环境中的微塑料及其对人体健康的影响

张思梦，查 金，孟 伟，祁光霞*，任连海, 冯春华， 高 鹏， 吕 峥

(1.北京工商大学环境科学与工程系，北京 100048；2.北京工商大学，中国轻工业清洁生产和资源综合利用重点实验室,北京 100048; 3. 中国文教体育用品协会，北京 100833； 4. 中轻食品工业管理中心，北京 100833; 5. 中华人民共和国国家发展和改革委员会资源节约和环境保护司,北京 100824)

0 前言

全球每年产生3.2×108t塑料制品，其中超过40 %用于一次性包装材料[1]，另外60 000 kt用于纺织行业的合成纤维(聚丙烯、丙烯酸、聚酰胺、聚酯等)生产[2]1，由此产生了大量的塑料废物。进入环境的塑料将由于紫外照射发生光催化氧化而碎裂(俗称“老化”)，同时由于环境物理侵蚀、风化侵蚀等最后降解为0.1～1 000 μm的微塑料和≤0.1 μm的纳米塑料[3]。纤维状、碎片状等形态各异的微塑料遍布于大气、水体、土壤等环境介质中[4-5][6]1 021-1 022[7-8]，甚至由于食物链富集效应出现在人体内，由此引发了全球科研工作者对微塑料环境生态影响的研究热潮。环境中的微塑料形态各异，其中以纤维状和碎片状最为常见。结合最新的研究进展，本文对环境微塑料的来源、迁移转化以及对人体及其他生物的生态毒性进行较为系统全面的总结，从专业的角度为相关人员认知微塑料的环境行为和生态毒性提供科学指导。

1 环境微塑料的来源

1.1 大气中的微塑料

关于大气中的微塑料来源，目前发现主要来源于纺织衣物的合成纤维(图1)[2]1。纺织行业(尤其运动类衣物)的衣物生产使用的超细塑料纤维，在清洗或干燥时会流出而通过直接或间接的方式释放至周围环境中[9-10]。另外，工业上对合成材料的切碎和磨削等机加工也会产生超细颗粒，由此成为大气微塑料颗粒物的重要来源。合成纤维衣物随着环境的变化发生碎裂化、光氧化等过程产生纤维状微塑料或超细颗粒物[2]1，这类微塑料由于质轻，可以漂浮于室内和室外空气中，Dris等[11]292通过实际测定及模拟，目前大气中微塑料的浓度为2～355个纤维/m2/d。漂浮的微塑料纤维经由呼吸道系统进入人体，然后连同携带的其他污染物对人体产生持久性生理影响。

图1 大气中的纤维状微塑料Fig.1 Fibrous microplastic observed in atmospheric fallout

1.2 水体中的微塑料

图2 水体微塑料主要来源示意图Fig.2 Schematic of main sources of water microplastics

海洋和淡水水体成为环境微塑料一个重要的汇。大量的研究以及调查表明，地表河流、湖泊、水库以及靠近居民区的水体均发现不同浓度的微塑料[12-14]，而微塑料污染最早就是从海洋中发现的。图2[15]显示了水体为塑料污染的主要来源，包括：工业活动出现的溢油[16]、随意丢弃的塑料废物碎裂老化[17]、含合成纤维的机器清洗废水[18]、含微塑料的化妆品污水[19]和日用品的塑料包装[20]。其中，由于人类有意或无意的行为进入海洋环境并不断累积的塑料废物2025年将达到2.5×108t[21]。另外，个人日用护理品里的甘醇酸微珠、衣物里的微塑料纤维也会通过市政污水排放至周边环境[22-23]。市政污水厂污泥富集约90 %～98 %的微塑料，另外2 %将直接排放至地表水和海洋。以美国为例，污水处理厂每天排放约80亿个塑料微珠进入周边海岸，成为海洋微塑料污染一个显著的源[24]。除此以外，大气中的微塑料通过干湿沉降也成为水体微塑料一个很重要的来源[11]293。

1.3 土壤中的微塑料

红线和红色柱体代表微塑料，黑色或白色箭头表示微塑料迁移；4个圆圈图形表示特定土壤环境的放大：(a)橡胶磨损 (b)植物摄取 (c)土壤动物的摄入及搬运 (d)陆生食物链的营养级传递图3 土壤微塑料颗粒主要来源及归趋示意图Fig.3 Schematic of sources and fate of soil microplastics

