微塑料的人群暴露途徑及其健康危害

秦瀟，周穎，黃藝

北京大學環境科學與工程學院，北京 100871

微塑料(microplastics)為直徑<5 mm的微小塑料顆粒的統稱，其包括了不同形狀、大小和聚合物類型[1]。微塑料根據形成過程可分為原生微塑料和次生微塑料2種。原生微塑料是由人類制造的粒徑<5 mm的塑料顆粒、碎片等，大量存在于日常洗滌用品與個人護理用品中，例如磨砂洗面奶、牙膏中；次生微塑料是由自然界中的大塊塑料經過碎裂或降解形成，其形態往往不規則，如塑料微粒、碎片和纖維等[2]。

近年來，在海洋、土壤和大氣環境中均發現了微塑料。考慮到塑料的不可降解特性以及生產過程中的有害添加物，微塑料作為新型污染物受到了學者的廣泛關注，成為了環境研究領域的焦點問題之一。海洋中的微塑料問題最早被提出，根據Thompson[3]在2006年歐洲海洋自然保護會議的報告中估算，約10%左右的塑料最終會排放于海洋中，且可能持續存在并不斷積聚。至今從海岸帶到海洋環流中，從遠離大陸的島嶼和極地區域都發現了微塑料[4]，甚至在深海沉積物中也發現了微塑料的蹤跡[5]。全球范圍內的河流、海灘等其他類型水體中也都發現了微塑料的存在[6-7]。相對于水體來說，土壤環境中微塑料的研究相對較少，但有研究估計進入陸地生態系統的微塑料是釋放到海洋中的4倍～23倍[8]，如歐洲和北美區域每年就有70萬t以上的微塑料進入土壤[9]。因此，2012年Rillig[10]呼吁開展土壤環境中微塑料污染的研究，并著重提出要研究土壤微塑料污染的潛在生態風險。近年來有少量文獻開始報導大氣中的微塑料，認為微塑料占全部大氣懸浮顆粒及纖維的92%[11]。除了上述不同環境界面，還在水生生物、陸生生物、飲料和食鹽等中發現了微塑料殘留[12]，顯示人類面臨著微塑料污染中的全方位環境暴露風險。然而，除了有限的研究通過塑料特性和微粒特性，推論了微塑料的可能健康影響，如Wright和Kelly[13]認為微塑料作為有機物可能被人體吸收，并在人體局部組織中積累而產生生理毒性，還沒有發現以微塑料的人體健康影響為直接研究對象的工作。因此，本綜述通過梳理人類對微塑料可能的暴露途徑，在歸納微塑料對其他生物負面影響的基礎上，討論微塑料對人體健康的可能危害，為進一步研究和評估微塑料污染的人體健康風險提供科學基礎。

1 微塑料的暴露途徑(Exposure route of microplastics)

暴露途徑是指污染物從污染源經由土壤、水或食物等方式到達人體或其他被暴露生物個體的路線。根據現有研究，微塑料進入人體的途徑主要有食物攝取、飲水以及空氣接觸3種微塑料暴露途徑。

1.1 微塑料通過食物進入人體

微塑料被水生生物攝取而進入食物鏈，進而通過食物進入人體，可能是人類微塑料暴露的主要途徑之一。研究顯示，一些低營養級的水生生物，如貽貝、牡蠣和扇貝等在攝食過程中只能夠判斷顆粒物的大小，攝取一定尺寸范圍內的顆粒物[14]，因此微塑料可能被當作與藻類等相似大小的食物被低營養級生物攝取；濾食性動物在攝食的過程中，會被動地攝入水體中的微塑料[15]；此外，顏色、密度等因素都會導致生物誤食微塑料。部分微塑料的顏色特征與海洋生物食物相似，使海洋動物在攝食時一同攝入體內，而低密度微塑料容易聚集在海洋表層，更容易被浮游動物等低營養級海洋生物攝取[16]，從而進入食物鏈。

