微塑料对人体健康效应的研究进展

苏亚平 ,李瑞玲 ,李博 ,刘楠✉

1河南大学护理与健康学院 公共卫生护理教研室,河南 开封 475004;2 河南大学 慢性病风险评价研究所,河南 开封475004

微塑料(microplastic,MP)的概念是在2004年由英国Thompson教授[1]首次提出,是由塑料垃圾随着时间推移所形成的无数的微塑料颗粒,粒径一般小于5 mm。常见MP类型有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯(polystyrene,PS)等。作为一种新发环境污染物,MP对大气环境[2,3]、土壤生态系统[4,5]和水资源[6,7]产生污染,同时也作为各种环境污染物的载体,通过食物链、呼吸系统、皮肤等途径进入多种生物机体[8],并产生不同的或复合型毒性效应,对心血管系统[9,10]、呼吸系统[11]、消化系统[12,13]、造血系统[14]、生殖系统[15]等造成损伤。MP进入人体的途径、作用机制及个体差异均能影响MP对人体健康的毒性效应和损伤程度。由于医学伦理学的限制不能开展相关人体健康效应实验,大规模人群暴露实验数据的匮乏、偏倚混杂因素众多及短期毒性效应不明显等原因,导致人体健康效应和损伤机制的研究滞后。如何科学地设计实验方法及展开大规模流行病学研究,已成为慢性非传染性疾病研究迫切需要解决的问题。因此,本文从MP对人体健康危害效应、MP 作为污染物的载体和MP污染的健康护理等方面入手展开综述,呼吁关注MP污染对人体健康的危害,减少塑料垃圾的排放,改善环境,维护人类健康[9]。

1 环境中MP对人体健康的效应

1.1 呼吸系统健康效应

MP对人体健康的危害主要来源于其结构单体、添加剂或是两者的结合,不同单体结构不同,对人体健康影响不同[16]。例如:聚氯乙烯可导致慢性支气管炎、溃疡、皮肤病、耳聋、心力衰竭、消化不良和肝功能障碍等;PS会刺激眼睛、鼻子和喉咙,并可能引起头晕和昏迷,迁移到食物中并存储在体脂内,导致淋巴和造血系统癌症的发病率升高;聚丙乙烯可引起呼吸困难、呕吐、腹泻、恶心、虚弱、头痛和疲劳;聚四氟乙烯会刺激眼睛、鼻子和喉咙,并可能导致呼吸困难[16]。实验表明聚丙烯、聚乙烯等物质的生物耐受性较强,可以在肺部持久存在[17]。人们吸入的MP不易被肺清除干净,导致清除机制受损,留在体内的MP 会造成肺部的炎症和DNA 损伤,也是诱导癌症的因素之一[18]。

据估计每人每天从空气中吸入26～130个MP颗粒,会对人类特别是新生儿、儿童等易感人群构成极大的健康威胁[3,19]。运用人体模型进行空气采样,测出轻度活动的男性每天可吸入平均272 个MP颗粒[20]。污染空气的MP 与人类呼吸系统和心血管系统密切相关[2]。MP 进入人体后,引发一些慢性呼吸系统疾病,如哮喘、肺泡炎、慢性支气管炎等[21];部分MP可能受到上呼吸道黏液纤毛清除至胃肠道,影响胃肠道蠕动,威胁人体的健康。

1.2 消化系统健康效应

直径范围0.2～150μm 的MP能够在人体肠道系统跨膜转运,大于0.2μm 的MP颗粒能够通过脾过滤系统进入肠道,血液中的MP 会被胆汁从肝脏中清除,最后通过粪便排出体外,人体肠道上皮细胞最大间隙约1.5 nm。纳米塑料可能进入大脑等诸多器官并透过胎盘屏障,且存在代际效应[22]。MP进入胃肠道系统后,被分解成纳米塑料(nanoplastics,NP),而后与肠道微生物发生相互作用并跨越肠上皮细胞进入循环系统。肠道疾病的患者,由于炎症感染造成的组织通透性增加会使得对MP的转运速率明显增高。

