微纳塑料对水生态系统与水质安全的威胁

微（纳）塑料（MNPs）在全球水体中广泛存在，虽然本身不是传统意义上的污染物，却通过破坏生物地球化学循环、传播病原体以及与新型污染物相互作用，间接威胁水质安全。

在此，新南威尔士大学倪丙杰教授联合悉尼科技大学魏薇深入探讨了MNPs如何影响养分的固定、关键元素的吸附及微生物功能，从而干扰水体中的碳、氮、磷、硫等重要元素循环。同时，MNPs还可作为病原体的载体，增加传播风险，对水生生态系统和人类健康构成潜在威胁。此外，MNPs与新型污染物的协同作用会增强污染物的持久性和生物可利用性，加剧水质安全问题。因此，作者提出评估MNPs影响的科学方法，并建议建立相关监管机制以减缓其间接危害。在面对复杂多变的环境条件时，高级水处理技术、模块化控制手段和预警系统尤为关键。要有效应对MNPs带来的挑战，必须通过科研、技术创新与政策协同，构建全面的水质保护体系。相关成果以“The threats of micro- and nanoplastics to aquatic ecosystems and water health”为题发表在《Nature Water》上，第一作者为Xuran Liu。

倪丙杰教授和魏薇

早期关于MNPs的研究多聚焦于其物理存在与摄入风险，如被水生生物误食后造成的营养障碍与死亡等。而近年来，研究视角正快速拓展至其与微生物群落、污染物之间复杂而动态的交互作用，揭示了MNPs对水生态系统更为深远的间接影响。正如图2所示，研究已从可见污染逐步延伸到微观的元素循环干扰和微生物群落改变。在全球范围内，MNPs通过工业排放、农业残留、城市地表径流、塑料垃圾降解等多种途径进入水体，其浓度从湖泊中的每升1.7到8.5个颗粒，到海洋年输入高达12.7百万吨不等（图1，2）。这些塑料颗粒不仅难以自然降解，还具备高比表面积与亲疏水表面特性，使其能高效吸附无机离子、有机污染物及微生物分泌物，进而参与并扰乱生物地球化学过程。

图1：水资源中MNP的来源，传输和潜在的年通量。

图 2：MNP 对水安全从直接间接影响到更微妙的间接影响的简史

MNP影响生物元素的生物地球化学循环

在水体中，MNPs通过提供生物膜附着表面、吸附关键元素、干扰微生物转化过程，全面扰乱碳、氮、硫与磷等生源要素的自然循环（图3）。首先，MNPs表面的分级氢键与官能团提供了优越的吸附位点，使得大量营养盐（如氮、磷）在塑料表面富集，从而影响水体中藻类、浮游动物等初级生产者的养分获取。例如研究发现，大尺寸的聚苯乙烯颗粒会阻碍藻类的光合作用，而小尺寸NPs则能穿透细胞壁直接干扰细胞功能。甚至在不同营养条件下，MNPs对硝酸盐的吸收行为还表现出“马太效应”，在富营养状态下促进吸收，而在贫营养状态下则抑制转化。其次，MNPs对氮循环的干扰尤为显著。其通过释放活性氧破坏微生物代谢、扰乱硝化与反硝化基因表达，进而改变微生物群落组成。研究显示，在特定条件下，MNPs甚至能显著促进或抑制反硝化过程，导致氮素失衡。再者，MNPs对硫循环的干扰体现在增强硫酸盐还原菌（SRB）活性，改变硫同位素组成，甚至通过形成还原微环境，促进有机硫分解。类似机制也适用于磷循环：MNPs既可吸附磷限制其生物利用，又能在厌氧条件下促进磷释放，加剧富营养化风险。更重要的是，这些元素循环并非孤立进行，而是高度耦合。MNPs通过扰动碳-氮-硫-磷的协同转化，可能造成生态级联效应，例如初级生产力下降、食物网紊乱与“死亡区”形成等。

图 3：MNP 对水中生物元素生物转化的影响

MNP对病原体迁移和传播的影响

MNPs不仅能吸附营养盐，更成为细菌、真菌、病毒等微生物群落的“漂浮家园”。如图4所示，塑料颗粒表面形成的“塑圈”具有高度生物多样性，甚至优于天然基底。研究发现，在MNPs附着的微生物中，细菌类群如变形菌门、放线菌、酸杆菌占据主导，常见致病菌包括沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等，其数量可达周围水体的100-5000倍。真菌、原生动物和病毒（如Myoviridae、Siphoviridae）同样可以在MNPs上大量富集，特别是病毒，还可能携带抗生素抗性基因（ARGs），在水体中进行“基因漂移”。此外，MNPs本身的物理化学性质会影响病原体的附着能力与存活率。例如，较高的疏水性、带羧基的表面、粗糙度增加及尺寸减小，都会提升微生物的附着与定殖效率。而环境变量如温度、盐度、pH等，则进一步调节这种吸附关系。最终结果是，MNPs借助水流、浮游生物摄食与沉积再悬浮等途径，实现了病原体的长距离传播，甚至通过贝类进入食物链，间接威胁人类健康。

图 4：MNP 对病原体在水中定植和迁移的影响

MNP作为新兴污染物的载体

MNPs还承担着“新兴污染物载体”的角色。如图5所示，研究已在MNPs上检测到多种药物残留、个人护理品（PPCPs）、工业化学品（如PAHs、PCBs、PBDEs、双酚A）等，其浓度可达环境水体的10⁴-10⁶倍。MNPs对这些污染物的吸附机制复杂多样，涵盖了疏水作用、氢键、静电作用、π–π堆积与范德华力等。具体表现则受MNPs的粒径、官能团、表面氧化程度及水体条件（pH、盐度、温度）的影响。例如，非极性的PE、PP偏好吸附疏水性污染物，而老化后的MNPs则更易吸附亲水性药物，如阿莫西林、甲氧苄氨嘧啶等。值得注意的是，这些污染物一旦进入生物体，往往表现出“特洛伊木马效应”：MNPs将污染物带入细胞，使其生物利用度和毒性显著提升，加剧对藻类、贝类等水生生物的损害，最终沿食物链危及人类健康。

图 5：MNP 作为水中新兴污染物的载体

MNP对水的间接影响和模块化监管策略

面对MNPs的“间接污染矩阵”，作者提出了多模块调控策略（图6）：源头减排：开发易降解、低吸附、高排斥污染物的新型塑料，如引入生物酶、光敏添加剂或抗污染涂层，减少MNPs生成与负载；末端拦截：在水处理环节引入膜过滤、凝聚沉淀、吸附捕集等技术，提高MNPs及其伴随污染物的去除率；自然净化：利用湿地、沉水植物（如狐尾藻）等生态系统进行大尺度拦截，兼顾去除微塑料与富营养盐；实时监测：推动高灵敏度现场检测技术与AI模型预测系统，构建早期预警机制；政策响应：在法规层面制定MNPs限值、完善水质标准、推动全生命周期管控，构建“从塑料设计到废弃管理”的闭环治理体系。

图 6：MNP 对水质间接影响的综合干扰和调节

来源：高分子科学前沿

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