烟台海岸带所在环境纳米塑料分析方法和生物学效应方面取得新进展

  近年来,微纳米塑料作为一类新污染物得到了公众和科学家的广泛关注。相较于微塑料,纳米塑料(尺寸1 μm以下)具有赋存数量大、吸附效率高、跨生物膜能力强等特点,可能展现出更为强烈的生态和毒性效应。海岸带是人口密集、社会经济活动频繁、渔业生产集中的区域,同时是纳米塑料的重要汇集区域,阐明纳米塑料在海岸带环境和生物体内的迁移行为和毒性机制,对于全面、准确理解塑料污染的环境生态效应以及对人类健康的影响,具有重要的科学意义,其研究也更具挑战性。目前,具有真实环境意义的纳米塑料样品制备、复杂基质中纳米塑料的高灵敏示踪技术是本领域的瓶颈问题,亟待突破。中国科学院烟台海岸带研究所王运庆、陈令新海岸带“化学与生态要素的分析监测”团队在纳米塑料模型粒子、分析方法以及毒理效应等方面开展科研工作,取得系列研究进展。 

  1真实纳米塑料样品制备、标记和定量分析 

  目前纳米塑料研究流行使用化学合成粒子聚苯乙烯(PS)纳米球,塑料材质种类不足,生成途径和理化性质等方面也缺乏环境真实性。该团队发展了一种以日用塑料制品为原料,模拟环境中机械摩擦途径制备纳米塑料的方法。通过料理机打磨和差速离心方式,制备聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC)等多种材质和多种粒径分布的纳米塑料。其在塑料材质、形貌、密度、添加剂成分等方面,与环境中真实样品更接近,为纳米塑料研究提供了“样品库”。 

  进一步发展了基于含铱元素有机分子标记、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)定量测定纳米塑料的新方法(图1)。以矿泉水瓶为原料制备的PET纳米塑料为代表,定量研究了其在小鼠体内和海岸沉积物中的迁移行为规律。结果表明,单次静脉注射条件下,纳米塑料主要分布于小鼠肝脏和脾脏;单次灌胃条件下,纳米塑料仅分布在消化道,没有进入外周器官。海岸沉积物再悬浮实验表明,纳米塑料在海水中的沉降与震荡时间有关,时间延长有助于其与悬浮物充分结合。研究进一步揭示了纳米塑料更容易沉降在上清液和沉积物的交界处,暗示了底栖生物具有较大的暴露风险。该工作为复杂介质中纳米塑料的高灵敏、高专属性示踪检测提供了新方法,相关工作发表在Journal of Hazardous Materials2022, 424, 127628)。 

  

  1. 以矿泉水瓶为原料的PET纳米塑料制备、铱元素标记示意图,以及静脉注射条件下纳米塑料在小鼠体内的定量分布 

  2. 纳米塑料的毒性效应 

  该团队以斑马鱼胚胎作为动物模型,研究不同粒径和环境晕包覆的PET纳米塑料的体内分布和毒性效应(图2)。荧光标记成像显示纳米塑料可以透过卵膜进入到胚胎内部,研究发现胚胎孵化率、心率和活性氧物种产生等生物学指标受纳米塑料尺寸、浓度和表面性质影响。相关工作发表在Environmental Science-Nano2020,7, 2313-2324hot article)。 

  探究了纳米塑料与苯并芘(Bap)形成的复合污染物及其与细胞的相互作用问题。研究发现PS纳米塑料吸附Bap纳米团簇,并作为载体携带Bap进入细胞,定位于溶酶体、线粒体和内质网;纳米塑料的结合作用降低了不同尺寸Bap团簇诱发细胞毒性的差异。该工作发表在Nanoscale2021, 13, 1016-1028)。进一步探索了体内粘液对纳米塑料复合污染物生物效应的影响。发现表面形成的黏蛋白晕能够改变复合污染物的摄取机制、胞内蓄积和亚细胞器分布,降低复合污染粒子胞内转运速率,延迟纳米塑料和Bap的解离进程,从而降低复合污染物的细胞毒性。相关工作发表在Journal of Hazardous Materials2021, 406, 124306)。 

 

  2. PET纳米塑料的扫描电镜和粒径分布,以及在斑马鱼卵和幼鱼体内的分布 

  上述工作为未来深入开展海岸带区域纳米塑料污染物的环境行为、环境效应和人类健康风险评估等研究提供了技术储备。相关研究得到国家自然科学基金(42076199, 21976209)等项目的支持。 

  相关论文 

  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 

 

 

   



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