丢弃在环境中的塑料垃圾可进一步分解成塑料碎片和MP,被自然界中的生命体吸收,并通过食物链进一步危害人类健康[23]。Philipp等首次在人类粪便样品中发现了MP颗粒,其源头可能是海产品;Van等将牡蛎净化3 天后仍然能够在其体内发现MP。可见,这些海洋生物被食用后,其体内的MP通过消化系统进入人类体内,威胁人体健康[24]。Huerta等首次报道了家庭花园中的MP 可通过土壤-蚯蚓-鸡的食物链进行传递,而鸡砂囊作为人类的食材,MP终将通过食物进入人体并蓄积,对人体健康构成严重的威胁[25]。实验在营养液水培条件下发现绿叶蔬菜——生菜能够吸收和积累0.2μm的PS微球,并能将其运输到可被直接食用的茎叶中[26]。因此,MP 对人类消化系统危害效应显著,微塑料污染的治理和管制迫在眉睫。

1.3 生殖系统健康效应

MP严重污染自然环境,对人体健康产生明显的毒性效应。目前关于MP危害人类健康的研究数据较少,尤其是关于生殖系统毒性效应的报道比较少见,也没有直接针对人类男性生殖毒性的报道,可能是由于伦理或者不受关注的原因所致。但是,MP已经被证实可以削弱雄性动物的生育能力,揭示了接触MP对动物模型的精子数量和精子质量会产生影响,同时,可造成睾丸内精母细胞的损伤,精子细胞数量减少,诱导细胞从上皮脱落、固缩和细胞核破裂。MP也可增大女性妊娠的损伤[27]。研究证实,暴露于母体肺部的纳米级PS颗粒会在胎盘和胎儿组织移位和沉积,损伤内皮滋养层细胞,使胎儿和胎盘组织受到血流不畅的影响,从而导致胎儿体质量和胎盘重量的减少[28]。

脲醛树脂成分的MP可导致先天缺陷和遗传危害[16],MP 污染给人体生殖系统带来了严重的威胁。体外实验研究发现,人体胚胎细胞模型(BeWo b30)在粒径50 nm 的PS溶液中培养24 h,当浓度高于5 μg/ mL表现出轻微但显著的代谢活性增加;在PS粒径0.5 μm、浓度0.01～10 μg/ mL 培养24 h,线粒体活性显著增加[29]。

MP主要通过饮用水和污染的食物进入人体,引起氧化应激、代谢紊乱等生理机制的改变,导致的生殖毒性还可能引起人体表观遗传的改变[30]。MP对人体胚胎的危害显而易见,未来我们还需要继续探索MP在人体各组织间的转移路径及其机制,为应对MP污染危害人体健康提供科学依据。

1.4 皮肤接触等健康效应

人类通过呼吸、食道、皮肤接触等暴露于MP,MP粒径大小是其危害人体的途径和严重程度的决定性因素之一。粒径100 nm 以下的MP颗粒能够穿透皮肤纹状体角质层[31]。医疗用品中的塑料制品如外科缝线等也会增加人体皮肤接触MP 的几率。MP暴露后依赖于颗粒直径和表面电荷产生毒性效应,MP能够穿透肠道屏障进入血液循环,但是多数实验结果也证明MP 在人体的吸收效率较低(≤0.3%),易于摄入也易于排出,只有很少一部分(＜1.5μm)能够深入组织器官[32]。因此,我们应尽可能减少人体接触MP 的几率,降低接触量进而减少健康危害。

细胞主要通过胞饮和吞噬两种途径主动内化MP,粒径1μm 的MP 通过吞噬作用被细胞吸收,而较小的颗粒(0.2μm 和0.78μm)可以直接通过细胞扩散的方式穿过细胞膜进入细胞内[33]。同时,研究已验证血液中的MP 可以引起炎症、血管闭塞[34]、干扰骨骼肌再生[35]。Forte 等[36]发现44、100 nm 的PS颗粒可以被胃癌细胞通过网格蛋白介导(一种能量依赖的内化机制)的途径吸收,肿瘤患者对MP更加易感。MP可能会对细胞的能量稳态和代谢水平产生影响。综上所述,MP 对人体细胞的毒性效应已毋庸置疑,但是MP 是否在人体内的不同器官之间进行转移,以及MP 的靶向效应还有待继续深入研究。

