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摘要
纳米塑料作为新兴环境污染物，其生态与健康风险的核心特征之一在于其强烈的尺寸依赖性毒性。传统毒理学实验难以定量解析尺寸参数在整体毒性贡献中的权重及其内在动力学过程。本研究以不同尺寸（50 nm， 100 nm， 500 nm）的聚苯乙烯纳米塑料为模型污染物，以大型溞为受试生物，通过整合毒代动力学与毒效动力学模型，旨在定量揭示纳米塑料尺寸对其生物富集、清除、靶部位作用及最终毒效应的影响机制。毒代动力学研究显示，50 nm NPs的生物累积因子（BCF）最高（ L/kg），且其体内清除速率常数（k_e）最低（ h⁻¹），表明小尺寸颗粒更易富集且难以清除。毒效动力学模型拟合结果表明，50 nm NPs对大型溞运动抑制的半数效应浓度（EC₅₀）最低（ mg/L），且其内在效应速率常数（k_R）最高，提示其单位剂量下产生的损伤效应更强。TK-TD耦合分析进一步揭示，小尺寸NPs（50 nm）的高毒性主要源于其卓越的生物富集能力（高AUC，高C_max）与高效的靶点作用效率（低EC₅₀，高k_R）的协同放大效应。本研究通过TK-TD模型框架，实现了对纳米塑料尺寸依赖性毒性的定量归因与过程解析，为纳米污染物的精准风险评估提供了重要的方法论工具与理论依据。
关键词： 纳米塑料；尺寸依赖性毒性；毒代动力学；毒效动力学；TK-TD模型；机制解析；大型溞
1. 引言
随着塑料制品的大量生产与使用，塑料污染已成为全球性的重大环境问题。其中，尺寸小于1000纳米的纳米塑料（Nanoplastics, NPs）因其体积微小、比表面积大、易于长距离迁移并被生物体吸收，而引发日益广泛的关注。现有研究明确表明，NPs对水生生物、哺乳动物乃至人类细胞均存在潜在的毒性效应，包括诱导氧化应激、引起炎症反应、导致发育异常及神经毒性等。一个尤为突出的现象是，NPs的毒性效应呈现出显著的尺寸依赖性，即通常而言，尺寸越小的NPs，其表现出的生物毒性越强。
然而，当前对NPs尺寸依赖性毒性的认知多源于表观毒理学终点（如死亡率、生长抑制率）的观察，对于“尺寸”这一核心物理属性如何通过影响NPs在生物体内的命运（吸收、分布、代谢、排泄，即毒代动力学）及其与靶分子的相互作用效率（毒效动力学），进而决定最终毒性强度的内在机制，仍缺乏系统且定量的解析。这种机制认识的不足，严重制约了对NPs环境风险的精准预测与评估。
毒代动力学-毒效动力学模型（Toxicokinetic-Toxicodynamic, TK-TD）是环境毒理学中一种强大的数学工具。TK模型用于定量描述外源化合物在生物体内的时空浓度变化过程；TD模型则用于刻画靶部位剂量与毒效应强度之间的动态关系。将两者耦合，TK-TD模型能够将外暴露浓度与最终毒效应有机联系起来，并定量解析化合物在生物体内的ADME过程及其内在毒效强度对总体毒性的相对贡献。
基于此，本研究选取水生模式生物大型溞（Daphnia magna）为受试对象，以表面化学性质一致、仅尺寸不同的单分散聚苯乙烯纳米塑料（Polystyrene Nanoplastics, PSNPs）为模型污染物，通过设计系统的暴露实验，并结合TK-TD建模方法，旨在实现以下目标：（1）定量比较不同尺寸PSNPs在大型溞体内的富集与清除动力学参数；（2）定量评估不同尺寸PSNPs对大型溞运动抑制的毒效动力学参数；（3）通过耦合TK与TD模型，定量解析尺寸因素如何通过影响NPs的生物富集（TK过程）和靶点作用效率（TD过程），共同决定其最终毒性大小，从而从动力学角度深入揭示NPs尺寸依赖性毒性的产生机制。
2. 材料与方法
实验材料
实验所用羧基化聚苯乙烯纳米塑料（PS-COOH NPs）购自上海源叶生物科技有限公司，其标称尺寸分别为50 nm， 100 nm 和 500 nm。通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）对NPs的流体动力学直径、Zeta电位及形貌进行表征，确认其单分散性和稳定性。实验生物为实验室无菌培养的敏感品系大型溞（<24
