微塑料作为化学与生物污染物的特洛伊木马：机制与潜在影响

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Microplastics as Trojan Horses for chemical and biological pollutants mechanisms and potential impacts

　　

-微塑料可作为多种有害化学和生物因子的载体
-环境风化过程增大了微塑料的表面积，并改变了其官能团
-微塑料促进生物膜形成、抗生素抗性细菌传播和"塑料圈"动力学

**引言**

微塑料（MPs）凭借其持久性、在各类环境介质中的近乎普遍存在性，以及与环境中的多种化学和生物因子的相互作用能力，已从一种异质性的环境问题迅速转变为水科学领域的核心议题（Athira等，2024a）。微塑料（<5mm）既是由较大塑料碎片降解产生的产物，也直接来源于工业颗粒、合成纤维、个人护理微珠等源头，并在表层水、沉积物以及从浮游生物到顶级捕食者的各类生物体中被发现（Cole等，2011；Teuten等，2009）。值得注意的是，微塑料并非惰性颗粒物。由于其粒径小、表面积与体积比高，加之聚合物化学性质多变并含表面活性剂添加剂，使其在水环境中成为反应性基底。通过吸附和脱附机制，微塑料可富集多环芳烃、多氯联苯和多溴二苯醚等疏水性有机化合物（HOCs），吸附金属离子，并承载微生物定殖，从而使微塑料作为"特洛伊木马"协同转运化学和生物胁迫因子。尽管载体与特洛伊木马的概念相关且均与微塑料介导的污染物转运有关，但两者之间存在一定差异。载体概念通常与微塑料吸附和携带化学或生物污染物的能力相关，而特洛伊木马概念则侧重于一种可能的暴露途径——即生物体摄入携带污染物的微塑料后，污染物在体内释放。因此，微塑料可发挥载体作用而不表现出特洛伊木马效应，而后者则暗示污染物携带型微塑料的摄入及其在体内的释放。

这一载体化原理在早期研究中得到了概念化和综合阐述，证明塑料可从环境中吸附污染物，并在某些情况下将其传递给野生动物（Athira等，2025，2024b；Rochman等，2013a；Teuten等，2009）。环境风化是微塑料载体行为的关键驱动因素。紫外辐照、热氧化反应、机械磨损和微生物定殖会改变微塑料的表面化学性质和形貌，增加表面粗糙度和孔隙率，并引入氧化官能团（如羰基、羟基、羧基）。这些变化增强了吸附位的多样性和密度，改变了表面电荷和吸附能力，从而影响其对各类污染物的亲和力。同时，微生物定殖群落（即"塑料圈"）会形成生物膜，建立起化学和生物学性质区别于水体背景水的微环境，这可能会进一步影响吸附动力学，甚至促进遗传物质的持久性或交换（Teuten等，2009；Zettler等，2013）。然而，微塑料介导的载体化的净生态后果是复杂的。实验室测试和田间释放研究表明，微塑料可在时间推移过程中吸附疏水性有机化合物和金属，并在摄入后根据条件将结合的污染物传递给生物体。野外和中宇宙学研究报道了持久性有机污染物和金属对多种聚合物的吸附，受控喂养研究也表明在模拟肠道条件下，吸附的污染物可从塑料转移至动物组织。与此同时，基于模型的再分析和批判性重新解读指出，对于众多污染物和暴露情况而言，与饮食和水体相比，微塑料可能是一条相对较小的暴露途径，需考虑环境浓度和分配平衡。简而言之，微塑料是强效载体，但相对于其他环境途径的重要性取决于聚合物性质、污染物化学特征、老化状态和生态背景（Koelmans等，2016；Rochman等，2013a，2013b）。污染物的组合和生物相互作用使污染物更加复杂。微塑料通常由金属、药物、疏水性有机化合物和微生物群落的混合物组成，且彼此相互作用。微塑料中常发现病原细菌和抗生素抗性基因。光氧化似乎通过增加可维持生物膜和吸附物质的表面数量来改善抗生素与抗生素抗性基因之间的相互作用。

因此，微塑料也可作为化学污染物汇集的热区，并充当微生物和抗性决定因子的储库或传播载体（Tuvo等，2023；Tang & Li，2024）。微塑料作为污染物载体的能力由内在聚合物特性和外在环境因素共同决定。内在调节因素包括聚合物类型（如PE、PP、PVC）、结晶度、粒径/形状和添加剂。外在调节因素则包括pH值、盐度/离子强度、温度、溶解性有机质和老化状态。例如，盐度和离子强度可能影响离子聚集和竞争性离子结合，pH值调控污染物的电离和金属形态，老化增强表面氧化和表面积，所有这些均改变吸附平衡和动力学。实验室和田间实验表明，背景条件（即微塑料历史与水体化学性质的组合）显著控制吸附行为，并可能决定其生态意义（Menéndez-Pedriza和Jaumot，2020；Rochman等，2013a）。最后，对于生态毒理学和人类健康特别重要的是，微塑料结合的污染物是否具有生物可利用性，以及微塑料的摄入是否导致显著的营养级传递。最近，在淡水湿地开展的研究发现，纳米塑料可能对水蚤和硅藻等浮游生物造成伤害，但不影响其他生物或生态过程，从而改变水生生态系统的食物网（Ekvall等，2024）。跨物种微塑料摄入以及模拟生理条件下部分吸附污染物的肠道释放已有证据支持，但微塑料导致生物富集的野外证据尚不一致，且取决于污染物种类、物种生理特征和暴露模式。因此，微塑料载体化在生态和健康方面的重要性需要跨学科研究，结合与环境相关的微塑料老化、污染物混合物的联合暴露、肠道条件下生物可利用性的测定，以及对营养级传递和生物体水平效应的追踪（Gouin，2020；Rochman等，2013b）。

