综述：替代生物塑料有多无害？关于其对水生生物毒理学结果的综述

《Aquatic Toxicology》：How harmless are alternative bioplastics? A review of their toxicological outcomes in aquatic organisms

　　

塑料污染是全球主要关注点之一。用“更绿色”的替代品（即可生物降解和/或生物基塑料）替代传统合成聚合物，因其具有较低的毒性和环境影响，已被确定为减少塑料环境危害的关键策略。尽管从环境可降解性和整体生命周期角度来看，生物塑料带来了改进，但近期一些研究报告称，这些新聚合物具有与传统塑料（如PET）相似甚至更高的毒性，主要归因于它们的高生物降解性以及随后其组成添加剂的浸出。因此，本综述旨在总结当前使用的一些生物塑料和绿色增塑剂对水生生物的生态毒理学效应，并将其与已报道的传统化石燃料基塑料的效应进行比较。暴露于生物塑料及其添加剂后观察到的不良效应包括存活率降低，以及各器官（肝脏、鳃、消化系统和性腺）的发育和组织病理学改变，氧化应激的生化和分子证据，免疫改变，以及繁殖受损。实证毒理学研究的稀缺以及当前缺乏人体暴露建议，迫切需要对市售生物塑料（及其添加剂）进行进一步研究。此类努力对于确定这些材料是否真正代表一种环保替代品，以及开发同时满足工业、环境和毒理学要求的新材料是必要的。本综述旨在从生态毒理学角度帮助识别最有前景的生物聚合物替代品，同时强调当前的研究空白。

1. 引言
塑料聚合物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE，俗称特氟龙）和聚丙烯（PP），广泛应用于家用器具、包装和服装。包装是塑料的主要用途之一，约占塑料总产量的40%，并占所有生活废弃物的约17%。该行业严重依赖塑料材料，主要因其轻便、耐物理和化学因素以及低成本。由于大多数包装设计为一次性使用，包装行业是全球海洋垃圾污染的主要贡献者，超过50%的塑料材料管理不当，最终释放到环境中。据估计，每年有4至1200万吨塑料碎片进入海洋环境，污染水体，包括极地和深海地区。此外，即使塑料未进入水环境，其浸出物（即降解过程中释放的化学物质，如添加剂、单体和吸附的污染物）也可通过雨水运输进入水体。此外，生物固体对次生微塑料污染的贡献正受到越来越多的科学关注。近期研究表明，微塑料不仅广泛存在于海洋和淡水系统中，还通过生物固体的土地应用存在于陆地环境中。海洋动物，包括在粗放和半集约化条件下养殖的物种，长期暴露于未知量的塑料碎片及其浸出物，引发了对环境和人类健康影响的担忧。塑料颗粒来源不同，由不同聚合物组成，包括PE、PET、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA，如尼龙）和聚碳酸酯（PC）等。由于其大量生产、环境处置和低生物降解性，这些聚合物已变得无处不在，并对全球海洋生态系统构成威胁，因为其存在近期与生物区的一系列毒理学效应相关。为克服传统化石燃料基塑料大规模使用造成的环境问题，许多公司与研究界合作，开发可生物降解和/或部分或全部由生物基原材料制成的新聚合物，称为“生物塑料”，据信其毒性较低或无毒。“生物塑料”是一个广义术语，代表大量具有不同配方的化合物，包括可生物降解的石油基塑料，以及不一定是可生物降解的完全生物基聚合物。然而，由于材料的多样性及其配方中可使用的单体和添加剂，以及其最近的工业合成和市场引入，生物塑料的生态毒理学特性尚未明确阐明。尽管存在一些关于生物塑料（包括其单体和添加剂）的毒理学研究，但对水生生物的影响尚不清楚，因为当前可用数据非常有限且常不一致。此外，塑料暴露的毒性部分（甚至大部分）来自其配方中使用的添加剂，这些添加剂赋予其特定的物理、化学和机械属性，如颜色、轻便性、柔韧性、可模塑性、耐久性、耐腐蚀性和耐火性。这些物质也常见于生物塑料配方中，包括无机填料、热稳定剂、增塑剂、阻燃剂和紫外线稳定剂等。