水体微塑料与重金属的相互作用及其复合毒性效应研究进展_王烨.pdf

第 52 卷第 12 期2023 年 12 月应用化工Applied Chemical IndustryVol 52 No 12Dec 2023收稿日期:2023-05-24修改稿日期:2023-07-18基金项目:陕西省科技计划项目重点研发计划项目(2020SF-422)作者简介:王烨(1999 )，女，陕西宝鸡人，在读硕士研究生，师从韩枫副教授。电话:[phone]，E mail:1520767921 qq com通信作者:韩枫，女，博士，副教授，硕士生导师。E mail:40759150 qq com水体微塑料与重金属的相互作用及其复合毒性效应研究进展王烨1，2，安舒玉1，2，刘蕾1，2，马俐琪1，2，杨柳1，2，韩枫1，2(1 长安大学 水利与环境学院，陕西 西安710054;2 长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西 西安710054)摘要:讨论了水体环境中微塑料对重金属的吸附行为及关键环境影响因素，系统总结了微塑料与重金属形成的复合污染对各种生物的复合毒性效应的最新研究进展，并对未来相关研究提出展望。微塑料对重金属的吸附能力与 pH 值、温度、溶解性有机质及盐度有关，二者形成的复合污染对水生生物、植物及动物具有协同与拮抗两种毒性作用。旨在为评估微塑料与重金属复合污染物的环境行为以及其生态风险提供一定借鉴，并为未来相关研究提供一定参考。关键词:微塑料;重金属;吸附;复合毒性中图分类号:TQ 589;X 52文献标识码:A文章编号:1671 3206(2023)12 3444 05Progress on the interaction between microplastics and heavymetals in water bodies and their compound toxic effectsWANG Ye1，2，AN Shu-yu1，2，LIU Lei1，2，MA Li-qi1，2，YANG Liu1，2，HAN Feng1，2(1 College of Water esources and Environment，Chang an University，Xi an 710054，China;2 Key Laboratory of Underground Hydrology and Ecological Effects in Arid Zone，Chang an University，Ministry of Education，Xi an 710054，China)Abstract:The basic discuss in detail the adsorption behavior of microplastics on heavy metals and the keyenvironmental influences in the water environment，systematically summarize the latest research progressof the composite toxic effects on various organisms by the composite pollution formed by microplastics andheavy metals，and put forward the outlook of the future related researches The adsorption capacity ofheavy metals by microplastics is related to pH，temperature，dissolved organic matter and salinity，and thecomposite pollution formed by the two has both synergistic and antagonistic toxic effects on aquatic organ-isms，plants and animals The purpose of this paper is to provide some reference for assessing the environ-mental behavior and ecological risk of the composite pollutants of microplastics and heavy metals，as wellas to provide some reference for future related researchKey words:microplastics;heavy metals;sorption;compound toxicity微塑料在环境中普遍存在并成为了全球性的环境污染问题，据统计，有 9 3 23 6 万 t 微塑料漂浮在海洋表面1。