微塑料毒性的研究進(jìn)展

曹騰瑞，屈艾彬(綜述)，郭會(huì)彩，劉學(xué)慧*(審校)

(1.河北醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院勞動(dòng)衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學(xué)教研室，河北省環(huán)境與人群健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050017；2.河北醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理教研室，河北 石家莊 050017)

由于塑料具有耐用、廉價(jià)等特點(diǎn)，在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用范圍非常廣泛。塑料以每年3 190萬(wàn)噸的驚人速度進(jìn)入環(huán)境。據(jù)估計(jì)，到2050年，地球上會(huì)再增加330億噸塑料[1]。由于塑料在環(huán)境中很難降解，其可以在環(huán)境中持續(xù)存在數(shù)百至數(shù)千年。進(jìn)入環(huán)境的塑料通過(guò)光和熱氧化過(guò)程進(jìn)行緩慢降解(生物降解的程度較低)，削弱材料的完整性，可降解為直徑<5 mm 的塑料，稱為微塑料。微塑料具有粒徑小、疏水性強(qiáng)、質(zhì)量輕、易漂移等特性，可以遷移到任何的環(huán)境介質(zhì)中。研究人員在海洋、河流、土壤甚至飲用水、瓶裝水和食鹽中都檢出了微塑料。目前環(huán)境中檢出的微塑料種類繁多，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)和聚對(duì)苯二甲酸類(polyethylene terephthalate，PET)等。微塑料在環(huán)境和消費(fèi)品中無(wú)處不在的特性導(dǎo)致機(jī)體不可避免地接觸到這些顆粒。然而，對(duì)于微塑料毒性知之甚少。本文對(duì)微塑料的暴露途徑和毒性作用進(jìn)行了系統(tǒng)性的回顧分析，旨在為進(jìn)一步的研究提供一定的理論依據(jù)。

1 暴露途徑

由于微塑料在環(huán)境中廣泛存在，其可能通過(guò)消化道、呼吸道和皮膚等多種途徑進(jìn)入生物體內(nèi)，并在生物體內(nèi)發(fā)生生物富集作用，最終威脅生物的生存和人類的健康。下面將詳細(xì)介紹這些暴露途徑。

1.1通過(guò)消化道 通過(guò)消化道攝入被認(rèn)為是人類接觸微塑料的主要途徑[2]。通過(guò)消化道進(jìn)入人體和生物體的微塑料主要來(lái)源于含有微塑料的食物和水，其次空氣中的微塑料也可以通過(guò)人體和生物體的吞咽動(dòng)作經(jīng)過(guò)消化道進(jìn)入體內(nèi)。研究人員在貝類、海魚(yú)、淡水魚(yú)、蝦類等水生生物中均檢測(cè)出不同濃度的微塑料成分，人類位于食物鏈的頂端，其攝入微塑料的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)因?yàn)樯锔患饔枚龃骩3-4]。此外，在各種水體中均發(fā)現(xiàn)了一定濃度的微塑料，甚至在人類日常經(jīng)常飲用的瓶裝水也發(fā)現(xiàn)了微塑料，最高可達(dá)10 000個(gè)/L[5]。國(guó)內(nèi)外研究人員在啤酒、蜂蜜、食鹽、糖中都檢出了微塑料，進(jìn)一步證實(shí)通過(guò)消化道攝入是人體微塑料暴露的重要途徑。Cox等[6]根據(jù)食品的消費(fèi)量，估計(jì)美國(guó)人每人每年攝入的微塑料量為39 000～52 000個(gè)。

1.2通過(guò)呼吸道 微塑料可以通過(guò)多種途徑釋放到空氣中，包括合成紡織品、材料(例如汽車輪胎)的磨損等。Dris等[7]比較早的在室內(nèi)和室外空氣中監(jiān)測(cè)到了微塑料，其濃度分別為(0.3～1.5)個(gè)/m3和(0.4～56.5)個(gè)/m3。自此國(guó)內(nèi)外研究人員在世界多地的空氣樣品中都發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在?？諝庵袕V泛存在的微塑料顆粒，特別是粒徑≤10 μm的微塑料很可能通過(guò)呼吸道進(jìn)入人體。據(jù)估計(jì)，人體1 d約吸入經(jīng)空氣傳播的微塑料量為26～130個(gè)[8]。Vianello 等[9]利用專門空氣采樣的人體模型推測(cè)輕體力勞動(dòng)的成年男性每天吸入272個(gè)微塑料。不同的估計(jì)結(jié)果可能和采樣方法、空間、季節(jié)以及勞動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。

