底栖海洋生物对14C标记聚苯乙烯纳米塑料的表层截获与转运

《Marine Environmental Research》：Surface interception and transport of 14C-labeled polystyrene nanoplastics by benthic marine organisms

　　

摘要

纳米塑料在海洋环境中的命运可能受到其与底栖生物相互作用的显著影响，包括表面吸附和生物结合。然而，对这些过程的定量描述仍然具有挑战性。在本研究中，我们合成了¹⁴C标记的聚苯乙烯纳米塑料，用以追踪它们与两种具有大量颗粒接触表面的底栖生物——菲律宾蛤仔和普通裂褶菌的相互作用。在菲律宾蛤仔中，暴露24小时后，鳃成为主要的过滤界面，其在100和1000微克/升的暴露浓度下，对应的¹⁴C当量纳米塑料负荷分别为1.1 ± 0.3和8.8 ± 4.5微克/克。48小时后，呼吸器官和消化器官中的纳米塑料负荷有所下降，而心脏中的¹⁴C含量较低（在100微克/升浓度下为0.28 ± 0.17微克/克），这表明纳米塑料在体内的转移有限。在普通裂褶菌中，经过1000微克/升浓度下的液体培养42天后，有一小部分¹⁴C与菌丝形成了强烈结合，但并未观察到纳米塑料的矿化或解聚现象。基于平板的固体培养实验进一步表明，菌丝能够促进纳米塑料的远端运输，尽管未能直接观察到颗粒的内吞和转运过程。这些研究结果表明，底栖生物表面可能成为纳米塑料的重要储存库，从而影响其在海洋底栖环境中的持久性。

引言

纳米塑料通常定义为小于1微米的塑料颗粒（Liu等人，2025年），它们是海洋环境中普遍存在的污染物（Moon等人，2024年；ten Hietbrink等人，2025年；Ter Halle等人，2017年）。它们的广泛存在引发了人们对生态和人类健康风险的担忧（Lehner等人，2019年；Thompson等人，2024年）。最近的研究在海水柱中检测到了高浓度的纳米塑料，包括聚苯乙烯和其他聚合物，浓度范围为1.5–32微克/升（Moon等人，2024年；ten Hietbrink等人，2025年）。这些颗粒存在于海平面下数十米到数千米深处，表明海洋是塑料颗粒的长期储存地（Liu等人，2025年）。海底被认为是海洋塑料的主要沉积地，大量塑料垃圾堆积在海洋沉积物中（Kane等人，2020年；Woodall等人，2014年）。这种沉积主要得益于垂直输送作用。纳米塑料可以被纳入海洋雪和粪便颗粒中，或者发生生物附着现象。这些过程会增加颗粒的密度，使其沉降到深海和深渊区域（Long等人，2015年）。一旦沉积，纳米塑料不可避免地会与底栖生物发生相互作用，但决定其命运的生物过程至今仍不甚明了。

底栖无脊椎动物构成了一个直接的生物界面，通过这一界面，与沉积物相关的纳米塑料可以进入水生食物网。双壳类动物不断过滤含有颗粒的水，并与表层沉积物发生相互作用，因此它们是底栖生境中颗粒重新分布的重要媒介（Skawina等人，2024年）。尽管它们在生态系统中具有重要作用，但关于纳米塑料在它们体内积累的定量数据却十分有限（Chang和Wang，2024年；Fraissinet等人，2024年；Li等人，2020年）。这是因为在使用荧光标记、光谱学和显微镜技术检测和分析复杂生物组织中的纳米塑料时，仍然面临诸多困难（Ivleva，2021年；Nguyen等人，2019年；Su等人，2022年、2024a年、2024b年）。基于荧光的方法可能会受到染料渗出和基质自发荧光的影响，而光谱学和显微镜方法则因纳米塑料的特异性信号较弱，容易被强烈的组织背景信号所掩盖。这些分析上的限制往往使得颗粒的识别和定量变得复杂，可能需要较高的暴露浓度，进而阻碍对纳米塑料在生物体内积累情况的准确评估。

纳米塑料在沉积物中的命运受动物和微生物介导的过程影响。双壳类动物的过滤和生物沉积作用会将悬浮颗粒浓缩并包裹在粪便和假粪便中，从而在底栖环境中重新分配纳米塑料。海洋真菌能分泌能够分解复杂天然聚合物的胞外酶（Orsi等人，2022年；Peng和Valentine，2025年），这意味着它们有可能与人工合成的聚合物发生相互作用、对其进行修饰甚至分解（Paco等人，2017年；Zhou等人，2024年）。通过真菌的作用，纳米塑料的性质可能会发生变化，进而影响颗粒的生物可利用性以及生物体对其的吸收。不过，目前关于这些由消费者和分解者介导的过程的直接实验证据仍然有限，主要是因为传统方法难以区分细胞内的纳米塑料与细胞外的残留物或与生物体相关的组分。

