一种敏感的MWCNT-OH/PDDA/B-GQDs纳米复合生物传感器，用于检测水中纳米塑料和双酚的毒性：对细胞毒性的机制洞察

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：A sensitive MWCNT-OH/PDDA/B-GQDs nanocomposite biosensor for toxicity assessment of nanoplastics and bisphenols in water: Mechanistic insights into cellular toxicity

纳米塑料与双酚类化合物协同毒性研究及新型电化学传感器开发。

　　本研究聚焦于水环境中纳米塑料和双酚类物质的联合毒性问题，这些污染物因其微小的尺寸、高生物可利用性以及大的比表面积而成为环境中的潜在威胁。纳米塑料（NPs）和双酚（BPs）常常在自然环境中共存，因此，理解它们对生态系统和人类健康的联合影响至关重要。为了填补这一知识空白，研究团队开发了一种新型的电化学生物传感器，结合了人类肝癌细胞（HepG2）与一种由羟基化多壁碳纳米管（MWCNT-OH）、聚二甲基二丙烯氯化铵（PDDA）和硼掺杂石墨烯量子点（B-GQDs）组成的纳米复合材料。这种设计通过密度泛函理论（DFT）计算验证了其对细胞电活性物质（如黄嘌呤和鸟嘌呤）的强吸附能力，从而确认了传感器的高灵敏度检测性能。

### 研究背景与意义

随着全球塑料产量的迅速增长，塑料污染已成为一个不容忽视的环境问题。预计到2030年，全球每年的塑料排放量将达到5300万吨。这些塑料材料在自然环境中逐渐降解为微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs），其微小的尺寸使其更容易进入生物体内并造成危害。特别是BPA（双酚A）及其替代品，它们不仅广泛存在于塑料制品中，还可能对人类的生殖、发育和代谢产生不良影响。此外，这些替代品经常与NPs共同存在于环境中，而它们的联合毒性目前仍缺乏深入研究。

尽管目前已有许多关于污染物毒性的研究，但大多数依赖于对模式生物的观察，未能充分揭示它们对人类细胞的潜在影响。为了减少对实验动物的依赖，提升实验的伦理标准，研究团队采用HepG2细胞作为模型，这不仅因其与人类肝脏的高生理相关性，还因其在评估环境污染物肝毒性方面的广泛应用。通过开发一种新型的电化学生物传感器，研究者希望实现对纳米塑料和双酚类物质毒性评估的快速、灵敏和无标记检测。

### 生物传感器的设计与性能

该生物传感器的核心是MWCNT-OH/PDDA/B-GQDs纳米复合材料。MWCNT-OH因其优异的机械强度、电导率和化学稳定性，被广泛用于增强传感器性能。PDDA作为一种水溶性阳离子聚合物，通过静电相互作用改善纳米材料的分散性和负载能力，从而提升整体的电催化性能。B-GQDs则提供了额外的活性位点，促进了电子转移并增强了嘌呤碱的氧化反应。这些材料的协同作用显著提升了传感器的吸附能力和电化学响应。

在实验中，研究者通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对纳米复合材料的微观结构进行了表征。结果表明，MWCNT-OH具有典型的管状结构，PDDA能够均匀地分散MWCNT-OH，而B-GQDs则成功地负载在MWCNT-OH/PDDA表面。这些结构特征进一步确认了纳米复合材料的成功合成。X射线衍射（XRD）分析显示，纳米材料的晶体结构在加入PDDA和B-GQDs后保持稳定，表明碳骨架未受到破坏。同时，FTIR光谱分析揭示了MWCNT-OH与PDDA之间显著的相互作用，进一步支持了传感器的结构稳定性和优异的电化学性能。

