瓶子里的水,放一天后为什么有味道?

环球科学 2022/11/4 14:35:14 责编:远生

图片来源:rkron / flickr

我还是先放下了手头的活儿,把桌上的塑料饭盒和塑料杯,好好洗了一下。虽然没有洁癖,但这 2 位科学家还是让我把平时没有留意的边边角角都清理了一番。最后还用清水冲洗了很多遍,但我依然不知道究竟有没有洗干净。

在 1967 年的电影《毕业生》中,有这样一个场景:在麦奎尔先生(Mr. McGuire)询问本杰明・布拉多克(Benjamin Braddock)有关大学毕业后的想法时,本杰明表现得很不耐烦,于是麦奎尔先生只对他说了一个词:“塑料。”本杰明并不明白这是什么意思,麦奎尔先生解释道:“塑料行业在蓬勃发展,前景广阔。”

这在 20 世纪时的确如此。1999 年,美国《时代周刊》在评选 20 世纪最具影响力的人物时,从众多化学家中选出了被誉为“塑料之父”的利奥・贝克兰(Leo Baekeland)。

1907 年,贝克兰在试图研发一种绝缘材料的过程中,制备出了有史以来第一种全合成塑料。他发现把苯酚和甲醛在少量碱(催化剂)的存在下加热,能生成一种可熔化、可溶解的固体。随后在这种固体中加入木屑等填料,再放在铁制设备中加热加压,就意外制成了一种牢固的成型产品。这就是后来被广泛使用的酚醛树脂。

从此,塑料的时代正式开启,后来者居上的聚乙烯更是在 20 世纪 50 年代左右开始“雄霸世界”。1965 年,由瑞典一家名为“Celloplast”的公司开发的聚乙烯购物袋登上历史舞台,后来很快就在欧洲流行起来,并逐渐取代了布袋和纸袋。随后,这种塑料袋也走向了世界的其他国家,改变了人类的生活。

图片来源:Patty Ho / wikimedia, CC-BY-2.0

但贝克兰和发明聚乙烯的英国科学家埃里克・福西特(Eric Fawcett)、雷金纳德・吉布森(Reginald Gibson)没有预料到的是,在迈入 21 世纪后,塑料的身份却发生了极大的转变:塑料变成了地球“杀手”。根据世界自然基金会(WWF)的数据,上个世纪使用的塑料可能至今仍存在于地球上,科学家估计塑料袋要花 20 年的时间才能完成分解,而塑料瓶和塑料杯则要用 450 年左右的时间。

尽管自 2002 年孟加拉国率先实施塑料袋禁令起,如今许多国家已纷纷加入“禁塑”的行列,但完全放弃使用塑料并不是一件容易的事情,因为塑料已经渗透在生活、工业、科学研究等方方面面。这使科学家把目光转向了可回收利用和可生物降解的塑料,以缓解塑料给环境和健康带来的压力。

图片来源:WWF(https://www.wwf.org.au/news/blogs/the-lifecycle-of-plastics

但近日,一项发表于 Journalof Hazardous Materials 的新研究则指出,这些可回收利用的塑料也许并没有那么“健康”。我们可能都喝过塑料瓶里放了一天后的水,而且有时候觉得味道怪怪的。

现在,丹麦哥本哈根大学的 2 位科学家塞利娜・蒂斯勒尔(Selina Tisler)和扬・克里斯滕森(Jan Christensen)发现只要是放在塑料瓶里的水,放置 24 小时后,都能检测出数百种化学物质。他们认为是塑料中的成分迁移到了水中。“许多人都在用这类塑料瓶喝水,但很少有人知道塑料中的化学物质能迁移到水中。”蒂斯勒和克里斯滕森写道。

塑料在向外迁移

事实上,“塑料发生迁移”所引起的轰动还要追溯到 2003 年。当时,美国凯斯西储大学的遗传学家帕特里夏・亨特(Patricia Hunt)正在研究卵母细胞分化、形成卵细胞的过程,她意外地发现对照组老鼠本来应该正常的卵细胞出现了染色体异常。

图片来源:Christopher hipes / flickr

直到他们转向分析实验环境才找到其中的原因 —— 原来,一个工作人员在清理老鼠笼子旁边的地板时使用了强效的洗涤剂,笼子是由聚碳酸酯组成的,而强效的洗涤剂使这种塑料释放出了其中一种叫做“双酚 A”(BPA)的增塑剂,或者说使塑料的 BPA 迁移到了环境中。