为减轻塑料带来的生态和公共卫生危害，政策制定者已实施法规限制或禁止使用某些传统添加剂，这促使工业合成替代添加剂，如新型溴化阻燃剂（NBFRs）或有机磷酸酯（OPE）。然而，近期研究表明，这些替代化合物对生物群落和人类也可能与传统化合物一样有毒。本综述旨在全面综合评估石油基塑料、生物基聚合物及其相关添加剂对水生生物体内和体外生态毒理学效应研究。随着生物塑料作为传统塑料更安全替代品的日益采用，评估这些材料及其化学成分是否确实对水生生命构成较低风险至关重要。本综述解决了以下研究问题：（i）在体内和体外环境中，水生生物暴露于石油基和生物基聚合物及其添加剂后，报告了哪些毒理学结果？（ii）生物基聚合物及其添加剂是否比传统塑料表现出更低的毒性？（iii）哪些物种、生物学终点和实验方法被最频繁研究，这些研究中出现了哪些趋势？（iv）聚合物特性、降解状态、粒径和添加剂组成如何影响观察到的毒理学效应？通过汇编和批判性评估现有证据，本综述旨在阐明替代生物塑料的相对环境安全性，并突出未来研究和风险评估的关键知识空白。

2. 综述方法学方法
进行了结构化文献综述，以汇编和评估关于石油基塑料、生物基聚合物及其相关添加剂对水生生物的生态毒理学效应现有证据。通过主要科学数据库（包括Web of Science、Scopus和PubMed）搜索，使用与塑料和生物塑料相关的关键词组合，添加剂相关关键词，水生生物相关关键词，以及生态毒理学效应相关关键词。考虑了2014年及以后发表的同行评审文章，并采用体内或体外实验方法。从每项研究中提取的信息包括测试的聚合物或添加剂类型、颗粒特性（如粒径、形状和降解状态）、测试物种（脊椎动物或无脊椎动物、淡水或海水、生命阶段）或细胞系、暴露条件（持续时间、途径）、调查的终点和报告的毒理学结果。选定的研究（n=77）随后根据聚合物类型、生物模型、营养级和受影响终点进行分类，包括存活、生长、繁殖、行为、氧化应激、遗传毒性、免疫毒性、细胞毒性和其他亚致死反应。然后定性综合研究发现，以识别常见模式、石油基和生物基材料之间的差异、添加剂对毒性的贡献，以及需要进一步研究的关键知识空白。图1展示了PRISMA 2020流程图，描述了研究选择过程。

3. 市场上的主要生物塑料
如前所述，“生物塑料”广义上指可生物降解和/或生物衍生的聚合物，即可由化石燃料制成的可生物降解聚合物和由可再生生物来源（如玉米淀粉、糖、植物、细菌等）制成的有机基聚合物。本节将重点介绍市场上主要生物塑料的描述。3.1. 聚羟基脂肪酸酯和聚羟基丁酸酯：聚羟基脂肪酸酯（PHAs）是由微生物（主要是细菌）通过代谢碳水化合物以在环境胁迫条件下储存能量和碳而自然产生的一类聚合物，具有类似于聚丙烯（PP）的热塑性。这类聚合物包括短链聚合物，如聚羟基丁酸酯（PHB），和中链聚合物，如聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)（PHBH）。这些聚合物最早于1925年以聚(3-羟基丁酸酯)形式发现，来源于巨大芽孢杆菌。PHAs是少数报道可在海水环境中完全生物降解的聚酯之一。PHAs，特别是PHB，已用于多种应用，其中包装最为突出，有助于减少塑料污染。由于它们的生物相容性、生物降解性和机械性能，已提出多种医疗应用。PHA聚合物的主要缺点之一是生产成本高和分子量不一致，这影响最终产品的特性。包装中最常用的PHAs是低链PHB，由单体如3-羟基丁酸酯（3HB）和4-羟基丁酸酯（4HB）制成。PHBs通常被认为无毒且生物相容，适用于大多数常见用途，甚至与陆生和水生养殖动物的生长和免疫系统的积极影响相关。尽管如此，鉴于在不同分类群中观察到的负面生态毒理学结果，其环保声称最近受到质疑，例如微生物生长抑制和水蚤固定化，贻贝中抗氧化反应的阻碍，以及微藻种群生长抑制。3.2. 聚乳酸：聚乳酸（PLA）聚合物衍生自富含淀粉的可再生生物质（如玉米和甘蔗），由不同形式的乳酸（L-丙交酯、D-丙交酯和内消旋形式）聚合而成。