摘要：近年來,塑料在水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化和不良影響引起了極大關(guān)注。最近研究表明，塑料材料能夠破碎成納米塑料并在環(huán)境中積累。納米塑料可以表現(xiàn)出與本體材料差異明顯的物理和化學(xué)性質(zhì)。因此，需要分析和消除納米塑料可能對環(huán)境造成的風險和危害。針對水體環(huán)境中納米塑料新興污染進行了綜述，重點論述納米塑料對水生生物和人類健康的影響，以及在水環(huán)境介質(zhì)中檢測納米塑料所面臨的挑戰(zhàn)，最后對未來研究趨勢進行了展望，為今后納米塑料的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：納米塑料；水體環(huán)境；檢測技術(shù)；環(huán)境危害；人體健康

0 引 言

塑料及其制品在人類生活中占據(jù)非常重要的位置，在各行各業(yè)乃至日常生活中使用范圍甚廣，隨著人們對塑料制品的依賴程度越來越高，生產(chǎn)規(guī)模的逐漸擴大，全球每年塑料制品的生產(chǎn)量超3.2億t，21世紀被描述為“塑料時代”。塑料及其制品的迅速發(fā)展讓人們的生活方式變得更加簡潔便利，但與此同時，大量廢棄塑料垃圾沒有得到正確有效的處理。塑料在風力、洋流的作用下，在水體中長距離遷移，從高山到平原陸地，從河流湖泊到深海沉積物，對全球水環(huán)境造成了嚴重污染[1]。

近年來，環(huán)境塑料特別是微塑料污染逐漸發(fā)展成為人們關(guān)注的新熱點之一。塑料產(chǎn)量每年都在增加，這也使得塑料垃圾在環(huán)境中不斷積累。在環(huán)境中，大塊塑料會降解成更小的碎片(<5 mm)，這些小碎片通常被稱為微塑料，降解過程包含化學(xué)和物理過程，主要涉及光降解、氧化、水解降解和機械粉碎等[2]。20世紀70年代，在開闊水域發(fā)現(xiàn)了第一批<5 mm的微塑料顆粒。最近的研究證實了塑料微粒的降解過程不會在微米級停止的猜想，塑料微粒會繼續(xù)分解形成納米塑料顆粒。與基于相同材料的宏觀大塑料顆粒相比，這種納米顆粒通常表現(xiàn)出不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。此外，其與生物體之間的相互作用也可能大不相同。因此，微塑料和納米塑料之間的差異不容忽視[3]。

與塑料微粒一樣，納米塑料能夠吸附并攜帶對環(huán)境具有潛在生物毒性的疏水性化學(xué)物質(zhì)，比如，多氯聯(lián)苯、環(huán)境激素和殺蟲劑等[4]。但是由于納米塑料尺寸更小，比表面積更大，往往會吸附更多的有害物質(zhì)。因為納米塑料顆粒的性質(zhì)與尺寸息息相關(guān)，研究納米塑料與環(huán)境的相互作用，特別是與生物體的相互作用，對于評估其對人體的危害非常重要。然而,目前的研究更多關(guān)注微塑料對水生環(huán)境和人體健康的影響，對于納米塑料的研究還相對較少，其理應(yīng)獲得較多的關(guān)注。雖然水體環(huán)境中納米塑料長期影響仍然難以預(yù)測，但其將不可避免地給社會帶來更大的挑戰(zhàn)。本文對納米塑料及其對環(huán)境和人類健康的影響的現(xiàn)有研究進行綜述，并分析現(xiàn)有的檢測技術(shù)，旨在為后續(xù)的研究提供參考。