土壤中的微塑料主要来源于市政污泥的土地利用、有机肥的长期施用、农用地膜的残留分解、大气微塑料的沉降、地表径流和农用灌溉水的带入[6]1 022-1 023[25]167-168(图3)。关于污泥土地利用带入的微塑料污染量，根据北美和欧洲污泥农用情况进行估算，北美地区每年通过污泥农用进入土壤的微塑料量为63～430 kt，欧洲为44～300 kt[26]，远高于全球每年93～236 kt为塑料的输入量。有机肥中粒径>0.5 mm的塑料含量就高达1 200 mg/kg，对于微塑料和纳米塑料的污染状况还未见数据报导。而我国是农用地膜使用大国，其地膜使用量占全球使用量90 %，但由于地膜厚度小(<0.005 mm)容易老化、碎片化，导致回收困难(回收率<60 %)，因而成为微塑料污染的又一个重要来源。除此以外，居民(尤其农村地区)由于环保意识淡薄，日常生活随意堆放塑料废物也构成了相当的环境影响。Liu等[27]通过采集上海周边20块农田样品分析，发现表层和深层土壤里的微塑料分别为(78.00±12.91)个/kg和(62.50±12.97) 个/kg，其中< 1 μm的微塑料分别占50.51 %和43.43 %。土壤中的微塑料主要通过食物链在不同营养水平的生物体及人体内生物富集并构成健康以及毒性影响。

2 微塑料的环境迁移及转化

水体、土壤、大气中的微塑料在光照、高温氧化、物理侵蚀和化学降解等的作用下将发生聚合物分子化学结构变化，包括聚合物分子链断裂、歧化、含氧官能团增加等，进一步变为粒径更小的纳米塑料。微塑料颗粒由于具有更高的比表面积，更易吸附或键合环境中的其他污染物。Mato等[28]报导与微塑料颗粒键合的PCBs、DDE和壬基酚含量分别为4～117 ng/g塑料、0.16～3.10 ng/g塑料和0.13～16 ng/g塑料。特别地，微塑料富集憎水性污染物，Hirai等[29]发现憎水的壬基酚含量高达3 936 ng/g塑料(双酚A仅730 ng/g塑料)。此外，Woodall等[30]报导海洋底泥中的微塑料含量比表层海水高3个数量级，随着氧化还原电位等环境条件变化，微塑料颗粒上的双酚A、壬基酚等有机污染物又会溶出释放构成环境影响。

另外，某些食碎屑生物(如黄粉虫)可以塑料为食，其肠道中具有降解塑料的功能性细菌和放线菌等[31-32]。塑料降解过程中，其生产和加工过程加入的增塑剂、阻燃剂、抗氧化剂、光热稳定剂等伴随释放至环境中成为新的污染源，诸多研究发现了一系列的对人体有毒害和致癌作用的阻燃剂和增塑剂成分，如邻苯二甲酸酯、双酚A、六溴环十二烷等[33-34]。环境调查数据显示，地表水体含有的双酚A含量为140～12 000 ng/L[35-38]、双酚S含量<1.02～306 ng/L、双酚AF含量<1～246 ng/L，甚至自来水中也检测出双酚A(-50 ng/L)[39]。因此，环境中大量存在的微塑料以及由此带来的化学添加剂二次释放造成的环境生态以及人体健康风险成为重要的研究热点。

3 微塑料的生态毒性效应和人体健康影响

生物将通过鱼鳃、等器官摄入空气、水体和土壤等环境介质中广布的微塑料，摄入的微塑料进入人体的循环系统并到达特定的组织，从而对生物以及人类产生持久的生态毒性效应。

3.1 微塑料的摄入路径

关于微塑料的摄入可能路径及机理，目前存在如下几条猜测：(1)肺内衬液(表面活性物质和黏液)的微塑料移位概率在上呼吸道有所降低，因该部位衬里厚(中心肺)。此处黏膜纤毛运动主要摄入>1 μm塑料，对于<1 μm颗粒，可能主要通过上皮细胞摄入[图4(a)][40-41]；(2)如果微塑料的空气动力学直径允许其在肺内沉积，那么它将穿过较薄的肺内衬液与上皮细胞接触，通过扩散转位或者活性细胞摄入[图4(b)]；(3)微塑料由胃肠道管腔内的派尔集合淋巴结的M细胞内吞作用摄入，M细胞和塑料颗粒由肠腔到达粘膜淋巴组织[图5(a)][42]；(4)微塑料由胃肠道管腔通过旁细胞吸附摄入，不可生物降解的微塑料通过单细胞上皮层内的松散联接机械捏合进入下层组织。树突细胞可以吞噬塑料颗粒，将其运输至下方的淋巴管和静脉，分散进入二级组织，包括在肝脏、肌肉和大脑均能发生[图5(b)]。

图4 人体肺部吸入微塑料及清除的可能机理示意图Fig.4 Schematic diagram of the possible uptake and clearance mechanisms in the human lung

