一年66万粒微塑料进入婴儿体内,奶嘴蒸汽消毒释放大量微塑料

2021
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生物世界
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微塑料,泛指直径小于5mm的塑料颗粒,是当前国际上重点关注的新污染物之一

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微塑料 ,泛指直径小于5mm的塑料颗粒,是当前国际上重点关注的新污染物之一;海洋微塑料污染被第二届联合国环境大会 (2016) 列为与全球气候变化、臭氧耗竭、海洋酸化等并列的重大全球环境问题,其潜在环境与健康风险备受瞩目。当前研究主要集中于石油基热塑性材料 (如聚乙烯、聚苯乙烯等塑料) ,对合成橡胶类 (被环境科学家归为塑料) 关注较少。 硅橡胶 是一种重要的合成橡胶,因其耐热性高,常用于制造需在高温、高湿环境中使用 (例如消毒、蒸煮) 的产品,例如婴儿奶嘴、烘焙模具和密封圈等。但是这些产品在反复经受水热作用下是否老化而释放出微米甚至纳米级别的塑料颗粒 (统称为微纳塑料) 却未被重视,主要原因是缺乏有效的表征手段。 近日,南京大学 季荣 教授与美国麻省大学 邢宝山 教授作为共同通讯作者 (南京大学苏宇副研究员为第一作者) ,在 Nature Nanotechnology 期刊发表了题为: A lysosome-targeted DNA nanodevice selectively targets macrophages to attenuate tumours 的研究论文。 该研究利用世界先进的 mIRage O-PTIR 显微光谱仪,建立了 (微) 塑料表面亚微米尺度化学变化表征方法,发现了 硅橡胶婴儿奶嘴主成分 (聚二甲基硅氧烷,PDMS) 及树脂添加剂 (聚酰胺,PA) 在经过蒸汽消毒 (100℃) 时表面发生降解并释放出微纳塑料颗粒。 通过O-PTIR成像,作者统计了奶嘴消毒过程中PDMS降解产生的1.5μm以上塑料颗粒数量,并估算出正常奶瓶喂养一年进入婴儿体内的该类微塑料总量约为 66万颗 ,比此前文献报道的儿童从空气、水和食物中摄入的热塑性微塑料数量之和高出一个数量级;假如这些微塑料全部被排入环境,全球平均排放量可能高达 5.2万亿个/年 。这些结果表明 硅橡胶奶嘴消毒产生的颗粒物是儿童体内和环境中微纳塑料的重要来源25911637104634921 30811637104635102 

图1. 硅橡胶奶嘴蒸汽消毒过程中两类微纳塑料颗粒的生成、婴儿暴露及环境排放量估算 

研究团队通过对比分析四个国际主流品牌奶嘴产品在蒸汽消毒前后表面形貌及分子结构的变化,首先证实了蒸汽消毒引起硅橡胶老化具有普遍性。通过对代表性产品蒸汽处理不同时间后,采集其表面的光学显微图像、红外吸收光谱及图像 (图2) ,实现了硅橡胶表面同一微区两类聚合物 (PDMS和PA) 降解过程可视化。在消毒开始后10 h内,蒸汽从硅橡胶表面缺陷位置渗入,使得表层PDMS聚合物膨胀鼓出 (高度>5 μm) 形成侵蚀面;伴随PDMS分子水解、氧化,侵蚀面开裂、凹陷 (深度>5μm) ,部分脱落;同时,伴随PA分子断裂、氧化,树脂颗粒发生迁移、脱落和缩小。 74461637104635240 

图2. 硅橡胶奶嘴蒸汽消毒不同时间后,表面聚合物的光学显微图像(a)、标记位点IR吸收光谱(b)、以及红外图像(c)的变化。

图中白色和黄色线框区域分别显示了PDMS上侵蚀面的形成和PA树脂的降解过程。 根据消毒后奶嘴清洗液中单个颗粒物的显微图像和红外吸收光谱 (图3) ,作者揭示了硅橡胶表面聚合物 (PDMS和PA) 降解生成两类微纳塑料的结构特征,并在单颗粒水平上表征了微塑料的降解转化动态过程 (图4) 。PDMS和PA水热降解后分别生成了薄片状、含聚硅氧烷的塑料颗粒 (0.6-332μm;其中<10μm的颗粒物约占80%) 及油状、含聚酰亚胺的塑料颗粒 (0.7-10μm) 。其中,PDMS衍生的微塑料经蒸汽处理后,其表面聚硅氧烷含量和分布发生明显变化,意味着该类微塑料可能受热降解生成更小的颗粒。 81381637104635364

图3. 硅橡胶奶嘴经蒸汽消毒释放出的两类微纳塑料结构特征。

(a)和(b)分别为PDMS和PA衍生的>1.5  μm微塑料的光学显微和SEM图像;(c)和(d)分别为<1.5  μm微纳塑料的可见激光、IR及其叠加图像 66741637104635473 

图4. PDMS衍生微塑料在蒸汽作用下降解转化的单颗粒表征。(a)光学显微图像;(b)为黄色方框区域的亚微米分辨IR图像。

 综上所述,研究团队成功应用O-PTIR显微光谱技术揭示了硅橡胶奶嘴在蒸汽消毒过程中生成含有环状/支化聚硅氧烷或聚酰亚胺微纳塑料的过程及机制,发现了一个曾被忽视但重要的人体及环境中微纳塑料的来源。 该工作对未来研究有三点启示: 

1、与婴儿奶嘴类似,其他硅橡胶基消费品 (如烘焙模具、可折叠电热壶、杯子和电饭煲中的密封圈等) 在加热条件下 (≥100 ℃) 也会产生老化,应注意这些产品使用过程中微纳塑料的释放; 

2、硅橡胶产品因水热降解释放出的微纳塑料表面性质异于原始聚合物材料 (PDMS和PA) ,考虑到光谱法检测微塑料时需与标准原始聚合物谱图进行比对,这种差异会对环境样品中该类塑料颗粒的识别产生影响,进而可能低估其真实污染水平;

 3、原始聚合物材料 (PDMS和PA) 的毒性不能真实反映其衍生微纳塑料的毒性,需要进一步研究含有环状/支化聚硅氧烷或聚酰亚胺、活性表面的微纳塑料对环境和人类健康的影响。 

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41565-021-00998-x     

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关键词:
消毒,塑料,蒸汽,硅橡胶,奶嘴

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