1 納米塑料對水生環(huán)境的影響

與環(huán)境中的大塑料和微塑料一樣，納米塑料顆粒也會對水生環(huán)境產(chǎn)生負面影響。近年來，利用聚苯乙烯(PS)納米顆粒進行模擬的幾項實驗研究表明，各種生物體，如浮游動物、藻類、水蚤和貽貝等，會攝取納米塑料顆?；?qū)⑵湮降缴矬w表面[5，6]。Sun等[7]對比了50 nm的納米塑料在80 mg/L下，對海洋中嗜堿鹽單胞菌的氧化應(yīng)激毒性。該研究發(fā)現(xiàn)，胺改性的PS納米顆粒對細菌的氧化應(yīng)激毒性比未改性的納米顆粒高。Brandts等[8]的研究表明，即使在實驗設(shè)置的最低濃度下，PS納米塑料也會引發(fā)貽貝的氧化損傷。Della等[9]的實驗研究表明，在海膽胚胎中，1～50 μg/mL的氨基改性PS納米塑料的積累會導(dǎo)致基因表達和胚胎毒性的改變。

Greven等[10]報道了納米塑料對魚類先天免疫系統(tǒng)的影響，表明魚類對PS和聚碳酸酯納米顆粒的應(yīng)激反應(yīng)可能干擾魚類種群的抗病性。Lu等[11]測試了PS塑料在斑馬魚體內(nèi)的吸收和累積，并研究了其對肝臟的毒性作用。結(jié)果表明，暴露7 d后，魚鰓、肝臟和腸道中均有小粒徑的塑料顆粒累積，而大粒徑的塑料顆粒只存在于魚鰓和腸道中。組織病理學(xué)分析表明，5 μm和70 nm PS塑料顆粒均可引起魚肝臟炎癥和脂肪積累。PS納米塑料還能顯著提高超氧化物歧化酶和過氧化氫酶的活性，說明其可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激。此外，代謝組學(xué)分析結(jié)果表明，暴露于PS納米塑料環(huán)境下可引起魚肝臟代謝過程的改變，并干擾脂肪和能量代謝。

Wegner等[12]將藍色貽貝暴露于不同濃度的納米PS和不同濃度的藻類中飼養(yǎng)，研究了30 nm PS顆粒對藍色貽貝攝食行為的影響。當納米PS存在時，藍貽貝的過濾活性降低，這表明納米PS會給藍色貽貝的攝食行為帶來負面影響。Mattsson等[13]證明了納米塑料顆粒會降低水生浮游動物的存活率，穿透魚類的血腦屏障，并導(dǎo)致其行為障礙。Mattsson團隊首次發(fā)現(xiàn)納米塑料顆粒與腦組織之間的直接相互作用，這可能是頂級消費者行為障礙背后的機制之一。

綜上，納米塑料可以被生物體攝入，積累在體內(nèi)，并沿著食物鏈轉(zhuǎn)移。納米塑料對生物體的生長、發(fā)育和繁殖都有影響，擾亂了機體的正常代謝。對生物體的毒性作用主要取決于納米塑料的表面化學(xué)性質(zhì)和粒徑。正電荷納米塑料和負電荷納米塑料對細胞正常生理活性的影響更為顯著，粒徑較小的納米塑料更容易穿透細胞膜，在組織和細胞中積累，從而產(chǎn)生更大的毒性作用。此外，由于比表面積大，具有疏水性等特點，納米塑料顆粒極有可能與其周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，吸附并攜帶對環(huán)境具有潛在生物毒性的疏水性化學(xué)物質(zhì)。這會改變納米塑料的物理化學(xué)性質(zhì)，也會改變其在水環(huán)境中的遷移過程。所以在以后實驗研究中，為了盡可能模擬自然條件，需考慮在這種情況下，納米塑料對水生環(huán)境的影響。此外，目前還缺乏關(guān)于納米塑料(和被吸附的污染物)在食物鏈上轉(zhuǎn)移，在環(huán)境中積累和與生物體相互作用的研究。另外，很多研究中納米塑料的有害作用都是使水生動物暴露在高于環(huán)境濃度幾個數(shù)量級的納米塑料濃度下被證實的，尚缺乏接近環(huán)境濃度下的相關(guān)研究。