图5 胃肠道摄入微塑料的可能路径示意图Fig.5 Schematic diagram of possible uptake pathways of microplastic from the gastrointestinal tract

3.2 微塑料对人体健康的影响

塑料本身对人体健康的危害主要来源于其结构单体(如双酚A)、添加剂(如增塑剂、含卤阻燃剂)或两者的结合(如抗菌聚碳酸酯)。根据单体成分不同和添加剂的种类特征，部分塑料及添加剂对人体健康可能的不利影响详见表1[43]。总体而言，塑料结构单体和增塑剂对人体健康的不利影响严重的可导致遗传性病变、癌症及其他急慢性疾病，影响较轻的则包括刺激感觉器官、导致内分泌紊乱、呼吸困难等。

表1 塑料成分对人体健康的不利影响

3.3 微塑料的生态毒性效应

诸多通过不同生物组织水平的生物标记物(包括两栖类动物、爬行类动物、鸟类、微生物、酶等)开展的初步毒理性实验结果表明，微塑料会改变生物正常的代谢，包括：(1)造成氧化性应激；(2)产生神经毒性、基因毒性和身体炎症[44]，而产生的一系列生态毒性是微塑料单独发生作用，还是与其他环境因子一起产生的综合影响仍需要后续进一步深入研究。微塑料颗粒带来的生态毒性影响不仅仅在于塑料本身，其更大的影响在于吸收和富集了很多环境污染物并通过食物链对生物产生影响，并最终影响全球海洋、淡水和土壤等生态系统的生物多样性[45]。

图6 影响海洋浮游动物对微塑料摄食的因素Fig.6 Factors that could influence the bioavailability of microplastics to zooplankton

微塑料对海洋生物的生态毒性影响的研究较为集中。由于微塑料粒径小，海洋的浮游动物在摄入其他浮游植物时通常也会摄入相当量的微塑料，而微塑料的粒径、密度、形状、颜色、含量、聚集状态和老化程度等理化性质均会影响浮游动物对微塑料的摄入水平(图6[46]104)。在实验室研究水平下，目前已发现有39种浮游动物(主要为全浮游型浮游动物和暂时性浮游动物)会摄入不同量的微塑料，并对浮游动物生长、发育、繁殖和寿命产生不同程度的负面影响[46]102-103，而以浮游动物为食的鱼(如鲶鱼)有18 %～35 %的胃容物里均检测出微塑料[47-48]。因此，生物通过食物链摄入受污染的微塑料由此对生物造成毒害成为备受关注的全球环境议题。

4 微塑料污染防治

解决微塑料污染问题的对策目前主要集中在源头控制、发展塑料循环经济、完善微塑料污染控制措施、塑料环境污染修复、可生物降解材料替代几个方面，以下将进行详细论述。

4.1 源头控制

严格控制塑料制品(尤其是一次性塑料制品)的生产数量，不断提高塑料制品的原料品质，同时构建生产者责任延伸制，在产品设计阶段便考虑其回收和再利用等。欧美许多发达国家都针对塑料产品源头控制制定了相关的法律法规。美国2015年12月28日发布“2015年无微珠水域法案”(Microbead-Free Waters Act of 2015)，自2017年7月1日起禁止在美国境内生产和销售添加了塑料微珠的清洁类化妆品[49]。加拿大于2017年6月出台《化妆品塑料微珠管理办法》，禁止生产、进口与销售含塑料微珠的化妆品[50]。意大利公布的2018年预算法案中明确提到自2019年起，禁止使用不可生物降解、不可堆肥的棉签，以及自2020年起禁止销售含微塑料的化妆品[51]68。肯尼亚自2017年8月28日起全面实施“禁塑令”，禁止使用、制造和进口所有商业和家庭用途的手提塑料袋和平底塑料袋[51]68。英国2018年1月份颁布了新的25年环保计划，希望在2042年之前，英国能消除所有可避免的塑料垃圾[52]。

4.2 发展塑料循环经济

发展塑料循环经济，改进回收技术，加强围绕塑料回收利用的技术设施建设和投资，形成一个塑料使用和再利用的循环，减少塑料产品的生产量以及废弃塑料的产生量，从而减缓微塑料的积累速度。欧盟于2018年1月16日公布了最新的限塑方案，至2030年，将对全部塑料包装实行回收，不再使用咖啡杯等一次性塑料，以此解决环境微塑料污染问题[53]。联合国环境规划署与英国的艾伦·麦克阿瑟基金会(Ellen MacArthur Foundation)于2018年10月底联合发起“新塑料经济全球承诺书”行动倡议，尝试从源头推动实现更可持续的循环塑料经济，倡议加入该承诺活动的企业在2025年之前从一次性使用转向可重复使用的包装，确保所有塑料包装都能轻松安全地回收或堆肥，并主动淘汰“有问题或不必要”的塑料包装，目前已有290多家知名企业及关键组织加入该行动，签署该承诺书的企业产生的塑料包装约占全球总量的20 %[54]。

