邵雪纯,胡双庆,张 琪,龚凯林,傅梦茹,张 卫,彭 程,,3*

聚乳酸微塑料及其复合污染的生物毒性效应与机制研究进展

邵雪纯1,胡双庆2,张 琪1,龚凯林1,傅梦茹1,张 卫1,彭 程1,2,3*

(1.华东理工大学资源与环境工程学院,上海 200237；
2.上海市环境科学研究院,国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室,上海 200233；
3.上海污染控制与生态安全研究院,上海 200092)

综述了聚乳酸(PLA)微塑料单一暴露以及与其他污染物复合暴露的毒性效应,并探讨了PLA微塑料对生物的毒性作用机制.PLA微塑料的摄入会影响生物体的摄食、生长、存活、繁殖和运动行为;PLA微塑料与有机物和重金属复合污染对生物体存在一定的潜在风险;PLA微塑料主要通过机械损伤、氧化应激、神经损伤及免疫损伤对生物体造成损害.未来仍需对老化或降解的PLA微塑料的毒性效应、对陆地生物的复合暴露毒性效应与机制及其对全球生态系统和生物地球化学循环的影响等方面开展探索和研究,以期为今后PLA微塑料的环境生态风险评估提供思路.

聚乳酸微塑料；
毒性作用；
联合毒性；
生态毒理学

聚乳酸(PLA)是目前全球工业规模产量最高、消耗最多的可生物降解塑料.与传统难降解塑料产品有所不同,PLA不具有持久性,因而不会对生态系统产生长远的影响,被认为是传统石油基塑料理想的替代品.在自然环境条件下可生物降解的塑料在经过生化、物化等过程后[1],其聚合物结构会受损并发生破裂和降解.并且,PLA对光氧化降解的响应明显高于传统石油基塑料,从而更易在短时间内形成微塑料[2].尽管已有研究表明,与传统难降解微塑料相比,PLA微塑料毒性更低[3],但也有研究发现,PLA微塑料污染问题似乎更严重[4],即可降解微塑料产生的生物毒性效应可能不低于传统难降解微塑料.目前微塑料对生物体潜在影响的研究主要集中在传统的难降解微塑料上.鉴于PLA可生物降解塑料的发展、应用现状及其产生的微塑料,本文分别从单一暴露和复合暴露的角度总结了PLA微塑料对生物体的毒性效应以及毒性作用机制,以期为今后可降解塑料产业的绿色发展提供科学指导.

为了减轻聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)聚氯乙烯(PVC)等传统石油基塑料难以降解对环境带来的持久性污染问题[5-6],可生物降解塑料(聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二酯(PBS)和聚羟基丁酸酯(PHB)等)应运而生.废弃后的可生物降解塑料系列产品可被微生物降解为CO2、H2O或CH4[7].其中,PLA被誉为“绿色塑料”、“玉米塑料”,它是由天然可再生植物资源(玉米、小麦、木薯等中的淀粉)经生物发酵得到的乳酸[8],再由乳酸直接缩合、固相聚合或将乳酸合成丙交酯后再催化开环聚合制备得到的聚合物[9].因其具备良好的生物相容性、高强度、热塑性、可加工性、无毒性以及抗菌活性等特性,现已成为工业生产中最常用的可生物降解塑料[10],占全球可生物降解塑料市场的45%,被广泛应用于农业、包装材料、纺织、医疗用品等领域[11].PLA薄膜具有与PE相似的防渗透性,并且具有良好的透气性、透氧性及透二氧化碳性[9],在农业上常被加工用作农用地膜;PLA是唯一透明的可生物降解塑料,在包装材料领域常将其作为制造透明包装容器、一次性餐具和保鲜膜等日用品的原料;由于PLA纤维具有与广泛使用的聚酯纤维和尼龙纤维相媲美的力学性能,纺织领域已将其用于服装制作;作为具有卓越的生物力学和可降解性能的材料,PLA在医疗领域也被应用于制备药物缓释包装剂、一次性输液用具、免拆型手术缝合线和骨螺钉等[12].此外,由于具有良好的拉伸强度、刚度、光泽度和加工性以及环境友好性,PLA也逐渐应用于汽车配件、新型绿色塑料乐高积木的制作中[13].在大力推动可生物降解塑料发展和使用的背景下,预计到2026年全球PLA的市场规模将达到78.9万t[14].