微塑料是在环境中由大塑料碎片自然降解/风化形成的微小塑料片，其被定义为粒径小于 5 mm 的微型塑料颗粒或碎片，其中将粒径小于 1 m 的塑料颗粒定义为纳米塑料2。微塑料粒径较小，比表面积大并具有较强的疏水性，较易地吸附环境中的重金属3，微塑料与重金属相互作用可能会改变环境中污染物的环境行为及毒性，富集了重金属的微塑料在生物体内会产生复合污染毒性效应，并对各种生物造成不同程度的危害4。因此，微塑料与重金属的相互作用及复合毒性效应研究成为环境污染控制与生态风险评估的研究热点。本文系统总结了重金属和微塑料的相互作用，探讨了关键环境因素对其的影响，并对微塑料-重金属复合污染的复合毒性进行讨论，以期为微塑料与重金属复合污染研究及生态风险评估提供参考。1微塑料和重金属在水体环境中的相互作用及机制1 1微塑料对重金属的吸附行为研究发现在水体环境中微塑料能够吸附镉、铬、铜、铁、铅、等重金属，且均具有较强的吸附能力。微塑料上可以负载大量不同种类的重金属，研究表明 4 种原始塑料颗粒能负载大量的 Pb2+、Cu2+和 Cd2+5。同样，探讨 5 种不同类型的微塑料在超纯水和天然水(海水、城市污水和灌溉水)中对镉、钴、铬、铜、镍、铅和锌的吸附，结果显示铅、铬和锌DOI:10.16581/ki.issn1671-3206.20231031.008第 12 期王烨等:水体微塑料与重金属的相互作用及其复合毒性效应研究进展在微塑料(尤其是聚乙烯和聚氯乙烯)上有明显的吸附作用6。而微塑料老化以后其表面可能更粗糙并会增强其吸附重金属的能力，例如使用 H2O2和 Fenton 试剂对聚苯乙烯进行老化，吸附数据表明老化处理后 Cd2+的吸附能力比未老化处理显著提高7。老化后微塑料的比表面积增加，同时吸附容量会有明显的提高，如紫外灯照射下聚乙烯、聚苯乙烯及聚酰胺微塑料对 Cr(VI)的吸附比老化前更强，老化的微塑料的比表面积增加8。类似的，自然老化和未老化微塑料在不同电解质溶液中对 Pb(II)的吸附行为表明，自然老化的微塑料对 Pb(II)的吸附容量高于未老化的微塑料9。1 2关键环境影响因素在水体环境下，微塑料对重金属吸附的主要环境影响因素包括溶液 pH 值、温度、溶解性有机质与盐度。1 2 1pH微塑料吸附重金属的能力与 pH 值有关，pH 值可能影响微塑料的表面电荷和金属离子的形态分布10。重金属的吸附容量会随着溶液 pH值的增加而增加，例如，微塑料对 Cd2+的吸附能力在 pH 处于 3 8 7 0 间时随溶液 pH 的升高而上升9。类似的，随着溶液 pH 值的增加，高密度聚乙烯微塑料对镉的吸附容量显著增加11。同样，研究Cd2+和微塑料之间的相互作用，发现 Cd2+在微塑料上吸附趋势随着 pH 值的增加而增加12。另一方面，随着溶液 pH 值的增加，重金属的吸附容量会随之减少，如在 3 7 的 pH 范围内，随着 pH 值的增加，聚四氟乙烯(PTFE)微塑料颗粒吸附 As(III)的量逐渐减少13。1 2 2温度温度是微塑料吸附重金属的一个重要的影响因素，研究表明微塑料吸附重金属是吸热反应，因此微塑料吸附重金属的吸附容量会随着温度的升高而增加。例如，温度升高增加了微塑料(聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯)对重金属(铅、铬、铜和镉)的吸附容量14。类似的，两种金属离子(Cu2+和 Zn2+)在水溶液中被原始聚对苯二甲酸乙二醇酯和老化聚对苯二甲酸乙二醇酯吸附的结果表明，两种重金属的吸附容量都随着温度的升高而增加15。1 2 3溶解性有机质在水生环境中，溶解性有机质的存在会影响微塑料吸附重金属的行为。