研究人员随后换掉了笼子,老鼠的卵细胞也恢复了正常。为了证明是这种被迁移出的增塑剂影响了老鼠卵母细胞的分化,研究人员特意让老鼠接触 BPA(未说明动物实验伦理),结果发现了同样的卵细胞染色体异常现象。因此,他们推断是这种塑料中常用的增塑剂 ——BPA—— 导致了老鼠的染色体异常。

双酚 A 的结构式和 3 维模型。图片来源:Darkeness3560, Edgar181 / wikimedia, public domain

那么,如果塑料接触的不是老鼠,而是食物,也有可能发生迁移吗?2021 年 12 月 16 日,一项发表于 Food Additives & Contaminants 的研究就专门分析了与食物接触的聚苯乙烯(PS)材料的迁移“能力”。在日常生活中,聚苯乙烯常被用于一次性塑料餐具、一次性发泡餐盒(之前我们常见到的白色餐盒)、一次性饮料杯,以及泡面和全家桶等食品的外包装。

研究人员发现,从 PS 迁移出的苯乙烯(PS 的单体)的含量和包装的食物有关。如果装的是肉类,从 PS 迁移出的苯乙烯的含量最高;相比于水,牛奶能让塑料发生更多的迁移。更重要的是,临近过期和保质期更长的产品中也有更多从塑料迁移出的化学物质。

值得一提的是,此前的研究讨论的通常是已知存在的化合物,而且往往只考虑一种或几种,但“我们第一次用非靶标筛选的方法,分析了可重复使用的塑料瓶中饮用水可能含有的所有化学物质”。蒂斯勒尔和克里斯滕森说。

塞利娜・蒂斯勒尔在实验室里检测塑料瓶里的水。图片来源:University of Copenhagen

水中有什么

蒂斯勒尔和克里斯滕森挑选了 3 种可重复使用的聚乙烯塑料瓶,它们都能在丹麦运动用品店买到,并将其分别编号为 P1(红色)、P2(透明)、P3(透明)。在实验开始之前,P1 和 P2 瓶已经被使用了接近 1 年,但属于不同类型的聚乙烯材料,而 P3 是新买的。他们也考虑了重复实验,因此每一种瓶子都准备了 2 个(但这能否说明实验重复性还有待商榷)。另外,他们还准备了玻璃瓶作为实验控制组。由于他们想要检测塑料瓶中的自来水,因此还有一个由自来水构成的空白组。

图片来源:congerdesign / Pixabay

通过液质联用技术(液相色谱-质谱联用技术),在扣掉空白组的结果后,他们在新的 P3 瓶里已经放置了 24 小时的自来水中检测到了近 350 种化学物质,不过如果连续润洗几次瓶子后再装水,就能除掉之前的约 150 种物质,而留下的大多是非极性物质。这很好理解,因为水是极性分子,所以根据相似相溶原理,水也能带走一部分极性物质。此外,有 400 多种化合物只出现在使用了 1 年的 P1 和 P2 瓶里。然而,对于事先用清水冲洗过的玻璃容器,则几乎没有在玻璃容器的水中检测到额外的化学物质

尽管根据现有化合物数据库,以及定量结构-性质关系(QSPR)的方法能辨认出一部分检测到的化学物质,但还是有很多不确定的物质。目前,他们能够确认其中含有塑料中的增塑剂、软化剂、抗氧化剂、光引发剂,以及二乙基甲苯甲酰胺(DEET)。蒂斯勒尔和克里斯滕森最担忧的是其中的光引发剂和 DEET

在实验室用色谱检测塑料瓶里的水。图片来源:塞利娜・蒂斯勒尔

DEET 是灭蚊剂中常用的活性物质,那么它是如何从塑料中迁移出来的?研究人员认为,DEET 可能来自一种 DEET 的类似物 —— 例如只比 DEET 少 6 个氢原子的十二内酰胺。在用过 1 年的 P1 和 P2 瓶的水中同时检测到了十二内酰胺和 DEET,而新买来的 P3 瓶的水中只检测到了十二内酰胺,但没有检测到 DEET。

在食品包装袋上,我们常常会碰到一种塑料成分 —— 光引发剂,它是印刷在包装材料上的油墨的主要成分。光引发剂的感光基团在紫外线或可见光的作用下,能产生自由基、阴阳离子等活性成分,因此在塑料合成过程中常被用于引发单体的聚合反应。如果留意一下身边的食品包装袋,有一些会写着“避免阳光直射”。