微塑料作为在环境中普遍存在的一种新污染物,近年来已成为人们关注的热点问题.无论是传统难降解塑料还是可生物降解塑料产品,在被丢弃并进入到环境中后都不可避免地会通过磨损、氧化、老化等过程产生塑料垃圾碎片,甚至进一步分解成粒径小于5mm微塑料.并且自然环境中的生物扰动能够促进塑料垃圾在环境介质中的迁移和运输.Zhang等[15]发现蚯蚓会主动地将肉眼可见的塑料覆盖物拖进它们的洞穴,从而将塑料埋在土壤中,这一过程会对其造成机械磨损,并极大可能会诱导其发生水解降解、微生物降解及酶促降解[16].然而,目前有研究表明,只有在优化的堆肥条件下PLA才能完全被降解,在自然的水、土条件下不会完全降解,这意味着PLA可能会比常规的难降解塑料分解速度更快,产生的微塑料更多,并在环境中持续积累.Bagheri等[17]通过室内模拟PLA在海水和淡水中的降解情况,发现PLA薄膜的降解速率始终很慢,且在一年内并未完全降解.同样地,有研究发现在有氧条件下堆肥90d后,仍有40%的PLA残留物[18].如果在自然环境中PLA塑料垃圾无法得到完全降解,那么PLA微塑料的持续释放会对环境造成更严重的PLA微塑料污染[19].

2.1 PLA微塑料单一暴露的生物毒性效应

PLA微塑料一旦大量进入生物体后可能对生物的消化系统产生负面影响,甚至造成生化水平胁迫,其单一暴露对生物体的生理影响主要来自以下3个方面:

2.1.1 PLA微塑料对生物摄食的影响 PLA微塑料在环境中普遍存在,陆地和海洋生物均存在PLA摄入现象,这些微塑料会造成消化系统堵塞,进而减少生物体对正常食物的摄入.例如,Duan等[20]在斑马鱼()肠道内检测到PLA微塑料,并发现随着暴露时间由1d增加到5d,鱼肠内PLA微塑料的丰度从(1080 ± 408)个增多至(2568 ±356)个.Schöpfer等[21]的研究证实了秀丽隐杆线虫()会将PLA微塑料吞食进入咽部和肠道,但由于PLA无法为线虫提供所需的有机质,使得线虫的生长受到抑制.其中,暴露于1mg/L PLA微塑料中的线虫体长与未添加微塑料的对照组相比下降了14.5%.土壤环境中的PLA微塑料也会被赤子爱胜蚓()摄入,蚯蚓机体产生饱腹感,从而影响代谢而使蚯蚓的体重发生损失,甚至导致其死亡[22].同时,PLA微塑料在蚯蚓体内更易被分解并释放出大量的粒径更小的PLA颗粒.并且,由于PLA微塑料具有在消化道中分解的潜力,其在进入生物体内后可能会被视为可用碳源,排泄时间较传统难降解塑料更长. Wang等[23]的研究评估了成年赤子爱胜蚓对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和PLA微塑料的排泄特性,结果表明PET在蚯蚓体内的排泄半衰期为9.3h,而PLA的排泄半衰期为45h.

2.1.2 PLA微塑料对生物生长、存活和繁殖能力的影响 在水生环境中,500mg/L PLA微塑料暴露抑制了成年大型溞()的生长,显著降低了其平均体长,且死亡率高达60%[24].Zhang等[25]的研究发现,光降解在一定程度上提高了PLA微塑料对斑马鱼幼鱼骨骼发育的抑制作用.在土壤中添加PLA微塑料能够显著抑制大豆()根部的生长(根部长度缩短28.6%),并且会干扰大豆植株生长的代谢过程[7].Meng等[26]的研究也发现,暴露于1.5%、2.0%和2.5% PLA微塑料处理46d的菜豆()植株的生长受到抑制,其地上部和根部的生物量分别为(4.31±0.49) g、(3.80±0.43) g、(3.75±0.16) g和(1.50±0.06) g、(1.66±0.08) g、(1.64 ±0.09) g,显著低于对照组(5.18±0.42) g和(1.82±0.20) g.张彦等[27]在对小麦()幼苗生长特性的研究实验中发现,PLA微塑料对小麦幼苗的生长抑制作用整体表现出不断增强的趋势.土壤中的PLA微塑料会被微生物降解,其本身及降解过程中的代谢产物能够直接或间接地通过改变土壤的理化特性、土壤微生物的多样性和丰度[28--30],进而抑制玉米()植株的生长,并导致玉米植株的叶绿素含量发生显著降低[31].暴露于高浓度PLA微塑料的沉积物中也发现了表层微藻生物量显著减少,藻类中叶绿素a的含量降低的现象[32].但对生物体生长和存活的影响可能与PLA微塑料浓度有关.例如,当土壤中PLA微塑料丰度从125g/kg增加到500g/kg时,蚯蚓死亡率从2.5%增加到5%[4].低剂量PLA微塑料(0.1%和1% w/w)对玉米植株的生长起到一定的促进作用,而高剂量PLA微塑料(10% w/w)则显著降低了玉米植株地上部(16%～40%)和根系(28%～50%)的生物量,说明高剂量PLA微塑料才可能具有较强的植物毒性[33].

