微塑料的人體暴露和健康風險研究進展

劉雅宣，王蘭，師慶英，唐景春

環境污染過程與基準教育部重點實驗室/天津市城市環境污染診斷與修復技術工程中心/南開大學環境科學與工程學院，天津 300350

微塑料是指直徑<5 mm的塑料碎片和顆粒[1]，包括<100 nm的納米塑料碎片和顆粒。常見的微塑料包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯和聚對苯二甲酸乙酯等[2]。塑料在全世界范圍內的大量生產和消費使微塑料污染問題日益嚴峻，其在生態系統中的廣泛分布引發了微塑料對人體健康潛在風險的討論，但目前微塑料能否對人體健康造成嚴重威脅尚不清楚。

由于微塑料具有化學穩定性，能夠在環境當中長期存在而不易被降解，并且能夠發生遠距離的遷移，甚至進入動植物體內并長期積累[3]。隨著微塑料不斷破碎風化，其比表面積不斷增大，表面容易吸附其他污染物，例如持久性有機污染物、重金屬離子和抗生素等，它們之間的相互作用使污染物的毒性研究具有一定的復雜性。微塑料被證實對微生物[4]、海洋生物[5]以及其他陸地動植物[6-8]有一定的負面影響，而且微塑料亦可以通過呼吸道和消化道進入人體[9]。已有研究發現，微塑料存在于人類糞便、結腸和胎盤中[10-12]，因此微塑料對人體健康的影響需要重視。但在當前階段，由于缺乏微塑料在人體內暴露以及毒性的關鍵數據，微塑料對人體健康威脅的證據仍不夠充分，該研究領域仍存在一些空白。本文就近年來微塑料對人體暴露途徑以及毒性效應相關的研究進行了總結，并探討了該領域未來的研究方向，以期為進一步的微塑料人體健康風險研究提供依據。

1 不同環境中的微塑料對人體的暴露途徑(The pathway of human exposure to microplastics in different environments)

人類不僅是微塑料污染源，也是微塑料污染的匯[13]。環境中的微塑料對人體的暴露途徑主要包括呼吸道吸入、消化道攝入以及皮膚接觸。在人們日常使用的許多個人護理產品中都含有微塑料，如牙膏、洗面奶、護膚品和磨砂膏等[14-15]。這導致了皮膚與微塑料的直接接觸，但由于微塑料透過皮膚需要穿透角質層，因此發生皮膚吸收的概率非常小，僅有<100 nm的納米塑料被發現能進入角質層的表層[16]。目前幾乎沒有研究報道由于皮膚暴露導致的微塑料和納米塑料的吸收。因此環境中的微塑料主要是通過呼吸道和消化道進入人體并產生效應的。

1.1 水體及相關食物中的微塑料(Microplastics in water and related foods)

水體中普遍存在的微塑料正受到全球關注，關于海洋和淡水水體中微塑料的分布已有大量的報道。其中，微塑料在飲用水以及飲用水源中的檢出加重了人們對健康的擔憂。有報道顯示，水功能區劃包括飲用水源、漁業用水在內的中國第一大淡水湖——鄱陽湖中水樣和沉積物樣品中微塑料的含量超過了103個·m-3[17]。另一項研究的結果顯示，在長沙市的飲用水供應鏈中，平均每升飲用水水中含有2 753個塑料顆粒[18]。研究人員在水生植物[19]、底棲無脊椎動物[20]、魚類[21]、水生哺乳動物[22]和鳥類[23]等不同營養級別的生物體器官內發現了微塑料的存在，攝入的微塑料逐漸向更高營養級傳遞[24-25]，并最終通過消化道進入人體。研究發現，人們食用的海鮮產品包括魚類[21,24]、貝類[26]和甲殼類[27]等中均檢出了微塑料顆粒。這大大增加了沿海地區居民以及海產品食用人群的暴露風險。此外，食鹽中微塑料的含量在某些地區十分顯著，例如克羅地亞和意大利，在食鹽樣品中檢出的微塑料顆粒分別為1.4×104～2.0×104個·kg-1鹽和1.6×103～8.2×103個·kg-1鹽[28]。美國研究人員也在12種食用鹽當中檢測到了微塑料[29]，在我國15個品牌的鹽中，海鹽、湖鹽和巖鹽(井鹽)中微塑料含量分別為550～681、43～364和7～204 個·kg-1鹽[30]。