电化学行为通过循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）进行评估。研究发现，MWCNT-OH/PDDA/B-GQDs/GCE电极表现出最高的氧化还原峰电流，表明其具有优异的电活性。通过Randles-Sevcik方程计算，该电极的电活性表面积达到0.112 cm2，是未修饰GCE电极的1.6倍。此外，EIS分析显示，该电极的电荷转移电阻（Rct）显著降低，表明其具有优异的电子传输性能。这些实验结果验证了DFT计算所预测的纳米复合材料对电活性物质的强吸附能力。

### 毒性评估与联合效应分析

研究团队利用该生物传感器评估了五种双酚（BPA、BPB、BPAF、BPF和BPS）以及PS25 nm（聚苯乙烯纳米塑料）对HepG2细胞的毒性。结果表明，这些污染物的毒性顺序为BPB > BPAF > BPA > BPF > BPS，其中BPB和BPAF的毒性较强，这与它们对雌激素受体（ER）的强结合能力有关。通过毒性单位（TU）方法，研究者进一步评估了这些污染物的联合毒性，发现它们的联合效应为加性作用，说明在实际环境中，这些污染物可能共同发挥毒性作用。

细胞形态学分析显示，暴露于PS25 nm和双酚的HepG2细胞出现明显的形态变化，包括细胞收缩和细胞密度降低。这些变化进一步支持了污染物对细胞结构的破坏作用。同时，研究团队对细胞内的氧化应激和细胞凋亡指标进行了分析，发现污染物显著增加了活性氧（ROS）水平，降低了谷胱甘肽（GSH）含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性。这些结果表明，污染物可能通过诱导氧化应激对细胞造成损伤。

### 毒性机制分析

通过转录组测序技术，研究者对污染物引起的基因表达变化进行了深入分析。结果显示，污染物显著影响了与蛋白质合成、氧化应激反应和肝病相关的基因通路。这些通路的富集表明，污染物可能通过干扰细胞的正常代谢过程，导致肝功能受损。此外，研究还发现，某些双酚替代品（如BPB和BPAF）的毒性机制与BPA有所不同，这可能与其对细胞膜受体的结合能力有关。

研究进一步探讨了污染物对细胞内氧化应激和凋亡的关联。ROS的增加不仅破坏了细胞的氧化还原平衡，还直接损伤了线粒体膜，导致线粒体膜电位（MMP）的降低。这种线粒体功能的紊乱是细胞凋亡的重要标志。通过与细胞毒性数据的相关性分析，研究者确认了ROS水平与细胞毒性之间的正相关关系，以及GSH含量和SOD活性与细胞毒性的负相关关系。这些发现为理解污染物如何通过氧化应激诱导细胞凋亡提供了重要的理论依据。

### 环境与健康风险

本研究揭示了纳米塑料和双酚类物质在水环境中的潜在健康风险。通过整合多层级分析，研究不仅建立了快速、敏感的毒性评估方法，还深入探讨了其作用机制。这些结果对环境污染物的综合生物安全性评估和监管管理具有重要意义。特别是，某些双酚替代品的毒性可能超过BPA本身，这提示在环境治理中应重点关注这些替代品的潜在危害。

此外，研究还发现，污染物对线粒体功能的影响可能通过干扰氧化磷酸化等关键代谢通路，导致细胞能量代谢的紊乱。这种紊乱可能进一步引发细胞凋亡，进而影响生态系统的健康。这些发现表明，纳米塑料和双酚类物质的联合暴露可能对生物体产生更复杂的毒性效应，需要进一步的研究来揭示其作用机制。

### 未来展望

本研究为评估水环境中纳米塑料和双酚类物质的毒性提供了一种新的方法，同时也揭示了其潜在的健康风险。未来的工作将集中在将这种生物传感器应用于真实环境水样，并进一步开发其为便携式设备，以实现现场监测。此外，研究团队还计划探索该传感器在其他环境污染物检测中的应用潜力，以拓展其在环境监测领域的用途。

总之，本研究通过开发一种新型的电化学生物传感器，不仅提升了对污染物毒性的评估能力，还揭示了其作用机制，为环境污染物的综合管理提供了重要的科学依据。