2 納米塑料對人體健康的影響

納米塑料對環(huán)境特別是人類健康可能存在的危害和風險已引起關(guān)注。納米塑料在人體內(nèi)的副作用包括細胞毒性、引發(fā)炎癥和激發(fā)活性氧產(chǎn)生等。許多使用人類細胞系的體外研究表明，聚合物納米顆粒有可能激活人體先天免疫系統(tǒng)，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，或促進氧化應(yīng)激過程。

Brown等[14]以PS為研究對象，考察了其尺寸與引發(fā)炎癥反應(yīng)間的關(guān)系，研究結(jié)果表明：粒徑較小的納米塑料顆粒會導(dǎo)致人類A549肺細胞的IL-8基因表達明顯增加，而用其他較大粒徑塑料顆粒處理的對照組沒有出現(xiàn)該現(xiàn)象。Forte等[15]研究了胃腺癌細胞對未改性PS納米顆粒的攝取動力學(xué)，發(fā)現(xiàn)即使PS納米顆粒不帶電，也會影響細胞活力、炎癥基因表達和細胞形態(tài)。Xia等[16]認為30 nm PS納米塑料會誘導(dǎo)巨噬細胞大囊泡形成，阻斷了內(nèi)吞系統(tǒng)中囊泡的運輸，以及細胞分裂所需的規(guī)則蛋白的分布，從而導(dǎo)致巨噬細胞雙核化。黏蛋白對PS納米顆粒毒理學(xué)影響的研究結(jié)果表明：胺改性57 nm PS顆粒與黏蛋白之間的相互作用明顯，會使黏蛋白發(fā)生聚集，誘導(dǎo)腸上皮細胞死亡[17]。Liu等[18]進一步研究證實PS納米顆粒能夠誘導(dǎo)人類細胞中活性氧的產(chǎn)生。

由于納米塑料性質(zhì)穩(wěn)定，降解困難，容易在組織和細胞中積累，會引起機體代謝紊亂和局部炎癥。尤其對于腸道疾病患者，炎癥感染引起的組織通透性改變會顯著增加納米塑料的轉(zhuǎn)運和吸收，從而進一步增加暴露風險。最近，研究人員已經(jīng)開始意識到納米塑料對人類健康的潛在影響。納米塑料對人體的直接和間接影響的研究已逐漸展開。然而，這些研究的實驗對象僅限于模型細胞和生物體，所研究的納米塑料的形狀和組成相對單一。因此，進一步的研究應(yīng)著眼于普通生物體或食物鏈中的納米塑料污染，從而能夠準確、全面地評估納米塑料對人類健康的影響。

3 納米塑料的檢測技術(shù)

納米塑料顆粒體積小，其與環(huán)境有機物的化學(xué)成分類似，因此在環(huán)境樣品或復(fù)雜的生物基質(zhì)中對其進行可靠的識別和檢測富有挑戰(zhàn)。對塑料聚合物顆粒進行檢測對于分析環(huán)境樣品中納米塑料具有重要意義，一方面，可以確定系統(tǒng)中是否存在納米塑料；另一方面，可以獲得顆粒的額外化學(xué)特性，例如是否有相關(guān)添加劑存在[19，20]。在微塑料分析中，振動光譜通常與光學(xué)顯微鏡結(jié)合提供成像，從而能夠分析單個顆粒的性質(zhì)。這種方法能夠提供大量關(guān)于顆粒大小、尺寸分布和幾何形狀等信息。然而，隨著粒徑的減小(<10 μm)，這種方法越來越不適用，這主要是由于小尺寸顆粒數(shù)量增加以及儀器檢測限等原因。隨著紅外光譜和拉曼光譜技術(shù)越來越自動化，其顯微鏡圖像可以提供顆粒數(shù)量、尺寸分布和化學(xué)特性等信息[21，22]。氣相色譜-質(zhì)譜技術(shù)可以同時分析塑料的聚合物類型和樣品中的有機或無機添加劑及其在樣品中的質(zhì)量，卻是一種破壞性的分析技術(shù)，無法提供聚合物顆粒的尺寸、形狀和數(shù)量等信息。常用技術(shù)的優(yōu)、缺點見表1。

