微塑料毒性的研究進展

曹騰瑞，屈艾彬(綜述)，郭會彩，劉學慧*(審校)

(1.河北醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學教研室，河北省環(huán)境與人群健康重點實驗室，河北 石家莊 050017；2.河北醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院衛(wèi)生毒理教研室，河北 石家莊 050017)

由于塑料具有耐用、廉價等特點，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用范圍非常廣泛。塑料以每年3 190萬噸的驚人速度進入環(huán)境。據(jù)估計，到2050年，地球上會再增加330億噸塑料[1]。由于塑料在環(huán)境中很難降解，其可以在環(huán)境中持續(xù)存在數(shù)百至數(shù)千年。進入環(huán)境的塑料通過光和熱氧化過程進行緩慢降解(生物降解的程度較低)，削弱材料的完整性，可降解為直徑<5 mm 的塑料，稱為微塑料。微塑料具有粒徑小、疏水性強、質(zhì)量輕、易漂移等特性，可以遷移到任何的環(huán)境介質(zhì)中。研究人員在海洋、河流、土壤甚至飲用水、瓶裝水和食鹽中都檢出了微塑料。目前環(huán)境中檢出的微塑料種類繁多，主要有聚苯乙烯(polystyrene，PS)，聚乙烯(polyethylene，PE)、聚丙烯(polypropylene，PP)、聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)、聚酯(polyester，PEst)和聚對苯二甲酸類(polyethylene terephthalate，PET)等。微塑料在環(huán)境和消費品中無處不在的特性導致機體不可避免地接觸到這些顆粒。然而，對于微塑料毒性知之甚少。本文對微塑料的暴露途徑和毒性作用進行了系統(tǒng)性的回顧分析，旨在為進一步的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 暴露途徑

由于微塑料在環(huán)境中廣泛存在，其可能通過消化道、呼吸道和皮膚等多種途徑進入生物體內(nèi)，并在生物體內(nèi)發(fā)生生物富集作用，最終威脅生物的生存和人類的健康。下面將詳細介紹這些暴露途徑。

1.1通過消化道 通過消化道攝入被認為是人類接觸微塑料的主要途徑[2]。通過消化道進入人體和生物體的微塑料主要來源于含有微塑料的食物和水，其次空氣中的微塑料也可以通過人體和生物體的吞咽動作經(jīng)過消化道進入體內(nèi)。研究人員在貝類、海魚、淡水魚、蝦類等水生生物中均檢測出不同濃度的微塑料成分，人類位于食物鏈的頂端，其攝入微塑料的風險會因為生物富集作用而增大[3-4]。此外，在各種水體中均發(fā)現(xiàn)了一定濃度的微塑料，甚至在人類日常經(jīng)常飲用的瓶裝水也發(fā)現(xiàn)了微塑料，最高可達10 000個/L[5]。國內(nèi)外研究人員在啤酒、蜂蜜、食鹽、糖中都檢出了微塑料，進一步證實通過消化道攝入是人體微塑料暴露的重要途徑。Cox等[6]根據(jù)食品的消費量，估計美國人每人每年攝入的微塑料量為39 000～52 000個。

1.2通過呼吸道 微塑料可以通過多種途徑釋放到空氣中，包括合成紡織品、材料(例如汽車輪胎)的磨損等。Dris等[7]比較早的在室內(nèi)和室外空氣中監(jiān)測到了微塑料，其濃度分別為(0.3～1.5)個/m3和(0.4～56.5)個/m3。自此國內(nèi)外研究人員在世界多地的空氣樣品中都發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。空氣中廣泛存在的微塑料顆粒，特別是粒徑≤10 μm的微塑料很可能通過呼吸道進入人體。據(jù)估計，人體1 d約吸入經(jīng)空氣傳播的微塑料量為26～130個[8]。Vianello 等[9]利用專門空氣采樣的人體模型推測輕體力勞動的成年男性每天吸入272個微塑料。不同的估計結(jié)果可能和采樣方法、空間、季節(jié)以及勞動強度有關(guān)。

1.3通過皮膚 目前有研究在眾多的個人護理用化學品(personal care products，PCPs)中發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。每年大約有1 500噸來自PCPs的微塑料進入全球水環(huán)境。個人護理用品中，微塑料直徑大多<100 μm，部分甚至<100 nm。研究發(fā)現(xiàn)納米塑料(<100 nm)可以穿過真皮屏障，因此納米塑料可以跨越皮膚屏障進入人體的可能性不應(yīng)該被忽視[10]。由于人類在日常生活中廣泛應(yīng)用化妝品，因此通過皮膚暴露引起的潛在不利影響也值得科研人員的研究和關(guān)注。

2 微塑料的毒性

微塑料是一種復雜的污染物，其在環(huán)境和消費品中無處不在的特性導致生物和人類不可避免地接觸到這些顆粒。不僅微塑料本身能夠?qū)C體造成危害，而且在塑料制造過程中使用的添加劑以及從周圍環(huán)境吸收的污染物，都會對機體造成不同程度的損害。由于與塑料有關(guān)的許多化學物質(zhì)具有持久性、生物蓄積性和(或)有毒性的特點，因此微塑料已經(jīng)被美國環(huán)境保護署列為優(yōu)先污染物。

