《Journal of Hazardous Materials》：A temperature-dependent three-compartment toxicokinetic model for assessing bioavailability of microplastic-associated pollutants
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微塑料（MPs）增強(qiáng)污染物生物可利用性，全球變暖導(dǎo)致MPs吸附能力下降但促進(jìn)污染物解吸，其凈效應(yīng)不明。本研究開(kāi)發(fā)溫度依賴(lài)的三室毒理學(xué)模型，揭示MPs-污染物直接轉(zhuǎn)移主導(dǎo)體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)，并建立綜合生物可利用性指標(biāo)φ×ε，證實(shí)升溫顯著提高污染物生物可利用性及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
張樂(lè)博|盧光華|張鵬|姜潤(rùn)仁|孫晨濤|王敏|高慧子|王新迪
中國(guó)江蘇省南京市河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院水循環(huán)與水安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，郵編210098
摘要
微塑料（MPs）通過(guò)將污染物運(yùn)輸?shù)缴矬w內(nèi)，增強(qiáng)了污染物的生物可利用性。全球變暖加速了變溫動(dòng)物體內(nèi)微塑料上污染物的解吸過(guò)程，同時(shí)降低了微塑料對(duì)水中污染物的吸附能力；然而，其對(duì)微塑料相關(guān)污染物生物可利用性的凈影響仍不明確。為了解決這一問(wèn)題，本研究選擇了四種預(yù)先加載了污染物的常見(jiàn)微塑料，并使用體外魚(yú)類(lèi)腸上皮模型研究了它們的毒代動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于改進(jìn)傳統(tǒng)模型，確定關(guān)鍵的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出一個(gè)溫度依賴(lài)的三室毒代動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果表明，微塑料相關(guān)污染物的體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)主要受其從微塑料到細(xì)胞的直接轉(zhuǎn)移過(guò)程控制，這一過(guò)程的溫度依賴(lài)性由轉(zhuǎn)運(yùn)的活化能決定。綜合指標(biāo)φ×ε（結(jié)合了污染物在微塑料上的環(huán)境吸附系數(shù)φ和它們?cè)谏矬w內(nèi)的轉(zhuǎn)移效率ε）建立了一個(gè)統(tǒng)一的生物可利用性標(biāo)準(zhǔn)，有效消除了環(huán)境濃度變化和代謝過(guò)程的干擾。應(yīng)用這一指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，溫度升高顯著增強(qiáng)了污染物的生物可利用性，表明全球變暖可能會(huì)加劇相關(guān)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。本研究為識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)微塑料相關(guān)污染物提供了一個(gè)創(chuàng)新框架，并支持在氣候變暖背景下制定可持續(xù)的制造策略。
引言
自20世紀(jì)中葉以來(lái)，大規(guī)模的塑料生產(chǎn)和消費(fèi)導(dǎo)致微塑料（MPs）在水生、陸地和大氣環(huán)境中廣泛分布，使其成為全球關(guān)注的污染物[1]、[2]。由于微塑料具有高疏水性、較大的比表面積以及形成生物膜的傾向，它們能夠高效地積累環(huán)境污染物（如重金屬、持久性有機(jī)污染物和新興化學(xué)物質(zhì)等），從而顯著改變這些物質(zhì)的傳輸、轉(zhuǎn)化和命運(yùn)[3]、[4]。當(dāng)生物體攝入微塑料后，微塑料就像“特洛伊木馬”一樣，將吸附的污染物輸送到組織中，增強(qiáng)了這些污染物的生物可利用性和潛在毒性[5]、[6]。然而，傳統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法——通常依賴(lài)于靜態(tài)的體外系統(tǒng)或全身負(fù)荷測(cè)量（吸收、消除和生物轉(zhuǎn)化的凈結(jié)果）——無(wú)法捕捉生物反應(yīng)的復(fù)雜性，也無(wú)法準(zhǔn)確量化微塑料相關(guān)污染物的真正生物可利用部分。這種局限性可能導(dǎo)致對(duì)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)性低估。
在全球變暖的背景下，溫度升高預(yù)計(jì)會(huì)以?xún)煞N相反的方式影響微塑料與污染物的相互作用：一方面加速變溫動(dòng)物體內(nèi)微塑料結(jié)合污染物的解吸過(guò)程，另一方面降低水生系統(tǒng)中微塑料的吸附能力[7]。盡管有這些認(rèn)識(shí)，但溫度對(duì)微塑料相關(guān)污染物生物可利用性及最終生物可利用性的機(jī)制調(diào)控仍不清楚。毒代動(dòng)力學(xué)（TK）模型是量化生物體內(nèi)外來(lái)物質(zhì)動(dòng)態(tài)的強(qiáng)大工具，可將外部暴露與內(nèi)部靶點(diǎn)濃度聯(lián)系起來(lái)[8]、[9]。因此，開(kāi)發(fā)溫度整合的TK模型對(duì)于改進(jìn)氣候變化背景下由微塑料及其相關(guān)污染物引起的復(fù)合污染的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。
