用于微塑料和纳米塑料治理的多功能吸附剂：设计、机理及规模化挑战

《Anthropocene》：Multifunctional adsorbents for microplastic and nanoplastic remediation: Design, mechanisms, and scale-up challenges

　　

# 多功能吸附剂策略在水环境中去除微塑料和纳塑料的综合评述

## 摘要

本综述系统评述了基于多功能吸附剂去除水环境中微塑料（MPs）和纳塑料（NPs）的策略。关键定量研究表明，磁性生物炭对聚苯乙烯纳塑料的吸附容量达到45–120 mg/g，在优化条件下去除率超过95%；而金属有机框架（MOF）基复合材料的去除率为70–96%，并可同时实现光催化矿化。主导吸附机制取决于聚合物类型：聚烯烃类主要为疏水相互作用（ΔH° = ?20至?80 kJ/mol），芳香族聚合物主要为π-π堆积作用（ΔG° = ?15至?35 kJ/mol），带电聚合物则主要依赖静电吸引。这些材料在实验室条件下表现优异（去除率>90%），但规模化应用仍面临诸多挑战：由于天然有机物和竞争离子的存在，实际水体中效率损失30–60%；经10次再生循环后容量损失20–40%；此外还存在纳米颗粒释放的潜在环境风险。本综述指出，最适宜的吸附剂技术因环境介质不同而差异显著：小型溪流适用磁性生物炭，大型河流适用MOF复合材料，地下水适用生物基气凝胶，沿海水体则适用光催化复合材料。未来展望需要开发对外界刺激响应的智能材料、基于生物质或废弃物的可持续合成方法，并将其整合到混合处理系统中。最终的成功取决于生命周期评估和效益-风险分析，在此之前不宜在不同水生生态系统中进行大规模推广。

## 引言

微塑料（MPs）和纳塑料（NPs）主要来源于工业和生活活动，同时也源于自然环境中较大塑料碎屑的风化、碎裂和降解（Ali等，2026a；Ali等，2026c；Wang等，2026b）。这些颗粒有两个主要来源，持续不断地向我们的生态系统输送污染物（Rahmani等，2024；Shi等，2025）。**一次来源：**这一类别包括以微小尺寸制造并直接释放到环境中的塑料（Rahmani等，2024）。例如，过去面部清洁产品中常见的微小塑料珠（现已被大量禁用）、合成衣物洗涤时脱落的纤维，以及工业研磨材料（Fard等，2025）。这些颗粒直接从污水处理厂排放，经雨水径流携带，或通过大气沉降进入环境。**二次来源：**这些颗粒中的绝大多数源于较大塑料碎屑的分解，即我们熟悉的塑料瓶、塑料袋和渔网等。这些宏观废弃物在持续不断的物理、化学和生物风化作用下——被海浪反复冲击、被太阳紫外线灼烧、被微生物降解——逐渐碎裂成越来越小的碎片。这种碎裂过程造成了环境污染的连锁效应（Rahmani等，2023）。

这些塑料颗粒一旦释放，便迅速分布在整个水生态系统之中。它们成为河流、海洋甚至地下水中不可或缺（但不受欢迎的）组成部分。它们并非静止不动，而是随着水流迁移、沉降到沉积物中，如同不受欢迎的旅人一般随洋流漂流（Zhang等，2025）。更为令人担忧的是，这些颗粒通过食物网传递，进入海洋生物的消化系统，随着营养级的上升，其对生物的影响成为一个严重问题（Alimi等，2018；Pulusu等，2025）。

科学家按尺寸对这些普遍存在的污染物进行分类：微塑料（MPs，1 μm至5 mm）被浮游生物和贝类摄食，而纳塑料（NPs，<1 μm）则可能穿过细胞膜并进入器官。除尺寸外，对微塑料的完整表征还应涵盖其形状（碎片、纤维、球体）、聚合物组成（聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等）及表面化学性质。其表面电荷、粗糙度和官能团影响吸附容量及其与环境组分的相互作用。较小的颗粒具有更高的比表面积，从而增强其反应活性和吸附污染物的能力。这些特性 critically 决定了环境归宿、输运行为（如沉降或悬浮）及其与生物体的相互作用。纳塑料因其超小尺寸，尤其容易被细胞摄取且具有更高的毒性（Alimi等，2018；Yang等，2023）。