表1 納米塑料檢測方法及比較

Table 1 Comparison of identification & determination methods of nanoplastics

3.1紅外光譜(FT-IR)

紅外光譜(FT-IR)是微塑料分析中最常用的光譜技術(shù)，用紅外光照射樣品會激發(fā)振動躍遷，從而產(chǎn)生獨特的光譜，根據(jù)光譜圖像可以識別樣品種類[23，24]。FT-IR中的一些特殊化學(xué)鍵(如羰基)可以反應(yīng)聚合物表面的氧化程度，進而用于判斷塑料老化度。FT-IR主要應(yīng)用于2種工作模式：衰減全反射(ATR-FT-IR)和焦平面陣列(FPA-FT-IR),需根據(jù)測試樣品的尺寸、形狀和厚度等特性進行選擇[25，26]。

由于FT-IR單粒子分析的尺寸檢測限在10 μm內(nèi)，因此FT-IR只能用于納米塑料的批量分析[26]。有研究對懸浮液進行過濾干燥后，利用衰減全反射紅外光譜技術(shù)分析獲得的固態(tài)樣品，發(fā)現(xiàn)洗面奶中含有聚乙烯(PE)納米塑料[27]。這項檢測需要幾mg干燥粉末，懸浮液干燥后的粉末中顆粒數(shù)量多達1010個。另一種利用FT-IR檢測納米塑料的方法是制備含有樣品的KBr壓片[28]。由于混合物的光譜是其各個組分的疊加光譜，所以FT-IR技術(shù)能夠識別混合物中各個組分。但是環(huán)境樣品中通常含有大量不同的聚合物，需要對其FT-IR進行反卷積，這對數(shù)據(jù)分析提出了巨大的挑戰(zhàn)[29]。如果檢測前，能夠根據(jù)材料的密度或者表面物理化學(xué)性質(zhì)對樣品進行提純，可以大大減少數(shù)據(jù)分析的工作量。

為了在空間分辨率低于衍射極限時，能夠記錄化學(xué)圖像，F(xiàn)T-IR常與原子力顯微技術(shù)(AFM)聯(lián)用，可得到50 nm范圍內(nèi)的光譜信息[30，31]。由于該方法對選定區(qū)域進行圖像處理，因此很難實現(xiàn)對多個顆粒進行分析，主要適用于對特定的納米顆粒進行檢測。

3.2拉曼光譜(RM)

拉曼光譜(RM)技術(shù)利用激光的非彈性散射產(chǎn)生特定的光譜圖來識別和鑒定塑料顆粒[20，32，33]。該技術(shù)與FT-IR互為補充，也可以明確地識別塑料顆粒的化學(xué)組成。由于RM的光源不需要紅外光，可以使用較短波長(如532 nm)的激光器，從而能夠獲得更高的空間分辨率，因此，RM可用于分析<1 μm的微塑料顆粒[34，35]。

與AFM-IR一樣，RM也可與AFM耦合，用于納米級樣品成像，光譜信息的空間分辨率為10 nm[36-38]。在尖端增強拉曼光譜(TERS)中，由于局部表面等離子體和避雷針效應(yīng)，涂覆了銀或金的尖端能夠使拉曼信號增強。TERS常被用于研究薄膜中聚合物共混物之間的相互作用，也可用于分析納米塑料。然而，用于分析納米塑料的可靠性仍有待考察，因為表面等離子體信號的增強很大程度上取決于樣品和探針尖端的距離。在實際環(huán)境中，塑料顆粒表面的有機物可能會阻礙RM識別。