對水環境中的生物取樣研究證實，微塑料確實存在于人類食用的水生物體內，比如在荷蘭、比利時和法國等多個國家的貽貝(Mytilusedulis)中都檢測出了一定量的微塑料[17-19]，在西班牙-大西洋-地中海海岸的研究中，也發現一些底棲魚的體內含有微塑料，平均每條魚體內可達(1.56±0.5)片[20]。南威爾士峽谷河流中的無脊椎動物四節蜉科(Baetidae)、紋石蛾科(Hydropsychidae)和扁蜉科(Heptageniidae)體內也檢測到了微塑料的存在[21]。實驗室的研究顯示，貽貝(Mytilusedulis)暴露在微塑料污染的水體中3～48 h后，其肝臟和血淋巴組織中檢測到42 顆·L-19.6 μm大的聚苯乙烯系塑料小球[22]；較長時間(96 h)暴露在小顆粒的高密度聚乙烯(HDPE)后，貽貝的腮、胃和消化腺中都能夠檢測到HDPE塑料粒，粒徑<80 μm的顆粒濃度可達2.5 g·L-1[20]。貽貝通過鰓捕捉海水中的微塑料，并將其困在腮部粘液和消化系統中[23]。此外，水產養殖貝類中也發現了微塑料[24]。而最近中國科學院南京土壤研究所的Li等[25]發現，植物對微塑料也具有吸收作用。這個研究使得微塑料食物暴露途徑從水生動物擴大到了陸地植物。

生物體內發現的微塑料，可源于直接吞食，也可以通過食物鏈傳遞所獲得。在野外和實驗室2種條件下，均發現了微塑料在食物網中轉移富集的現象[26-27]。微塑料通過食物網在食物鏈中傳遞放大的現象，可能增加作為頂級捕食者的人類的微塑料暴露量。

值得指出的是，已有研究在海鹽中發現了微塑料的存在。研究者推測，如果普通人每天攝入的鹽量為5 g，人們通過海鹽攝取的微塑料可達每年216粒[28]。食鹽作為食物中必不可少的調料，其中的微塑料加大了食物攝取暴露對人體健康的危害。

海產品和食鹽都是中國人餐桌上的必備食物。根據已有的研究估算，中國人每年通過魚類和貝類攝取的總微塑料量可達1.06×1013～6.11×1013粒(表1)，按每顆微塑料0.001 g估算，每年約吃掉1×104～6×104t塑料。

1.2 通過飲水/飲料進入人體

水是人體代謝的基礎物質和必要環境，存在于河流、湖泊等自然水體中的微塑料，成為人體微塑料的重要暴露源之一。在山東膠州灣，研究者在海灣沉積物中測到了碎片狀、顆粒狀、薄膜狀、纖維狀和發泡塑料5種微塑料的類型[29]。在長江口，檢測到微塑料豐度高達(4 137.3±2 461.5) 個·m-3[30]。太湖和鄱陽湖等水域沉積物中的微塑料豐度為500～25 800 個·m-3[31-32]。雖然從自然水體獲得的水需要經過沉淀、消毒、軟化、淡化和除鹽等一系列復雜的處理工藝后，才可能成為飲用水，但2020年的一項研究表明，在城市飲用水中也已檢測出微塑料。研究者檢測了中國多個城市的自來水樣品，均發現存在有碎片狀、纖維狀和球形等不同形狀的微塑料[33]。存在于飲用水中的微塑料，成為最危險的直接暴露源。

一項最新的研究顯示，嬰兒奶瓶在沖泡配方奶粉過程中會釋放出高水平的微塑料。例如使用聚丙烯奶瓶配制配方奶時，平均每天使世界各地的嬰兒暴露在100萬個塑料微粒中。該研究還表明溫度與微塑料釋放之間存在強相關性，高溫下微塑料釋放量更大[34]。因此，通過飲水進入人體這一方式，已經成為不同地域不同年齡段人群的主要微塑料暴露途徑。

1.3 通過呼吸進入人體

與前2種微塑料人體暴露的方式不同，空氣中微塑料是近期研究的新發現。倫敦市中心人口密集地區大氣樣品中微塑料的研究顯示，在所有大氣樣品中均發現了微塑料，其中纖維微塑料占絕大多數(92%)[35]。