在這項(xiàng)研究中，我們選擇了水生生態(tài)系統(tǒng)中常見(jiàn)的四種微塑料——聚氯乙烯（PVC）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）[10]。基于我們?cè)陂L(zhǎng)江獲得的現(xiàn)場(chǎng)吸附數(shù)據(jù)，從最初的43種塑料添加劑（PAs）和22種個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品（PCPs）中篩選出了13種在微塑料上具有高吸附量的添加劑和8種個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品（表S1）[5]。為了減少生物代謝的干擾，我們使用了來(lái)自草魚(yú)的體外腸上皮細(xì)胞模型——這種魚(yú)類(lèi)在長(zhǎng)江流域等淡水生態(tài)系統(tǒng)中分布廣泛，同時(shí)也是重要的水產(chǎn)養(yǎng)殖食用魚(yú)。利用該模型，我們開(kāi)發(fā)了一個(gè)溫度依賴(lài)的TK模型，模擬了微塑料相關(guān)污染物在15–35°C范圍內(nèi)的腸道轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。該模擬涵蓋了當(dāng)前條件（記錄的最高溫度達(dá)到32.24°C [11]）和預(yù)測(cè)的升溫情景。通過(guò)將微塑料相關(guān)污染物的體內(nèi)轉(zhuǎn)移效率（ε，通過(guò)TK建模量化）與微塑料的環(huán)境吸附能力（φ）相結(jié)合，我們系統(tǒng)地評(píng)估了溫度變化對(duì)微塑料相關(guān)污染物生物可利用性的影響。
部分內(nèi)容
樣品制備和細(xì)胞培養(yǎng)
我們從山東宏源聚合物材料有限公司購(gòu)買(mǎi)了尺寸范圍為50–110 μm的PVC、PET、PP和PE微塑料顆粒（圖S1）。這些微塑料的化學(xué)成分和表面特性通過(guò)傅里葉變換紅外（FTIR）光譜進(jìn)行了確認(rèn)，如圖S2所示。使用前，所有微塑料均浸泡在5%的硝酸中24小時(shí)，然后用超純水沖洗三次，每次8小時(shí)。選定的21種污染物（包括13種添加劑和8種個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品）的儲(chǔ)備溶液...
三室系統(tǒng)的建模
暴露系統(tǒng)中污染物濃度之間的關(guān)系遵循方程（1），其中CM(t)、Cw(t) 和 Cc(t) 分別表示微塑料負(fù)載的污染物濃度（μg/g）以及溶液和細(xì)胞中的污染物濃度（μg/L）。MM、Vw 和 Vc 分別代表系統(tǒng)中的微塑料質(zhì)量（g）、溶液體積（mL）和細(xì)胞體積（mL；計(jì)算方法見(jiàn)文本S8）�？瞻讓�(duì)照實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，細(xì)胞或溶液中未檢測(cè)到污染物...
結(jié)論
本研究通過(guò)修改和簡(jiǎn)化基于魚(yú)類(lèi)體外實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)模型，開(kāi)發(fā)了一個(gè)溫度依賴(lài)的三室（微塑料-腸液-腸上皮細(xì)胞）毒代動(dòng)力學(xué)模型，用于微塑料相關(guān)污染物。我們的研究結(jié)果表明，這些污染物的體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)主要通過(guò)微塑料到細(xì)胞的直接轉(zhuǎn)移過(guò)程發(fā)生，這一過(guò)程的溫度依賴(lài)性由轉(zhuǎn)運(yùn)的活化能決定。
環(huán)境影響
在全球變暖的情況下，溫度變化可能顯著影響微塑料與其相關(guān)污染物之間的相互作用，從而影響污染物的生物可利用性。本研究開(kāi)發(fā)了一個(gè)溫度依賴(lài)的毒代動(dòng)力學(xué)模型，闡明了溫度如何調(diào)節(jié)微塑料相關(guān)污染物從微塑料轉(zhuǎn)移到腸細(xì)胞的過(guò)程。通過(guò)結(jié)合環(huán)境吸附系數(shù)和生物轉(zhuǎn)移效率，我們提出了一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)估指標(biāo)...
作者貢獻(xiàn)聲明
張鵬：研究、數(shù)據(jù)分析。盧光華：寫(xiě)作、審稿與編輯、監(jiān)督、資金獲取、概念構(gòu)思。張樂(lè)博：寫(xiě)作、原始草稿、方法學(xué)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)整理。王新迪：寫(xiě)作、審稿與編輯。高慧子：寫(xiě)作、審稿與編輯。王敏：寫(xiě)作、審稿與編輯。孫晨濤：寫(xiě)作、審稿與編輯、概念構(gòu)思。姜潤(rùn)仁：寫(xiě)作、審稿與編輯、概念構(gòu)思。
利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文的研究結(jié)果。
致謝
本研究得到了中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)42377272、42307362）和江蘇省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)BK20230971）的資助。