1.2 土壤及相關食物中的微塑料(Microplastics in soil and related foods)

在農業生態系統中，土壤微塑料的主要來源包括污水灌溉和污泥還田。工業廢水、生活污水和洗衣廢水中的塑料顆粒、纖維等通過這些方式進入土壤[31-32]。此外，溫室材料、土壤調節劑以及農用地膜的應用也是微塑料的重要來源[33]。在我國新疆地區，地膜最大殘留量隨著時間的推移逐漸增加，達到502 kg·hm-2[34]。由于微塑料粒徑小，且在環境中普遍存在，極易被土壤生物吸收，并在食物鏈中積累[35]。小麥、生菜、水芹和蠶豆等農作物被證明能夠吸收和積累微塑料[36-40]，目前已經在一些農產品加工食品當中檢出了微塑料顆粒，如酒類[41-42]、添加糖和蜂蜜等[43]。最近，Oliveri Conti等[44]在從意大利卡塔尼亞市場購買的可食用水果和蔬菜中發現了納米塑料和微塑料，并首次估算了成人和兒童的日攝入量。研究人員發現微塑料沿自然營養鏈的轉移是一種普遍存在的現象[45]，因此，對于處在食物鏈頂端的人類而言，通過食物鏈進入人體的微塑料是否會發生生物放大，是否會產生更高的暴露風險等問題亟待深入研究。

1.3 空氣中的微塑料(Microplastics in the air)

空氣中的微塑料能夠同空氣中的其他可吸入顆粒物一起通過呼吸道被人體攝入。此外，由于大氣相較于水體和土壤具有更強的流動性，因此空氣作為微塑料遷移的載體促進了微塑料污染的全球化遷移[46]。基于100 mg·d-1的平均粉塵暴露，研究人員估算了成年人通過空氣吸入的微塑料的量為1×102～1.9×104個·a-1[47]。此外，兒童可能通過奶嘴玩具和手直接攝入大量室內空氣沉積的灰塵，根據200 mg·d-1的粉塵攝入量計算，兒童每年通過粉塵攝入的途徑可能攝入超過900 mg的微塑料粒子[48]。

在人類活動較少的地區乃至人類活動范圍的邊界區域，即使并未發生塑料制品的生產和消費，仍能夠找到微塑料的“足跡”。Bergmann等[49]發現在北極地區積雪中的微塑料濃度竟高達0～14.4×103N·L-1。他們認為，大氣輸送和沉降是微塑料遠距離傳輸的重要途徑。同樣，González-Pleiter等[50]發現微塑料存在于大氣邊界層之上，而且具有從釋放點跨越遙遠邊界的潛在遠程傳輸能力。微塑料通過大氣運動的遠距離傳輸無形中提高了微塑料低污染地區生物的吸入暴露風險，加速微塑料污染成為全球化的環境問題。

1.4 塑料制品在使用過程中釋放的微塑料(Microplastics released from plastic products during use)