腐植酸是一种天然的有机高分子化合物，通常带负电荷，会为重金属提供新的吸附位点从而降低微塑料吸附重金属的能力，如研究腐植酸对 5 种不同类型的微塑料吸附镉(Cd2+)的影响，结果得出带负电的腐植酸可以为 Cd2+提供新的吸附位点导致竞争吸附16。同样，腐植酸浓度的增加使得 2 种重金属(Pb2+和 Cd2+)在聚丙烯和聚苯乙烯上的吸附被显著抑制，带负电的腐植酸可以通过静电吸附来吸附Pb2+和 Cd2+，从而降低微塑料吸附这两种重金属的能力17。1 2 4盐度盐度的存在会对微塑料吸附不同重金属的能力产生正面或负面的影响，NaCl 中的 Na+会与 Cd2+竞争吸附位点，从而降低微塑料对重金属的吸附容量，如添加 NaCl 可显著抑制镉在高密度聚乙烯微塑料上的吸附，镉吸附的减少是由于 Na+和Cd2+竞争吸附位点11。Na+的存在也会降低老化后的微塑料的吸附容量，如老化尼龙微塑料上 Pb2+的吸附容量随着氯化钠浓度的增加而减少18。另外，NaCl 的浓度不同会使得微塑料对重金属的吸附影响不同，如在低浓度 NaCl 下促进了聚苯乙烯对Cu2+的吸附，在高浓度时会阻碍其吸附19。2微塑料-重金属的复合毒性效应研究表明在环境中微塑料能吸附各种重金属，微塑料与重金属之间的相互作用可能会影响重金属的毒性，吸附重金属的微塑料可能对水生生物、植物及动物造成不同的毒性效应，具体见表 1。表 1微塑料与重金属复合污染对生物的毒性效应Table 1Biological toxic effects of combined pollution of microplastics and heavy metals作用类型受试物种微塑料种类尺寸重金属种类暴露剂量毒性效应参考文献协同日本虎斑猛水蚤聚苯乙烯10 m镉Cd(15 2 g/L)聚苯乙烯(2，20，200 g/L)镉和高浓度聚苯乙烯微塑料共同作用下，日本虎斑猛水蚤的摄食率、过滤率、耗氧率和孵化率均显著降低 20草鱼聚苯乙烯10 nm镉Cd(20 mg/L)聚苯乙烯(300 g/L)聚苯乙烯微塑料和镉的联合毒性显著降低了草鱼的 SOD 和 POD 活性，并对其鳃、肾、肝和肌肉造成损害21金鱼聚苯乙烯20 m铜Cu2+(01 mg/L)聚苯乙烯(1 mg/L)微塑料和铜的联合暴露引起肝胰腺炎症、过度凋亡和自噬不足，从而导致金鱼进一步受损 22鹿角珊瑚聚乙烯铬Cr3+(2 103mg/L，1 102mg/L，2 102mg/L)聚乙烯(5 mg/L)PE 和 Cr(III)胁迫抑制了珊瑚内共生体的能量代谢酶，并进一步导致珊瑚内共生细胞凋亡 23油菜聚甲基丙烯酸甲酯10 m100 nm砷As(0，10，20，40，60 mg/L)聚甲基丙烯酸甲酯(0，005，05，5 g/L)聚甲基丙烯酸甲酯和砷联合使用抑制了油菜的根长、芽长和生物量 295443应用化工第 52 卷续表 1作用类型受试物种微塑料种类尺寸重金属种类暴露剂量毒性效应参考文献蚯蚓聚乙烯30，100 m铜镍Cu2+(100 mg/kg)或Ni2+(40 mg/kg)聚乙烯(01，05，1 mg/g)蚯蚓中的重金属浓度随着土壤中微塑料含量的增加而增加，微塑料增加了土壤中金属的生物利用度，并增加了对蚯蚓的毒性 31蚯蚓聚乙烯0，50，200，400，800，1 000 m镉Cd(0，50，100，125，200，250 mg/kg)聚乙烯(0，100，500，1 000，1 500，2 000 mg/kg)微塑料和镉联合暴露导致了蚯蚓氧化损伤 32小鼠聚苯乙烯5 m柠檬酸铁铵FAC(5 g/L)聚苯乙烯(1 000 g/L)微塑料增加小鼠大脑中的铁积累，并诱导铁下垂，最终损害认知能力 33拮抗斑马鱼胚胎聚苯乙烯10 m镉Cd(001 mg/L)聚苯乙烯(005，01 mg/L)微塑料和镉在低浓度微塑料(005，01 mg/L)下对斑马鱼胚胎具有拮抗毒性 24乌鳢幼鱼聚苯乙烯80 nm 和05 m镉Cd(50 g/L)聚苯乙烯(200 g/L)在复合接触乌鳢幼鱼过程中微塑料与镉之间存在拮抗作用 25沉水植物聚乙烯5，150 m铜Cu2+(100，200，300，400，500，600 mol/L)聚乙烯(10 mg/L)PE 与硫酸铜结合后，降低了 Cu2+对水生植物生长和光合作用的毒性 26小麦聚苯乙烯100 nm镉Cd(0，20 mmol/L)聚苯乙烯(10 mg/L)聚苯乙烯纳米塑料的存在可以部分降低叶片中 Cd 的含量，缓解 Cd 对小麦的毒性 27芸薹聚苯乙烯75 m镉聚苯乙烯+Cd 处理(0 5%，1 0%，1 5%，20%PS+Cd)与单独的 Cd 处理相比，聚苯乙烯的添加减少了 Cd 对植物的毒性作用 28果蝇聚苯乙烯50，500 nm 银化合物AgNPs/AgNO3(0，02，1 mmol/L)聚苯乙烯(02，1 mmol/L)银化合物和聚苯乙烯纳米塑料共同处理降低了银化合物诱导的遗传毒性 342 1微塑料-重金属复合污染对水生生物的影响微塑料可以和重金属共存于各种水生生物中，并产生毒性效应，表现在生长繁殖、炎症、酶活性等方面。