煙臺海岸帶所在環境納米塑料分析方法和生物學效應方面取得新進展
近年來,微納米塑料作為一類新污染物得到了公眾和科學家的廣泛關注。相較于微塑料,納米塑料(尺寸1 μm以下)具有賦存數量大、吸附效率高、跨生物膜能力強等特點,可能展現出更為強烈的生態和毒性效應。海岸帶是人口密集、社會經濟活動頻繁、漁業生產集中的區域,同時是納米塑料的重要匯集區域,闡明納米塑料在海岸帶環境和生物體內的遷移行為和毒性機制,對于全面、準確理解塑料污染的環境生態效應以及對人類健康的影響,具有重要的科學意義,其研究也更具挑戰性。目前,具有真實環境意義的納米塑料樣品制備、復雜基質中納米塑料的高靈敏示蹤技術是本領域的瓶頸問題,亟待突破。中國科學院煙臺海岸帶研究所王運慶、陳令新海岸帶“化學與生態要素的分析監測”團隊在納米塑料模型粒子、分析方法以及毒理效應等方面開展科研工作,取得系列研究進展。
1、“真實”納米塑料樣品制備、標記和定量分析
目前納米塑料研究流行使用化學合成粒子聚苯乙烯(PS)納米球,塑料材質種類不足,生成途徑和理化性質等方面也缺乏環境真實性。該團隊發展了一種以日用塑料制品為原料,模擬環境中機械摩擦途徑制備納米塑料的方法。通過料理機打磨和差速離心方式,制備聚乙烯(PE)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等多種材質和多種粒徑分布的納米塑料。其在塑料材質、形貌、密度、添加劑成分等方面,與環境中真實樣品更接近,為納米塑料研究提供了“樣品庫”。
進一步發展了基于含銥元素有機分子標記、電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)定量測定納米塑料的新方法(圖1)。以礦泉水瓶為原料制備的PET納米塑料為代表,定量研究了其在小鼠體內和海岸沉積物中的遷移行為規律。結果表明,單次靜脈注射條件下,納米塑料主要分布于小鼠肝臟和脾臟;單次灌胃條件下,納米塑料僅分布在消化道,沒有進入外周器官。海岸沉積物再懸浮實驗表明,納米塑料在海水中的沉降與震蕩時間有關,時間延長有助于其與懸浮物充分結合。研究進一步揭示了納米塑料更容易沉降在上清液和沉積物的交界處,暗示了底棲生物具有較大的暴露風險。該工作為復雜介質中納米塑料的高靈敏、高專屬性示蹤檢測提供了新方法,相關工作發表在Journal of Hazardous Materials(2022, 424, 127628)。
圖1. 以礦泉水瓶為原料的PET納米塑料制備、銥元素標記示意圖,以及靜脈注射條件下納米塑料在小鼠體內的定量分布
2. 納米塑料的毒性效應
該團隊以斑馬魚胚胎作為動物模型,研究不同粒徑和環境暈包覆的PET納米塑料的體內分布和毒性效應(圖2)。熒光標記成像顯示納米塑料可以透過卵膜進入到胚胎內部,研究發現胚胎孵化率、心率和活性氧物種產生等生物學指標受納米塑料尺寸、濃度和表面性質影響。相關工作發表在Environmental Science-Nano(2020,7, 2313-2324,hot article)。
探究了納米塑料與苯并芘(Bap)形成的復合污染物及其與細胞的相互作用問題。研究發現PS納米塑料吸附Bap納米團簇,并作為載體攜帶Bap進入細胞,定位于溶酶體、線粒體和內質網;納米塑料的結合作用降低了不同尺寸Bap團簇誘發細胞毒性的差異。該工作發表在Nanoscale(2021, 13, 1016-1028)。進一步探索了體內粘液對納米塑料復合污染物生物效應的影響。發現表面形成的黏蛋白暈能夠改變復合污染物的攝取機制、胞內蓄積和亞細胞器分布,降低復合污染粒子胞內轉運速率,延遲納米塑料和Bap的解離進程,從而降低復合污染物的細胞毒性。相關工作發表在Journal of Hazardous Materials(2021, 406, 124306)。
圖2. PET納米塑料的掃描電鏡和粒徑分布,以及在斑馬魚卵和幼魚體內的分布
上述工作為未來深入開展海岸帶區域納米塑料污染物的環境行為、環境效應和人類健康風險評估等研究提供了技術儲備。相關研究得到國家自然科學基金(42076199, 21976209)等項目的支持。
相關論文:
1. Qi Gao, Yunqing Wang,* Yunxia Ji, Xizhen Zhao, Panpan Zhang, Lingxin Chen,* Tracking of realistic nanoplastics in complicated matrices by iridium element labeling and inductively coupled plasma mass spectroscopy, Journal of Hazardous Materials, 2022, 424, 127628. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.127628
2. Yunxia Ji,# Chuyu Wang,# Yunqing Wang,* Longwen Fu, Mingsan, Lingxin Chen,* Realistic polyethylene terephthalate nanoplastics and the size- and surface coating-dependent toxicological impacts on zebrafish embryos, Environmental Science-Nano, 2020,7, 2313-2324. https://doi.org/10.1039/D0EN00464B
3. Yunxia Ji,# Yunqing Wang,# Dazhong Shen, Qi Kang,* Jiping Ma, Lingxin Chen,* Revisiting the cellular toxicity of benzo[a]pyrene from the view of nanoclusters: size- and nanoplastic adsorption-dependent bioavailability, Nanoscale, 2021, 13, 1016-1028. https://doi.org/10.1039/D0NR06747D
4. Yunxia Ji, Yunqing Wang, Dazhong Shen, Qi Kang,* Lingxin Chen,* Mucin corona delays intracellular trafficking and alleviates cytotoxicity of nanoplastic-benzopyrene combined contaminant, Journal of Hazardous Materials, 2021, 406, 124306. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124306