塑料制品在人類日常生活中擁有著難以替代的地位，其中食品包裝塑料制品以及一次性塑料制品等與人體健康有著緊密的關聯。塑料制品在使用過程中釋放的微塑料顆粒能夠通過消化道進入人體，例如，Hernandez等[51]的研究顯示，在符合實際飲用情況的浸泡溫度(95 ℃)下浸泡一個塑料茶包，會在一杯茶中釋放出大約116億個微塑料和31億個納米塑料。盡管這項研究中茶包釋放微塑料的數量引起了爭議，但毫無疑問，使用塑料茶包泡茶必定會產生微塑料的釋放[52]。與成人相比，長期使用聚丙烯奶瓶的嬰兒對于微塑料的暴露風險更高，其接觸的微塑料數量是成人的2 600倍，而且對奶瓶的高溫滅菌操作還會加劇微塑料的釋放[53]。Zhang等[54]在北京青年男性的糞便中檢測到了各種類型的微塑料，其中聚丙烯所占比例最高。盡管研究者并未控制受調查者食物中微塑料的攝入量，但包裝水和飲料攝入量與糞便中微塑料豐度之間存在中度相關。有研究對比了一定數量的樣品中自來水和瓶裝水的微塑料顆粒濃度的差距，發現瓶裝水中微塑料的濃度似乎更高[55]。一項分析了27個批次和11個品牌的259瓶瓶裝水的研究表明，93%的包裝水被微塑料污染[54]。有報道稱，經過處理的自來水和瓶裝水中的微塑料含量高于一些淡水水體中微塑料的含量[56]。自來水中的微塑料污染可能來自飲用水水體，也可能來自自來水塑料管道的釋放[57]，而這種釋放作用通常會被管道中的含氯消毒劑放大[58]。瓶裝水中的微塑料主要是聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酯[56]，這說明瓶裝水中發現的微塑料很可能來自于供水供應鏈或瓶蓋、瓶壁等產品包裝。

2 環境中的微塑料和納米塑料對人體的影響(Effects of microplastics and nanoplastics on the human body)

研究人員普遍認為，環境中的微塑料和納米塑料對人體健康存在著潛在的威脅，然而微塑料，特別是納米塑料對人類是否具有重大健康風險尚無法斷定，這是由于在確定微塑料對人類健康的風險時缺乏關于人體暴露的信息。目前對于微塑料的人體毒性報道僅有一些體外和比較有限的體內研究數據，因此對于微塑料的健康風險評估仍缺乏大量可靠的數據。目前對于微塑料健康風險的判斷仍需依靠體外培養的人體細胞、嚙齒類動物以及水生物種的毒性研究數據。微塑料對人體的暴露途徑及主要影響如圖1所示。

2.1 微塑料和納米塑料對體外培養細胞的影響(Effect of microplastics and nanoplastics on cultured cells in vitro)

基于體外培養的人體細胞的數據表明，塑料顆粒可能會對人體細胞造成物理損傷、引起炎癥反應、氧化應激反應、產生活性氧(ROS)、線粒體毒性、DNA損傷，還有神經毒性和代謝效應等影響。顆粒的大小、形狀、粗糙度、表面性質及電荷等因素均會影響顆粒的內化遷移以及毒性效應。較大的塑料顆粒能夠通過物理作用對細胞產生影響。研究顯示，當聚苯乙烯塑料碎片與成纖維細胞和紅細胞直接接觸時，它們所引起的物理應激會導致細胞膜損傷和溶血，分別導致乳酸脫氫酶和血紅蛋白釋放。隨著微碎片濃度和粗糙度的增加，這種物理損傷現象被放大[59-60]。一部分較小的塑料顆粒能夠進入細胞，發生內化，引起細胞內的一系列反應。納米顆粒被報道可以通過細胞膜的被動運輸、通道或運輸蛋白協助擴散以及胞吞幾種途徑被細胞吸收[61]。其中內化的主要機制是細胞的內吞性攝取，主要包括胞吞和胞飲作用，以及網格蛋白和小泡介導的內吞作用[62-63]。