1.3通過(guò)皮膚 目前有研究在眾多的個(gè)人護(hù)理用化學(xué)品(personal care products，PCPs)中發(fā)現(xiàn)了微塑料的存在。每年大約有1 500噸來(lái)自PCPs的微塑料進(jìn)入全球水環(huán)境。個(gè)人護(hù)理用品中，微塑料直徑大多<100 μm，部分甚至<100 nm。研究發(fā)現(xiàn)納米塑料(<100 nm)可以穿過(guò)真皮屏障，因此納米塑料可以跨越皮膚屏障進(jìn)入人體的可能性不應(yīng)該被忽視[10]。由于人類在日常生活中廣泛應(yīng)用化妝品，因此通過(guò)皮膚暴露引起的潛在不利影響也值得科研人員的研究和關(guān)注。

2 微塑料的毒性

微塑料是一種復(fù)雜的污染物，其在環(huán)境和消費(fèi)品中無(wú)處不在的特性導(dǎo)致生物和人類不可避免地接觸到這些顆粒。不僅微塑料本身能夠?qū)C(jī)體造成危害，而且在塑料制造過(guò)程中使用的添加劑以及從周圍環(huán)境吸收的污染物，都會(huì)對(duì)機(jī)體造成不同程度的損害。由于與塑料有關(guān)的許多化學(xué)物質(zhì)具有持久性、生物蓄積性和(或)有毒性的特點(diǎn)，因此微塑料已經(jīng)被美國(guó)環(huán)境保護(hù)署列為優(yōu)先污染物。

目前普遍認(rèn)為微塑料對(duì)生物體具有潛在危害。分析其原因可能主要是由以下幾種原因造成：①微塑料作為一種高分子物質(zhì)，很難降解，可能會(huì)對(duì)生物體造成物理性的損傷；②微塑料化學(xué)成分眾多，并且生產(chǎn)過(guò)程中添加劑種類也十分繁多，這些組分單體和內(nèi)源性添加劑會(huì)釋放出來(lái)進(jìn)入環(huán)境中，其中不乏毒性更大的持久性有機(jī)污染物等化學(xué)物質(zhì)，進(jìn)而對(duì)生物體造成化學(xué)毒性作用；③微塑料的比表面積比較大并具有疏水的特性，會(huì)從環(huán)境中吸附和濃縮有機(jī)污染物、重金屬和病原微生物等，進(jìn)而對(duì)生物的健康造成威脅。為了系統(tǒng)全面的了解微塑料的毒性作用，本研究主要按照微塑料對(duì)不同的組織和器官的毒性作用來(lái)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

2.1消化系統(tǒng)毒性 微塑料通過(guò)消化道進(jìn)入機(jī)體后，大部分會(huì)隨糞便排出體外，極少部分會(huì)殘存在體內(nèi)。體內(nèi)殘存的微塑料會(huì)磨損或阻塞消化道，干擾消化過(guò)程，從而減少動(dòng)物的攝食和能量吸收。例如，紫貽貝(mytilus edulis)攝入PE微塑料后，腸道出現(xiàn)物理性損害[11]。進(jìn)入腸道的微塑料也可能被位于腸淋巴濾泡上皮中的 M細(xì)胞所吸收，并進(jìn)入小腸黏膜內(nèi)的淋巴濾泡中，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，最終影響腸道微生物的組成和代謝。如在暴露于PVC微塑料的歐洲鱸魚(yú)中檢測(cè)到腸道的組織學(xué)改變，表現(xiàn)為黏膜層水腫，血管明顯擴(kuò)張，白細(xì)胞浸潤(rùn)，黏膜上皮完全脫落，管腔內(nèi)充滿黏液、腸細(xì)胞、紅細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和整條脫落的上皮等[12]。小鼠暴露PE微塑料后，小腸(結(jié)腸和十二指腸)不僅出現(xiàn)明顯炎癥反應(yīng)，也出現(xiàn)了菌群失調(diào)[13]。腸道菌群的變化與其他器官的一系列慢性疾病有關(guān)，比如腎臟疾病，心血管系統(tǒng)疾病，炎癥和癌癥以及神經(jīng)系統(tǒng)疾病。Wu 等[14]應(yīng)用體外培養(yǎng)的人腸上皮細(xì)胞系觀察到了微塑料的細(xì)胞低毒性作用，認(rèn)為其主要通過(guò)破壞線粒體膜電位，引起線粒體高度去極化和三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP) 消耗， 從而抑制ATP 酶的活性。

很多研究人員在水生生物和陸生生物體內(nèi)都觀察到了微塑料暴露可以到達(dá)生物體肝組織的證據(jù)，其在肝組織可以蓄積并引起肝損傷，表現(xiàn)為糖原消耗、脂肪空泡化以及單細(xì)胞壞死等[15]。微塑料對(duì)肝臟的毒性主要與氧化應(yīng)激有關(guān)，損傷肝細(xì)胞線粒體，進(jìn)一步引起肝炎及肝硬化。