PLA的机械强度和生物降解性（在特定条件下）与其组成的单体的类型和比例（即L-乳酸与D-乳酸的比例）、分子量和添加剂高度相关。这些聚合物最早由杜邦公司（1920年）合成，并于1954年获得专利。当时，由于其高生物降解性和高生物相容性，主要用于生物医学目的。然而，PLA缺乏包装材料所需的机械强度。在90年代，嘉吉公司成功聚合了PLLA（具有L-丙交酯的PLA），这是一种具有更高机械强度的聚合物，从而为在包装行业中替代PET和PS铺平了道路。如今，PLA是市场上最常见的生物塑料类型，占全球生物塑料产量的20-33%。在生物基和可生物降解塑料中，PLA预计在未来几年达到最高产量，也是关于水生生物影响研究最多的聚合物。PLA的主要优势在于其环境友好性，因为它由植物来源（如谷物和甘蔗）制成。这样，PLA具有低碳排放，与石油基材料相比，能耗可低至10%，平均减少25%至50%。PLA此前被认为与有机和无机抗菌化合物结合时具有低或可忽略的毒性和抗菌活性。PLA具有高生物可及性，可被多种消化酶消化。然而，其降解受温度影响很大，在40°C时最高，但在20°C时降至不到一半。这意味着，在大多数环境条件下，PLA不会生物降解，而是发生碎裂和缓慢降解。近期研究表明，PLA可在多种水生生物（如海鞘、甲壳类和鱼类）中积累，引起多种效应，这些效应与传统石油基塑料引起的危害程度相当。其益处与使用正常化之间的对比，以及潜在的生态毒理学效应，最近引起了研究界的关注，并呼吁进一步的实证毒性数据。3.3. 聚(己二酸丁二醇酯-co-对苯二甲酸丁二醇酯)：聚(己二酸丁二醇酯-co-对苯二甲酸丁二醇酯)（PBAT）是一种以高柔韧性和在堆肥条件下可生物降解性著称的聚合物。它于1998年由巴斯夫SE公司以Ecoflex?名称推向市场。它通常由石油基单体生产，最近已部分生物基PBAT市售。它由1,4-丁二醇、己二酸和对苯二甲酸或对苯二甲酸二甲酯生产，其中后者单体主要来自化石燃料。PBAT已广泛用于包装行业，单独使用或作为共聚物（常与PLA结合），特别是在轻质塑料袋中。市售PBAT主要来自化石燃料，因为石油基单体更便宜、广泛可用且工业成熟，而生物基替代品成本高、规模有限且质量有时不一致。因此，误导性的“绿色”声称以及近期报道的中等毒性，使PBAT的产量维持在较低水平。然而，PBAT在受控工业堆肥条件下是可生物降解的聚酯，在土壤和家庭堆肥条件下程度较低。3.4. 淀粉基聚合物：淀粉是一种丰富、易得且廉价的原材料。它还表现出低氧气透过性和高生物降解性，使其成为石油基塑料的有趣替代品。它通常是第一代生物塑料，由多种农产品生产，但也可以是第二代，由农业废弃物（如种子、花序和其他生物质废弃物）生产。淀粉也被用作共聚物，与石油基塑料一起使用，以提高产品可降解性。这种多功能性和易生产性已导致市场上有许多不同的食品包装产品。从毒理学角度看，淀粉被认为是无害的，因为它是许多物种饮食中的重要成分。然而，一些研究报告了淀粉基生物塑料微粒的高毒性。淀粉聚合物的物理特性，即其整体较差的蒸气和氧气透过性以及机械强度，也构成了其广泛工业应用的瓶颈。3.5. 生物基传统塑料：传统塑料的另一种替代方案是配制相同的聚合物，但使用来自植物来源的单体，如糖、植物油、蛋白质和有机酸。在聚合过程中从石油基材料转向糖基材料，无疑降低了塑料生产的总体能源需求和温室气体排放，从而在生命周期评估角度提高了性能。因此，在过去的几十年里，有大量投资用于扩大生物基聚合物的生产。如今，生物聚乙烯（Bio-PE）最初在巴西使用甘蔗开发，是产量最大的生物基传统塑料。然而，生物PET（Bio-PET）和生物基聚丙烯（Bio-PP）的商业竞争力与其石油基对应物相比仍然有限，且它们不可生物降解。这损害了这些替代材料的工业潜力。

4. 石油基与替代生物塑料的毒理学效应
