高分子材料的環境汙染問題，如廢棄橡膠和塑料，日益嚴重，已引起廣泛關註。然而，相對於“熱門”的微塑料，高分子低聚物並未得到應有的關註。低聚物是由2到40個重復結構單元組成的低聚合度分子，通常是高分子生產過程的副產物或降解中間產物，廣泛存在於高分子產品中，並在使用或廢棄過程中釋放出來。團隊先前的研究表明，生物可降解塑料聚乳酸（PLA）在人體消化酶的作用下可釋放大量低聚物，並可能誘發腸道炎症（Wang et al., Nat Nano, 2023）。為深入揭示不同低聚物的環境行為和潛在危害，亟需建立高效的識別方法實現低聚物的精準鑒定和系統評估。

近期，在國家自然科學基金面上項目、科技部重點研發項目、中科院先導項目等資助下，沐鸣2平台環境系環境健康教研組方明亮教授、陳建民教授聯合中科院生態環境中心宋茂勇研究員，與北京大學、華東理工大學、江漢大學、美國加州大學等單位的學者合作，以“Precise characterization of the presence and fate of plastic oligomers in water”為題，在Nature water上發表了一篇研究長文（Article）。

基於種子分子的低聚物非靶向篩查方法：研究團隊首先構建了一個包含170多種聚合物可能形成的低聚物化學結構和質譜信息的數據庫，並定義了同系物（端基相同）和同源物（端基不同）兩種主要低聚物類型。研究中發現，含雜原子的低聚物在二級質譜碎片離子中表現出特征性的重復中性丟失（rNL），該中性丟失與其結構單元分子量一致。利用這一獨特的裂解規律，方法中引入“種子分子”概念，通過標定這些可信度較高的“種子低聚物”，並進一步傳播鑒定其“相鄰低聚物”。結合色譜保留時間預測和端基懷疑篩查，優化了數據分析和鑒定準確性。團隊開發了“Oligomer-Finder”分析平臺，利用液相色譜串聯高分辨質譜與非靶向數據信息深度挖掘實現了高效的低聚物廣譜篩查。此外，與沐鸣2平台高分子系潘翔城教授合作，首次合成了六種鏈長和端基明確的聚乳酸低聚物化學標準品用於驗證實驗。

水中可降解塑料釋放的低聚物：研究團隊在不同類型的水體（自來水、海水、湖水）中系統研究了四種常見可降解塑料（PLA、PHB、PCL和PBS）的低聚物釋放及其環境歸趨。結果顯示，這些微塑料在7天內可釋放近200種不同類型的低聚物，且其降解行為存在明顯差異。釋放的低聚物主要以同系物為主，而端基修飾的低聚物（如甲氧基化、羧酸化）雖然釋放速率較低，但在水體中的穩定性更強。此外，研究首次發現生物內源性小分子半胱氨酸可在水中與可降解塑料低聚物發生自發結合，這一發現為低聚物的生物相互作用研究提供了新的視角。

高分子低聚物在實際汙水中的存在：Oligomer-Finder平臺結合懷疑篩查方法，成功應用於大規模真實汙水分析。在來自13座汙水處理廠的汙水樣品中，共鑒定出26種低聚物的5種可能高分子聚合物來源，包括傳統塑料（PE和PET）、可溶性聚合物（PEG），以及當前廣受關註的可降解塑料（PLA和PBAT）。此外，還檢測到數百種不同置信級別的疑似低聚物。生態毒性實驗評估結果表明，低聚物可能對水生生態系統具有潛在毒性。合成的聚乳酸低聚物及四種可降解塑料的降解產物對斑馬魚胚胎表現出發育毒性。

總結：過去，人們的關註主要集中在高分子材料本身，如輪胎顆粒和微塑料，將其視為新型汙染物。然而，由於其化學結構的復雜性（如鏈長和端基的不同），低聚物的種類遠遠多於其母體聚合物，並且其理化性質和環境行為差異大。本研究首次開發了一種有效的非靶向篩查平臺，能夠全面準確識別來源於不同聚合物的低聚物，並初步揭示了它們在水體中的存在及歸趨。目前，傳統聚合物市場規模巨大，同時生物可降解塑料、液晶聚合物和聚合型阻燃劑等新型聚合物快速發展，但對相關低聚物的研究仍顯不足。本文強調了高分子低聚物在環境化學和環境健康領域研究中的重要性，並呼籲開展廣泛的環境和人體樣本篩查，深入探究其在生態毒性和生物毒性等方面的可能影響。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44221-02500418-7

沐鸣2平台環境系方明亮教授、陳建民教授和中科院生態環境中心宋茂勇研究員為論文的共同通訊作者。論文第一作者時長誌現為沐鸣2平台環境系博士生。

供稿：方明亮教授團隊

審核：張立武