一些體外研究已經證實了以聚苯乙烯納米顆粒為主的塑料顆粒能夠在人類胃、腸、肺以及免疫細胞等的單一培養物或更復雜的人類細胞模型中內化、移位以及產生毒性效應。Varela等[64]研究了人肺癌細胞A549細胞系對聚苯乙烯納米顆粒的吸收發現，40 nm的納米顆粒的內化速度快于20 nm和100 nm的納米顆粒，因此他們認為聚苯乙烯納米粒子的內化存在一個特殊的粒徑范圍，在這個范圍內顆粒的內化速度更快。Dong等[65]發現聚苯乙烯微塑料可通過誘導ROS形成引起人正常肺上皮細胞BEAS-2B細胞系的細胞毒性和炎癥效應，從而進一步導致對肺上皮屏障的破壞以及增加慢性阻塞性肺疾病的風險。Forte等[66]的研究表明，44 nm的聚苯乙烯顆粒在人胃腺癌細胞AGS細胞系的細胞質中能夠較快積累，并能夠誘導白細胞介素IL-6和IL-8基因的顯著上調，這2種基因均與胃部疾病有關。Wu等[67]研究發現，聚苯乙烯塑料顆粒能夠破壞人結腸癌細胞Caco-2細胞系的線粒體膜電位，還能夠抑制ABC轉運體的活性，并增加其底物砷的毒性。Cortés等[68]發現聚苯乙烯納米顆粒會對Caco-2細胞造成包括細胞毒性、ROS增加、基因毒性、DNA氧化損傷和壓力相關基因表達增加在內的不利影響。Salvati等[69]發現，40～50 nm聚苯乙烯納米顆粒能夠進入A549細胞，并在溶酶體中積累。Liu等[70]證實聚苯乙烯顆粒能夠誘導ROS的產生，他們發現500 nm大小的聚苯乙烯顆粒可以刺激人肝癌細胞Huh7細胞系中ROS的產生，同樣，Wang等[71]也檢測到120 μg·mL-1的聚苯乙烯顆粒(300 nm、500 nm、1 μm、3 μm和6 μm)都增加了Caco-2細胞中ROS的產生。

2.2 微塑料和納米塑料對組織、器官的影響(Effects of microplastics and nanoplastics on tissues and organs)

有限的體外和體內數據表明，隨著粒徑的減小，塑料顆粒對人體組織屏障的穿透能力逐漸增強[72]，只有一小部分納米塑料顆粒能夠穿過肺泡和胃腸道的上皮屏障，轉移到下層組織[9]。考慮到人類對塑料顆粒的長期接觸以及塑料顆粒在組織和器官中可能的積累，這種低比例的顆粒內化仍然不能被忽視。微塑料顆粒進入人體后，它們可能會克服初級組織屏障，并通過血液輸送到次級器官[73]。這是由于聚苯乙烯和紅細胞之間的范德華力、靜電力、氫鍵和疏水力，使羧基化聚苯乙烯納米顆粒可以吸附并滲透到紅細胞中，這使聚苯乙烯納米顆粒避免了被肝臟和脾臟快速清除，從而增加了它們在循環系統中存留的時間[74-75]。塑料顆粒可以進一步通過血液到達次級屏障，如胎盤屏障和血腦屏障[73]。有研究證實，仍有部分更小粒徑的顆粒能夠穿透這些組織屏障最終到達包括肝、腎、腦和胎盤在內的全身的組織器官中[61,76]。影響塑料顆粒穿透性能的因素包括顆粒的大小、表面化學性質和電荷以及塑料顆粒與周圍生物成分(如蛋白質、磷脂或碳水化合物)的相互作用[77]。研究人員將這種相互作用現象稱為塑料顆粒表面的生物或生態冠狀物，這類物質很可能影響著顆粒的攝取、遷移轉化和毒性效應[73]。例如體液中的蛋白質吸附在納米塑料顆粒表面，致使顆粒周圍形成“蛋白冠”[78]，這種冠狀物能夠增強細胞對顆粒的攝取以及顆粒的毒性[79]。