4.3 完善微塑料污染控制措施

针对微塑料的来源、生成和迁移特性，完善污染控制措施，从而控制微塑料向生态环境的迁移。如，大部分塑料垃圾降解时间远大于垃圾卫生填埋场的设计使用寿命，存在较大的后续风险，应限制塑料垃圾直接填埋处置。对于无法回收再利用的塑料垃圾，建议采用焚烧方式实现彻底的无害化并同时回收能量，避免塑料垃圾在自然界中的累积。在城镇自来水厂和污水处理厂增加微塑料的去除环节，包括对气浮和絮凝等可能具有微塑料去除效果的现有处理设施进行研究，从而有效清除微塑料，并防止微塑料进入市政给水管网、河流和海洋等地表水。此外，对洗衣机内的过滤器进行改造是防止微塑料纤维进入下水道的一种简单而有效的方法。

4.4 塑料环境污染修复

对于已经形成的微塑料污染进行修复，包括物理清理和生物修复。面对大量存在的海洋塑料垃圾，美国《拯救我们的海洋法案》(Save Our Seas Act)于2018年10月11日正式生效，方案旨在支持美国国家海洋和大气管理局的海洋垃圾项目，帮助清洁海洋垃圾[55]。海洋清理基金会(Ocean Cleanup Foundation)2018年10月在旧金山启动了世界上第一套海洋清理系统，用于地球上5个海洋垃圾中最大的“大太平洋垃圾带”(Great Pacific Garbage Patch)的塑料清除。

在物理清理之外，生物修复法用于去除塑料的方法，因其节能环保，引起广泛社会的关注。在这个过程中，微生物利用降解酶消耗和分解合成聚合物。有科学家分别是从蜡虫或印度蛾和粉虫幼虫的肠道中分离得到能够降解聚乙烯(PE)的芽孢杆菌和肠杆菌以及能够降解聚苯乙烯(PS)的微杆菌，其中PS泡沫在12～24 h内完全矿化在粉虫的肠道内[56]。此外，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)污染土壤中发现的PET降解剂包括Ideonella sakaiensis 201-F6菌株[57]。

4.5 可生物降解材料替代

可生物降解材料是指具有优良的使用性能、废弃后能够被环境微生物(如细菌、真菌等)所降解并最终实现无机化，从而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。以可生物降解材料替代塑料是最为有效的防治微塑料污染的手段。目前，已开发并实现工业化的聚乳酸(PLA)、聚3 - 羟基烷酸酯(PHA)、聚ε - 己内酯(PCL)、脂肪族芳香族共聚酯、聚乙烯醇(PVA)等可生物降解材料可在许多应用领域取代传统塑料，例如，PLA可用作包装材料、纤维和非织造物等，以PHA和PLA为原料可制造微珠，水溶性PVA薄膜可用于各种产品的包装。尽管如此，针对可生物降解材料替代塑料，仍需加大研发投入，开发应用性能更优的可生物降解材料，并加强下游制品加工工艺的研发，拓展其应用领域，同时通过技术进步不断降低生产成本。此外，对于成熟的可生物降解材料及其制品，应制定支持政策促进其替代传统塑料的进程。

5 结语

日常生活中，由于人们对塑料制品的随意丢弃和不妥善的处理，大气、水体和土壤的微塑料污染已成为一个日益严重的全球性环境问题。环境介质中的微塑料最终通过食物链富集效应出现在人体和生物体内，对人体及其他生物造成生物毒性，影响人群健康。未来的研究方向应聚焦在环境介质中微塑料的高效去除技术研发，微塑料降解转化形成二次污染物的过程机理解析和生态毒性评估。除此以外，鉴于一些微塑料降解污染物会生物富集，尤其与悬浮颗粒物(如PM2.5、河道底泥等)键合并再次挥发，与其他环境中的有机物和无机物反应生成毒性更大的污染物，对于微塑料在环境条件参数变化下的迁移转化规律和归趋则是更需要拓展的研究方向，而面对环境微塑料污染的人体健康影响及治疗的相关医学研究也是未来一个很重要的议题。解决微塑料污染问题的对策应集中在源头控制、发展塑料循环经济、完善微塑料污染控制措施、塑料环境污染修复、可生物降解材料替代上。