表1 不同微塑料的生物毒理效应

PLA微塑料可产生生殖毒性,能够改变生物体的生殖产量和后代发育.PLA能降低海鞘()的受精率[34].大型溞暴露于500mg/L的PLA微塑料后繁殖率显著降低,从对照组的100只幼虫/只锐减至不足20只幼虫/只[24]. Schöpfer等[21]将秀丽隐杆线虫暴露于PLA微塑料中,其后代产量明显下降(降幅最高可达6.5%),且随着PLA微塑料浓度的升高,线虫的排卵量下降更快.赤子爱胜蚓的精囊组织也会受到PLA微塑料的影响,并且精子束的排列随着PLA浓度的增高呈现出更严重的损伤[22].另一项研究中也发现,当受到PLA微塑料暴露时,赤子爱胜蚓的茧和幼年蚯蚓的数量分别在PLA微塑料浓度为53g/kg、97g/kg时急剧下降了10%,在347g/kg、500g/kg时急剧下降了50%[4].此外,当受到PLA微塑料暴露时,小麦种子的平均发芽水平也会在一定程度上降低,发芽抑制率最高可达11.54%[27].

2.1.3 PLA微塑料对生物运动行为的影响 有研究表明,暴露于PLA微塑料中的斑马鱼表现出的反掠食性防御反应[35].De Oliveira等[36]通过野外试验发现,3和9mg/L的PLA微塑料不仅降低了斑马鱼幼虫的游动能力,还诱导了斑马鱼的类焦虑样行为.连续暴露于高浓度PLA微塑料(80μg/L)会显著提升欧洲扁平牡蛎()的呼吸速率,并且可能会改变大型底栖动物的组合结构、多样性、丰度和生物量,对其栖息地造成损害[37].连续一个月暴露于PLA微塑料后,沙蠋()的生物活动发生了改变,生活在沉积物中的沙蠋摄食活性显著降低[32].也有研究表明,可生物降解微塑料可显著改变微生物群落组成[38-40].这是因为可生物降解微塑料可能会被某些异养微生物利用,因此会对环境中微生物群落产生更多的扰动[41].在加入了PLA微塑料的沉积物中可以观察到微生物群落组成发生了显著变化,其中海百合科()以及滑动菌科()的微生物群落含量降低[42].

目前学者们也发现,在实验条件范围内,PLA微塑料的生物毒性作用极有可能高于传统难降解微塑料,PLA及其他类型微塑料的生物毒性效应及毒性大小见表1.

