中国农业大学汪杰课题组ACS Environ. Au：使用双标记生物积累法量化土壤微塑料对疏水性有机污染物的载体效应

英文原题：

Use of a Dual-Labeled Bioaccumulation Method to Quantify Microplastic Vector Effects for Hydrophobic Organic Contaminants in Soil

通讯作者： 汪杰，中国农业大学资源与环境学院,农田土壤污染防治与修复北京市重点实验室；李俊，中国地质大学地球科学与资源学院，生物地质与环境地质国家重点实验室

作者： Jie Wang,* Jianguo Tao, Jianghao Ji, Mochen Wu, Yuanze Sun, Jun Li,* andJay Gan

中国农业大学资源与环境学院汪杰课题组 提出了一种双标记生物积累法，分别追踪了微塑料源和土壤源疏水有机污染物的生物积累过程，从而实现对微塑料载体效应的定量比较分析，有助于全面理解微塑料载体效应的过程机理和影响因素。

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微塑料是一种复杂的污染物，它具有不同的聚合物种类、尺寸和形态。其在环境中广泛，使得它们很容易被水生和陆生动物吞噬。由于其粒径小、比表面积大和疏水性强的特点，微塑料可吸附多种类型疏水性有机污染物（hydrophobic organic contaminants，HOCs）。当微塑料被动物吞噬后，其所携带的HOCs可能会在动物体内释放，从而增加污染物的积累，这一现象也被称为微塑料的载体效应。当前已有多种方法，如体外模拟、模型计算、以及动物积累实验等，来研究微塑料的载体效应，但多数研究仅能对其结果进行定性描述，如何定量微塑料载体效应仍有待研究。本文提出了一种双标记生物积累方法，即让微塑料携带同位素标记的HOCs（*HOCs），同时以常规HOCs（HOCs）制备污染土壤。此方法可模拟微塑料与土壤同时污染的场景，还可以对不同来源污染物的环境行为进行有效追踪；通过比较二者在蚯蚓体内的积累，从而定量比较不同处理下微塑料的载体效应。

研究首先评估了土壤间隙水中*HOCs和 HOCs的自由溶解态浓度 C _free 。对于大部分未标记的HOCs来说，1%微塑料处理中 C _free 要低于0.1%微塑料处理；对于标记*HOCs而言，其* C _free 显示出相反的趋势，高浓度微塑料可解析更多*HOC，使其*Cfree较高。这一结果表明微塑料不仅能作为吸附材料降低周围环境中 HOCs的生物有效性，还可以作为污染物的来源向周围环境释放污染物。

此外，HOCs和*HOCs的 C _free 在不同聚合物微塑料处理中也不相同。橡胶态的微塑料如LDPE、HDPE和PP具有较强吸附性，因此这三种微塑料处理组中HOCs的溶解浓度较低，而玻璃态的微塑料如PS、PET和PVC处理组中HOCs溶解浓度较高。对于*HOCs来说，聚乙烯等材质的微塑料内部结晶结构较少，*HOCs更容易解吸，使得其在土壤中自由溶解浓度较高。

研究测定了 HOCs和*HOCs在蚯蚓体内的积累浓度。与1% 微塑料处理组相比，低浓度微塑料处理组PCBs的生物积累浓度更高（图1）。对于*PCBs来说，高浓度微塑料处理组中蚯蚓积累浓度相对较高。如1% 微塑料处理中 PCB52-d ₃ 、PCB70-d ₃ 和 PCB101-d ₃ 的生物积累浓度要比0.1% 微塑料处理高1.9-6.2倍。同时，不同微塑料处理也导致了PCB和*PCB积累差异， LDPE 和 HDPE 处理组中 PCBs 组织浓度要低于 PVC 微塑料处理，但该处理中*PCBs的生物积累浓度要高于其他微塑料处理。对于PAHs和*PAHs来说，我们也观察到类似的现象。

图1. 不同微塑料处理中蚯蚓体内PCB和*PCBs的积累

利用生物积累动力学模型，分析了三种摄取途径（即皮肤吸收、微塑料摄取和土壤颗粒摄取）对总HOCs和*HOCs生物积累的相对贡献。皮肤吸收对低疏水性污染物的生物积累贡献相对较高，而微塑料和土壤合理摄取对高疏水性污染物的生物积累贡献较大（图2）。此外，微塑料摄入对*HOCs积累的贡献始终大于对HOCs吸收的贡献，这可能是由于微塑料上的*HOCs处于“过平衡”状态（化学物质从微塑料到肠液中的解吸量大于从溶液到颗粒上的吸附量），使得摄入微塑料与蚯蚓肠道系统之间存在逸度梯度差异而造成了摄入微塑料对生物积累的突出贡献。然而，一些HOCs从土壤颗粒中解吸到孔隙水中后又重新被微塑料吸附，微塑料上的这些HOCs处于 "欠平衡 "状态（HOCs在微塑料上的吸附速度有限）导致其对总积累量的贡献很小。因此，污染物在土壤、微塑料和孔隙水三相之间的化学转移是影响生物积累的关键，也决定了不同积累路径对污染物积累的贡献。

图2. 不同途径对污染物积累的贡献

为了比较不同微塑料的载体效应，我们使用基于土壤的生物积累系数（BSAF）和基于微塑料的生物积累系数（BSPF）来计算微塑料对污染物积累的相对贡献：

结果表明1%微塑料的处理组对大多数的HOCs具有更强的载体效应，对于聚合物材质来说，橡胶态的微塑料对污染物具有较高的载体效应；对于污染物来说，微塑料对疏水性较低的HOCs载体效应较大（图3）。我们借用了线性模型来量化它们之间的关系：

塑料浓度是造成载体效应变化的主要原因 (解释度71.4%)，其次是微塑料表面疏水性 (4.9%) 和污染物的疏水性 (4.2%)。

图3. 微塑料对污染物积累的相对贡献

图4. 不同特性对载体效应变化的贡献 (A)实验测定；(B)模型模拟。

本研究发现微塑料的载体效应主要是受微塑料浓度影响，其中聚合物的材质和污染物的疏水性也会对载体效应造成影响。此外，该方法也可用于其他污染场景中，从而更为完善的评估微塑料载体效应。

本研究得到了国家自然科学基金资助（编号：41907341）。研究的相关结果已发表于 ACS Environmental Au。