微塑料毒性的研究进展

曹腾瑞，屈艾彬(综述)，郭会彩，刘学慧*(审校)

(1.河北医科大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学教研室，河北省环境与人群健康重点实验室，河北 石家庄 050017；2.河北医科大学公共卫生学院卫生毒理教研室，河北 石家庄 050017)

由于塑料具有耐用、廉价等特点，在日常生产生活中应用范围非常广泛。塑料以每年3 190万吨的惊人速度进入环境。据估计，到2050年，地球上会再增加330亿吨塑料[1]。由于塑料在环境中很难降解，其可以在环境中持续存在数百至数千年。进入环境的塑料通过光和热氧化过程进行缓慢降解(生物降解的程度较低)，削弱材料的完整性，可降解为直径<5 mm 的塑料，称为微塑料。微塑料具有粒径小、疏水性强、质量轻、易漂移等特性，可以迁移到任何的环境介质中。研究人员在海洋、河流、土壤甚至饮用水、瓶装水和食盐中都检出了微塑料。目前环境中检出的微塑料种类繁多，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)和聚对苯二甲酸类(polyethylene terephthalate，PET)等。微塑料在环境和消费品中无处不在的特性导致机体不可避免地接触到这些颗粒。然而，对于微塑料毒性知之甚少。本文对微塑料的暴露途径和毒性作用进行了系统性的回顾分析，旨在为进一步的研究提供一定的理论依据。

1 暴露途径

由于微塑料在环境中广泛存在，其可能通过消化道、呼吸道和皮肤等多种途径进入生物体内，并在生物体内发生生物富集作用，最终威胁生物的生存和人类的健康。下面将详细介绍这些暴露途径。

1.1通过消化道 通过消化道摄入被认为是人类接触微塑料的主要途径[2]。通过消化道进入人体和生物体的微塑料主要来源于含有微塑料的食物和水，其次空气中的微塑料也可以通过人体和生物体的吞咽动作经过消化道进入体内。研究人员在贝类、海鱼、淡水鱼、虾类等水生生物中均检测出不同浓度的微塑料成分，人类位于食物链的顶端，其摄入微塑料的风险会因为生物富集作用而增大[3-4]。此外，在各种水体中均发现了一定浓度的微塑料，甚至在人类日常经常饮用的瓶装水也发现了微塑料，最高可达10 000个/L[5]。国内外研究人员在啤酒、蜂蜜、食盐、糖中都检出了微塑料，进一步证实通过消化道摄入是人体微塑料暴露的重要途径。Cox等[6]根据食品的消费量，估计美国人每人每年摄入的微塑料量为39 000～52 000个。

1.2通过呼吸道 微塑料可以通过多种途径释放到空气中，包括合成纺织品、材料(例如汽车轮胎)的磨损等。Dris等[7]比较早的在室内和室外空气中监测到了微塑料，其浓度分别为(0.3～1.5)个/m3和(0.4～56.5)个/m3。自此国内外研究人员在世界多地的空气样品中都发现了微塑料的存在。空气中广泛存在的微塑料颗粒，特别是粒径≤10 μm的微塑料很可能通过呼吸道进入人体。据估计，人体1 d约吸入经空气传播的微塑料量为26～130个[8]。Vianello 等[9]利用专门空气采样的人体模型推测轻体力劳动的成年男性每天吸入272个微塑料。不同的估计结果可能和采样方法、空间、季节以及劳动强度有关。

1.3通过皮肤 目前有研究在众多的个人护理用化学品(personal care products，PCPs)中发现了微塑料的存在。每年大约有1 500吨来自PCPs的微塑料进入全球水环境。个人护理用品中，微塑料直径大多<100 μm，部分甚至<100 nm。研究发现纳米塑料(<100 nm)可以穿过真皮屏障，因此纳米塑料可以跨越皮肤屏障进入人体的可能性不应该被忽视[10]。由于人类在日常生活中广泛应用化妆品，因此通过皮肤暴露引起的潜在不利影响也值得科研人员的研究和关注。

2 微塑料的毒性

微塑料是一种复杂的污染物，其在环境和消费品中无处不在的特性导致生物和人类不可避免地接触到这些颗粒。不仅微塑料本身能够对机体造成危害，而且在塑料制造过程中使用的添加剂以及从周围环境吸收的污染物，都会对机体造成不同程度的损害。由于与塑料有关的许多化学物质具有持久性、生物蓄积性和(或)有毒性的特点，因此微塑料已经被美国环境保护署列为优先污染物。

