《Sustainable Chemistry One World》：Nano-plastics, harmful Impact and its remediation methods: An updated review
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纳米塑料（<100nm）因环境老化发生动态化学变化，形成吸附重金属、药物、PFAS的eco-corona，导致生物毒性增强及跨代传递风险，需开发针对性检测与修复技术。
作者列表：
Shoaib Khan | Arpita Roy | Soumya Pandit | Vaseem Raja | Swetha Raj | Sarvesh Rustagi
印度大诺伊达市Sharda大学生物科学与技术学院生物技术系
摘要
纳米塑料（NP，小于100纳米）是一类不断发展的污染物，其环境归趋和生物效应受持续的物理化学变化影响。这些颗粒通过竞争性吸附和非共价相互作用迅速吸附各种生态冠层物质，如腐殖质、蛋白质、脂质和微生物代谢物，从而改变其表面电荷、胶体稳定性和移动性。次级纳米塑料是在紫外线光解、热氧化老化、机械磨损以及富含高污染亲和性反应基团的微生物酶降解等非生物过程的影响下形成的。纳米塑料-污染物复合物（如重金属、药物、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、农药）的协同毒性、增强的氧化应激和膜通透性是主要问题。纳米塑料通过多种途径进入生物系统，其中含有非共价结合蛋白和生物脂质的生态冠层是它们在细胞内化、逃避免疫系统以及在肝脏、大脑、胎盘和生殖器官中积累的媒介。它们的沉积对营养级传递和代际影响构成担忧。因此，有效的缓解措施需要基于转化过程的修复策略、实时纳米分析技术、预测建模和机制毒理学框架，以保护环境和人类健康。
引言
自上个世纪中叶以来，人工聚合物产量的显著增长将塑料与现代文明紧密联系在一起。这种发展直接导致了广泛的污染问题。聚合物在环境中不断分解、扩散和变化，产生微小的塑料碎片（小于100纳米），这些是人类世时期最难以理解的污染物[24]。环境中的塑料因风化作用而改变其化学、结构和功能特性。纳米塑料的形成源于渐进的氧化链断裂、水解、机械磨损和微生物酶降解[2] [3]，这些过程产生了化学性质多样的颗粒。这些颗粒不仅是羰基、羟基、羧基、过氧化物、共轭多烯和芳香氧化产物的富集体，还是环境持久性自由基（EPFR）的载体[15] [45]。这些特性使纳米塑料具有高度反应性，而其母体微塑料形式则不具备这种特性[23] [38]。纳米级碎片具有强弯曲的表面、软硬聚合物过渡、纳米级孔隙结构以及非晶-结晶重构。这些特性使它们能够以优异的亲和力结合金属、PFAS、药物、染料、疏水性有机污染物和生物分子[77] [55] [47]。这些颗粒的胶体性质使它们在水生系统中长期悬浮，在土壤中以扩散方式传输，并在大陆间扩散[1] [17]。它们与天然有机物、蛋白质、脂质、多糖和微生物代谢物形成的动态生态冠层使它们的“身份”在生物学上不断变化，这决定了它们的聚集行为、生物吸收、免疫逃逸和毒理动力学潜力[51] [39] [18]。
纳米塑料能够突破较大微塑料无法穿透的生理屏障，从而进入胃肠道上皮、肺泡-毛细血管界面、血脑屏障、胎盘组织，甚至可能进入生殖细胞[12] [75]。这使得它们在体内广泛分布，并引发代际传递的担忧。这些颗粒在溶酶体、线粒体、内质网和细胞核中被发现，导致蛋白质折叠、氧化还原稳态失衡、线粒体膜电位下降、自噬受阻、表观遗传程序紊乱、激素信号传导中断，并引发炎症或凋亡级联反应[49] [73] [27] [33]。已在饮用水、食盐、海产品、大气尘埃、农业土壤、人体血液、胎盘组织和粪便样本中检测到纳米塑料，但分析结果仍存在较大不确定性。主要障碍包括缺乏标准化检测方法、难以区分天然纳米颗粒、处理过程中的降解、光谱重叠以及缺乏认证参考物质[62] [40] [41]。这些问题导致暴露基线、环境归趋模型、污染物共传输和长期健康效应的差异[10] [25]。
先前的研究将纳米塑料简单地视为微塑料降解的产物，忽视了纳米塑料具有不同的物理化学行为、与生态冠层的相互作用以及不同的毒理动力学特性。此外，这些研究未考虑聚合物特定的转化途径、原位纳米分析技术和基于转化的修复方法。本文通过整合纳米塑料的形成、化学演化、纳米-生物相互作用和修复技术的最新进展，填补了这些空白。它不仅为风险评估和政策制定提供了机制一致的框架，还为量子检测、人工智能驱动的建模和纳米塑料升级等领域的进一步研究铺平了道路。