尽管“生物塑料”一词可能暗示这些材料是100%环保且无害的，但近期研究发现，其毒性效应可能与化石燃料基塑料报告的效应相似。此外，一些作者认为，生物塑料可能对水生生态系统和生物构成更大威胁，因为其更高的环境可降解性增加了添加剂的浸出，并导致水体富营养化。在进行本文献综述时，很明显，石油基塑料的研究活动早于本文设定的时间线，而生物基聚合物的研究在2010年后显著增加，恰逢全球对海洋垃圾威胁的认识日益增强以及随后工业对可生物降解塑料的兴趣。在本综述的时间范围内，传统石油基聚合物的毒理学研究占54%，而生物基聚合物占46%。鱼类和甲壳类是研究最频繁的分类群，分别占所有研究的50%和13%。氧化应激和存活是最常评估的终点，其次是生长和繁殖参数，表明重点关注亚致死生理反应。生态毒理学研究可遵循体内或体外方法进行，前者指使用活生物体的实验，后者涉及细胞或模拟生物系统和机制的实验室测试。体外实验允许实时监测生化过程，从而在完全受控条件下了解毒物动力学和毒物效应动力学途径。它们可以产生与体内实验相当的结果，同时避免通常与动物实验相关的动物痛苦和牺牲。另一方面，尽管体外测试允许关注特定机制或途径，但它无法复制整个生物体的生物复杂性。因此，它通常提供不完整和不整合的污染物毒理学特性视图。迄今为止，已有大量体内和体外研究评估微塑料的毒性。这些研究在多种功能系统中报告了众多效应，从肠道微生物群破坏和消化功能改变，到行为变化、氧化应激、组织炎症、生育力和神经损伤。目前，体外临床毒理学研究通常使用哺乳动物细胞系（来自人类和啮齿动物）。然而，在水生生态毒理学中，体外测试主要使用胚胎或微生物作为模型，而不是培养的细胞系。以下部分总结了近10年来发表的关于石油基聚合物、生物基聚合物和添加剂对水生生物毒理学效应的体内和体外研究的主要结果。体内研究定义为涉及活生物体（不包括卵和幼虫）的研究，而体外研究指使用胚胎或幼虫发育、细胞系或胃肠消化模拟（生物可及性实验）的实验。图2展示了最常评估的终点，以及本综述中发现的主要结果和研究空白。4.1. 石油基聚合物：表2总结了近期研究石油基聚合物对水生生物毒性的实验方法和关键发现。体内研究数量（n=19）远高于体外研究（n=7）。脊椎动物物种，特别是鱼类，是最常用的模型物种，包括在体外实验中。海洋物种测试最多，其中金头鲷是最常用的鱼类模型。聚合物类型中，PS最常用（n=15），其次是PE（n=10）和PVC（n=7），以颗粒或研磨颗粒形式。4.1.1. 体内：在本综述确定的19项研究中，13项在海洋鱼类物种上进行，6项在淡水物种上进行。试验均考虑了重复/慢性暴露途径，范围为7至90天，模拟食物或水作为暴露途径。聚合物颗粒大小在研究间差异很大，取决于颗粒类型和目标物种特性。测试较大颗粒大小（0.5 mm - 1 mm）的研究主要关注环境塑料，但颗粒大小的影响仅在两个报告中评估。值得注意的是，尽管一些研究使用商业塑料未直接说明测试颗粒的大小，但该信息可通过所选聚合物的品牌和代码追溯。大多数研究也未提及颗粒数量，信息通常以颗粒大小和/或浓度表示。最常评估且通常最严重受影响的组织是直接或首先暴露于环境污染物的组织，即鳃和胃肠道。因此，来自不同营养级物种的几项研究报道了暴露于微塑料颗粒后消化系统的改变以及鳃损伤，导致氧化应激。除了这些主要接触器官外，微塑料还可能通过体循环转运到不同器官，包括肌肉、肝脏和大脑，从而改变其正常功能并引起氧化应激。环境微塑料和纳米塑料颗粒已显示增加脂质过氧化（LPO）并损害几种鱼类的神经传递。暴露于PVC微塑料促进肝脏细胞质空泡化，同时改变组织抗氧化清除能力和LPO水平。在鱼类物种中观察到的生理损伤也发生在无脊椎动物物种中。例如，一项关于多毛类的研究表明，通过沉积物暴露于PET微球损害了抗氧化酶活性并抑制了AChE活性，可能破坏神经系统和肌肉运动。暴露于PVC微塑料也损害了双壳类的代谢，很可能是由于这些颗粒触发的阀门开合受损。免疫和内分泌改变也是水生生物暴露于石油基微塑料后报告的效应之一。