图片来源:Nicholas Cadwallader / Pixabay

蒂斯勒和克里斯滕森在 P1 瓶的水中发现了 3 种光引发剂:Irgacure 369、4-甲基二苯乙酮(4-methylbenzophenone,4-MBP)和蒽醌(anthraquinone)。之前的研究表示,Irgacure 369 具有干扰内分泌的副作用,4-MBP 在动物实验中表现出致癌作用、生殖毒性和皮肤接触毒性,而蒽醌也有可能分解出有毒且致癌的物质。

尽管他们还不确定塑料瓶水里的这些物质是否真的会对人体造成伤害,但美国 AlkaWay 公司的创始人伊恩・汉密尔顿(Ian Hamilton,未参与这项新研究)对“街上受阳光直射的瓶装水”很担忧。AlkaWay 是一家自主研发水过滤系统的公司。而且,对于其他被分辨出的物质,也有约 70% 的的毒理学性质尚不明确。

未来的毒理学研究

蒂斯勒尔和克里斯滕森表示会继续探究被检测到的物质的毒性,但对于他们来说,这也许并不是一件容易的事。自 2003 年亨特意外发现 BPA 的副作用后,对 BPA 的毒理学研究也说明了这一点。尽管许多科学家证实 BPA 具有干扰内分泌的副作用,但美国食品和药品管理局(FDA)并没有接受这些科学家的观点,他们认为只要不超过一定剂量,BPA 就对人体没有伤害,因为相比于老鼠等啮齿动物,人类能更快地分解 BPA 并将其排出。

不过在 2012 年,FDA 还是和学界合作,开展了一项叫做“CLARITY-BPA”的项目,旨在探究 BPA 对生物体的大脑、心脏以及其他身体组织的潜在作用。如果现在打开这个项目的网站,你会发现主页上写着“项目完成”(completed)。但事实是,FDA 仍坚持其之前的结论,而学界也说法不一,有的科学家发现 BPA 会对老鼠大脑、生殖健康造成影响,也有的并没有发现 BPA 在低剂量下的副作用。

CLARITY-BPA 项目的时间线。图片来源:https://ntp.niehs.nih.gov/ whatwestudy / topics / bpa / index.html

蒂斯勒尔和克里斯滕森也指出,即使在塑料瓶的水中检测到了几百种化学物质,但这并不等同于“水是有毒的”。不过,他们自己“要换成玻璃瓶”。然而对于我们,刚买的新杯子或用洗涤剂洗后,还是要多用水冲洗几次,而且要把水沥干。

如果检查身边的食品包装袋或盒子,你也许会发现上面几乎没有明确写出塑料的成分。“当我们把水倒进塑料容器时,就可能已经把上百种化学物质加进了水中。”蒂斯勒尔和克里斯滕森说。他们怀疑有一部分化学物质是制造商额外加进去的,而大部分还是在生产和使用过程中,由塑料发生的化学反应产生的,例如分解、加氢反应,以及引入氮和氧元素的反应过程。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.128331

参考链接:

  • https://doi.org/10.1016/S0960-9822(03)00189-1

  • https://news.ku.dk/all_news/2022/02/reusable-plastic-bottles-release-hundreds-of-chemicals/

  • https://www.archyde.com/reusable-plastic-bottles-the-eco-friendly-gesture-potentially-dangerous-to-health/

  • https://www.foodpackagingforum.org/news/hundreds-of-chemicals-migrate-from-reusable-plastic-bottles

  • https://alkaway-blog.storychief.io/drinking-from-plastic-bottles-just-got-much-much-worse

  • https://www.the-scientist.com/news-opinion/a-landmark-study-on-bpa-leaves-scientists-at-odds-65004

  • https://medicalxpress.com/news/2018-09-bpa-substitutes-health-issues.html

  • https://www.salon.com/2019/03/18/what-a-strange-case-of-scientific-deja-vu-showed-us-about-the-dangers-of-plastics_partner/

  • https://www.foodpackagingforum.org/news/several-studies-determine-chemical-migration-from-food-packaging

  • https://www.nature.com/articles/153369a0

本文来自微信公众号:环球科学 (ID:huanqiukexue),撰文:王怡博,审校:二七

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关键词:科普常识

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