目前普遍认为微塑料对生物体具有潜在危害。分析其原因可能主要是由以下几种原因造成：①微塑料作为一种高分子物质，很难降解，可能会对生物体造成物理性的损伤；②微塑料化学成分众多，并且生产过程中添加剂种类也十分繁多，这些组分单体和内源性添加剂会释放出来进入环境中，其中不乏毒性更大的持久性有机污染物等化学物质，进而对生物体造成化学毒性作用；③微塑料的比表面积比较大并具有疏水的特性，会从环境中吸附和浓缩有机污染物、重金属和病原微生物等，进而对生物的健康造成威胁。为了系统全面的了解微塑料的毒性作用，本研究主要按照微塑料对不同的组织和器官的毒性作用来进行详细的阐述。

2.1消化系统毒性 微塑料通过消化道进入机体后，大部分会随粪便排出体外，极少部分会残存在体内。体内残存的微塑料会磨损或阻塞消化道，干扰消化过程，从而减少动物的摄食和能量吸收。例如，紫贻贝(mytilus edulis)摄入PE微塑料后，肠道出现物理性损害[11]。进入肠道的微塑料也可能被位于肠淋巴滤泡上皮中的 M细胞所吸收，并进入小肠黏膜内的淋巴滤泡中，诱导炎症反应，最终影响肠道微生物的组成和代谢。如在暴露于PVC微塑料的欧洲鲈鱼中检测到肠道的组织学改变，表现为黏膜层水肿，血管明显扩张，白细胞浸润，黏膜上皮完全脱落，管腔内充满黏液、肠细胞、红细胞、杯状细胞和整条脱落的上皮等[12]。小鼠暴露PE微塑料后，小肠(结肠和十二指肠)不仅出现明显炎症反应，也出现了菌群失调[13]。肠道菌群的变化与其他器官的一系列慢性疾病有关，比如肾脏疾病，心血管系统疾病，炎症和癌症以及神经系统疾病。Wu 等[14]应用体外培养的人肠上皮细胞系观察到了微塑料的细胞低毒性作用，认为其主要通过破坏线粒体膜电位，引起线粒体高度去极化和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP) 消耗， 从而抑制ATP 酶的活性。

很多研究人员在水生生物和陆生生物体内都观察到了微塑料暴露可以到达生物体肝组织的证据，其在肝组织可以蓄积并引起肝损伤，表现为糖原消耗、脂肪空泡化以及单细胞坏死等[15]。微塑料对肝脏的毒性主要与氧化应激有关，损伤肝细胞线粒体，进一步引起肝炎及肝硬化。

2.2神经系统毒性 纳米颗粒不仅可以通过消化道进入人体引起消化系统功能障碍，也可以通过血脑屏障进入中枢神经系统引起神经毒性作用。目前，微塑料神经毒性研究多是以水生生物为模式动物。鱼食用被PVC污染的浮游生物后，在其大脑中检测到了纳米塑料，同时大脑结构也发生了变化，表现出不同程度的行为异常，包括进食时间和食用食物所需的游动距离延长等[16]。国外有研究者以欧洲鲈鱼的幼体作为模式动物，发现微塑料通过抑制乙酰胆碱酯酶，增加大脑脂质氧化，并改变与能量有关的酶乳酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的活性，最终引起神经毒性作用[17]。

也有研究人员以陆生生物为模式动物观察到了不一致的结论。Javurek等[18]发现SD大鼠短时间暴露PS纳米微塑料后，并未出现明显的神经行为异常，但通过高架十字迷宫实验观察到高剂量组10 mg/kg大鼠有焦虑行为。该研究虽然在研究动物中没有观察到有统计学意义的差异，但在所有暴露组大鼠中，都观察到了短暂和微妙的神经行为效应。也有研究者通过体外研究观察到微塑料的神经毒性效应。大脑细胞T98G暴露于微塑料并不会诱导细胞溶解，但可使活性氧(reactive oxygen species,ROS)大量增加，引起氧化应激，产生神经细胞毒性作用[19]。众多研究人员获得了不一样的结论，这可能是由于微塑料的化学性质、粒径大小不同，或是由于不同物种对微塑料的代谢和敏感性不同造成，值得进一步研究。