目前普遍認為微塑料對生物體具有潛在危害。分析其原因可能主要是由以下幾種原因造成：①微塑料作為一種高分子物質(zhì)，很難降解，可能會對生物體造成物理性的損傷；②微塑料化學成分眾多，并且生產(chǎn)過程中添加劑種類也十分繁多，這些組分單體和內(nèi)源性添加劑會釋放出來進入環(huán)境中，其中不乏毒性更大的持久性有機污染物等化學物質(zhì)，進而對生物體造成化學毒性作用；③微塑料的比表面積比較大并具有疏水的特性，會從環(huán)境中吸附和濃縮有機污染物、重金屬和病原微生物等，進而對生物的健康造成威脅。為了系統(tǒng)全面的了解微塑料的毒性作用，本研究主要按照微塑料對不同的組織和器官的毒性作用來進行詳細的闡述。

2.1消化系統(tǒng)毒性 微塑料通過消化道進入機體后，大部分會隨糞便排出體外，極少部分會殘存在體內(nèi)。體內(nèi)殘存的微塑料會磨損或阻塞消化道，干擾消化過程，從而減少動物的攝食和能量吸收。例如，紫貽貝(mytilus edulis)攝入PE微塑料后，腸道出現(xiàn)物理性損害[11]。進入腸道的微塑料也可能被位于腸淋巴濾泡上皮中的 M細胞所吸收，并進入小腸黏膜內(nèi)的淋巴濾泡中，誘導炎癥反應(yīng)，最終影響腸道微生物的組成和代謝。如在暴露于PVC微塑料的歐洲鱸魚中檢測到腸道的組織學改變，表現(xiàn)為黏膜層水腫，血管明顯擴張，白細胞浸潤，黏膜上皮完全脫落，管腔內(nèi)充滿黏液、腸細胞、紅細胞、杯狀細胞和整條脫落的上皮等[12]。小鼠暴露PE微塑料后，小腸(結(jié)腸和十二指腸)不僅出現(xiàn)明顯炎癥反應(yīng)，也出現(xiàn)了菌群失調(diào)[13]。腸道菌群的變化與其他器官的一系列慢性疾病有關(guān)，比如腎臟疾病，心血管系統(tǒng)疾病，炎癥和癌癥以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病。Wu 等[14]應(yīng)用體外培養(yǎng)的人腸上皮細胞系觀察到了微塑料的細胞低毒性作用，認為其主要通過破壞線粒體膜電位，引起線粒體高度去極化和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP) 消耗， 從而抑制ATP 酶的活性。

很多研究人員在水生生物和陸生生物體內(nèi)都觀察到了微塑料暴露可以到達生物體肝組織的證據(jù)，其在肝組織可以蓄積并引起肝損傷，表現(xiàn)為糖原消耗、脂肪空泡化以及單細胞壞死等[15]。微塑料對肝臟的毒性主要與氧化應(yīng)激有關(guān)，損傷肝細胞線粒體，進一步引起肝炎及肝硬化。

2.2神經(jīng)系統(tǒng)毒性 納米顆粒不僅可以通過消化道進入人體引起消化系統(tǒng)功能障礙，也可以通過血腦屏障進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)引起神經(jīng)毒性作用。目前，微塑料神經(jīng)毒性研究多是以水生生物為模式動物。魚食用被PVC污染的浮游生物后，在其大腦中檢測到了納米塑料，同時大腦結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，表現(xiàn)出不同程度的行為異常，包括進食時間和食用食物所需的游動距離延長等[16]。國外有研究者以歐洲鱸魚的幼體作為模式動物，發(fā)現(xiàn)微塑料通過抑制乙酰膽堿酯酶，增加大腦脂質(zhì)氧化，并改變與能量有關(guān)的酶乳酸脫氫酶和異檸檬酸脫氫酶的活性，最終引起神經(jīng)毒性作用[17]。

也有研究人員以陸生生物為模式動物觀察到了不一致的結(jié)論。Javurek等[18]發(fā)現(xiàn)SD大鼠短時間暴露PS納米微塑料后，并未出現(xiàn)明顯的神經(jīng)行為異常，但通過高架十字迷宮實驗觀察到高劑量組10 mg/kg大鼠有焦慮行為。該研究雖然在研究動物中沒有觀察到有統(tǒng)計學意義的差異，但在所有暴露組大鼠中，都觀察到了短暫和微妙的神經(jīng)行為效應(yīng)。也有研究者通過體外研究觀察到微塑料的神經(jīng)毒性效應(yīng)。大腦細胞T98G暴露于微塑料并不會誘導細胞溶解，但可使活性氧(reactive oxygen species,ROS)大量增加，引起氧化應(yīng)激，產(chǎn)生神經(jīng)細胞毒性作用[19]。眾多研究人員獲得了不一樣的結(jié)論，這可能是由于微塑料的化學性質(zhì)、粒徑大小不同，或是由于不同物種對微塑料的代謝和敏感性不同造成，值得進一步研究。