針對大氣微塑料傳輸的研究發現，大氣中懸浮的微塑料可通過大氣沉降進入人類生活的地表環境區域。微塑料隨大氣進入地表的過程可分為濕沉降和干沉降，濕沉降是指微塑料通過降雨和降雪等天氣過程沉降至地表，干沉降是指微塑料由于自身重力沉降至地表。研究表明，微塑料通過沉降到達地表的量可達575～1 008 個·m-2·d-1，其中以纖維類為主[35]。而刮風、降雨及降雪強度都可能影響微塑料的沉降速率[11]，進而可能影響通過呼吸進入人體的微塑料量。因此，系統研究霧霾程度常年較高的城市中，人類暴露于大氣微塑料的健康風險，是評估微塑料生態環境危害的關鍵點。

2 微塑料的潛在健康危害(Potential health hazards of microplastics)

綜上所述，微塑料無處不在，人體能通過攝取食物、飲水和呼吸暴露于微塑料。目前，對于微塑料是否一定會危害人體健康這一問題，尚無實驗研究證實，也沒有流行病學的調查結果。但通過對動物所進行微塑料暴露實驗，證實了微塑料對生物體可能產生多方面的健康危害。雖然微塑料對動物生理影響的研究，不能直接證明其對人類健康的影響，但微塑料表現出的生理毒性，在一定程度上表征了其對人類健康的潛在威脅。

表1 在中國通過海產品直接進入人體的微塑料量估算[19-20, 29]Table 1 Estimates of the amount of microplastics directly entering the human body through seafood in China[19-20, 29]

2.1 微塑料可引起生物的炎癥與應激反應

微塑料本身的形狀特性，如塑料纖維或者塑料片尖銳的邊緣，可能會擦傷生物體內組織，而消化道內過多的微塑料，也存在堵塞消化系統，導致生物體產生飽食感或者炎癥而減少進食的風險[36]。蝦虎魚(Pomatoschistus microps)的幼體易將白色微塑料誤認為食物，將其暴露在聚乙烯(PE)環境中96 h后，在高PE濃度環境的幼體捕食量比對照組顯著降低[15]。

雖然越來越多的生物體內檢測到微塑料，但大部分只存在于生物的消化系統中，并隨代謝排出體內[21]。也有研究指出，胃腸道內的微塑料能夠進入周邊組織甚至是循環系統中。Browne等[22]研究發現，暴露48 d后，貽貝(Mytilus edulis)的血淋巴組織中能夠檢測到微塑料，表明貽貝能夠攝入3～10 μm的聚苯乙烯塑料小球，并將其運輸達到循環系統中。此外，最近一項對人體大腦和上皮細胞的體外研究，首次證明了微塑料可誘導人體細胞發生氧化應激，從而產生細胞毒性效應[37]。

2.2 微塑料可產生生殖與發育毒性

對小鼠投喂微塑料，發現食用微塑料小鼠體質量與對照組相比明顯減少，且其細胞的細胞器存在明顯受損現象，平均每只母鼠產幼崽的數量、幼崽的性別比和幼崽的體質量均發生了顯著變化，推測微塑料可能具備生殖和發育毒性[38]。將成熟期太平洋牡蠣長期暴露于微米級聚苯乙烯微塑料，可觀察到實驗組牡蠣精子活力下降，卵子數量減少、粒徑變小；牡蠣后代幼體數量顯著減少[39]。因此，一旦大劑量微塑料通過食物鏈進入人體，有可能對人體生殖細胞產生損害，甚至影響精子、卵子質量，最終對子代胚胎形成、胎兒發育和出生后發育產生不良影響。

2.3 微塑料可改變腸道微生物的組成和功能

動物腸道中的微生物群落組成對動物適應環境具有至關重要的作用。土壤動物腸道中的許多細菌，可以使動物獲得額外的代謝能力，例如有研究發現聚苯乙烯可使得蚯蚓腸道菌群中有關氮循環和有機物降解的菌群相對豐度發生變化，從而影響蚯蚓對氮和有機物的代謝能力和代謝過程[40]。人體腸道微生物對人類健康也起著極其重要的作用，甚至被稱為人體的“第二套基因組”[41]。人體腸道微生物在人體的消化、代謝和調解免疫功能等方面都具有重要作用。比如人體的肥胖、腸炎等疾病與腸道微生物的群落組成具有相關性[38]。

考慮到微塑料材料自身的惰性性質及其主要分布在消化系統中等特征[21]，微塑料可能具有很小的直接危害人體的毒性，但很可能通過影響腸道微生物群落結構和功能，對人體健康形成巨大的潛在威脅。

