海洋和淡水系统中纳米塑料生态毒理学数据的Meta-Analysis - 海洋微塑料对生态影响评估

第一作者：羊童

通讯作者：Bernd Nowack

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通讯单位：Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA)

论文DOI：https://doi.org/10.1002/etc.4887

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成果简介

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近日，瑞士联邦材料试验和科研研究所Bernd Nowack 团队在环境毒理学领域期刊Environmental Toxicology and Chemistry 发表了题为 “A Meta‐analysis of Ecotoxicological Hazard Data for Nanoplastics in Marine and Freshwater Systems”的研究论文。该研究分析、挖掘了纳米塑料在海洋和淡水环境中的生态毒理学数据。与其他纳米材料以及微塑料的毒性做了对比。

全文速览

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随着人们越来越关注微塑料、纳米塑料在环境中对健康和环境的潜在影响，系统地评估其环境风险变得非常重要。根据现有的生态毒理学1数据，我们可以对淡水和海洋系统中的纳米塑料进行危害评估（Hazard Assessment）。基于概率物种敏感度分布（PSSD）的构建，我们提出了对纳米塑料生态毒性的全面的、最新的理解。此研究根据不同的数据质量构建了不同的淡水和海洋数据集，并且对于每个数据集，都针对基于纳米塑料的质量和颗粒数的浓度建立了PSSD。从PSSD中可以提取预测的无效应浓度（PNEC）作为对环境危害分析的阈值。在去除了叠氮化钠（NaN3）存在下测得的数据后，我们报告了淡水和海洋数据集的PNEC分别为99和72 μg L–1，其中NaN3认为是纳米塑料生态毒性测试中的主要干扰因素。通过比较PNEC，我们发现纳米塑料的毒性小于微塑料和许多人造纳米材料。此外，本研究还统计纳米塑料的大小和聚合物类型对其环境毒性的影响。

引言

塑料污染作为一种难以消除的环境污染正在受到广泛的关注，学界对于微塑料（microplastics）的取样、富集、描述和风险研究有了长足的进步。作为比微塑料更小的纳米塑料（nanoplastics），相关研究仍然处于起步阶段。在生态毒理学实验方面，研究数量快速增长，但是在纳米塑料的取样、环境浓度描述等方面进展较小。本研究旨在总结和汇总分析已有的生态毒理学数据，构建基于概率物种敏感度分布（PSSD）得到纳米塑料环境毒性的全面描述，为日后纳米塑料的环境风险评价打下基础。

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图文导读

图1 所示的概率物种敏感度分布PSSD基于淡水环境中纳米塑料生态毒理学数据全集构造：（A）为浓度（mass-based）PSSD, (B)为数量（particle number-based）PSSD。Q= quantile; NOEC = no‐observed‐effect concentration; Q = quantile (e.g., Q25 = 25th quantile); 不同颜色数据点代表不同种类聚合物

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PSSD模型基于欧盟化学管理局（ECHA）负责管理的《关于化学品注册、评估、许可和限制法案》。此法案是欧洲联盟关于进入欧盟市场的所有化学品强制要求注册、评估和许可并实施安全监控所制定的法令规范，于2007年6月1日生效。Bernd Nowack 团队开发并不断改进了PSSD模型，基于PSSD模型在期刊上发表多篇纳米材料和微塑料的毒理学危害及风险分析文章详见参考文献。

PSSD模型通过 Monte-Carlo 模拟将不同实验室之间对同一物种生态毒理学实验的差距考虑在其中。从而构建了一个能直观地描述污染物对特定生态系统中物种的影响分布。图1中同一物种的毒理数据排布在同一水平线上，不同物种的排序由种间毒理数据的几何平均值决定。从下到上，物种对纳米塑料的耐受度/敏感度逐渐上升（NOEC上升）。

在去掉含有NaN3的数据点后，此更可信的数据子集的PSSD也相应变化，如图二所示。

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图2 所示的概率物种敏感度分布PSSD基于淡水环境中纳米塑料生态毒理学数据子集构造（去掉NaN3 数据后）：（A）为浓度（mass-based）PSSD, (B)为数量（particle number-based）PSSD。Q= quantile; NOEC = no‐observed‐effect concentration; Q = quantile (e.g., Q25 = 25th quantile); 不同颜色数据点代表不同种类聚合物