图1提供了一个集成的概念框架，将MPs和NPs的来源、环境输运、生态影响及基于多功能吸附剂的修复方案联系起来，为本文后续章节建立了科学框架。

图2展示了毒理学研究中MPs/NPs所涉及的聚合物类型定性分布。需要强调的是，该分布反映了实验室研究中材料的选择性偏好，并不一定代表这些聚合物在自然环境中的实际丰度。在实验研究中，常使用大小和形状均匀的聚苯乙烯（PS）颗粒作为标准模型，因其易于获取且具有良好的光学检测特性。这一点在中央图的主要部分中尤为明显，PS占比达80%。然而，在真实环境中，由各种宏观塑料降解形成的二次来源颗粒在数量上构成了塑料污染的主要贡献。这些二次颗粒的聚合物组成非常多样，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PU）以及轮胎磨损颗粒（TW），这在环境图的二次部分中有所体现。因此，尽管基础研究往往聚焦于标准化的初级颗粒，但在评估多功能吸附剂的性能和理解环境风险时，也应纳入更广泛、更复杂的二次及风化聚合物（Shokoohi等，2025）。

## 塑料碎屑的风化与MP/NP的形成

物理、化学和生物风化是塑料碎屑形成MP/NP的主要途径。风化过程改变了表面化学性质，增加表面粗糙度和亲水性官能团的含量，从而影响其与环境的相互作用。阳光驱动的光氧化作用是风化的主要驱动力，影响塑料表面的水凝结和冰核形成，进而影响大气和水生微物理过程。风化过程中盐分的吸附进一步改变了表面性质和对污染物的吸附容量（Brahana等，2024；Pulusu等，2025）。

## MP/NP的环境输运

MP/NP的输运受水动力学、沉降、再悬浮和生物活动等因素控制。其浮力、尺寸和生物膜定殖影响颗粒在水体中的水平与垂直分布。沉降导致颗粒在沉积物中累积，而再悬浮事件则使颗粒重新分布。生态系统结构如水文格局、植被和食物网相互作用影响输运动力学和局部浓度。水生生物的生物摄食和排泄促进了食物链传递和再分配。微生物生物膜容易在MP/NP表面形成，构成独特的"塑料圈"微生物群落。这种生物膜的形成改变了颗粒的密度和迁移能力，可能增强生物降解，但也增加了病原体的携带。生物膜改变了颗粒的环境行为，促进了微生物间的遗传物质交换。这些相互作用影响食物链传递和生态影响，包括在水生生物中的潜在生物富集效应（Nath等，2023）。

## MP/NP的检测方法

MP/NP的可靠检测需要严格的采样、分离和鉴定程序，这与其微小尺寸和多样化特征密切相关。常用方法包括光学显微镜和电子显微镜以评估形貌和尺寸。光谱方法如微傅里叶变换红外光谱（FTIR）和微拉曼光谱可实现化学鉴定，检测下限约10 μm或更小。热解气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）提供聚合物特有的化学指纹，并可分析更小的颗粒，包括纳塑料，克服了尺寸检测方面的挑战（Ding等，2026）。然而，从复杂基质中分离纳塑料仍然困难，需要先进的灵敏度方法和标准化流程来提高环境研究的可靠性（Ivleva，2021；Prata等，2019）。

## MP/NP的污染载体效应与健康风险

MPs/NPs通过在其表面吸附和富集重金属、持久性有机污染物和病原体，充当这些污染物的载体。这种污染物负载通过联合毒性和生物可利用性增强了环境和健康风险。聚乙烯等聚合物具有极高的吸附容量，促进污染物长距离、跨介质的迁移（Wang, L.等，2026）。这种载体作用放大了塑料所构成的生态威胁，使其远超其物理存在本身（Abdipour等，2026；Alimi等，2018）。

人体暴露于MPs/NPs的途径包括摄入、吸入和皮肤接触，可导致一系列毒性效应，如氧化应激、DNA损伤、炎症反应、线粒体功能障碍、代谢和免疫紊乱、生殖毒性以及癌症风险增加。在生态系统中，MPs/NPs危害水生生物和植物，影响土壤和空气质量，破坏生态平衡。其在食物网中的生物富集对生物多样性和粮食安全构成威胁。此外，区域性污染转移网络——如Hu等（2026）在长三角地区所展示的——可能从结构上加剧环境健康不平等，凸显了需要采取综合方法，既应对污染源本身，也关注其跨区域传输路径（Hu等，2026；Liu等，2020）。

图3展示了微粒和纳米颗粒的降解途径及环境影响。该图表明，塑料废弃物源自各种常见产品，随后进入环境，并通过紫外线辐射、机械磨损和微生物活动等过程降解。最重要的是，该图突出了这些颗粒对食物链（海洋生物）和人类健康的严重风险，暴露途径包括摄入、吸入和皮肤接触（Lv等，2026）。