环境中的纳米塑料来源
纳米塑料通过直接释放和间接形成进入环境。它们的存在与人类活动、消费品、工业过程和环境磨损有关。与微塑料不同，纳米塑料不仅仅是小碎片，而是聚合物发生显著变化的结果，如氧化链断裂、水解、机械破坏、表面变化和添加剂重新分布[52]。
纳米塑料的化学组成和转化途径
纳米塑料是化学性质最活跃、环境转化能力最强的塑料衍生颗粒，其行为与微塑料截然不同。微塑料通常保持与其原始聚合物相近的化学性质，而纳米塑料在转化为纳米尺度时会发生剧烈变化，这些变化由多种因素引起。
纳米颗粒的表征
在环境化学、毒理学和纳米材料科学中，表征纳米塑料是一项艰巨的任务。与结构稳定的微塑料不同，纳米塑料具有动态和反应性的特性，其物理和化学性质会因环境老化、与污染物的相互作用以及生物因素的影响而持续变化[85]。
纳米颗粒的环境分布和生态系统行为
尺寸小于100纳米的纳米塑料是一种新型的环境污染物。它们的小尺寸使其易于移动、长期存在，并且与较大的微塑料片段有不同的反应方式。由于具有胶体稳定性，纳米塑料能够克服标准环境屏障，在生态系统中扩散，并参与不断改变其物理和化学特性的过程[85]。
控制纳米塑料的物理化学性质
纳米塑料（小于100纳米）在生物和环境系统中表现出独特的行为，其物理化学特性与微塑料颗粒有本质区别。除了高表面积与体积比外，最新研究表明，纳米塑料在环境老化过程中会发生纳米级表面重构，包括层状变薄、结晶度丧失、非晶区域的形成以及环境持久性自由基的积累。
纳米塑料的纳米-生物相互作用和毒理动力学行为
纳米塑料的生态冠层是一个动态变化的层，定义了它们的生物特性。生态冠层由紧密结合的硬质层和快速变化的软质层组成，影响颗粒的疏水性、表面电荷和在流体中的稳定性，进而影响其分散性、细胞识别、免疫反应和细胞内运输机制[65]。
纳米塑料的形成、检测和环境行为的发展
由于纳米级别的尺寸、高表面反应性和动态的物理化学变化，纳米塑料的环境归趋与微塑料有根本不同。释放到环境中后，它们通过与离子、天然有机物、矿物质和微生物群落的相互作用而改变其性质。这些因素共同调节它们的移动性、聚集行为、生物利用度和毒理学特性。
纳米塑料的先进修复策略
针对纳米级颗粒的有效去除技术需要克服不同环境条件下的聚集行为。这些颗粒的高表面反应性、胶体稳定性和移动性使得传统的过滤或吸附方法无法有效去除纳米塑料（小于100纳米）。最近的研究开发了几种针对纳米级塑料污染物的有前景的技术，如活性炭、生物炭、氧化石墨烯等碳基材料。
纳米颗粒的转化驱动行为
尽管高效的清洁技术显著提高了纳米塑料的去除效率，但仍有大量小于100纳米的颗粒潜伏在自然环境中。在这些环境中，它们会发生复杂且不可预测的变化，影响其环境行为、相互作用和毒性。自然水体、土壤、沉积物或大气中的纳米塑料会迅速形成由腐殖酸和细胞外聚合物组成的复杂生态冠层。
研究空白
尽管纳米塑料的研究取得了显著进展，但在纳米塑料的采样、分离和分析方面仍存在重大知识空白，这阻碍了对环境评估和人类健康风险的评估。主要限制在于缺乏针对复杂环境中纳米塑料（小于100纳米）的标准化程序。现有方法常常受到灵敏度低、光谱信号重叠和颗粒降解的影响。
未来展望
该领域仍非常新兴，我们在寻找纳米塑料、模拟环境、评估生物影响以及进行大规模修复方面存在许多不足。尽管我们在理解纳米塑料的来源、物理化学转化和毒性方面取得了实质性进展，但预测框架、生物辅助的降解途径和循环经济模型仍有待发展。
结论
纳米塑料是一类新型且独特的有害环境污染物，与较大的微塑料相比，它们在表面更具反应性，并形成不断变化的生态冠层。由于光氧化、水解和机械破碎等环境转化过程，它们的表面性质持续变化，使其能够吸附金属、药物、PFAS和农药。
CRediT作者贡献声明
Shoaib Khan：撰写原始草稿、方法论设计、实验研究。
Arpita Roy：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、概念构思。
Soumya Pandit：撰写、审稿与编辑、项目管理、方法论设计。
Vaseem Raja：撰写、审稿与编辑、数据验证。
Swetha Raj：撰写、审稿与编辑、数据验证。
Sarvesh Rustagi：撰写、审稿与编辑、资源管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