根据REACH 法案的指导，我们通过提取PSSD的5%（5th percentile）分布作为PNEC（预测无影响浓度）分布，与其它已发表的纳米材料，微塑料的PNEC作对比，可得到如图3所示的对比图。PNEC对数浓度越高表示此污染物危害程度较小。

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图三PNEC对比. ENM = engineered nanomaterials (Coll et al. 2016); NBMs = nano‐biomaterials (Hauser et al. 2019); Plastics‐Others = 其他塑料危害分析文章; Plastic‐Present = 本文不同子集; HONEC = highest‐observed‐no‐effect concentration; PS = polystyrene; E/LC50 = median effect/lethal concentration; LOEC = lowest‐observed‐effect concentration; NOEC =no‐observed‐effect concentration.

小结

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1. 基于概率物种敏感度分布（PSSD）的构建，我们提出了对纳米塑料生态毒性的全面、最新的理解

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2. 纳米塑料毒性小于大多数纳米材料以及微塑料的毒性。由于纳米塑料的环境浓度未知，纳米塑料的环境风险仍无法评价。

3. 纳米塑料的尺寸对其危害性无显著影响，PS聚苯乙烯纳米塑料比其它被试纳米塑料危害显著更高（具体请参考原文）

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参考文献

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Adam V, Yang T, Nowack B. 2019. Toward an ecotoxicological risk assessment of microplastics: Comparison of available hazard and exposure data in freshwaters. Environ Toxicol Chem 38:436–447.

Coll C, Notter D, Gottschalk F, Sun T, Som C, Nowack B. 2016. Probabilistic environmental risk assessment of five nanomaterials (nano‐TiO2, nano‐Ag, nano‐ZnO, CNT, and fullerenes). Nanotoxicology 10:436–444.

European Chemicals Agency. 2008. Guidance on information requirements and chemical safety assessment. Helsinki, Finland.

8 _- {& F U9 {

Gottschalk F, Nowack B. 2013. A probabilistic method for species sensitivity distributions taking into account the inherent uncertainty and variability of effects to estimate environmental risk. Integr Environ Assess Manag 9:79–86.

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Yang, Tong, and Bernd Nowack. "A Meta‐analysis of Ecotoxicological Hazard Data for Nanoplastics in Marine and Freshwater Systems." Environmental Toxicology and Chemistry (2020).

主要作者介绍

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第一作者：羊童， 本科毕业于中国人民大学环境学院，获得苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）环境科学硕士学位，现为瑞士联邦材料试验和科研研究所（EMPA）博士生，导师为Bernd Nowack 教授。研究方向为微塑料、纳米塑料的环境影响分析。在Environmental Science & Technology、Environmental Toxicology & Chemistry 上发表SCI 论文。联系邮箱： tong.yang@empa.ch

通讯作者：Bernd Nowack, 博士， 苏黎世联邦理工学院环境学院教授，NanoImpact (IF=5.48)主编。“The World’s most influential scientific minds 2014” from the Web of Science in the category “Environmental Sciences/Ecology”。连续多年获得Web of Science高被引作者。总被引数27612，h-index=77 (Google Scholar)。主要研究方向为纳米材料和微塑料的环境过程模拟以及环境风险评价。联系方式：nowack@empa.ch

机构介绍

瑞士联邦材料试验和科研研究所 (EMPA) 作为瑞士联邦技术学院（ETH）的一部分，是从事材料科学和技术的跨学科研究机构。它在纳米结构材料和表面、环境技术、能源技术、可持续性楼宇技术、生物技术和医疗技术领域为工业和社会开发解决方案。与工业界合作伙伴以及分离出的独立子公司一起，研究所实现了其科研成果的市场转化，从而为增强瑞士经济的竞争力作出了贡献。同时，它也为社会可持续发展提供了科学基础。

研究所从1880年起就开始为政府机构的政治决策提供基础数据，并受联邦政府部门的委托开展社会研究。研究所目前拥有1000名员工，其中包括30名教授、约200名博士研究生和40名培训生。另外还有约200名本硕学生以及实习生。此外，研究所还有众多与工业界科研人员合作的研究项目及约300个获瑞士国家基金会(SNSF)、瑞士技术创新委员会(CTI)和欧盟框架计划资助的项目。