2.2 PLA微塑料复合污染暴露的生物毒性效应

2.2.1 PLA微塑料对有机物和重金属的吸附作用 自然条件下形成的PLA微塑料具有比表面积大、疏水性强等特性,具有较强的吸附性能,容易吸附环境介质中的各种有机污染物和重金属污染物.作为可生物降解微塑料,PLA在环境中对共存污染物的载体能力与传统难降解微塑料相比可能有所不同[43].通常认为,PLA微塑料会对环境中有机污染物表现出强吸附作用.相比于传统难降解微塑料,其对疏水污染物具有更强的亲和力和吸附能力(表2). Gonzalez-Pleiter等[44]的研究表明,PLA微塑料对疏水性的抗生素阿奇霉素(AZI)的吸附高于克拉霉素(CLA).在水生生态环境中,PLA微塑料对磺胺甲恶唑(SMX)和阿莫西林(AMX)的平衡吸附量分别为1.50和3.17mg/g,并且发现PLA微塑料对这两种抗生素具有较高的解吸量和解吸率,这说明PLA微塑料更容易携带较多的抗生素等污染物,进而对抗生素的水环境行为产生影响,改变其潜在生态风险[43].也有研究表明,PLA微塑料对两种环境中常见的抗生素——四环素(TC)和环丙沙星(CIP)的吸附能力都很高,可以很好的作为抗生素的载体,并且其吸附性能在老化过程中发生了显著变化[45].PLA微塑料对氟虫腈(Fipronil)也具有较强的吸附能力,可能在农药的归趋和运输中发挥重要作用[46].Fan等[45]采用紫外光老化的研究中也发现,紫外线辐射增加了PLA微塑料表面含氧官能团的强度,使其亲水性增强,从而对氟虫腈的吸附量更高.菲(Phenanthrene)和1-硝基萘(1-nitronaphthalene)在PLA微塑料上的吸附量也在风化条件下得到显著增加[47].土霉素(OTC)在PLA微塑料上的吸附研究表明,PLA微塑料比表面积的增加、含氧官能团的增多、氢键的增强以及PLA上生成的生物膜解释了PLA微塑料在自然环境中对土霉素更强的吸附能力[48].然而,PLA微塑料对芳香烃的吸附性能较弱[49-51],这说明其对不同类别的有机污染物的吸附存在差异.吸附环境的pH值、盐度和天然有机质类型和浓度等也会影响其对有机污染物的吸附能力.

相比于有机污染物,当前对PLA微塑料吸附重金属的研究较欠缺.Guan等[52]的研究表明,PLA微塑料可以吸附沉积物中Pb(II),并且可以作为其在环境中的载体.其他相关研究表明,PLA微塑料的老化程度对吸附能力存在显著差异,接触时间、吸附环境性质、介质中重金属离子的浓度、天然有机质的浓度等均是影响PLA微塑料对重金属吸附性能差异的重要因素[53].

此外,Fan等[45]的研究中发现PLA微塑料在模拟肠液中比在去离子水中有更高的抗生素解吸率,这表明PLA微塑料可以作为抗生素等环境污染物的载体,在环境介质和生物中转移和释放有害物质,并会对生物体具有巨大的潜在危害.

表2 不同微塑料对环境污染物的吸附性能

2.2.2 PLA微塑料与有机污染物的联合毒性效应 研究表明吸附污染物的PLA微塑料会对生物体产生联合毒性效应,从而可能给生物体的生命健康带来更大的威胁.PLA微塑料与抗生素(阿奇霉素和克拉霉素)联合暴露不仅能抑制淡水环境中蓝藻(sp.)的生长,而且也可降低蓝藻体内叶绿素的含量[44].蓝藻作为自养型生物,能通过光合作用将无机物合成有机物,并不会以微塑料和携带污染物的微塑料为食,因此PLA微塑料作为载体能促进化学污染物运输到生物体周围水体并发生释放才是对蓝藻的生长造成毒性的原因.也有研究表明,PLA微塑料与有机污染物之间存在拮抗作用.三氯生(TCS)负载的PLA微塑料并未对蓝藻的生长造成明显损害[54].Li等[55]的研究也表明,PLA微塑料能够吸附磺胺甲恶唑,降低了溶液中磺胺甲恶唑的浓度,从而进一步削弱了磺胺甲恶唑与藻类接触的可能性以及对藻类的毒性.上述研究结果表明PLA微塑料与有机污染物联合作用时对生物体的毒性效应很有可能取决于污染物的类型.

2.2.3 PLA微塑料与重金属的联合毒性效应 PLA微塑料与重金属联合暴露时能改变重金属离子的生物有效性.微塑料作为重金属离子的载体,使其在生物体的器官内富集,甚至穿透生物体的细胞膜进入细胞体内,产生毒性作用,进而影响生物体的生理过程.Jang等[56]的研究结果表明,微量重金属铜(Cu)和铅(Pb)会在PLA微塑料的作用下转移到鲶鱼()的鱼腮、肝脏、肠道和可食用肌肉等部位,造成毒性作用,降低鱼类的免疫力,从而使它们容易受到弧菌感染.Liao等[57]通过体外人体消化模型的实验发现,PLA微塑料上负载的Cr(VI)在胃、小肠和大肠这三个消化阶段中表现出较高的生物可给性.重金属污染环境中土壤细菌群落的多样性会在铅锌污染土壤加入高剂量PLA微塑料后出现降低,这一结果也佐证了PLA微塑料对重金属生物有效性的提高[58].可生物降解的PLA微塑料也会使沉积物中的砷(As)由较稳定的组分向较不稳定组分转化,进而对微生物的活性产生抑制作用[59].Wang等[31]的研究结果也表明,PLA微塑料和镉(Cd)共存可共同驱动植物生长性能和根系共生关系的变化,从而对农业生态系统和土壤生物多样性构成额外风险.上述研究结果表明,PLA微塑料可以从周围环境中富集重金属离子,并可以在迁移过程中直接在生物体内释放,对生物体会造成更加明显的毒性效应.