2.4 協同毒性

除以上微塑料有可能對人體健康產生的直接和間接負面影響外，微塑料與其他污染物的協同毒性，是一個值得注意的問題。微塑料具備粒徑小、比表面積大和疏水性等特性，容易吸附環境中的污染物，與之產生協同毒性。目前相關的研究集中在微塑料與疏水性有機污染物、重金屬和抗生素的復合污染，例如2020年一項研究表明，攝入不同粒徑聚苯乙烯塑料(300 nm～6 μm)的結腸癌細胞在吸附雙酚A后，微塑料與雙酚A產生了協同毒性，導致對結腸癌細胞的毒性增強[42]。而由于微塑料在紫外線照射過程中會發生老化，不同老化程度的微塑料對重金屬、抗生素的吸附能力不同，所形成的協同毒害作用也會有所不同。有研究表明，老化的聚苯乙烯系塑料碎片在未達到平衡的情況下，可積累更多的銅和鋅，對照組未經老化的塑料片在14 d后才會達到恒定的銅濃度[43]。而一項微塑料吸附抗生素的研究表明，微塑料老化過程中孔隙結構的出現和氫鍵鍵合的形成，是微塑料富集抗生素的2個主要因素[44]。

2.5 微塑料對有害微生物的富集

本課題組研究發現，河流中漂浮的微塑料表面附著一些條件致病菌，如假單胞菌。定量PCR結果顯示，微塑料可以選擇性地富集抗生素耐藥基因[45]。而這些攜帶抗性基因的微塑料進入人體腸道，有可能增加人體腸道微生物對抗生素的抗性，如果這些抗性基因轉移到病原菌中，將直接降低抗生素治療的有效性。

3 微塑料環境健康威脅的研究展望(Research prospects on environmental health threats of microplastics)

微塑料概念的首次提出至今不過16年，對于微塑料在環境中的分布、遷移、轉化和影響的研究方興未艾。而作為一種新污染物，微塑料對人體健康的影響也應該受到特別的關注和系統研究。

(1)系統研究微塑料人體暴露途徑

雖然本文在現有微塑料分布研究的基礎上，梳理了微塑料的人體暴露途徑，但現有的研究還遠遠沒有覆蓋所有的可能暴露途徑。比如，還沒有任何研究關注微塑料是否通過包扎、縫合材料的釋放，直接進入接觸皮膚；是否通過塑料針筒的使用經注射進入人體等。根據微塑料的特性，并結合其他有機污染人體暴露途徑的研究成果，我們認為微塑料的暴露途徑應該包括如圖1所示的所有途徑。

因此，需要系統研究微塑料的人體暴露途徑、暴露量和安全閾值，為控制微塑料人體健康風險提供科學基礎。

圖1 微塑料的可能人體暴露途徑Fig. 1 Possible human exposure routes of microplastics

(2)關注微塑料對人體腸道微生物的影響

微塑料作為惰性物質，在環境中可成為微生物的攜帶體，被生物吞食后進入消化系統，影響和改變生物/人體腸道微生物的群落結構和功能。尤其是作為抗生素抗性基因的攜帶體，在腸道這種細菌密度極高且營養豐富的環境中，可能增加抗生素抗性基因水平轉移的風險。這就意味著如果微塑料攜帶的耐藥基因進入腸道后，可能轉移到人體病原菌中，使病原菌具備更強的耐藥性，增加臨床抗感染治療的風險。因此，應在實驗室條件下，通過模式動物研究微塑料表面生物膜的特性，以及其與腸道微生物菌群的關系。

(3)研究自然濃度下微塑料的生物毒性，增加對微塑料直接毒性的了解

目前，大部分的微塑料毒性研究是在實驗室條件下進行的，研究主要針對單一生物，使用遠高于環境濃度的微塑料劑量，短時間暴露。這樣的研究方案容易得到明顯的影響結果，但與自然條件下實際的人體微塑料暴露水平相差較大，所獲得的微塑料毒性效應和機理，并不能解釋自然環境中微塑料污染性狀和對人體的影響。需要通過系統研究自然環境中微塑料的影響，尤其是在實際人體暴露量下微塑料的特性和生物毒性，為評估微塑料對人體的可能危害與制定微塑料環境基準和標準提供科學的數據和理論依據。