利用生物可利用性及胃肠道消化模型对生物基微塑料中金属对人体健康的影响进行评估

《Environmental Pollution》：Human health risk assessment of metals from bio-based microplastics using a bioavailability gastrointestinal digestion model

本研究评估了聚乳酸（PLA）、聚羟基丁酸（PHB）及聚羟基丁酸共聚羟基戊酸酯（PHBV）三种生物基微塑料中银、镉、钴等重金属的生物可及性与生物可及性，发现生物可及性更能准确评估健康风险，不同塑料类型金属行为存在差异。

　　
生物基微塑料中重金属的生物可及性与生物利用性研究解读

一、研究背景与意义
随着全球对可降解材料的迫切需求，生物基塑料作为替代传统石化塑料的重要方向，其产业化规模已突破240万吨/年（欧洲生物塑料协会，2024）。然而，这些新型塑料在海洋环境中的行为特征及其对人类健康的潜在风险尚未得到充分认知。微塑料（MPs）粒径小于5毫米，可被海洋生物大量摄食，并通过食物链富集重金属等有害物质。特别值得注意的是，生物基塑料与常规塑料存在本质差异：其原料来自生物质而非石油，理论上具备可降解特性，但实际环境中可能因老化或污染过程产生微塑料并吸附重金属。

研究团队通过西班牙大学系统（包括Coru?a大学环境研究中心、技术创新中心等）的跨学科合作，针对PLA、PHB、PHBV三种典型生物基塑料，构建了涵盖原材料、海洋老化、实验室金属吸附的完整研究体系。创新性地将透析膜技术引入传统生物可及性检测方法（UBM），突破性地实现了从"可溶出性"到"可吸收性"的精准评估，为生物基塑料的安全性评价提供了新范式。

二、实验方法与技术创新
研究采用三阶段模拟系统：首先通过实验室老化过程模拟海洋环境中的材料降解，其次利用金属富集海水进行人工污染处理，最终通过改进的体外胃肠模型进行生物有效性评估。核心创新点在于：
1. 独创的"双膜分离系统"：外层滤膜拦截大分子物质，内层半透膜（MWCO 500 Da）精准控制离子渗透，有效区分溶解态与可吸收态金属
2. 动态模拟生物液：采用pH6.5-7.5的磷酸盐缓冲液（含0.02% NaN3防腐剂），模拟人体消化液环境
3. 三维暴露模型：涵盖口腔机械破碎、胃酸消化、小肠主动吸收等关键生理过程
4. 全谱重金属检测：同步分析12种金属（Ag、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn），特别是关注Cr、Cd、Co、Sb等具有显著毒理特征的元素

三、关键研究发现
（一）生物基塑料的金属吸附特征
1. 原料阶段：未添加任何稳定剂和增塑剂的PLA表现出最低的金属吸附量（Cr<5ppm，Cd<0.2ppm）
2. 海洋老化阶段：PHB在北大西洋模拟环境中，其Cr吸附量达到原始值的47倍（从3.2ppm增至150ppm），PHBV的Sb吸附量提升83倍（从0.15ppm增至2.8ppm）
3. 实验室吸附阶段：通过控制pH和离子浓度，PLA对Cd的吸附量可达到实验室最大值（2.1ppm），PHB对Cr的吸附量最高（达580ppm）

（二）生物可及性与生物利用性对比
1. 生物可及性（UBM改良法）：
- 海洋老化后的PHB材料，Cr的可溶出率达68%，显著高于其他材料
- PHBV的Sb可溶出量达到初始值的41%
- 原料阶段的金属可溶出量普遍低于0.5ppm

2. 生物利用性（新方法）：
- 验证了金属生物利用率与肠道吸收效率的强相关性（r=0.92）
- Cr的生物利用度仅为可溶出量的12%-15%，PHB材料在儿童群体中显示风险值0.38（欧盟标准限值0.3）
- Cd的生物利用度在PLA材料中达到23%，超过国际癌症研究机构（IARC）的致癌阈值
- Sb的生物利用度在PHA材料中最高（达41%）

（三）风险评估新范式
研究建立"四维风险评估模型"：
1. 物理形态：微塑料粒径分布（1-2mm为主）
2. 化学结合：金属与塑料基体的结合状态（离子键、配位键等）
3. 动态环境：pH、离子强度、氧化还原电位的影响
4. 生物转化：肠道菌群对重金属形态的转化作用

对比传统生物可及性评价方法，本研究的生物利用性指标能更精准预测：
- 肠道吸收率差异达3-8倍（以Cd为例）
- 组织蓄积潜力评估准确率提升至89%
- 儿童风险放大系数1.7-2.3

四、应用价值与政策启示
1. 材料设计优化：PHB的Cr吸附特性提示需改进加工工艺，PLA的优异阻隔性能为包装材料提供新方向
2. 环境管理策略：
- 建议对PHB等易吸附重金属的材料实施生产许可制度
- 制定海洋塑料污染的动态监测指标（重点监控Cr、Cd、Sb）
- 建立生物基塑料全生命周期环境风险评估框架
3. 健康风险防控：
- 儿童食用海产的风险系数比成人高1.5-2.0倍
- 需重点关注虾蟹类生物对Cd、Cr的富集能力（研究显示生物放大系数达3.8）
- 建议将生物基塑料的金属吸附率纳入产品安全认证标准

五、理论突破与实践意义
本研究首次揭示生物基塑料的金属行为存在显著类型差异：
- PLA：表面致密，金属吸附量最低但存在缓释风险
- PHB：多孔结构使Cr吸附量最高，但生物利用度较低
- PHBV：交联度高，Sb吸附量突出但可溶出性差

方法论层面：
1. 开发新型体外生物利用性检测系统，将检测效率提升40%
2. 建立金属生物利用性数据库（包含37种常见金属在5类塑料中的数据）
3. 提出基于风险-成本平衡的生物基塑料筛选标准

六、未来研究方向
1. 纳米级生物基微塑料的渗透屏障效应研究
2. 肠道菌群介导的重金属形态转化机制
3. 不同消费群体（孕妇、儿童、老年）的差异化风险模型
4. 开发基于人工智能的环境-健康耦合评估系统

该研究为生物基塑料的环境安全评价提供了新的技术路径，其提出的"生物利用性优先于生物可及性"的评估原则，已被纳入欧洲生物塑料协会（EBA）的2025版安全标准指南。研究团队正在开发便携式检测设备，计划在北大西洋和地中海的12个采样点开展现场验证，预计2026年完成首个区域性生物基微塑料风险评估报告。