PLA微塑料与有机污染物或重金属相互作用产生的复合毒性效应见表3.

表3 PLA微塑料与不同污染物的复合毒性效应

2.2.4 PLA微塑料添加剂及其生物毒性效应 塑料制品在生产加工过程中会通过加入增塑剂、阻燃剂、光热稳定剂、抗氧化剂、发泡剂、着色剂、增白剂、抗菌剂、抗静电剂等添加剂来增强其使用性能[61].与吸附在微塑料表面的污染物不同,这些添加剂会随着微塑料的老化、降解过程在环境和生物体体内浸出,并逐渐释放,进而对生物的生长发育以及生命活动产生影响[62-63].Uribe-Echeverria等[64]的研究中检验了由PLA透明塑料杯及聚乳酸/聚羟基链烷酸酯(PLA/PHA)复合3D打印材料制得的微塑料(<250μm)中的添加剂,化学分析结果见表4.而且上述两种微塑料的浸出物毒性实验结果表明,在所测的渗滤液稀释浓度(分别为33.3%、10%、3.3%)下它们都不会对海胆()幼虫造成毒性影响[64].也有研究表明,虽然含有添加剂的PLA微塑料会抑制大型溞的生长、繁殖,甚至诱导死亡,但其毒性效应仅与PLA颗粒自身特性有关[24].

表4 PLA及PLA/PHA微塑料的化学添加剂列表

3.1 机械损伤机制

粒径小且形状不规则的PLA微塑料被生物摄取后可能会直接对生物体内的组织和器官造成物理损伤.廉宇航等[7]用扫描电镜(SEM)观察到的PLA微塑料大多呈现片状,边缘较为锋利,这表明其在与植物根部相互作用的过程中,容易对植物组织造成机械性伤害.经PLA微塑料处理后可观察到赤子爱胜蚓出现明显的表皮损伤、肠道损伤和精囊损伤[22].类似的结果也在斑马鱼的实验中发现,摄入PLA微塑料的斑马鱼肠道内出现了组织病理学损伤[20]. Khalid等[65]对蓝贻贝()的毒理学效应实验中未检测到明显的氧化应激、神经毒性和免疫毒性相应指标的变化,他们认为PLA微塑料在肠道内的物理堵塞可能是造成生物体直接死亡的原因.接触含PLA微塑料的中肋骨条藻表面出现不同程度的皱褶和变形,表明PLA微塑料对藻细胞产生了物理损伤作用[55].此外,PLA微塑料在环境介质中的聚集或对生物组织的堵塞作用会影响机体的物质能量交换,从而间接对生物体产生毒性作用.例如,微藻周围PLA微塑料的聚集会限制微藻与外界环境的气体交换(O2和CO2)和物质传递(营养物质的吸收和代谢产物的释放),进而限制微藻的生长[66]. Boots等[3]将黑麦草()种子暴露于添加了PLA微塑料的土壤中,发现PLA可能通过堵塞种子蒴果的气孔从而降低种子的萌发率.沙蠋消化道受到PLA的阻塞和磨损后也可能降低对营养物质的吸收,进而抑制其生长并最终危及到沙蠋的生存[3].

3.2 氧化应激机制

研究发现PLA微塑料暴露可通过触发生物体体内抗氧化酶的活性变化,进而导致氧化应激反应,从而抑制生长率、存活率和繁殖力.张书武等[22]将赤子爱胜蚓暴露于PLA微塑料中,结果发现蚯蚓体内超氧化物歧化酶(SOD)活性增加,过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽硫转移酶(GST)活性降低,说明PLA能诱导蚯蚓发生氧化应激反应.PLA微塑料暴露同样会导致蝌蚪()体内GST、SOD和CAT酶活性增强[67].摄入PLA微塑料的蜻蜓幼虫体内活性氧(ROS)含量增高,并引起了氧化应激过程,使得亚硝酸盐、硫代巴比妥酸活性物质和脂质过氧化水平增加[68].Zimmermann等[69]的研究也发现PLA材料可以激活人类mcf-7细胞的氧化应激反应.