然而，由于此类实验常使用商业塑料，值得注意的是观察到的效应也可能来自添加剂而非聚合物本身。几项研究从组织病理学角度解决了微塑料（PA、PE、PP、PVC和PS）摄取和积累的影响，报告了多种细胞改变，最终导致多种鱼类肝脏、肠道、鳃和睾丸坏死。微塑料引起的组织病理学改变严重程度和类型通常取决于颗粒大小和数量。从生态系统角度来看，同样值得注意的是石油基微塑料也可以影响初级生产者。4.1.2. 体外：关于石油基塑料毒性的体外研究涵盖多种模型，但大多数集中在淡水鱼类物种。同样，选择的颗粒大小在实验间差异很大，范围为0.25 μm至3 mm。颗粒浓度也差异很大，主要以mg/L表示。这些研究主要旨在探索微塑料对鱼类个体发生和幼虫生长的影响，以及对微藻发育的影响。此外，一项使用从活鱼中提取的头肾细胞的研究也调查了暴露于PVC和PE微粒后白细胞的活动。该研究特别报告了测试的两种聚合物具有非常低的体外毒性，尽管出现了氧化应激和白细胞功能受损。两项研究使用牡蛎配子评估PS纳米塑料颗粒对细胞活力和精子活动力的影响。然而，尽管ROS形成增加，这些指示繁殖成功的参数并未受到PS颗粒的显著影响。有研究证实PE颗粒浓度和尖锐度通过诱导促炎细胞因子释放和溶血产生影响。该论文还报告了在LDPE和HDPE存在下免疫系统的改变。最近，体外研究也已用于评估微塑料通过细胞旁途径穿透生物屏障的情况。这些研究已证实塑料转移到内部器官，以及相应器官（如大脑、循环系统和肝脏）的损伤。4.2. 生物塑料：迄今为止，专门研究生物塑料毒性的研究大多遵循体内方法（17项体内vs. 7项体外），使用海洋物种作为模型（14项海洋物种vs. 7项淡水物种）。无脊椎动物是主要分析组，仅甲壳纲就与辐鳍鱼纲（鱼类）条目数相同。PLA是最常研究的聚合物，其次是PHA/PHB及其衍生物。尽管大多数研究旨在比较不同生物塑料类型的毒性，但一些研究也包括与石油基聚合物（主要是PE，其次是PS）的比较。4.2.1. 体内：无脊椎动物物种，特别是甲壳类，构成了大多数生物塑料体内研究。PLA是最常测试的材料，其次是PHA/PHB。一些研究未观察到暴露于PLA和石油基塑料的甲壳类和刺胞动物死亡。然而，同一研究发现刺胞动物在高浓度下运动次数减少。有研究报告PLA微塑料对海洋青鳉肠道微生物群的毒性低于PET和PS。类似地，一项研究发现暴露于PLA或商业PLA/PHA共聚物时，海胆幼虫未出现改变，而PHB和PVC导致幼虫畸形增加和生长抑制。尽管观察到PHB暴露诱导的毒理学结果，但多项证据表明PHB可能对动物具有营养作用，因此可被视为替代石油基塑料的潜在候选物，尽管吹塑技术尚待开发。PHB还在水产养殖饲料的生物强化中显示出积极效果，喂食PHB补充饲料的鱼类表现出更高的生长速率和改善的器官发育。类似研究建议，在喂食添加2% PHB的饲料后，抗氧化酶系统更有效。在甲壳类中也报告了积极效果，如改善的生长和营养价值。一项研究发现，在含有25%降解PHB的培养介质中暴露对卤虫存活无毒性效应，仅50%降解PHB时出现低死亡率。一项研究使用海胆胚胎测试了两种生物聚合物和一种石油基塑料的可降解性和毒性。该研究揭示，在试验前7天内，由于化学添加剂的浸出，两种生物塑料对海胆具有相似的毒理学效应。然而，在生物塑料具有更高可降解性的情况下，毒性在试验第120天左右再次增加，与生物塑料的降解速率匹配，而PET释放较少添加剂，因此显示较低毒性。关于这些聚合物的生化和分子效应，一项研究将贻贝暴露于聚(L-丙交酯)（PLLA），未发现GST、CAT、SOD和AChE或溶酶体变化的有害影响。另一方面，同一研究报告了显著的代谢变化，在暴露于PLLA颗粒的贻贝中，有48种代谢组学特征下调，其中大多数与脂质代谢相关，即甘油磷脂，这是细胞膜的主要成分之一。另一项研究测试了聚(ε-己内酯)（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、壳聚糖和改性壳聚糖生物聚合物对蜗牛的影响，报告了暴露于三种聚合物后诱导氧化应激，导致DNA和脂质损伤。