h幼溞）。所有暴露实验均在ISO标准稀释液中进行。
毒代动力学实验
将大型溞随机分组，分别暴露于含10 mg/L 不同尺寸PSNPs的溶液中。 h， 1 h， 2 h， 4 h， 8 h， 12 h， 24 h时间点取样。同时，设置24 h暴露后的清除实验组，将暴露后的溞体转移至清洁水中，于0 h， 2 h， 4 h， 8 h， 12 h， 24 h时间点取样。每个时间点取一定数量的溞体，经消化处理后，采用热裂解-气相色谱/质谱联用（Py-GC/MS）法定量测定溞体内PSNPs的含量。
毒效动力学实验
采用急性活动抑制实验。将大型溞暴露于一系列浓度梯度（0， 5， 10， 20， 40， 80 mg/L）的不同尺寸PSNPs溶液中，持续观察48 h。记录不同时间点（如24 h和48 h）出现活动抑制（定义为在15秒内无可见活动）的溞体数量。
TK-TD模型构建与参数拟合
毒代动力学模型： 采用单室一级动力学模型描述NPs在大型溞体内的富集与清除过程。
富集阶段：dC_organism/dt = k_u * C_water - k_e * C_organism
清除阶段：dC_organism/dt = -k_e * C_organism
其中，C_organism为生物体内浓度（mg/kg），C_water为水中浓度（mg/L），k_u为吸收速率常数（L/kg/h），k_e为清除速率常数（h⁻¹）。采用非线性最小二乘法拟合k_u和k_e。计算曲线下面积（AUC）和峰值浓度（C_max）作为TK综合指标。
毒效动力学模型： 采用GUTS（通用统一生存模型）中的简化耐受分布模型（Stochastic Death, SD）。
效应速率：dD/dt = k_k * (C_organism - D) [当C_organism > D]
危害率：H = k_k * max(0, C_organism - D)
累积生存概率：S(t) = exp(-∫H dt)
其中，D为阈值剂量（mg/kg），k_k为损伤修复速率常数（h⁻¹），模型中内在地包含了半数效应浓度（EC₅₀）和效应速率常数（k_R）等参数。利用Morse等（2018）所述方法，将活动抑制数据拟合至GUTS-SD模型，估算EC₅₀和k_R等TD参数。
统计分析
采用单因素方差分析（One-way ANOVA）比较不同尺寸NPs组间TK、TD参数的差异，若存在显著性（P < ），则进一步采用Tukey HSD检验进行事后多重比较。所有数据分析与模型拟合均在R语言（）中完成。
3. 结果
纳米塑料表征
DLS结果显示，± nm， ± nm， ± nm，多分散指数（PDI），表明颗粒单分散性良好。Zeta电位均在-40 mV至-50 mV范围内，表明颗粒在实验介质中稳定性良好。
毒代动力学结果
TK模型能很好地拟合不同尺寸PSNPs在大型溞体内的富集与清除动力学数据（R² > ）。如表1所示，PSNPs的生物累积动力学参数呈现明显的尺寸依赖性。50 nm PSNPs的吸收速率常数k_u最高，清除速率常数k_e最低，导致其生物累积因子BCF（= k_u / k_e）和AUC均显著高于100 nm和500 nm PSNPs（P < ）。100 nm PSNPs的TK参数介于50 nm和500 nm之间。500 nm PSNPs的k_u最低，k_e相对较高，其BCF和AUC均显著最小。
表1 不同尺寸纳米塑料在大型溞体内的毒代动力学参数（均值±标准差）
| 参数 | 单位 | 50 nm PSNPs | 100 nm PSNPs | 500 nm PSNPs |
| :———– | :—— | :————— | :————— | :————— |
| 吸收速率常数 (k_u) | L/kg/h | ± a | ± b | ± c |
| 清除速率常数 (k_e) | h⁻¹ | ± c | ± b | ± a |
| 生物累积因子 (BCF) | L/kg | ± a | ± b | ± c |
| AUC (0-24h) | mg·h/L | ± a | ± b | ± c |
| 峰值浓度 (C_max) | mg/kg | ± a | ± b | ± c |
