从聚集到稳定：生物分子冠层形成在盐环境中聚乙烯纳米颗粒中的作用

《Environmental Science: Nano》：From aggregation to stabilization: the role of biomolecular corona formation on polyethylene nanoparticles in saline environmentsOpen Access

　　

在环境中，纳米塑料被一层由周围介质中存在的各种生物分子组成的调节膜覆盖。因此，水生系统中纳米塑料的环境行为受到与这些大分子建立的相互作用的强烈影响。然而，这些相互作用以及更广泛地说，生态冠层（eco-corona）在纳米塑料上的作用尚未得到很好的理解。在本研究中，研究人员研究了聚乙烯（polyethylene, PE）和聚（乙烯-co-乙酸乙烯酯）（poly(ethylene-co-vinyl acetate), EVA）模型纳米颗粒上生物分子冠层（biomolecular corona）的形成，特别关注它们在盐环境中的稳定化。选择了三种生物分子作为稳定剂：牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）、乌尔聚糖（ulvans）和源自海洋微生物的胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）。通过紫外-可见光谱（UV-visible spectroscopy）和小角X射线散射（small-angle X-ray scattering, SAXS）表征了吸附过程、冠层厚度和胶体稳定性。观察到多糖以多层形式吸附，而蛋白质主要形成单层。此外，研究发现稳定冠层的形成可以防止聚集，并在不添加其他表面活性剂的情况下维持海水中的胶体行为。这项工作为生物膜基质中的大分子在调节海洋环境中纳米塑料的运输和潜在影响方面所起的作用提供了新的见解。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
塑料因其低成本、轻质和易生产等优点在全球广泛使用，2023年全球塑料产量达4.14亿吨。然而，过度消费和低效的废物管理导致大量塑料进入陆地生态系统，并最终被河流输送到沿海和海洋环境。在环境中，塑料受到机械力、生物活性和光氧化等自然降解因素作用，逐渐破碎成更小的颗粒，最终达到纳米尺度（<1 μm），即纳米塑料。纳米塑料具有胶体行为，被视为一类新兴环境污染物。天然水生环境含有丰富的矿物、有机和生物物质，这些物质通过吸附和聚集过程迅速改变纳米塑料的稳定性和环境归趋。纳米塑料进入环境后，会迅速被溶解性天然有机质（NOM）形成的调节膜覆盖，构成第一层生态冠层，这是一个动态的、随周围理化与生物条件持续演变的生物分子层。NOM主要由腐殖酸、富里酸、多糖和溶解性蛋白质组成。随着纳米塑料在水环境中迁移，生态冠层可通过吸附微生物来源的生物分子进一步演化，尤其是胞外聚合物（EPS）。EPS是由微生物在生长、应激或表面定殖过程中释放的复杂生物聚合物混合物，主要包含多糖、蛋白质、脂质、核酸等。EPS的吸附显著改变纳米塑料的表面性质，如疏水性、表面电荷和密度，进而影响其与水生生物的相互作用（如生物累积、摄食、消化和繁殖）以及在水中的运输（悬浮、聚集或沉降）。因此，理解生物分子冠层如何调控纳米塑料的胶体稳定性对于预测其环境归趋至关重要。在无生物分子冠层时，纳米塑料在海水中的行为主要由Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek（DLVO）理论描述的分子和胶体相互作用控制。海水中高离子强度（约0.7 M）和丰富的二价离子会压缩纳米塑料周围的电双层，降低静电排斥能垒，导致快速聚集。然而，环境来源的生物分子冠层在稳定或聚集纳米塑料中的精确作用仍不清楚。现有研究存在矛盾：NOM可能通过中和电荷引起异质聚集，也可能提高临界凝聚浓度（CCC）或通过空间排斥稳定颗粒。此外，蛋白质和多糖在纳米塑料上的吸附行为差异很大，但缺乏对天然海水条件下复杂生物分子（如海洋EPS）的系统研究。因此，本研究旨在利用模型聚乙烯（PE）和聚（乙烯-co-乙酸乙烯酯）（EVA）纳米颗粒，探究不同生物分子（牛血清白蛋白BSA、海洋多糖乌尔聚糖、海洋微生物EPS）在其表面形成冠层的过程，并评估这些冠层在盐环境（如人工海水）中对纳米颗粒稳定性的影响。

**研究内容与结论**
研究人员通过无表面活性剂乳液自由基聚合合成了尺寸可控的PE和EVA纳米颗粒，以模拟原始和经光氧化老化的纳米塑料。通过临界凝聚浓度（CCC）测量评估了颗粒在NaCl和CaCl₂溶液中的稳定性，发现PE和EVA纳米颗粒在NaCl中的CCC约为0.33 mol L^?1，在CaCl₂中分别为0.0025和0.006 mol L^?1，表明二价离子显著降低稳定性，且表面化学（EVA含乙酸酯基团）影响桥接絮凝。随后，将BSA、乌尔聚糖和EPS以2:1的质量比（生物分子:纳米颗粒）吸附到颗粒表面，形成冠层。动态光散射（DLS）显示，冠层形成后，颗粒在NaCl和CaCl₂溶液中以及人工海水中均保持稳定，仅出现轻微尺寸增加，无显著聚集。小角X射线散射（SAXS）进一步揭示了冠层结构：BSA形成致密单层，乌尔聚糖和EPS形成较厚且多分散的多层冠层。吸附等温线分析表明，BSA吸附符合Langmuir模型（单层吸附），而EPS吸附符合Freundlich模型（多层吸附）。BSA在PE上的吸附容量（m_∞）约为349 mg g^?1，在EVA上约为512 mg g^?1，且吸附常数K_ads在PE上更高，表明BSA与PE表面相互作用更强。EPS在EVA上的吸附容量（K_F = 1506 ± 49）高于PE（1214 ± 83），表明极性EVA表面促进多层吸附。研究得出结论：在盐环境中，生物分子冠层的形成通过空间稳定作用有效防止纳米塑料聚集，无需传统表面活性剂；多糖倾向于多层吸附，蛋白质主要形成单层；这种稳定冠层在稀释和离心后仍保持颗粒稳定性，表明形成了牢固的“硬冠层”。该工作发表在《Environmental Science: Nano》，为理解生物膜大分子在调控海洋纳米塑料运输和潜在影响中的作用提供了新见解。