最后，与石油基塑料类似，生物基和可生物降解聚合物作为污染物跨水生食物链转移载体的作用也在一些近期研究中得到评估。有研究报告PBAT对菲的吸附高于PE和PS，认为这一趋势可能与PBAT更高的可降解性有关。一致地，另一研究指出PBAT的高吸附和脱附能力，可能有助于其作为污染物转移载体的作用。类似地，PLA相对于PVC显示出更高的抗生素吸附能力。PBAT和PLA更高或相似的吸附能力，加上其高生物降解性，强化了这些生物基聚合物确实可能对水生生态系统构成与石油基塑料一样严重和复杂的威胁。4.2.2. 体外：使用体外方法研究生物基聚合物毒性的研究仍然有限，因为这些替代材料最近才引入市场。工业进步的步伐通常与研究验证新材料对人类和环境健康安全所需的时间不一致。目前，大多数与生物聚合物毒性相关的体外研究侧重于可降解性方面，特别是在胃肠消化场景中，而不是其降解成分（单体或低分子量链）和释放添加剂引起的上皮转移和组织/细胞效应。一项研究测试了PLA/PBS共聚物、PBS聚合物和PHBV的体外消化率，PLA共聚物显示出更高的可降解性。PLA共聚物主要被蛋白酶和酯酶在环境温度下消化，在30°C下记录到更快的降解。此外，来自螃蟹的胃羧酸酯酶有效水解了这些生物基塑料，特别是PLA和PBAT共聚物。另一项研究测试了PLA、PCL和PLA/PCL共聚物的可降解性。在该研究中，与PCL相比，PLA观察到更高的酶降解，主要是由于蛋白水解活性而非酯酶和脂肪酶活性。相反，PCL观察到更高的微生物降解。尽管如此，在酶和微生物降解测试中，共聚物呈现出介于PLA和PCL之间的可降解性水平。4.3. 添加剂和浸出物：添加剂，包括增塑剂、油墨、阻燃剂、稳定剂和润滑剂，约占塑料组成的7%，在决定塑料总体毒性中起主导作用。如今，生物基聚合物的生产通常包括使用与传统石油基塑料相同的添加剂。此外，为弥补与传统塑料相比在物理性质上的差异，生物基聚合物通常含有更高浓度的添加剂，因此可能使其毒性更高。一旦释放到环境中，无论是生物基还是石油基塑料，都会经历不同类型的降解，导致浸出物的形成。这些是添加剂、残留单体、降解副产物以及从主聚合物浸出到水、沉积物或土壤中的吸附环境污染物。因此，确定任何塑料的毒性还需要全面评估其组成中存在的或在其生物降解过程中可能形成的几种化学物质的毒理学特性，这些物质可能在不同介质中迁移或溶解。表4总结了近期研究塑料中最常见浸出物和添加剂的研究。在审查的研究中，13项采用体内方法，而仅4项采用体外方法。过去十年，针对塑料添加剂在水生生物中毒理学的体内研究主要集中于新型阻燃剂，如新型溴化阻燃剂（NBFRs）和有机磷酸酯阻燃剂（OPFRs，也称为OPEs）。关注这些较新替代品主要是由于它们最近的市场引入以及随之而来的毒理学和安全数据需求，而其他添加剂，如双酚A（BPA）和溴化二苯醚（BDEs），在过去研究更广泛，并已在2000-2010年期间受到限制。大多数分析的研究评估了商业塑料浸出物的毒性，而非关注单一化合物。这些研究为商业塑料对水生生物的总体影响提供了有价值的见解。然而，由于观察到的负面结果不能归因于特定污染物，使用这种实验方法难以建立单一化合物的毒性。关于塑料添加剂毒性的体内研究主要在脊椎动物特别是鱼类上进行。这些研究侧重于氧化应激生物标志物、神经毒性、行为改变和跨代效应，包括对配子发生、内分泌干扰和污染物在鱼卵中积累的影响。在13项研究中，生物体通过水污染暴露于添加剂，而3项报告通过营养转移模拟污染。此外，3项研究仅进行了毒性生化分析，如酶抑制和Microtox测定。污染物浓度在研究间差异很大。这种实验变异性是因为塑料添加剂包括多种化学化合物，以不同浓度使用。暴露持续时间很大程度上取决于研究类型。例如，评估生化反应或胚胎发育的体外实验通常持续24-72小时，而体内实验持续时间从14天到长达8个月。4.3.1. 体内：关于添加剂和浸出物的体内实验在淡水生物上进行更频繁，海洋生物次之。