纳米塑料污染修复进展：从毒性机制到绿色去除策略的全面综述

本文针对海洋环境中日益严重的纳米塑料污染问题，系统综述了其检测方法、毒性效应及去除策略。研究人员通过分析物理分离、化学降解和生物修复等先进技术，发现聚氯化铝混凝剂可实现99.4%的纳米塑料分离，催化剂辅助臭氧氧化去除率达96.7%，而基于小球藻的生物反应器降解效率达98.83%。该研究为开发经济高效的纳米塑料治理技术提供了重要理论支撑，对保护水生生态系统和人类健康具有重要意义。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，海洋塑料污染已成为严峻的环境挑战。据统计，全球塑料市场在2022年达到6152亿美元规模，且每年约产生4亿吨塑料废物，其中仅10%被回收利用，其余通过倾倒、焚烧或进入自然环境中分解。更令人担忧的是，塑料在物理磨损、化学氧化和生物作用下降解为微塑料（Microplastics, MPs）和纳米塑料（Nanoplastics, NPs）。这些尺寸小于1000纳米的颗粒因其高比表面积、强迁移性和生物渗透性，对水生生物和人类健康构成严重威胁。

纳米塑料可通过食物链进入人体，已在饮用水、海产品甚至大气中被检出。研究表明，纳米塑料暴露会导致水生生物如斑马鱼（Danio rerio）出现心血管毒性、血流速度下降以及系统性炎症；植物如水稻（Oryza sativa）和菠菜（Ipomoea aquatica）则出现光合作用抑制和基因毒性；微生物如酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）遭遇细胞形态异常和代谢紊乱。因此，开发高效、经济的纳米塑料检测与去除技术迫在眉睫。

为系统解决这一问题，研究人员开展了题为“Advances in Polystyrene Nanoplastic Remediation: A Review of Detection Methods, Toxicity, Removal Strategies, and Economic Insights”的综述研究，发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。该研究通过文献计量学分析（VOSviewer软件）和PRISMA协议，筛选了2020–2025年间Scopus数据库中关于纳米塑料检测、毒性及处理技术的英文论文，排除了仅关注微塑料或缺乏技术经济数据的研究。

研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.

   分析检测技术：包括衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、高效液相色谱（HPLC）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、表面增强拉曼光谱（SERS）和流式细胞术，用于纳米塑料的定性与定量分析。

2. 2.

   物化处理工艺：涵盖膜过滤（如金属有机框架MOF膜、电纺膜）、混凝沉淀（如聚氯化铝PACl、镁铝双层氢氧化物）和高级氧化工艺（如臭氧氧化、光催化降解）。

3. 3.

   生物修复方法：包括微生物降解（如细菌Comamonas thiooxidans、微藻Phaeodactylum tricornutum）和生物炭吸附（如甘蔗渣衍生生物炭）。

4. 4.

   毒性评估模型：通过体外细胞实验（如人肺上皮细胞）和体内动物模型（如小鼠、斑马鱼胚胎）评估纳米塑料的生态毒理效应。

2. 环境中纳米塑料的发生、识别与归宿

纳米塑料主要来源于塑料废弃物的破碎过程，常见于污水处理厂 effluent、污泥施用、塑料覆盖层和垃圾渗滤液中。研究通过AF4-MALS（不对称流场流分离-多角度光散射）技术成功从鱼类消化系统中分离出100 nm聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs），回收率达52 μg/mL。大气沉积研究显示，即使在偏远山区（如法国比利牛斯山脉），每平方米每年也可沉积数百个纳米塑料颗粒，最远传输距离达95公里。

3. 纳米塑料的毒性及危害

3.1. 对微生物的毒性

纳米塑料通过引起氧化应激和膜损伤抑制微生物生长。例如，115 nm PS-NPs在0.5小时内即可抑制酿酒酵母的代谢活动，而蓝藻Synechococcus elongatus则因活性氧（ROS）积累导致光合作用效率下降。

3.2. 对植物的毒性

纳米塑料干扰植物营养吸收和基因表达。水稻暴露于氨基修饰的PS-NPs后株高降低42.71%，而黄瓜（Cucumis sativus）叶片中叶绿素a和b含量显著下降。转录组学分析表明，纳米塑料影响DNA修复和激素合成通路。

3.3. 对水生及高等生物的毒性

斑马鱼胚胎暴露于800 nm聚对苯二甲酸乙二醇酯纳米塑料（PET-NPs）后孵化率下降，并出现心包水肿和血流异常。小鼠妊娠期暴露于100 nm PS-NPs导致后代出生体重下降、肝脏重量减轻和精子数量减少。人体肺上皮细胞在50 mg/L PS-NPs暴露24小时后 viability 下降，凋亡通路被激活。

4. 纳米塑料污染环境的先进处理技术

4.1. 物理化学分离技术

膜过滤技术如电纺聚丙烯腈膜对50 nm PS-NPs的去除率达89.9%，而MOF基膜对500 nm颗粒的去除率达99%。混凝工艺中，聚氯化铝（PACl）对200 nm PS-NPs的去除效率为99.4%，镁铝双层氢氧化物对100 nm颗粒的去除率为90%。

4.2. 化学降解技术

高级氧化工艺中，臭氧在240分钟内对PS-NPs的降解率为96.3%，而CeO₂-MnO_x催化剂将臭氧降解时间缩短至50分钟，效率达96.7%。光催化降解方面，TiO₂/SiO₂泡沫催化剂在UV照射下7小时内对聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的降解率为50%。

4.3. 生物物理化学技术

微生物降解中，膜生物反应器（MBR）与快速砂滤联用对纳米塑料的去除率超98%。生物炭吸附方面，甘蔗渣衍生生物炭对PS-NPs的吸附量达290 mg/g，且可通过热再生重复使用。

5. 纳米塑料分离与降解机制

纳米塑料的去除机制包括：

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  膜分离：依靠尺寸排阻和静电相互作用（如π-π堆积、氢键）。

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  混凝：通过电荷中和减少静电斥力，促进颗粒聚集。

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  氧化降解：臭氧攻击聚合物链的叔碳位点，产生酮类和醛类中间体。

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  光催化：UV激发TiO₂产生羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O₂^?），断裂C-C键。

7. 纳米塑料修复的技术经济可行性

研究评估了多种技术的经济性：

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  Janus微球酶固定化系统可重复使用6次，降低操作成本。

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  纳滤-电氧化（NF-EO）联用工艺可集成至现有污水处理厂，适应不同浓度纳米塑料。

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  基于废墨粉的Fe₃O₄/C吸附剂成本低廉，吸附容量达523 mg/g。

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  TiO₂光催化-膜分离组合技术无需添加化学品，适合城市污水三级处理。

6. 未来展望

当前研究多集中于PS-NPs，而对聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等常见塑料关注不足。未来需开发低成本检测技术、可生物降解替代材料，并加强纳米塑料与共存污染物（如重金属、抗生素）的交互效应研究。基因工程微生物的应用需谨慎评估其生态风险。

结论

纳米塑料因其尺寸小、迁移性强和生物累积性，对环境与健康的威胁远超微塑料。研究表明，物化处理技术如混凝、膜分离和高级氧化可实现高效去除（＞96%），而生物方法如藻类反应器和微生物降解具环境友好性。整合多技术平台、开发低成本材料（如废弃物质衍生吸附剂）和制定国际标准是未来治理纳米塑料污染的关键方向。该综述为设计高效、经济的纳米塑料治理策略提供了全面指导，对实现可持续发展目标具有重要意义。