虽然已有若干综述探讨了微塑料与化学污染、环境风化、塑料圈形成或其生态影响的相互作用，但这些研究很少采用综合方法。特别是，风化相关微塑料表面性质变化、污染物吸附/脱附、生物定殖以及微塑料结合污染物在生物体和食物链中归宿之间的联系尚未得到充分考量。近年来，关于微塑料营养级传递和生物富集的出版物数量大幅增加，但关于微塑料结合化学物质过程的信息仍然有限。此外，在考虑微塑料的载体和特洛伊木马角色时，还需要考虑与纳米塑料、塑料圈中的抗生素抗性基因、生理条件下结合污染物释放以及化学物质与生物相互作用相关的新问题。

换言之，本综述提供了关于微塑料作为水生环境中化学和生物污染物载体/运载者的综合概述。首先，我们讨论环境降解对微塑料物理化学特性的影响，及其对污染物吸附和脱附的后续影响。随后，综述评估了微塑料与主要化学污染物类型的相互作用，包括疏水性有机污染物、药物和个人护理用品以及重金属，然后是微塑料与微生物群落、病原生物和抗生素抗性因子的相互作用。重点强调了微塑料和污染物被摄入后的归宿，包括生物累积、营养级传递和生物富集。

**方法**

本叙述性综述旨在整合现有证据，探讨微塑料在水生生态系统中作为化学和生物污染物载体及特洛伊木马的潜在作用。利用Scopus、Web of Science和ScienceDirect数据库，检索了2007年至2025年间发表的同行评审文章，检索词组合包括"microplastics"（微塑料）、"vector"（载体）、"trojan horse"（特洛伊木马）、"sorption"（吸附）、"heavy metals"（重金属）、"pathogens"（病原体）和"biofilm"（生物膜）等关键词。同时检查了相关重要综述的参考文献列表。

**微塑料的环境风化与转化**

塑料排入环境后，会经历各种风化过程，导致其物理和化学性质发生变化。这些变化对微塑料的环境归宿、破碎、反应活性以及与化学和生物污染物的相互作用能力具有重大影响。风化过程以协同方式而非独立方式发生，最终决定了微塑料在水生环境中的持久性和载体潜力。

**微塑料作为化学污染物载体**

由于其粒径小、比表面积大、持久性和迁移性，微塑料日益被视为各类化学污染物的有效载体。基于第3节中讨论的风化诱导的物理化学转化，微塑料已显示出增强的污染物吸附、转运和释放能力，可跨越不同环境介质。这一载体作用（如图2所示）对于持久性生物蓄积性化合物尤其重要，包括……

**微塑料作为生物因子载体**

微塑料作为化学污染物的载体，同时也为多种微生物群落提供了生物活性基底，统称为"塑料圈"。微塑料进入自然环境后，会迅速被微生物定殖，形成有序的生物膜，其分类和功能特征明显区别于周围浮游或沉积物相关微生物群落（Zettler等，2013；Jacquin等，2019）。

**研究空白**

越来越多的研究表明，微塑料可作为化学和生物污染物的载体。尽管取得了进展，但仍存在重要的知识空白，限制了我们对其环境影响的理解。首先，机制性理解尚不完善。虽然已记录聚合物老化、氧化和表面功能化会影响吸附，但针对不同聚合物类型、添加剂组成和代表性环境老化暴露的比较研究……

**结论**

微塑料已从被认为的惰性污染物发展为动态的环境载体，可携带广泛的化学和生物污染物。其持久性、小粒径和由环境风化促进的表面反应活性，使其能够与金属、疏水性有机化学物质、药物和微生物群落进行复杂相互作用。这些相互作用改变了微塑料和吸附污染物的迁移性、生物可利用性及其潜在毒性……

**CRediT作者贡献声明**

Arumugam Sundaramanickam：原创草稿撰写、监督、方法论、调研、经费获取、形式分析、概念化。
Patel Pravinbhai Vishwas：审稿与编辑、可视化、方法论、调研、形式分析。

**未引用参考文献**

Wang等，2024；Zhang等，2024。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益。

**数据可用性**

数据可根据要求提供。

**资金支持**

作者感谢首席部长研究资助提供财务支持（项目编号：CMRG250585）。作者还感谢Annamalai大学行政管理部门的支持。

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文报告的工作。

**致谢**

作者感谢Annamalai大学前海洋科学学院院长Prof. T. Balasubramanian的持续鼓励和支持。同时感谢Annamalai大学及Sathyabama科学技术学院国家海岸与海洋研究设施的设施和支持。

Arumugam Sundaramanickam | Patel Pravinbhai Vishwas