3.3X射線光電子能譜(XPS)

X射線光子的能量為1000～1500 eV，不僅可使分子的價電子電離，還可以激發(fā)內(nèi)層電子，內(nèi)層電子的能級受分子環(huán)境的影響很小[39]。同一原子的內(nèi)層電子結(jié)合能在不同分子中相差很小，具有特征性。XPS不僅為化學(xué)研究提供分子結(jié)構(gòu)和原子價態(tài)方面的信息，還能為材料研究提供各種化合物的元素組成和含量、化學(xué)狀態(tài)、分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵方面的信息。有研究利用XPS技術(shù)確定護膚品中初級PS亞微米塑料顆粒和初級PE納米塑料顆粒的化學(xué)組成。單獨使用XPS技術(shù)可能無法明確地識別納米塑料的類型，但是XPS可以通過樣品表面氧元素含量變化判斷納米塑料被氧化的程度[40]。此外，XPS技術(shù)還被用于分析納米塑料對污水廠微生物胞外聚合物的影響。

3.4氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)

除了光譜學(xué)，聚合物的質(zhì)譜鑒定是微塑料分析中另一種常用的方法，提供聚合物的質(zhì)量分數(shù)而不是粒子數(shù)的信息。主要有2種類型：1)熱解氣相色譜-質(zhì)譜法(Py-GC-MS),通常是將單個質(zhì)量>350 μg的塑料顆粒放置于熱解管，在惰性氣體的環(huán)境中進行熱降解，分析熱降解產(chǎn)物，從而判斷其化學(xué)組成[41]；2)熱吸附解吸氣相色譜質(zhì)譜法(TED-GC-MS)，允許在不去除有機質(zhì)的情況下分析環(huán)境樣品(樣品質(zhì)量高達20 mg)中的塑料顆粒[42]。該技術(shù)在進行GC-MS分析前，先進行樣品的熱萃取和固相吸附，避免了人工篩選，是其與Py-GC-MS技術(shù)的主要區(qū)別。近期，北大西洋副熱帶環(huán)流環(huán)境中首次觀測到亞微米和納米塑料，使用的檢測技術(shù)就是Py-GC-MS[43]。通過與參考數(shù)據(jù)庫的比較和主成分分析，檢測出PE、PS、聚酯類(PET)和聚氯乙烯(PVC)等塑料。一些研究證實，Py-GC-MS與錯流超濾、非對稱流場流分餾等技術(shù)結(jié)合可有效檢測納米塑料。

然而，這些技術(shù)均存在檢測限(LODs)問題，如果不進行預(yù)濃縮，則可能因為LODs過高以致不能用于檢測納米塑料。Mintening等[44]報道了PS納米塑料懸浮液的LOD為4 mg/L，而通過錯流超濾預(yù)濃縮后，其LOD可降低到20 μg/L。據(jù)預(yù)測，納米塑料的質(zhì)量在環(huán)境樣品中非常低，所以預(yù)濃縮對于檢測納米塑料至關(guān)重要。因為沒有環(huán)境中納米塑料含量的數(shù)據(jù)，所以很難進行準確的預(yù)濃縮。Gigault等[45]的研究中，預(yù)濃縮100倍就足以檢測出納米塑料的特征分解產(chǎn)物。

Py-GC-MS和TED-GC-MS比光譜分析速度快，但不能提供顆粒大小、數(shù)量、尺寸分布以及形貌和聚集情況等信息。這些信息必須通過非對稱流場流分餾-多角度光散射或動態(tài)光散射等其他粒子表征技術(shù)才能獲得。這說明納米塑料檢測需要將多種技術(shù)結(jié)合才能獲得更多信息。

