模拟胃肠液中微塑料负载重金属的解吸行为及机制研究

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微塑料(Microplastics,MPs)目前广泛存在于自然环境中,易与环境中重金属等污染物发生相互作用。携带重金属的MPs被生物体摄食进入胃肠道系统后,会引发复杂的毒性效应,增加生物健康风险。因此探究胃肠道内MPs负载重金属的释放对评价MPs的健康风险具有重要意义。本文选用聚酰胺(PA)、聚氯乙烯(PVC)作为MPs的代表,探究MPs对三种典型重金属离子铅(Pb(Ⅱ))、铬(Cr(Ⅲ))、镉(Cd(Ⅱ))的吸附行为,并探讨MPs负载重金属在模拟胃肠道中的解吸行为、解吸影响因素与内在机制,为揭示MPs和重金属的复合环境效应和毒理效应提供基础数据。胃肠道环境中MPs对重金属的吸附结果表明,PA和PVC对Pb(II)的吸附能力显著强于Cd(Ⅱ)和Cr(Ⅲ),吸附过程符合准一级吸附动力学模型和Langmuir吸附等温线模型,MPs对重金属吸附为静电吸附作用。模拟胃肠液解吸实验表明,MPs负载的三种重金属在含酶胃肠液的解吸显著高于无酶胃肠液和水,且Pb(Ⅱ)更易在模拟胃肠液中解吸。在胃肠道连续解吸实验中,仅发现Cr(Ⅲ)在唾液中发生少量解吸;Cr(Ⅲ)在进入肠相后解吸量增加,而负载Pb(Ⅱ)的MPs进入肠相后解吸量降低。通过探究p H、离子强度、三种消化酶(胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰脂肪酶浓度)对解吸行为的影响,发现强酸条件会促进重金属解吸,消化酶对解吸的促进作用更加显著。为深入探究MPs负载的重金属在胃肠液中的解吸机制,本文采用分子动力学模拟吸附解吸过程。研究发现解吸过程中消化酶主要通过范德华力和氢键与MPs发生相互作用,竞争MPs表面吸附位点或改变MPs表面电性,从而促进重金属解吸。消化酶与MPs发生相互作用的过程中,消化酶二级结构发生变化,消化酶的氨基酸残基发生电子跃迁且残基微环境发生改变。
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