微塑料在進入人體細胞和組織后可能會引起物理、化學和生物毒性，這些毒性也可能會累積[9]。幾項體外人類細胞培養和體內嚙齒動物研究表明，吸入或攝入的微塑料有可能導致多種生物效應，包括炎癥、遺傳毒性、氧化應激、細胞凋亡和壞死。如果這些情況持續，一系列的結果可能會隨之而來，包括組織損傷、纖維化和癌變[80]。暴露于微塑料可導致腸道的氧化損傷和炎癥，以及腸道上皮細胞的破壞、黏液層的減少、微生物紊亂和免疫細胞毒性等負面影響[81]。幾項研究表明，長期暴露于含有微塑料顆粒的空氣中可能會對呼吸系統造成影響，增加疾病發生的風險。研究顯示，吸入微塑料顆粒似乎與某些行業工人的職業病有關。接觸聚丙烯微塑料顆粒的工人與在清潔環境下工作的工人相比產生呼吸道癥狀的風險更高[82]。慢性吸入低濃度細顆粒物也可能導致基因突變[83]。由于接觸聚丙烯纖維，工齡在10～20 a的合成紡織行業工人的癌癥發病率較普通人群更高[82]。隨著年齡、工作年限和在工廠接觸時間的延長，接觸聚氯乙烯顆粒的工人患肺癌的風險也會增加[82]。此外，有報道顯示塑料假體例如關節置換假體的植入會在使用過程中發生磨損，磨損后產生的塑料顆粒能夠引起炎癥反應，如巨噬細胞的免疫激活和相關的細胞因子的產生等，嚴重的甚至能夠導致關節壞死[80]。

Mitrano等[72]分析總結了環境中不同粒徑的顆粒物對生物體的影響，并希望為微、納米塑料的風險評估提供思路。他們發現約104nm以下的顆粒物能通過呼吸被吸入，并且能夠跨越生物屏障，約107nm以下的顆粒物能夠通過消化道被攝取，約103nm以下的顆粒物能夠被細胞吸收并產生炎癥反應，約103～106nm的顆粒物能夠導致組織纖維化，如圖2所示。然而這些研究中所提到的一些負面作用多是在較高濃度的暴露下，或特殊的高風險情形下所產生的，因此，很難確定這些暴露與現實情況之間的關系。目前尚沒有強有力的證據表明微納米塑料會對人體產生任何直接的嚴重負面影響，這可能會導致塑料的持續生產、消費以及塑料碎片持續地泄漏到環境中，因此迫切需要對微塑料的人體健康臨床效應進行更深入的研究。

圖2 不同粒徑的顆粒物與生物體的相互作用Fig. 2 Interactions between particles of different particle sizes and organisms

2.3 微塑料和納米塑料的生物積累(Bioaccumulation of microplastics and nanoplastics)

根據體外研究數據以及模型動物體內研究數據，微塑料已被發現在胃腸道以及呼吸道內被吸收，納米塑料顆粒可以穿透血腦屏障、胎盤，甚至細胞膜，因此進入生物體后可能產生生物積累效應。Yu等[84]發現聚苯乙烯微塑料可在幼年河蟹的鰓、肝臟和腸道組織中積累，并對其生長產生負面影響。基于小鼠模型的實驗表明納米塑料可以在肝臟、腎臟和腸道以及大腦中積累[85-86]。Ma和You[87]通過計算機模型建立了微塑料通過水生食物網積累的效應模型，結果表明，微塑料在整個食物網中迅速擴散積累，最終向高營養水平的水生生物擴散積累，其中最高營養級的生物通過食物網對微塑料的累積效應最為嚴重。有研究估算了不同環境中的微塑料生物積累情況發現，海水區的生物體內微塑料累計個數為(2.4±3.29) 個·kg-1，淡水區為(2.75±4.74) 個·kg-1，而河口區的生物體內微塑料個數略高，為(5.65±7.39) 個·kg-1[88]。最近，一項研究通過分析人類結腸切除樣本發現了微塑料人體在腸道中的積累[10]。然而，關于微塑料和納米塑料在人體器官中的分布和積累的直接證據仍然十分匱乏。

3 微塑料與其他污染物的聯合效應及風險(Combined effects and risks of microplastics with other pollutants)

