光老化聚苯乙烯微塑料与纳米塑料对ZnO纳米颗粒在藻类细胞外聚集和细胞内积累的影响机制及生态风险评估

本研究针对光老化微塑料(MPs)/纳米塑料(NPs)与纳米氧化锌(nano-ZnO)的交互作用机制这一环境科学难题，通过分子动力学模拟、表面等离子共振(SPR)和激光共聚焦技术，首次揭示老化PS MPs/NPs通过增强静电力和氢键作用促进nano-ZnO吸附，改变其在藻类细胞外聚集模式并影响细胞内积累过程，将nano-ZnO生态风险从中等提升至高等，为评估复合污染生态效应提供理论依据。

　　

随着塑料污染问题日益严峻，微塑料(Microplastics, MPs)和纳米塑料(Nanoplastics, NPs)在水环境中的生态效应引发广泛关注。这些粒径<5 mm/<1 μm的塑料颗粒在自然环境中会经历光老化等过程，导致其表面特性发生显著改变。更令人担忧的是，它们能与重金属纳米颗粒等污染物产生复杂交互作用，但老化塑料如何影响纳米颗粒的环境行为与生物效应仍是未解之谜。尤其当纳米氧化锌(nano-ZnO)这种年产量超万吨的功能材料与无处不在的聚苯乙烯(PS) MPs/NPs共存时，其复合生态风险评估存在重大知识缺口。

针对这一科学问题，中国的研究团队在《Journal of Environmental Sciences》发表重要成果，首次系统阐明了光老化PS MPs/NPs与nano-ZnO的相互作用机制及其对藻类生物效应的调控规律。研究创新性地结合分子动力学模拟、表面等离子共振(SPR)和激光共聚焦显微技术，揭示了老化塑料通过改变纳米颗粒的细胞外聚集-细胞内积累平衡，最终放大其生态风险的作用路径。

关键技术方法包括：通过紫外辐射模拟自然光老化制备PS MPs/NPs；采用SEM、FTIR和XPS表征材料理化性质；运用分子动力学模拟计算相互作用能；利用SPR技术定量结合亲和力；采用激光共聚焦显微观察纳米颗粒胞内分布；通过风险商值法评估生态风险等级。

【Physicochemical characteristics of photoaged PS MPs/NPs】

研究发现光老化使PS MPs/NPs表面产生含氧官能团（C=O、-OH），zeta电位从-27.4 mV降至-42.1 mV，比表面积增加2.3倍。SEM显示老化PS MPs碎裂产生亚微米级碎片，PS NPs形态由球形变为椭球形，表面粗糙度显著增加。

【Interaction mechanisms】

分子动力学模拟证实老化PS NPs与nano-ZnO的相互作用能(-128.5 kJ/mol)比原始PS NPs(-89.7 kJ/mol)提高43%，主要源于增强的静电力和范德华力。FTIR证实老化形成的羟基与nano-ZnO形成氢键，吸附量提升2.1倍。

【Extracellular aggregation】

SPR分析显示老化PS MPs/NPs使nano-ZnO与藻细胞的结合解离常数(K_D)从24.0 μmol/L增至32.4 μmol/L(MPs)和45.0 μmol/L(NPs)，表明老化塑料增强了纳米颗粒的细胞外聚集。

【Intracellular accumulation】

激光共聚焦显示老化PS MPs使藻细胞内Zn积累量降低38%，但PS NPs因可携带nano-ZnO内化，仅使积累量降低12%。风险商值(RQ)评估表明，老化PS MPs/NPs将nano-ZnO生态风险从中等(0.11)。

该研究突破性地揭示了环境老化过程会显著改变MPs/NPs与纳米颗粒的相互作用模式：光诱导产生的表面官能团不仅增强了对nano-ZnO的吸附能力，更通过"载体效应"和"屏障效应"的双重作用调控其生物有效性。特别值得注意的是，虽然老化PS MPs/NPs总体上抑制了Zn的胞内积累，但由于形成更大尺寸的聚集体，反而通过食物链传递放大了生态风险。这些发现为准确评估真实环境中塑料-纳米颗粒复合污染效应提供了关键理论支撑，对制定针对性的环境管控策略具有重要指导意义。