2 MP污染载体

2.1 污染可食用物品

MP 被发现也可存在于蔬菜和水果中,其中苹果和胡萝卜分别是水果和蔬菜中污染程度最严重的[37]。在水产食品中,MP 细小颗粒可通过生物链进入枸杞岛紫贻贝和牡蛎体内,最终通过食物链进入人体并产生毒性效应,这种毒性会受到生物蓄集和生物放大作用的影响,产生更强的毒性效应。在特定去除MP的实验室条件下,贻贝和牡蛎体内含有的MP含量均下降,表明环境管控能够减少海洋经济生物MP污染[38]。因此,加强水环境和土壤中MP对动植物营养成分迁移的作用机制的研究能全面掌握MP对人类健康的影响[5,39-40]。

MP污染目前还没有从生态宏观的角度进行研究[4],未来仍有很多领域需要探索,我们应该加强MP源头控制以及MP污染修复技术的研究及对土壤中MP进入植物的作用途径和机制研究的开展。对MP成分及含量的检测技术的研发,能精确地描述MP对人体健康的影响[41-42]。环境中能够降解MP的酶或者细菌能够减弱其毒性效应,因此,创新研究策略,研发检测技术,完善管理理念,规范具体理论是亟需的工作[43-44]。MP毒性效应的研究必须考虑真实环境中的多项因素,如MP的物理、化学特性,MP与其他污染物的相互作用和机制,暴露目标生物的特点等。

2.2 环境污染物载体

MP对环境中重金属离子的吸附作用受到多方面环境因素和自身特性的影响,如pH 值、离子强度、紫外老化、静电作用等。而且Cu2+、Cd2+、Pb2+等重金属离子与MP之间会表现出程度不同的抑制作用,其中和Pb2+之间的抑制作用最弱[45],Cd2+与MP的复合作用增强了单一污染物的毒性,常暴露于农作物与水环境中[46]。MP 同时也作为有机污染物的载体,在食物链中依次传递,最终危害人体健康。研究证明,不同的有机污染物对MP 的吸附能力基本一致,不同的MP吸附能力不同,主要和其结晶度、极性、表面电荷和官能团有关,MP 粒径和表面积对其吸附能力影响较小[4]。MP与有机污染物之间的相互吸附作用还会受到其疏水性、塑料聚合物的性质、溶液或者介质化学特性的影响。而且,塑料聚合物通常含有晶区和非晶区,晶区指聚合物分子有序排列,非晶区则是无序排列且任意运动。由此可见,MP 单体所带电荷等特性的不同会带来不同的毒性效应。

MP作为重金属或有机污染物的载体,有很强的吸附作用[47],但是针对该方面的研究还没有整合全面系统的参考指标。目前对MP尚缺乏大规模的实验研究,传统的处理方法还不能满足现有的MP污染水平的探索,亟待研发新的有针对性的测量工具[48]和标准化的MP检测分析鉴定技术[49]。环境中MP污染不仅仅是单一或者几种实验因素,而是自然环境中多因素、多污染物的共同作用。因此,多学科间交叉才可能深入研究MP吸附和释放污染物的作用机制[50]。虽然MP对人体危害机制还不清楚,但用模式生物如秀丽隐杆线虫、斑马鱼等进行了充分且有力的证明,证明MP对人体健康的威胁,目前还需要进一步用高等哺乳动物做验证,这将为MP暴露的健康效应的深入研究提供可参考的数据[51]。

