聚氯乙烯（PVC）微塑料形貌对水体系中热灭活与紫外-C（UVC）灭活过程中细菌存活的影响

《Applied and Environmental Microbiology》：Influence of polyvinyl chloride (PVC) microplastic morphology on bacterial survival during thermal and ultraviolet-C inactivation in aqueous systems

　　

微塑料在水体和食品相关环境中的检出日益增多，但颗粒形貌如何影响灭活过程中的微生物持留尚不清楚。本研究旨在构建具有明确形貌和可控粒径区间的聚氯乙烯（PVC）微塑料颗粒模型，并评估颗粒形貌如何影响水体系中热灭活与紫外-C（UVC）灭活过程中细菌的附着与存活。研究人员首先对原始PVC颗粒进行共混、造粒、低温研磨及筛分，制备表面相对光滑圆润的原始PVC颗粒与不规则粗糙的研磨PVC颗粒，并将粒径控制在90–180 μm区间。以革兰阴性大肠杆菌（Escherichia coli）O157:H7与革兰阳性无害李斯特菌（Listeria innocua）为模式菌，共聚焦显微镜显示两种颗粒均可附着大肠杆菌，且研磨PVC附着更强。含PVC颗粒时，热处理对数杀灭降至约4.0–5.1 log CFU/mL，无微塑料对照组约5.9 log CFU/mL；UVC处理对数杀灭降至约3.9–4.6 log CFU/mL，对照组约5.2–6.0 log CFU/mL。研磨PVC在热处理中保护更强，两种形貌对UVC灭活削弱程度相近。结果表明PVC微塑料可干扰微生物控制过程，且颗粒形貌是影响水环境细菌存活的重要因素。

研究背景与问题提出：微塑料（粒径小于5 mm的塑料颗粒）在饮用水、食品加工用水及水生环境中广泛检出，可通过污染加工用水或水生生物富集进入食品体系。常见聚合物中PVC因耐化学腐蚀、成本低广泛用于管材、建材与部分食品接触材料，其二次微塑料来源于机械磨损与碎裂，但相较聚乙烯、聚苯乙烯，PVC微塑料–微生物互作研究偏少。现有微塑料研究多使用商品微珠或环境碎片，聚合物类型、尺寸、形状与表面性质同时变异，难以孤立形貌这一单因素对微生物附着或灭活抗性的贡献。热灭活（蛋白变性、膜破坏、核酸损伤）与UVC灭活（254 nm附近光化学DNA损伤）是水体与液态食品加工中常用手段，其效力依赖微生物对灭活条件的直接暴露；若微塑料作为附着基质或屏蔽体降低暴露，则处理效率下降。因此研究人员构建同材质、同粒径区间但形貌迥异的PVC微塑料模型，以解析形貌对附着及热/UVC灭活的具体作用。该研究发表于《Applied and Environmental Microbiology》。

主要关键技术方法：研究人员以Shintech SE-950原始PVC为基材，一组保留原始近球光滑颗粒，另一组经内混机共混、制粒机造粒、Retsch Cryomill低温研磨（3循环预冷-研磨-间歇冷却），再经Gilson超声筛分取90–180 μm区间，获得原始PVC与研磨PVC两类形貌样本；形貌经Thermo Fisher Apreo VolumeScope场发射扫描电镜（FE-SEM）与ImageJ长宽比分析，粒径经Malvern Mastersizer 3000激光衍射以Sauter平均径D_[3,2]及D10/D50/D90表征。细菌选用E. coli O157:H7（ATCC 700728）与L. innocua（ATCC 33090），PBS重悬至约10⁹ CFU/mL；热处理采用加热块67℃/15 s（大肠杆菌）与70℃/15 s（李斯特菌），UVC采用253.7 nm交联仪11 mW/cm²下8 s（88 mJ/cm²）与18 s（198 mJ/cm²）；附着可视化用SYBR Green I染菌结合Leica TCS SP8共聚焦Z栈与三维重建，定量经200目不锈钢筛截留颗粒后涂板计数；数据统计用GraphPad Prism 10.6.1单因素ANOVA与Tukey检验（α=0.05）。

研究结果

生产并表征具明确形貌的PVC微塑料：FE-SEM显示原始PVC各筛分区间均保持圆润紧凑形貌，研磨PVC呈棱角、断口与拉长碎片；同取90–180 μm区间时，原始PVC的D_[3,2]=138 μm、D10/D50/D90=108/140/183 μm，研磨PVC的D_[3,2]=176 μm、D10/D50/D90=117/188/298 μm，且研磨组长宽比更高、分布更宽。研究人员指出声波筛分中拉长颗粒可沿窄维过筛，激光衍射对不规则取向敏感致表观分布变宽，但两组的筛定区间一致，形貌差异由低温研磨脆断主导而非粒径分档导致。

PVC微塑料对热与UVC灭活中细菌存活的影响：无微塑料对照组热处理后大肠杆菌约5.85 log、李斯特菌约5.95 log杀灭；加原始PVC分别为4.75与5.06 log，加研磨PVC为4.30与4.01 log，研磨PVC对李斯特菌热保护显著强于原始PVC。UVC对照组大肠杆菌约5.28 log、李斯特菌约6.03 log杀灭；加原始PVC降至4.04与4.62 log，加研磨PVC降至3.84与4.45 log，两种形貌间无显著差异。结论为PVC微塑料普遍削弱热与UVC效力，热灭活中不规则形貌保护更显，UVC中悬浮颗粒遮光为主因。

细菌–微塑料互作：共聚焦显示大肠杆菌在原始PVC表面局域附着，在研磨PVC边缘与粗糙面荧光信号更广；三维重建确认空间共定位。定量附着（15 min）原始PVC为5.38±0.80 log CFU/mg PVC，研磨PVC为6.35±0.45 log CFU/mg PVC，均值高约9.3倍但未达显著。研究人员解释研磨PVC因粗糙度与微尺度凹陷提供更大有效面积与滞留位，附着增强；热处理时PVC导热低于水相，颗粒–细胞界面热传递不均，附着菌获局部保护，研磨PVC附着更强故热保护更明显；UVC下附着菌受颗粒阴影遮挡，但形貌差异不主导遮光效率。

讨论与结论翻译：本研究构建了形貌分明、粒径受控的PVC微塑料模型，用于评估水体系中热与UVC灭活时形貌对细菌存活的作用。原始PVC近圆光滑，研磨PVC不规则、长宽比高、分布宽。90–180 μm PVC微塑料使E. coli O157:H7与L. innocua在热与UVC处理中杀灭对数均下降；热处理中研磨PVC保护强于原始PVC，提示不规则形貌通过增强细菌附着与削弱局域传热提升保护；UVC处理中两形貌削弱程度相近，表明颗粒关联遮光而非形貌本身为主导。总体而言，PVC微塑料可干扰水体系微生物灭活，形貌尤其在热处理中是重要因子。工作提供了形貌/粒径明确的PVC模型平台，并指出食品相关微生物控制评估需纳入微塑料特征。后续可厘清微塑料表面化学如何调控附着与灭活抗性的物理化学机制。