在復雜的自然環境中，特別是水環境當中，微塑料很可能以非單體的形式存在。因此微塑料往往容易和與其共同存在的污染物發生相互作用或產生聯合效應。在塑料合成過程中常加入某些有機物作為添加劑，這類物質中包括一些內分泌干擾物，如雙酚A、鄰苯二甲酸酯等，由于這些添加劑與塑料聚合物基質之間不是通過共價鍵結合，所以它們在塑料老化過程中容易浸出到外部介質中，與微塑料產生聯合毒性效應[89]。此外，由于微塑料具有持久性強，比表面積大等特點，其表面容易附著其他污染物如重金屬離子[90-91]、有機污染物[92-96](具體包括苯系物[97-98]、多環芳烴[99-100]、多氯聯苯[101-102]、全氟化合物[103]、農藥[104-105]和潤滑油[106-107]等)、抗生素[108]以及病原體[109-112]等。微塑料顆粒作為這些污染物的載體，使污染物發生遠距離的遷移，并通過食物鏈將污染物轉移到生態系統中[113]，并且通過吸附以及生物累積和富集效應[38]增加其他污染物的生物利用度[32,114]，有關微塑料和納米塑料與其他污染物的聯合效應的研究結果如表1所示。然而也有研究表明，微塑料對其他污染物的吸附作用能夠降低其毒性和生物利用度[115-117]。因此微塑料與其他環境污染物共同存在的聯合效應是協同還是拮抗作用尚不能一概而論，這種聯合效應往往根據污染物類型、賦存環境、塑料的粒徑以及受試生物等因素的差異而變化。

最近，一項關于新型冠狀病毒(COVID-19)污染表面和氣溶膠的研究表明，人們可能通過空氣和接觸受污染的物體后感染新型冠狀病毒，而病毒能夠在塑料上存在長達2～3 d[118]。這引發了一個值得關注的問題，即空氣中的塑料顆粒有可能作為冠狀病毒和流感病毒的載體傳播疾病。

4 研究展望(Research prospect)

在未來很長一段時間內，人類將不可避免地接觸到微塑料以及納米塑料，因此探索微塑料對于人體健康的潛在風險顯得尤為重要。針對目前已知的微塑料健康風險研究尚未解決的問題和空白，今后該領域的研究應當注意以下幾方面的問題。

(1)關注納米塑料對人體的暴露及影響。由于分析方法的局限性和對塑料顆粒的測量偏差，現有的分析通常不包括納米塑料的暴露情況，這很可能低估了微納米塑料對人體的暴露。由于納米塑料具有更強的穿透性和細胞毒性，今后迫切需要足夠的分析工具來檢測、量化和表征納米塑料顆粒，探究納米塑料對人體的暴露情況及其毒性。

(2)微塑料通過食物鏈和空氣的暴露情況仍存在研究空白。目前的報道中對空氣、飲用水源的微塑料檢測較少，仍缺乏較大范圍的污染分布情況的數據，對食品的檢測主要集中在海產品的暴露研究，對谷物、蔬菜和畜牧產品等食品中微塑料的檢測仍較為缺乏。

(3)目前微塑料和納米塑料的人體毒性研究仍存在一些問題和知識空缺。當前階段關于人體的體內暴露及毒性數據非常有限，人體體液和組織中塑料顆粒的內部暴露檢測仍處于起步階段，環境微塑料濃度與人體內微塑料濃度之間仍待建立聯系，關于吸收、分布、代謝和排泄的主要知識缺口仍然存在。今后仍需要更好地了解微塑料穿過氣道、胃腸道和皮膚上皮屏障的能力，以減少目前微塑料人類風險評估的不確定性。此外，大多數的體外研究采用的是聚苯乙烯塑料微球，缺乏其他種類(如聚乙烯、聚氯乙烯等)和形狀(如薄片、纖維等)的塑料顆粒的體內外毒性研究。且目前的研究數據大多基于較高的顆粒濃度，與實際環境中的濃度存在差距。關于微塑料的毒性研究還可以借鑒較為成熟的工程納米材料的毒性研究以及可吸入顆粒物的毒性研究。

(4)需要進一步研究微塑料作為載體的能力。由于實際環境的復雜性，對微塑料毒性的評估不應局限于簡單地考察微塑料單體的毒性效應，迫切需要更多關于微塑料和其他污染物的聯合毒性研究以充分了解微塑料在現實環境條件下的潛在毒性、毒性機制和長期影響。微塑料表面的生態或生物冠狀物尚未被充分研究，其介導顆粒吸收和毒性的潛在機制尚不清楚。