为了解决这些缺陷，¹⁴C同位素标记提供了一种化学性质稳定且灵敏度高的方法，可用于追踪碳基纳米颗粒和化合物，从而能够在与环境相关的剂量下实现精确量化，并进行整个生物体的质量平衡分析（Song等人，2026年；Su等人，2018a年、2018b年）。结合自动放射成像技术，¹⁴C追踪还能提供有关物质在组织中分布的空间信息，例如在扇贝中的¹⁴C标记聚苯乙烯纳米塑料的研究就证明了这一点（Al-Sid-Cheikh等人，2018年、2020年）。在我们团队的基础上，我们合成了¹⁴C标记的聚苯乙烯纳米塑料，并将其用于研究纳米塑料在生物体中的吸收、积累和降解途径（Wu等人，2025年；Zhang等人，2026年），从而实现了对双壳类动物和真菌中纳米塑料毒理动力学的定量评估。

在本研究中，我们合成了¹⁴C标记的聚苯乙烯纳米塑料，作为简化模型系统，用于量化菲律宾蛤仔对这类纳米塑料的吸收情况及其在体内的分布情况。此外，还在受控实验室条件下，研究了海底来源的普通裂褶菌与这些模型纳米塑料的结合情况以及可能的转化过程。选择这两种生物作为模型，而非自然共存的物种，是因为它们分别代表了参与颗粒过滤和生物沉积的沿海底栖滤食动物，以及用于研究与纳米塑料相互作用的海洋分解者模型。由于它们来自不同的生存环境，因此并未测试双壳类动物与真菌之间的直接相互作用。不过，这些独立的实验可以为那些可能影响纳米塑料在底栖环境中命运的消费者和分解者介导的过程提供互补的证据。

章节节选

¹⁴C标记聚苯乙烯纳米塑料的合成与表征

这些¹⁴C标记的聚苯乙烯纳米塑料（比活度为42.2 MBq/mmol）是通过乳液聚合方法合成的，所用单体为β-¹⁴C>苯乙烯（Moravek公司，美国），合成方法参照了我们之前的方案（Wu等人，2025年）。十二烷基硫酸钠和过硫酸钾分别被用作表面活性剂和自由基引发剂。所得悬浮液通过10千道尔顿的再生纤维素膜（Millipore公司，美国）进行超滤处理，从而用去离子水将其净化。洗涤步骤重复了九次

合成¹⁴C-聚苯乙烯纳米塑料的物理化学性质

合成后的¹⁴C-聚苯乙烯纳米塑料的特性如图2所示。透射电子显微镜观察结果显示，这些颗粒呈球形，平均初始直径为24 ± 4纳米（图2a）。高效液相色谱-¹⁴C检测表明，它们的重均分子量约为1.6 × 10⁵道尔顿（图2b）。在去离子水中，这些纳米塑料能够保持良好分散状态，持续时间为1小时，其流体力学直径为23–26纳米（图2c）。这种良好的分散状态很可能得益于它们所具有的负ζ电势，其值为?24 ± 2.8毫伏，这一电势可能与

结论

通过¹⁴C追踪研究，本研究表明，底栖生物表面是20纳米大小的聚苯乙烯纳米塑料的重要吸附界面。在菲律宾蛤仔中，¹⁴C当量的纳米塑料负荷主要集中在鳃和其他与颗粒接触的组织中，而非消化道。这说明在双壳类动物中，呼吸和过滤表面是纳米塑料的主要截留部位。在普通裂褶菌中，菌丝网络有助于聚苯乙烯纳米塑料的远端运输。没有

CRediT作者贡献说明

Rong Ji：写作——审阅与编辑，指导，资源提供，资金获取，概念构思。Wenwen Song：写作——审阅与编辑，初稿撰写，方法学，实验研究，数据整理。Dongxu Li：写作——审阅与编辑，方法学，实验研究。Jun Zhang：写作——审阅与编辑，实验研究。Ziyun Huang：写作——审阅与编辑，方法学。Hongjie Zhang：写作——审阅与编辑，方法学。Changhong Liu：写作——审阅与编辑，资源提供，

利益冲突声明

作者们声明没有已知的经济利益冲突或可能影响本研究结果的个人关系。

数据可用性

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利益冲突声明

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致谢

我们感谢中国国家自然科学基金委员会提供的财政支持（项目编号：22436002、42477413、42177377以及42573075）。

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