注：同行不同字母表示不同尺寸组间参数存在显著差异（P < ）。
毒效动力学结果
GUTS-SD模型能较好地拟合不同尺寸PSNPs对大型溞的运动抑制毒性数据（R² > ）。毒效动力学参数同样表现出显著的尺寸依赖性（表2）。50 nm PSNPs的EC₅₀值最低，表明其产生相同效应（50%活动抑制）所需的内剂量最低，即内在毒性最强。同时，其效应速率常数k_R最高，提示其单位剂量下对生物体造成损伤的速率最快。100 nm和500 nm PSNPs的EC₅₀值依次升高，k_R值依次降低。
表2 不同尺寸纳米塑料对大型溞运动抑制的毒效动力学参数（均值±标准差）
| 参数 | 单位 | 50 nm PSNPs | 100 nm PSNPs | 500 nm PSNPs |
| :————— | :—— | :————— | :————— | :————— |
| 半数效应浓度 (EC₅₀) | mg/kg | ± c | ± b | ± a |
| 效应速率常数 (k_R) | (mg/kg)⁻¹h⁻¹ | ± a | ± b | ± c |
| 阈值剂量 (D) | mg/kg | ± | ± | ± |
TK-TD耦合分析
将TK与TD参数结合分析发现，小尺寸PSNPs（50 nm）的高表观毒性是其卓越的TK特性（高富集、难清除）与高效的TD特性（低EC₅₀，高k_R）协同作用的结果。高k_u和低k_e导致其在靶位点能更快达到并维持更高的内剂量（高C_max， 高AUC），而低EC₅₀和高k_R意味着该内剂量能更有效地转化为生物损伤。对于500 nm PSNPs，其较低的生物可利用性（低k_u）和较弱的内在毒效（高EC₅₀，低k_R）共同导致其表观毒性最低。
4. 讨论
本研究通过TK-TD模型定量解析了纳米塑料尺寸依赖性毒性的内在机制。结果表明，尺寸减小从TK和TD两个层面显著增强了NPs的生物效应。
在TK过程中，小尺寸NPs（50 nm）更高的比表面积可能有利于其与生物膜的作用，使其更易被大型溞通过滤食等途径摄入（高k_u）。同时，较小的尺寸可能使其更容易穿过生物屏障并在组织间分布，也可能更难被生物体的清除机制（如细胞吞噬、排泄系统）有效识别和移除（低k_e），从而导致其在体内大量蓄积（高BCF，高AUC）。Ashraf (2019) 等的研究也支持小尺寸颗粒在生物体内滞留时间更长的观点。
在TD过程中，小尺寸NPs巨大的比表面积使其单位质量内具有更多的反应活性位点，可能更易与生物大分子（如蛋白质、脂质）发生作用，诱发更强的氧化应激、膜损伤等（低EC₅₀）。此外，小尺寸可能有利于NPs进入细胞或亚细胞结构，直接干扰更关键的生理过程，从而导致损伤速率加快（高k_R）。Schür (2021) 的研究发现，小尺寸PSNPs能更有效地诱导线粒体功能障碍，这与本研究发现的k_R增高现象相吻合。
TK-TD耦合模型的价值在于，它将表观毒性（如LC₅₀）分解为可量化的动力学过程参数。本研究发现，对于50 nm PSNPs，其高毒性是“高内暴露剂量”和“高单位剂量毒性效力”共同放大的结果。这提示，在评估NPs风险时，仅考虑外暴露浓度或单一的内剂量是不够的，必须综合考虑其生物动力学命运和内在毒效强度。本研究建立的TK-TD框架为实现这一目标提供了可行路径。
5. 结论
本研究成功应用TK-TD模型定量揭示了纳米塑料尺寸依赖性毒性的动力学机制。主要结论如下：
1. 尺寸减小（从500 nm至50 nm）显著增强了PSNPs在大型溞体内的生物富集能力（表现为k_u增加，k_e降低，BCF和AUC增高）。
2. 尺寸减小显著提升了PSNPs的内在毒效强度（表现为EC₅₀降低，k_R增高）。
3. TK-TD耦合分析表明，小尺寸纳米塑料的高表观毒性源于其卓越的生物富集特性与高效的靶点作用效率的协同效应。
本研究证实，TK-TD模型是解析纳米污染物尺寸等物理属性毒性影响机制的有力工具，有助于推动纳米毒理学研究从现象观察向机制定量和预测方向发展，为纳米塑料的环境风险评估提供更为科学的依据。未来研究可进一步将模型应用于更复杂的多因素场景（如老化NPs、混合暴露等）。