斑马鱼是最常研究的淡水物种，而金头鲷是主要的海洋模型物种。大多数体内研究通过水污染暴露生物体，而仅少数通过饲料模拟污染物暴露，另有一项考虑环境（原位）方法。许多塑料浸出物有毒，包括邻苯二甲酸酯类增塑剂、双酚A、烷基酚、溴化阻燃剂和金属。生物基聚合物的浸出物也有毒，因为它们通常含有与石油基塑料中相同的添加剂。如前所述，包括美国和欧盟在内的多个国家已禁止或限制某些“传统”添加剂，如BDEs和BPA，因为其毒理学属性的证据，包括多种水生分类群中的行为变化和氧化应激反应，以及内分泌干扰。这些“传统”化合物的使用限制促使了替代添加剂的发展，这些添加剂也显示出对水生生物群的毒性。例如，十溴二苯乙烷（DBDPE）已被证明可触发斑马鱼的DNA损伤和神经毒性，以及贻贝中配子发生的改变、胆固醇调节相关基因的抑制和代谢紊乱。此外，DBDPE降低了水蚤和斑马鱼的生育力并增加了孵化死亡率。暴露于OPFR，如三(1,3-二氯-2-丙基)磷酸酯（TDCIPP）和三苯基磷酸酯（TPhP），诱导了海洋青鳉的骨骼发育异常。这些毒理学结果尤其令人担忧，因为这些新的替代物质现在被工业广泛使用，因此在环境和生物群中通常以比被禁止/限制的添加剂更高的浓度存在。生物基聚合物往往表现出较低的机械和热稳定性，需要更高浓度的添加剂。一项研究在PLA和PBAT浸出物中鉴定了几种添加剂和构建块，包括构建块乳酸、1,4-丁二醇、PBAT低聚物、增塑剂BPA和一些微量金属，包括铅和砷，这些常用于石油基聚合物。同一研究还测试了这些生物基聚合物浸出物的毒性，揭示了对贻贝的胚胎毒性以及溶酶体和免疫反应的损害。4.3.2. 体外研究：关于塑料浸出物和添加剂的体外研究包括多种实验设置，包括Microtox测试、酶活性抑制、海胆胚胎发育和贻贝胚胎发育。很少或没有使用海洋生物细胞系的研究，因为市售的代表水生生物群生物功能的细胞非常有限。大多数关于添加剂的体外研究使用了无脊椎海洋生物，如海胆、贻贝和费氏弧菌。在大多数情况下，污染物暴露通过培养基进行。许多传统上用于塑料生产的添加剂和单体具有明确的毒理学结果。因此，它们的浸出物代表环境风险。为解决这一问题，许多替代化合物（包括生物基单体）已被开发并用于商业塑料的配方中。然而，近期体外研究表明，其潜在不良影响不可忽视。例如，一项研究使用Microtox方法调查了18种用作单体或来自绿色来源的添加剂生产的化学品的急性毒性。这些作者鉴定出2-糠酸、2,5-呋喃二甲酸（FDCA）、5-(((叔丁基二甲基硅基)-氧基)甲基)-呋喃-2-甲醛和对苯二甲醛为毒性最强的物质。尽管如此，FDCA和对苯二甲醛是生物塑料配方中的重要构建块，后者可能来自PET的酶降解。此外，在近期研究中，观察到PLA衍生的浸出物比石油基塑料（如HDPE和PET）的浸出物毒性更强。生物基聚合物中这种毒性增强再次归因于这些材料更高的生物降解性，导致浸出物释放增加。关于替代阻燃剂，最初作为BDE替代品引入的DBDPE，即使在低浓度下也被发现与鱼类肝细胞中卵黄蛋白原产生的刺激有关，从而引起内分泌干扰。这种效应也在暴露于BPA及其替代品（如双酚F和双酚AF）的淡水鱼中观察到，尽管后者没有像BPA那样多的监管限制。总之，塑料的毒性通常是环境降解过程中从聚合物中浸出添加剂和单体所导致的结果。尽管已做出许多努力来克服这一问题，但当前可用替代品的环保性尚未得到彻底验证。4.4. 生态相关性和体内与体外方法之间的转化限制：在过去十年中，关于塑料和塑料衍生污染物毒理学属性的研究在体内和体外实验框架中大大扩展。然而，文献证据表明，这两种方法学方法的实施在很大程度上仍然是并行进行，而非作为整合的转化管道。确实，在分析表2、3和4中汇编的研究时，出现了几个系统性分歧，特别是在物种选择、暴露设计、终点关注点和生态现实性方面，从而大大限制了从体外获得的细胞和亚细胞发现向体内观察到的生物体和种群水平效应的外推。