2.3免疫系统毒性 研究发现颗粒物暴露与自身免疫性疾病如风湿性疾病和系统性红斑狼疮的发生有关。微塑料作为异物被吞噬细胞吞噬后，通过诱导活性氧、释放免疫调节因子引起免疫细胞活化，从而造成自身抗原暴露和自身抗体的产生，导致局部或全身的免疫反应。巨噬细胞培养物暴露于PS微塑料诱导活性氧和内质网应激，导致细胞自噬死亡。有报道体外培养的贻贝血细胞在微塑料暴露后出现免疫抑制，细胞外ROS和一氧化氮增加[20]。在哺乳动物体内也观察到微塑料诱导产生免疫抑制效应。微塑料会诱导人外周血单核细胞的促炎细胞因子白细胞介素6和肿瘤坏死因子α增多，并使组胺的释放增多，从而激活免疫系统反应，产生免疫毒性作用[21]。

2.4呼吸系统毒性 由于空气中存在大量塑料颗粒，人和陆生动物会通过呼吸道吸入微塑料。塑料颗粒物进入深部呼吸道沉积后，诱导ROS的产生、炎性因子的释放以及细胞凋亡，进而对呼吸系统产生毒性作用。在合成纤维、PE或PVC等行业工作的工人，因为经常接触经空气传播的微塑料，而出现呼吸道症状[22]。纳米塑料对体外培养的肺和支气管细胞有细胞毒性作用，引起细胞周期阻滞，激活炎症基因转录，改变细胞周期和凋亡相关蛋白的表达，损害细胞的生存能力[23-24]。这些纳米塑料(nano plastic，NPs)通过影响细胞代谢对人肺细胞产生细胞毒性作用，主要是自噬和内质网应激相关的代谢变化，如氨基酸和三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA)中间代谢物的增加[25]。

2.5生殖系统毒性 研究发现微塑料也具有生殖毒性作用，对海洋生物种群的生存和繁殖造成了巨大影响。这主要是由于微塑料的单体和添加剂可能会在体内渗出，使组织暴露在邻苯二甲酸酯、双酚A和壬基酚等化学物质中。这些物质被统称为环境内分泌干扰物，研究发现即使在浓度非常低的情况下，也会干扰机体内源性激素的生理活动。鱼类暴露于微塑料会通过干扰丘脑-垂体-性腺轴而抑制性激素分泌，引起性腺发育迟缓以及繁殖力下降，也会降低幼鱼的孵化成功率和增长率[26-27]。

微塑料不仅具有水生生物生殖毒性作用，其对陆地生物和人类的生殖系统也可以产生毒性作用。微塑料可以导致雄性小鼠精子数量和活动率显著降低，精子畸形率显著升高，以及血清睾酮含量降低；也可以引起每只母鼠的活产仔数、幼崽的性别比和幼崽的体重显著降低。生殖毒作用的机制主要通过氧化应激和激活p38MAPK信号通路诱导的[28]。关于纳米颗粒是否能通过人体的胎盘屏障，研究者得到了不同的结论。使用体外人胎盘灌注模型发现直径240 nm的颗粒可以被胎盘吸附，能够穿过胎盘屏障而不影响胎盘外植体的生存能力。然而，在体外培养人胎盘滋养细胞中仅观察到微塑料在细胞间的聚集， 而未发现其在胎盘屏障转运的证据。微塑料对人体细胞与动物试验的生殖毒性结论并不完全一致， 仍需进一步研究证实。

3 结 论

因微塑料具有用量大、难降解等特点，其在环境中的累积量会日益增多，对生态系统及人类健康都会产生威胁。微塑料主要通过呼吸道、消化道和皮肤进入机体，并通过颗粒内在化或迁移对相应的组织和器官产生毒性作用。通过物理损害、造成肠道菌群失衡、改变酶活性、激活免疫细胞、引起氧化应激及干扰内源性激素等对消化、神经、呼吸、免疫、生殖内分泌系统产生毒性作用。但是，目前关于微塑料对于人类的急性毒性及长期危害的研究仍十分有限，因此需要更多的研究来充分了解微塑料的潜在影响和毒性效应。由于微塑料对生物和人类健康造成威胁，因此必须控制塑料的过度使用，世界各国均应制定相应法律和政策来有效控制塑料垃圾的任意排放。