## MPs/NPs对人类健康的新兴威胁

除了已确认的生态后果外，微塑料（MPs）和纳塑料（NPs）日益被认为是通过多种暴露途径对人类健康构成新兴威胁，包括摄入受污染的食物和水、吸入空气中的颗粒以及皮肤接触。摄入后，MPs/NPs可能在胃肠道内蓄积，引发氧化应激、改变肠道微生物群落组成、刺激炎症反应并损害肠屏障功能，从而可能引起系统性炎症和代谢功能障碍（Vohl等，2024；Zhao等，2026）。最新证据进一步表明，颗粒形貌是决定毒性的关键因素。例如，有研究表明形状依赖性聚氨酯微塑料可改变植物根系构型和解毒途径，提示颗粒形貌可能影响食物链传递及相关毒理学效应（Zhao等，2026）。此外，环境老化和风化过程通过增加含氧表面官能团的丰度，显著改变了塑料颗粒的物理化学性质。

这些改变增强了它们对重金属、持久性有机污染物（POPs）和致病微生物的亲和力，从而加剧了所谓的“特洛伊木马”效应。因此，MPs/NPs可作为共污染物的载体，增加氧化性DNA损伤、线粒体功能障碍、内分泌干扰、生殖毒性和致癌的风险。由于其亚微米级尺寸，NPs能够穿透生物屏障，包括肠上皮、血脑屏障和胎盘屏障，从而分布到敏感器官，并可能引发尚不充分了解的慢性、低剂量毒性效应。综合而言，这些发现强调了亟需先进的修复策略，不仅要高效去除水体中的MPs/NPs，还要最大限度减少其重新释放并确保其彻底解毒。

## 研究目标与范围

本综述系统评估了用于从水环境中去除微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）的工程化多功能吸附剂的最新进展。重点聚焦于集成两种或多种互补功能（包括高亲和力吸附、磁性回收、催化或光催化降解，以及刺激响应性捕获与释放）的材料。基于同行评审文献，本综述考察了控制去除的机制，并总结了相关研究结果。

## 吸附过程的原理及动力学和等温线模型

吸附是去除新兴污染物（包括MPs和NPs）最有效且最通用的技术之一，可从水和废水中去除这些污染物。该过程基于MPs/NPs通过物理、化学和物理化学相互作用的组合，在工程化吸附剂表面上的富集。

## 吸附-塑料界面的吸附机制

MP/NP去除效率取决于塑料颗粒与吸附剂表面之间复杂的物理和化学相互作用。这些机制并非独立作用，而是在多功能吸附剂表面上协同发挥，其相对贡献取决于聚合物类型、吸附剂表面化学性质和环境条件。

## 影响吸附性能的因素：从材料特性到环境条件

MPs和NPs在多功能吸附剂上的吸附是一个复杂过程，受吸附剂材料、塑料颗粒的物理化学性质以及水基质溶液化学性质等多种相互作用的因素影响。

## 优化与未来方向

多功能吸附剂的性能显著受到环境因素（溶液pH、离子强度、温度和溶解性有机质的存在）以及吸附质性质（MPs/NPs尺寸、表面粗糙度和聚合物类型）的影响。一般而言，较小的粒径导致更高的比表面积（表面积与体积之比），从而使NPs相较于同类型聚合物的MPs具有更高的吸附容量。

## 物理分离技术

这些方法将塑料颗粒从水基质中物理分离，主要将污染物浓缩在污泥或固相中以便后续处理。水环境中MPs和NPs的物理分离技术主要依赖于颗粒与周围水基质之间的粒径、密度和表面性质差异，包括机械筛分、沉降、絮凝/凝聚、膜过滤和浮选。

## 多功能吸附剂的优势、劣势及竞争地位分析

第3.4节建立的PED框架提供了一种评估吸附剂在不同场景下性能的结构化方法，其三个维度——聚合物性质、环境条件和设计策略——提供了互补的评价视角。就聚合物类型而言，疏水性聚烯烃（PE、PP）对非极性含碳表面表现出最强亲和力，而芳香族聚合物（PS、PET）则受益于富含π电子的吸附剂；极性聚合物（PVC）则依赖于氢键或静电相互作用的吸附剂。

## 安全性、风险评估和全生命周期考量

用于MP/NP去除的多功能吸附剂面临二次污染和副产物形成带来的安全挑战。首先，许多先进吸附剂将吸附与催化或氧化还原过程相结合（如光催化、Fenton反应）以降解塑料。虽然有效，但这种降解可能产生纳米级塑料碎片、低聚物和低分子量含氧有机分子，其迁移性和毒性特征可能与母体聚合物不同。

## 结论与未来展望

多功能吸附剂的未来发展应超越单纯的吸附性能提升，迈向建立可扩展、经济可行、环境可持续且符合法规要求的技术。本综述批判性地考察了水环境中MP/NP修复的多功能吸附剂的开发、机制、性能和挑战，揭示了若干关键见解，这些见解共同定义了当前领域的认知边界。