2.3免疫系統(tǒng)毒性 研究發(fā)現(xiàn)顆粒物暴露與自身免疫性疾病如風濕性疾病和系統(tǒng)性紅斑狼瘡的發(fā)生有關(guān)。微塑料作為異物被吞噬細胞吞噬后，通過誘導活性氧、釋放免疫調(diào)節(jié)因子引起免疫細胞活化，從而造成自身抗原暴露和自身抗體的產(chǎn)生，導致局部或全身的免疫反應(yīng)。巨噬細胞培養(yǎng)物暴露于PS微塑料誘導活性氧和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，導致細胞自噬死亡。有報道體外培養(yǎng)的貽貝血細胞在微塑料暴露后出現(xiàn)免疫抑制，細胞外ROS和一氧化氮增加[20]。在哺乳動物體內(nèi)也觀察到微塑料誘導產(chǎn)生免疫抑制效應(yīng)。微塑料會誘導人外周血單核細胞的促炎細胞因子白細胞介素6和腫瘤壞死因子α增多，并使組胺的釋放增多，從而激活免疫系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生免疫毒性作用[21]。

2.4呼吸系統(tǒng)毒性 由于空氣中存在大量塑料顆粒，人和陸生動物會通過呼吸道吸入微塑料。塑料顆粒物進入深部呼吸道沉積后，誘導ROS的產(chǎn)生、炎性因子的釋放以及細胞凋亡，進而對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用。在合成纖維、PE或PVC等行業(yè)工作的工人，因為經(jīng)常接觸經(jīng)空氣傳播的微塑料，而出現(xiàn)呼吸道癥狀[22]。納米塑料對體外培養(yǎng)的肺和支氣管細胞有細胞毒性作用，引起細胞周期阻滯，激活炎癥基因轉(zhuǎn)錄，改變細胞周期和凋亡相關(guān)蛋白的表達，損害細胞的生存能力[23-24]。這些納米塑料(nano plastic，NPs)通過影響細胞代謝對人肺細胞產(chǎn)生細胞毒性作用，主要是自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的代謝變化，如氨基酸和三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)中間代謝物的增加[25]。

2.5生殖系統(tǒng)毒性 研究發(fā)現(xiàn)微塑料也具有生殖毒性作用，對海洋生物種群的生存和繁殖造成了巨大影響。這主要是由于微塑料的單體和添加劑可能會在體內(nèi)滲出，使組織暴露在鄰苯二甲酸酯、雙酚A和壬基酚等化學物質(zhì)中。這些物質(zhì)被統(tǒng)稱為環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，研究發(fā)現(xiàn)即使在濃度非常低的情況下，也會干擾機體內(nèi)源性激素的生理活動。魚類暴露于微塑料會通過干擾丘腦-垂體-性腺軸而抑制性激素分泌，引起性腺發(fā)育遲緩以及繁殖力下降，也會降低幼魚的孵化成功率和增長率[26-27]。

微塑料不僅具有水生生物生殖毒性作用，其對陸地生物和人類的生殖系統(tǒng)也可以產(chǎn)生毒性作用。微塑料可以導致雄性小鼠精子數(shù)量和活動率顯著降低，精子畸形率顯著升高，以及血清睪酮含量降低；也可以引起每只母鼠的活產(chǎn)仔數(shù)、幼崽的性別比和幼崽的體重顯著降低。生殖毒作用的機制主要通過氧化應(yīng)激和激活p38MAPK信號通路誘導的[28]。關(guān)于納米顆粒是否能通過人體的胎盤屏障，研究者得到了不同的結(jié)論。使用體外人胎盤灌注模型發(fā)現(xiàn)直徑240 nm的顆粒可以被胎盤吸附，能夠穿過胎盤屏障而不影響胎盤外植體的生存能力。然而，在體外培養(yǎng)人胎盤滋養(yǎng)細胞中僅觀察到微塑料在細胞間的聚集， 而未發(fā)現(xiàn)其在胎盤屏障轉(zhuǎn)運的證據(jù)。微塑料對人體細胞與動物試驗的生殖毒性結(jié)論并不完全一致， 仍需進一步研究證實。

3 結(jié) 論

因微塑料具有用量大、難降解等特點，其在環(huán)境中的累積量會日益增多，對生態(tài)系統(tǒng)及人類健康都會產(chǎn)生威脅。微塑料主要通過呼吸道、消化道和皮膚進入機體，并通過顆粒內(nèi)在化或遷移對相應(yīng)的組織和器官產(chǎn)生毒性作用。通過物理損害、造成腸道菌群失衡、改變酶活性、激活免疫細胞、引起氧化應(yīng)激及干擾內(nèi)源性激素等對消化、神經(jīng)、呼吸、免疫、生殖內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用。但是，目前關(guān)于微塑料對于人類的急性毒性及長期危害的研究仍十分有限，因此需要更多的研究來充分了解微塑料的潛在影響和毒性效應(yīng)。由于微塑料對生物和人類健康造成威脅，因此必須控制塑料的過度使用，世界各國均應(yīng)制定相應(yīng)法律和政策來有效控制塑料垃圾的任意排放。