**主要关键技术方法**
本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）无表面活性剂乳液自由基聚合合成PE和EVA纳米颗粒；（2）临界凝聚浓度（CCC）测量，通过DLS监测颗粒在NaCl和CaCl₂溶液中粒径变化；（3）紫外-可见光谱（UV-visible spectroscopy）定量吸附的BSA和EPS，建立Langmuir和Freundlich吸附等温线；（4）小角X射线散射（SAXS）在SOLEIL同步辐射SWING线站进行，采用球壳模型拟合获得冠层厚度和散射长度密度，并分析吸附前后结构变化；（5）DLS和Zeta电位测量表征颗粒尺寸、多分散性和表面电荷。所有实验均在10 mM磷酸盐缓冲液（pH 7.2）和人工海水（按ASTM D1141-98配制）中进行。

**研究结果**
**3.1 通过临界凝聚浓度测量评估纳米颗粒稳定性**
利用DLS测定PE和EVA纳米颗粒在NaCl和CaCl₂溶液中的CCC。在NaCl中，两种颗粒的CCC约为0.33 mol L^?1，表明稳定性主要由引发剂产生的表面硫酸根引起的静电排斥主导。在CaCl₂中，PE和EVA的CCC分别为0.0025和0.006 mol L^?1，远低于NaCl，说明二价离子通过桥接絮凝强烈降低稳定性。EVA的CCC略高，归因于其表面乙酸酯基团和较低的硫酸根密度减少了桥接位点。在无冠层时，颗粒在海水离子强度下迅速聚集。

**3.2 通过SAXS研究稳定剂在纳米颗粒表面的吸附**
SAXS分析显示，在低稳定剂/纳米颗粒质量比（X_m）下，PE和EVA的球壳模型拟合与实验数据吻合，可见五个振荡。随着X_m增加，振荡逐渐减弱，最终SAXS曲线接近稳定剂参考谱。BSA-PE系统在X_m > 0.9时出现新宽峰（q ≈ 0.01 nm^?1），表明部分聚集，而EVA-BSA系统无聚集。冠层厚度随X_m增加而增加，BSA在PE上达到平台更快（X_m ≈ 0.4），且BSA优先吸附于疏水PE表面；乌尔聚糖和EPS在PE上厚度增加较慢，在EVA上更明显，表明多糖倾向吸附于极性表面。

**3.3 吸附等温线与稳定剂冠层形成**
UV-可见光谱定量吸附：BSA在PE和EVA上的吸附等温线符合Langmuir模型，m_∞分别为349和512 mg g^?1，K_ads分别为14.7和3.8 L g^?1，表明BSA与PE相互作用更强，形成单层；BSA在EVA上每分子占据面积约14 nm²，提示致密堆积和构象变化。EPS吸附符合Freundlich模型，K_F在EVA上（1506）高于PE（1214），n接近1，表明多层吸附且无饱和趋势。稀释和离心实验证实，BSA和EPS冠层在无自由生物分子时仍保持颗粒稳定，表明形成牢固的硬冠层。

**总结讨论与结论翻译**
研究证明了BSA、乌尔聚糖和EPS在PE和EVA纳米颗粒表面形成冠层，从而在盐缓冲液和人工海水中实现稳定化。冠层通过空间稳定作用防止聚集，且无需有毒表面活性剂。吸附机制分两类：蛋白质为单层吸附，多糖为多层吸附，后者由两亲性分子先吸附，再吸引更多亲水分子。这种硬冠层提供持久稳定性。本研究揭示了天然有机质吸附可介导海洋纳米塑料的稳定性。未来工作需进一步理解吸附过程中构象变化，以及冠层是否影响光氧化等降解过程。结论部分翻译如下：利用BSA、乌尔聚糖和EPS在模型纳米颗粒表面形成的生物大分子冠层，实现了PE和EVA纳米颗粒在盐性磷酸盐缓冲液和人工海水中的稳定化。这些大分子的吸附不仅使模型纳米颗粒更接近环境相关纳米塑料（通常覆有调节膜），还通过空间稳定作用防止其聚集。根据生物分子性质，冠层形成可遵循两种不同路径：由两亲性分子引发、随后亲水化合物吸附的多层吸附，或模型蛋白通过静电作用驱动的单层吸附。两种情况下，形成的硬冠层为纳米颗粒提供持久胶体稳定性，无需传统且有潜在毒性的表面活性剂。本研究表明，天然有机质吸附可调控海洋环境中纳米塑料的稳定性。需进一步研究稳定剂与纳米颗粒表面的相互作用，特别是吸附过程中是否发生构象重排。同时，评估冠层是否能在环境相关条件下减缓或加速光氧化等降解过程也将具有重要意义。