此外,可生物降解的PLA微塑料会降解产生乳酸低聚物[3],降解的PLA可能会加剧生物体内的氧化应激反应.研究资料表明,降解的PLA对斑马鱼幼鱼具有氧化应激毒性,引发了细胞内线粒体发生结构损伤、去极化、裂变抑制和凋亡等功能紊乱,从而抑制了斑马鱼幼鱼的生长[25].降解的PLA可能会抑制细胞分裂,刺激海藻细胞产生脂质过氧化产物(MDA),破坏SOD酶的合成途径[70].

3.3 神经损伤机制

暴露于PLA微塑料还会影响生物体体内乙酰胆碱酯酶(AChE)的活性,引起相应的神经毒性. AChE是在胆碱能突触中能水解神经递质乙酰胆碱(ACh)的关键性酶,在神经元间的信号传递中起着至关重要的作用,并且在有关神经毒性的实验中通常采用其作为生物标志物来判断是否引起神经毒性. Chagas等[68]将蜻蜓()幼虫暴露于PLA微塑料中,结果发现蜻蜓幼虫体内的AChE活性受到抑制,表明PLA微塑料具有神经毒性作用.斑马幼鱼在积累PLA微塑料后体内的AChE活性受到抑制,神经递质传递受阻,并对神经和神经肌肉功能具有潜在的负面影响[36].也有研究发现,PLA微塑料暴露会导致斑马鱼氧化损伤和神经性损害,并诱导AChE的活性增强[35].Malafaia等[67]对暴露于PLA中蝌蚪体内AChE和丁酰胆碱酯酶(BChE)活性进行了检测,发现这两种酶的活性水平均出现升高,也表明了PLA微塑料能够引起神经毒性.

3.4 免疫损伤机制

研究发现,摄入PLA微塑料可以通过破坏生物体内的免疫系统,引发机体的免疫力下降,从而导致生物个体的生长受到抑制甚至是死亡.Zhang等[71]的研究表明,3D打印机释放的PLA颗粒诱导小鼠细胞死亡、氧化应激和炎症反应,并导致它们的一些生理现象发生变化.Duan等[20]的研究发现PLA微塑料处理的斑马鱼肠腔黏液体积增大,表明PLA摄食引起其肠上皮发生损伤,并且会诱导的肠道菌群高度失调,也进一步导致了鱼肠道内出现炎症反应.将蓝贻贝连续52d反复暴露于PLA微塑料中,其体内血淋巴中部分免疫反应蛋白的丰度增加,引发了免疫反应[72].在用含PLA微塑料的鱼食饲养的尖吻鲈()幼鱼肠道内,主要组织相容性复合体(MHC)蛋白复合物和自噬相关蛋白均发生下调,这两种蛋白在适应性免疫中发挥着关键作用,能够帮助宿主激活免疫反应来控制感染和限制不受控制的炎症[73].

图1 PLA微塑料对生物的毒性作用机制

4.1 PLA微塑料通过机械性损伤、氧化应激、神经损伤、免疫损伤等多种机制影响生物体对正常食物的摄入和生长、存活、繁殖能力及运动行为.

4.2 关于PLA微塑料与共存污染物的相互作用及复合污染物的科学研究刚刚起步,污染物在PLA微塑料表面上的富集会改变污染物的生物有效性,进而对生物体的毒性产生影响.

4.3 PLA微塑料对生物带来的机械性损伤可能是直接对机体造成组织病理学损伤,也可能因为其聚集和堵塞作用影响机体的物质能量交换,从而间接对生物体造成伤害.

4.4 由于PLA微塑料具有生物可降解性,其降解过程中的中间产物可能会加剧对生物体的负面影响,诱导氧化应激反应.

