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)殘留、城市地表徑流、塑料垃圾降解等多種途徑進(jìn)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(dá)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(jī)離子、有機(jī)污染物及微生物分泌物，進(jìn)而參與并擾亂生物地球化學(xué)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(xué)循環(huán)

在水體中，MNPs通過提供生物膜附著表面、吸附關(guān)鍵元素、干擾微生物轉(zhuǎn)化過程，全面擾亂碳、氮、硫與磷等生源要素的自然循環(huán)（圖3）。首先，MNPs表面的分級氫鍵與官能團(tuán)提供了優(yōu)越的吸附位點，使得大量營養(yǎng)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(chǎn)者的養(yǎng)分獲取。例如研究發(fā)現(xiàn)，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(xì)胞壁直接干擾細(xì)胞功能。甚至在不同營養(yǎng)條件下，MNPs對硝酸鹽的吸收行為還表現(xiàn)出“馬太效應(yīng)”，在富營養(yǎng)狀態(tài)下促進(jìn)吸收，而在貧營養(yǎng)狀態(tài)下則抑制轉(zhuǎn)化。其次，MNPs對氮循環(huán)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(dá)，進(jìn)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(jìn)或抑制反硝化過程，導(dǎo)致氮素失衡。再者，MNPs對硫循環(huán)的干擾體現(xiàn)在增強(qiáng)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(huán)境，促進(jìn)有機(jī)硫分解。類似機(jī)制也適用于磷循環(huán)：MNPs既可吸附磷限制其生物利用，又能在厭氧條件下促進(jìn)磷釋放，加劇富營養(yǎng)化風(fēng)險。更重要的是，這些元素循環(huán)并非孤立進(jìn)行，而是高度耦合。MNPs通過擾動碳-氮-硫-磷的協(xié)同轉(zhuǎn)化，可能造成生態(tài)級聯(lián)效應(yīng)，例如初級生產(chǎn)力下降、食物網(wǎng)紊亂與“死亡區(qū)”形成等。

圖 3：MNP 對水中生物元素生物轉(zhuǎn)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(yǎng)鹽，更成為細(xì)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(yōu)于天然基底。研究發(fā)現(xiàn)，在MNPs附著的微生物中，細(xì)菌類群如變形菌門、放線菌、酸桿菌占據(jù)主導(dǎo)，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(shù)量可達(dá)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(jìn)行“基因漂移”。此外，MNPs本身的物理化學(xué)性質(zhì)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(huán)境變量如溫度、鹽度、pH等，則進(jìn)一步調(diào)節(jié)這種吸附關(guān)系。最終結(jié)果是，MNPs借助水流、浮游生物攝食與沉積再懸浮等途徑，實現(xiàn)了病原體的長距離傳播，甚至通過貝類進(jìn)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(dān)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(hù)理品（PPCPs）、工業(yè)化學(xué)品（如PAHs、PCBs、PBDEs、雙酚A）等，其濃度可達(dá)環(huán)境水體的10?-10?倍。MNPs對這些污染物的吸附機(jī)制復(fù)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(xiàn)則受MNPs的粒徑、官能團(tuán)、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(jìn)入生物體，往往表現(xiàn)出“特洛伊木馬效應(yīng)”：MNPs將污染物帶入細(xì)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(jiān)管策略

面對MNPs的“間接污染矩陣”，作者提出了多模塊調(diào)控策略（圖6）：源頭減排：開發(fā)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(fù)載；末端攔截：在水處理環(huán)節(jié)引入膜過濾、凝聚沉淀、吸附捕集等技術(shù)，提高M(jìn)NPs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(tài)系統(tǒng)進(jìn)行大尺度攔截，兼顧去除微塑料與富營養(yǎng)鹽；實時監(jiān)測：推動高靈敏度現(xiàn)場檢測技術(shù)與AI模型預(yù)測系統(tǒng)，構(gòu)建早期預(yù)警機(jī)制；政策響應(yīng)：在法規(guī)層面制定MNPs限值、完善水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、推動全生命周期管控，構(gòu)建“從塑料設(shè)計到廢棄管理”的閉環(huán)治理體系。

圖 6：MNP 對水質(zhì)間接影響的綜合干擾和調(diào)節(jié)

來源：高分子科學(xué)前沿

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