微塑料和重金属共存会降低水生生物的生长繁殖能力，如镉和高浓度聚苯乙烯微塑料对日本虎斑猛水蚤共同作用下，降低了日本虎斑猛水蚤的生存能力和生育能力20。微塑料的存在会提高生物体内重金属的浓度，造成水生生物的受损，如聚苯乙烯微塑料的存在提高了草鱼体内镉的浓度，加速了鱼的死亡21。同样，微塑料和铜的联合暴露会引起金鱼肝胰腺炎症、过度凋亡和自噬不足22。而聚乙烯(PE)微塑料和铬(Cr(III)会胁迫抑制鹿角珊瑚内共生体的能量代谢酶，进一步导致珊瑚内共生细胞凋亡23。然而，微塑料和重金属对水生生物的联合作用也存在拮抗作用。如微塑料和镉的混合物在低浓度微塑料下对斑马鱼胚胎具有拮抗毒性24。同样，微塑料和镉在复合接触乌鳢幼鱼过程中，微塑料与镉之间存在拮抗作用25。2 2微塑料-重金属复合污染对植物的影响微塑料会缓解重金属对植物的毒害，微塑料的添加使得重金属对植物的毒性降低。如单独的聚乙烯颗粒对沉水植物没有直接的抑制作用，但与硫酸铜结合后，降低了 Cu2+对水生植物生长和光合作用的毒性26。类似的，聚苯乙烯纳米塑料的存在可以部分降低小麦叶片中 Cd 的含量，缓解 Cd 对小麦的毒性27。同样，聚苯乙烯的添加减少了 Cd 对芸薹植物的毒性作用28。微塑料与重金属也存在协同作用抑制油菜种子的萌发，如聚甲基丙烯酸甲酯和砷 联 合 使 用 抑 制 了 油 菜 的 根 长、芽 长 和 生物量29。2 3微塑料-重金属复合污染对动物的影响研究表明微塑料与重金属联合作用在动物体内存在协同作用，会对蚯蚓的生长、死亡率和毒性机制产生不利影响30，微塑料与重金属共同作用会增强对蚯蚓的毒性，将蚯蚓暴露在含聚乙烯微塑料与铜和镍的土壤中，结果发现微塑料增强了对蚯蚓的毒性31，同时聚乙烯微塑料和镉联合暴露会导致蚯蚓氧化损伤32。另外，微塑料可以将铁运输并释放到小鼠大脑中，增加小鼠大脑中的铁积累，并诱导铁下垂，最终损害认知能力33。然而，微塑料与重金属联合作用在动物体内也存在拮抗作用，会降低对动物的毒性，如银化合物和聚苯乙烯纳米塑料对果蝇幼虫的共同处理降低了银化合物诱导的遗传毒性，这种拮抗作用是由于微塑料的存在降低了重金属的生物利用度34。3结论与展望塑料制品碎片经过风化降解形成微塑料，在环境中难以降解，作为载体会在生态环境中吸附重金属，形成的复合污染物对食物链上的各营养级的生6443第 12 期王烨等:水体微塑料与重金属的相互作用及其复合毒性效应研究进展物产生不良影响。本文综述了水体环境中微塑料与重金属的相互作用及微塑料-重金属形成的复合污染对水生生物、植物与动物的毒性效应，基于微塑料、重金属和环境条件的复杂性，未来关于微塑料环境行为的研究应考虑以下几个方面:(1)微塑料可以吸附重金属，且吸附能力受到pH 值、温度及盐度等的影响，目前大多研究集中在水生环境中重金属的相互作用机制，土壤环境中微塑料与重金属的相互作用有待进一步研究。(2)微塑料可能改变微生物的生理活性，未来应加强含多种无机污染物与有机污染物的微塑料与微生物的相互作用研究。(3)微塑料对人体健康的危害研究刚刚起步，微塑料与重金属共同接触对人体健康的影响尚未确定。(4)由于实际环境更加复杂，微塑料上可能存在多种无机污染物与有机污染物，未来研究应更关注微塑料对于多种共存无机污染物与有机污染物的吸附，以及微塑料与多种无机污染物及有机污染物形成的复合污染对生物的毒性效应。参考文献:1Van SEBILLE E，WILCOX C，LEBETON L，et al Aglobal inventory of small floating plastic debris J En-vironmental esearch Letters，2015，10(12):124006 2PELLE J，MEZYK S P，SHIDLE S，et al 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