现有的PLA微塑料的生态毒理学研究尚十分匮乏,并且PLA微塑料的吸附能力及其与共存污染物的联合毒性效应也是近年来才受到关注.实际上,这种“环境友好型”可生物降解塑料产生的微塑料很可能对生物体表现出更强的负面影响,是否成为一种新的潜在威胁仍需要更多的实验研究探索来确定PLA微塑料的生物毒性及其背后的机制.同时,对PLA微塑料的生态毒理研究不应局限于其在单一暴露情况下的影响,还应关注PLA微塑料与共存污染物的复合暴露及其在自然老化过程中的化学物质释放.

此外,对于PLA微塑料生物毒性效应的研究还可以重点关注以下几个方面:

(1)关注PLA微塑料的环境行为.截止目前,有关自然环境中PLA微塑料赋存丰度的认知还几乎处于空白,其环境行为尚不明晰.因此,十分有必要开展野外实验和室内模拟实验探究PLA微塑料在环境中的赋存、来源及释放途径.

(2)关注老化PLA微塑料.目前老化PLA微塑料与共存污染物的研究仅停留在其相互作用方面,而环境中的PLA微塑料相较于其他传统难降解微塑料更容易在短时间内受到老化,这意味着它可能更容易作为环境污染物的载体,改变这些污染物对生物体的暴露风险.因此,在今后的研究中,可以考虑老化PLA微塑料与不同污染物联合暴露对生物体的毒性.

(3)关注PLA微塑料的降解产物.PLA微塑料在自然环境中并不会直接降解成水和二氧化碳,而是会在降解过程中先生成中间产物.但这些中间产物是否对生物体具有毒性,是否会影响PLA微塑料的毒性及其毒理学机制尚不明确.需要开展相应的研究来考察PLA微塑料降解产物带来的影响.

(4)PLA微塑料与环境污染物联合暴露对陆地生物的影响有待进一步研究.目前大多数研究集中在水生环境中的生物和微生物,极少有对陆地生态系统中生物组分联合毒性的研究,未来应该提高对该领域的重视度.

(5)关注PLA微塑料对全球生态系统和生物地球化学循环的影响.当前生态毒理学也十分重视污染物对非生物组分的影响,虽然PLA被认为是维持自然界“碳循环平衡”的材料之一,但已有研究认为,包括PLA微塑料在内的微塑料可能对水稻土的氮循环有抑制作用.同时,PLA微塑料的生物可降解性使其可以作为微生物群落的有机碳基质.考虑到以上证据和日益增加的PLA微塑料污染,其对全球生态系统和生物地球化学循环的影响值得深入研究.

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Research progress on biotoxicological effects and mechanism of polylactic acid microplastics and their combined pollution.

SHAO Xue-chun1, HU Shuang-qing2, ZHANG Qi1, GONG Kai-lin1, FU Meng-ru1, ZHANG Wei1, PENG Cheng1,2,3*

(1.School of Resources and Environmental Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China；
2.State Environmental Protection Key Laboratory of Environmental Health Impact Assessment of Emerging Contaminants, Shanghai Academy of Environmental Sciences, Shanghai 200233, China；
3.Shanghai Institute of Pollution Control and Ecological Security, Shanghai 200092, China)., 2023,43(2)：935～945

The toxicity effects of single exposure of polylactic acid (PLA) microplastics, as well as their combined exposure with other environmental pollutants were reviewed. Moreover, the toxicity mechanisms of PLA microplastics on organisms was further summarized. The ingestion of PLA microplastics can affect the feeding, growth, survival, reproduction and motor behavior of organisms. The combined contamination of PLA microplastics with organics and heavy metals has certain potential risks to organisms. PLA microplastics mainly damage organisms through the toxicity mechanisms of mechanical damage, oxidative stress, nerve damage and immune damage. Future studies are needed to explore the toxic effects of aged or degraded PLA microplastics, the toxicity effects and mechanisms of combined exposure to terrestrial organisms, and their impacts on global ecosystems and biogeochemical cycles. This review could provide ideas for the environmental and ecological risk assessment of PLA microplastics in the future.

polylactic acid microplastics；
toxic effect；
combined toxicity；
ecotoxicology

X503

A

1000-6923(2023)02-0935-11

邵雪纯(2000-),女,江西上饶人,华东理工大学硕士研究生,主要从事微塑料的环境行为及其生态毒性研究.发表论文3篇.

2022-06-27

国家环境保护新型污染物环境健康影响评价重点实验室开放基金资助项目(SEPKL-EHIAEC-202207);国家自然科学基金资助项目(42177395)

* 责任作者, 副教授, cpeng@ecust.edu.cn

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