虽然体外研究主要应用于早期生命阶段、分离的细胞群或针对单一污染物和/或生物途径的酶促实验，但体内实验通常提供更全面的图景，通常涵盖不同营养级和污染物暴露途径，因此更真实地反映野外条件。体内和体外研究之间的一个关键区别是它们能否检测到仅在复杂真实环境中发生的意外相互作用。一个很好的例子是Li等人（2021）的研究，其中在体外毒性实验中，将PE微塑料添加到含有氧化锌纳米颗粒的水中，使用扁藻作为模型物种。虽然逻辑上的假设是微塑料和有毒金属同时存在于水中会产生加性效应，但相反，报告了相反的结果，导致作者提出微塑料部分吸附了锌，使其在水中的可用性降低，从而对藻类毒性降低。这种“反向相互作用”类型，即一种污染物改变另一种污染物的预期行为，提供了关于实际风险的误导性图景，这种风险可能在更真实和复杂的体内和原位设置中才会显现，而不是在简化的体外条件下。另一个关键方面是，整个生物体反应是复杂生理系统的结果，该系统整合了一系列相互连接和相互依赖的途径，这些途径根本无法在细胞培养皿中完全重现。例如，在Larimichthys crocea和Litopenaeus vannamei中，膳食补充PHB引发了生物体表型，这些表型是分离的细胞反应无法推断的。此外，污染物暴露引起效应的程度主要取决于其组织特异性和优先组织分配行为，这在静态单培养系统中相当难以复制。时间维度代表了体内和体外研究之间的另一个分歧轴。换句话说，通常在急性和亚急性暴露条件下进行的体外实验，当方法学设计旨在针对需要延长或多代暴露窗口才能显现的终点时，往往无法证明毒性。Pedà等人（2016）证明，暴露于PVC微塑料需要60-90天的持续膳食暴露才能在Dicentrarchus labrax中发展出严重的肠道组织病理学，这是标准体外方案无法模拟的时间尺度。类似地，一项多代研究表明，降解的PLA在暴露斑马鱼的F1后代中引起了比直接暴露的亲代更显著的代谢和繁殖效应。这再次表明，塑料暴露的全部毒理学负担可能仅在几代之间而非单个暴露期内表达。总的来说，这些发现表明，短期体外实验很可能系统性地低估累积和慢性毒性，这一限制对于作用机制在延长生物时间尺度上持续的持久性污染物尤其令人担忧。最后，所选文献揭示，物种匹配的交叉验证仍然极为有限。例如，金头鲷的大量体内数据集记录了一系列由PS、PVC和PE引起的负面结果，包括肠道炎症、氧化应激、肝脏和肾脏损伤，但尚未有对等设计的体外对应物来支持这些发现。值得注意的是，我们的文献综述表明，生物塑料研究在这方面可能稍微领先，最近在无脊椎动物模型物种海胆和贻贝上进行了一些配对的“体内-体外”研究。这些研究特别揭示，聚合物的毒性在方法学方法之间大致保留，但效应的大小和时间以阻止直接外推结果的方式有所不同。这种仅在配对设计中可见的不匹配，强调了交叉方法学框架的价值以及目前在没有它们的情况下进行转化推断的程度。总而言之，对环境污染物（无论是浸出物、添加剂还是塑料颗粒）进行稳健的生态风险评估，需要审慎的转化体内和体外研究设计，使用相同的模型物种、聚合物、粒径和浓度范围，同时共享共同的终点框架。将这种方法扩展到生物塑料之外，包括传统塑料和添加剂文献，其中机制和整体生物体数据仍然在很大程度上脱节，因此是环境毒理学中的一个明确研究优先事项。

5. 结论
目前，关于生物基聚合物对水生生物生态毒理学效应的文献仍然稀少，大多数研究采用体内实验方法，针对淡水鱼（即斑马鱼和鲤鱼）和海洋无脊椎动物物种（即双壳类）。基于当前的知识空白，本综述确定了以下优先研究主题，应在未来研究中彻底解决：探索新生物基聚合物最终商业形式的生态毒理学潜力，即考虑其完整配方，包括添加剂和油墨；公开声称环保的新型替代添加剂的毒理学属性；优化体外方法，以更有意义和更现实的方式模拟水生物种的生物学功能。这些方法将有助于数据协调和体内验证，同时降低实验成本并确保合乎伦理的科学实践；采用物种匹配的交叉验证实验设计，整合体内和体外方法，以防止不准确的数据外推，并改善文献协调和实验可重复性；加强水产养殖物种（特别是养殖鱼类）的研究，因为这些