3 MP暴露的健康护理

3.1 减少MP接触和暴露的预防措施

MP 通过呼吸系统对人体造成健康威胁,佩戴口罩是最便捷的保护措施,但是研究表明,口罩中有机磷酸酯的暴露同样会危害健康,因此,建议使用可重复使用的口罩,既减少经济成本,也减少暴露机会[52]。人类食用的蔬菜[23]和海产品[21]、呼吸的氧气[5]、饮用的水、穿戴用物等都有检测到MP 的存在[25],尽管其对人类健康构成的威胁尚缺乏人体实证数据,至少我们可以采取预防措施,提高对MP污染的重视程度,减少自身环境中MP 的暴露。作为护理人员,从纽曼的系统模式理论出发,人体防御机制有三级预防结构,MP 毒性危害人体健康应采取一级预防结构,即控制MP污染的源头,主动参与并积极响应国家减塑政策及活动,改变消费习惯,保护自身健康。疾病和健康在个体上是动态的、相互转化的,且在同一个体可以并存[53],根据奥瑞姆自理理论,对缺乏相关知识的人们开展健康宣传教育,减少MP的环境污染,保护环境,就是保护自己。沿海地区MP 污染聚集较多,MP 治理和公民的环保意识息息相关,工厂与公民积极参与环境中MP 的整治,提倡垃圾分类,政府部门加强宣传力度和奖惩措施有利于海洋MP垃圾的管控[54]。

3.2 塑料循环利用的措施

塑料制品垃圾可被有效利用,MP 光催化后能够产生新的有价值的物质[55]。医疗耗材方面要严格执行医院的成本管控制度,做到每一份耗材都有据可查,杜绝耗材的浪费,同时,消毒供应中心发挥科室职能,增加塑料耗材的二次使用或使用能够降解的材质;生活用品方面要减少塑料产品及塑料包装以及含有微塑料成分的护理用品等的使用;工业生产方面要加强企业减塑制度的执行,同时鼓励环保型易降解材料的应用和研发。近年来塑料制品消耗量与日俱增,导致包含人类在内的全球生物长期、持续暴露在MP的毒性效应中。最有效的减塑行为就是我们从源头抓起,实施塑料全生命周期管控,减少塑料带来的公共卫生问题,提高对塑料垃圾的认识,提高MP 污染的重视程度,抵制塑料制品的使用,改变消费行为,运用公共卫生护理措施促进健康,以点带面逐步改善MP对人体健康的危害;改进塑料处理技术,促进塑料垃圾的循环使用和无害化处理。常见的MP分析方法为筛分过滤法、密度分离法、消解法,未来会发展多重复合方法的应用,达到分离MP的实际目标[56]。

4 小结

虽然MP作为污染物媒介的潜在后果仍存在争议,但其对生存环境和人体健康所构成的威胁显而易见。MP不仅能通过呼吸、消化系统进入人体,产生毒性效应,还能通过皮肤等直接接触的方式产生多器官、多靶标的复合型毒性效应,对其毒性效应机制和特异性损伤分子标志物的研究仍需加强,发现更灵敏和准确的健康效应标志物,为人体潜在危害的健康效应评估提供可靠支撑。其次,需要进一步深入研究不同粒径的MP在高等模式生物或人体体内的分布规律、吸附、代谢以及与其他环境污染物的联合毒性和生物蓄积。由于在实际暴露过程中,不仅仅是MP一种污染物的单一暴露,加之MP作为其他化学污染物附着的载体,对人体的毒性效应表现得更为复杂。不同时期复合污染物暴露所导致的健康效应可能存在差异,在这其中的时间和空间变化规律尚未见明确报道。我们要规范MP检测技术方法的标准和参考指南,探索新的科学性、技术性、创新性的实验方法,探究MP单体及多聚体的理化性质,为MP与其他污染物的依附作用研究奠定基础。

MP的治理和消除成为降低和减少对人体健康危害的关键手段,相关技术和方法研究成为不同学科的焦点。塑料垃圾的分离及循环利用具有较大的实际应用价值,运用专业知识及多学科协作的方式开展更深入的研究,不但可以有效减少MP 对健康的危害,同时也能降低MP对环境的污染破坏,还能最大限度地造福人类。