上述用于分析納米塑料的光散射和光譜技術(shù)對雜質(zhì)都比較敏感，因此含有納米塑料的實際源水和廢水樣品需要進行預(yù)處理，以去除雜質(zhì)并便于檢測和鑒定納米塑料[46]。酶消化法、Fenton試劑法和過氧化物氧化法是消除微塑料樣品中有機物和無機物污染的常用方法[47-50]。據(jù)了解，化學(xué)溶劑，如過氧化物會影響有機材料，也包括納米塑料，對于尺寸細小、比表面積較大的納米塑料，該影響不可忽略，因此酶消化法是最合適的選擇。盡管檢測前通常對樣品進行了純化，但考慮到納米塑料形狀不規(guī)則、表面化學(xué)性質(zhì)復(fù)雜和尺寸分散性高等特點，仍需對分析過程進行優(yōu)化。目前，已經(jīng)形成幾種表征實際水基質(zhì)(如海洋沉積物、污泥和廢水)中微塑料的方法[51-54]。然而，納米塑料的分析仍然受到大多數(shù)分析技術(shù)的微米級分辨率的限制，需建立有效的水環(huán)境中納米塑料的測定、定量和評估方法。

4 結(jié)論和展望

塑料材料是人類目前面對的最大的環(huán)境污染源之一。近年來的研究表明，塑料降解過程會導(dǎo)致納米塑料的形成。由于塑料材料的不可降解性，納米塑料將在水體環(huán)境中不斷累積。隨著研究深入，人們逐漸意識到納米塑料對水生生物的毒性效應(yīng)。與尺寸較大的微塑料相比，納米塑料可以克服水生生物腸道組織的阻擋，可能最終進入人類食物鏈并危害人體健康。因此，增加對水體環(huán)境中納米塑料的研究具有重要意義。

關(guān)于水體環(huán)境中納米塑料的毒理學(xué)及檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望主要歸納為以下幾點:

1)目前納米塑料的毒理學(xué)實驗，多是圍繞單個細胞或者生物體展開的，缺乏納米塑料在食物鏈中傳遞效應(yīng)的研究，無法為預(yù)防和減緩納米塑料對水生環(huán)境和人體健康帶來的危害提供準確的依據(jù)。

2)目前納米塑料被攝入后，促進其攜帶的化學(xué)物質(zhì)被人體吸收的程度尚不明確。因此，未來在其負載污染物的生物富集作用方面還應(yīng)投入更多的關(guān)注，建立從種群、個體、組織器官、細胞到基因等不同水平的生態(tài)學(xué)指標體系，服務(wù)于納米塑料污染的生態(tài)與健康風險評估和基準制定。

3)由于技術(shù)和方法的限制，很難從環(huán)境樣品中獲得納米塑料。因此，研究大塑料顆粒分解成納米塑料的降解過程和速率是十分必要和迫切的。實驗室進行穩(wěn)定同位素標記實驗研究過程是可行的。在控制條件下，可以實現(xiàn)降解塑料的粒度分離，并在納米尺度上測定碎片含量。該過程可反映自然環(huán)境中不同粒徑塑料的存在，并估算出降解后納米塑料的含量，從而近似評估其生態(tài)效應(yīng)。

4)有關(guān)納米塑料毒性效應(yīng)的研究缺乏統(tǒng)一的判斷標準，存在暴露時間較實際情況低和暴露劑量較環(huán)境濃度高等問題，需要進行更多的試驗來研究低劑量或環(huán)境劑量以及長期接觸納米塑料的影響。大多數(shù)關(guān)于納米塑料毒性和風險評估的研究使用PS材料，可能誤解納米塑料對生態(tài)系統(tǒng)毒性。因此，需要結(jié)合環(huán)境中納米塑料污染的實際現(xiàn)狀，進一步研究納米塑料的毒性效應(yīng)。

5)在檢測技術(shù)方面，各種方法仍然存在自身的不足和局限，在今后的研究中，要不斷改進，并不斷嘗試尋找更加準確、便捷的分析技術(shù)。