2.2神經(jīng)系統(tǒng)毒性 納米顆粒不僅可以通過(guò)消化道進(jìn)入人體引起消化系統(tǒng)功能障礙，也可以通過(guò)血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)引起神經(jīng)毒性作用。目前，微塑料神經(jīng)毒性研究多是以水生生物為模式動(dòng)物。魚(yú)食用被PVC污染的浮游生物后，在其大腦中檢測(cè)到了納米塑料，同時(shí)大腦結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，表現(xiàn)出不同程度的行為異常，包括進(jìn)食時(shí)間和食用食物所需的游動(dòng)距離延長(zhǎng)等[16]。國(guó)外有研究者以歐洲鱸魚(yú)的幼體作為模式動(dòng)物，發(fā)現(xiàn)微塑料通過(guò)抑制乙酰膽堿酯酶，增加大腦脂質(zhì)氧化，并改變與能量有關(guān)的酶乳酸脫氫酶和異檸檬酸脫氫酶的活性，最終引起神經(jīng)毒性作用[17]。

也有研究人員以陸生生物為模式動(dòng)物觀察到了不一致的結(jié)論。Javurek等[18]發(fā)現(xiàn)SD大鼠短時(shí)間暴露PS納米微塑料后，并未出現(xiàn)明顯的神經(jīng)行為異常，但通過(guò)高架十字迷宮實(shí)驗(yàn)觀察到高劑量組10 mg/kg大鼠有焦慮行為。該研究雖然在研究動(dòng)物中沒(méi)有觀察到有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的差異，但在所有暴露組大鼠中，都觀察到了短暫和微妙的神經(jīng)行為效應(yīng)。也有研究者通過(guò)體外研究觀察到微塑料的神經(jīng)毒性效應(yīng)。大腦細(xì)胞T98G暴露于微塑料并不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞溶解，但可使活性氧(reactive oxygen species,ROS)大量增加，引起氧化應(yīng)激，產(chǎn)生神經(jīng)細(xì)胞毒性作用[19]。眾多研究人員獲得了不一樣的結(jié)論，這可能是由于微塑料的化學(xué)性質(zhì)、粒徑大小不同，或是由于不同物種對(duì)微塑料的代謝和敏感性不同造成，值得進(jìn)一步研究。

2.3免疫系統(tǒng)毒性 研究發(fā)現(xiàn)顆粒物暴露與自身免疫性疾病如風(fēng)濕性疾病和系統(tǒng)性紅斑狼瘡的發(fā)生有關(guān)。微塑料作為異物被吞噬細(xì)胞吞噬后，通過(guò)誘導(dǎo)活性氧、釋放免疫調(diào)節(jié)因子引起免疫細(xì)胞活化，從而造成自身抗原暴露和自身抗體的產(chǎn)生，導(dǎo)致局部或全身的免疫反應(yīng)。巨噬細(xì)胞培養(yǎng)物暴露于PS微塑料誘導(dǎo)活性氧和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)胞自噬死亡。有報(bào)道體外培養(yǎng)的貽貝血細(xì)胞在微塑料暴露后出現(xiàn)免疫抑制，細(xì)胞外ROS和一氧化氮增加[20]。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)也觀察到微塑料誘導(dǎo)產(chǎn)生免疫抑制效應(yīng)。微塑料會(huì)誘導(dǎo)人外周血單核細(xì)胞的促炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素6和腫瘤壞死因子α增多，并使組胺的釋放增多，從而激活免疫系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生免疫毒性作用[21]。

2.4呼吸系統(tǒng)毒性 由于空氣中存在大量塑料顆粒，人和陸生動(dòng)物會(huì)通過(guò)呼吸道吸入微塑料。塑料顆粒物進(jìn)入深部呼吸道沉積后，誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生、炎性因子的釋放以及細(xì)胞凋亡，進(jìn)而對(duì)呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用。在合成纖維、PE或PVC等行業(yè)工作的工人，因?yàn)榻?jīng)常接觸經(jīng)空氣傳播的微塑料，而出現(xiàn)呼吸道癥狀[22]。納米塑料對(duì)體外培養(yǎng)的肺和支氣管細(xì)胞有細(xì)胞毒性作用，引起細(xì)胞周期阻滯，激活炎癥基因轉(zhuǎn)錄，改變細(xì)胞周期和凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，損害細(xì)胞的生存能力[23-24]。這些納米塑料(nano plastic，NPs)通過(guò)影響細(xì)胞代謝對(duì)人肺細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用，主要是自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的代謝變化，如氨基酸和三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA)中間代謝物的增加[25]。

2.5生殖系統(tǒng)毒性 研究發(fā)現(xiàn)微塑料也具有生殖毒性作用，對(duì)海洋生物種群的生存和繁殖造成了巨大影響。這主要是由于微塑料的單體和添加劑可能會(huì)在體內(nèi)滲出，使組織暴露在鄰苯二甲酸酯、雙酚A和壬基酚等化學(xué)物質(zhì)中。這些物質(zhì)被統(tǒng)稱為環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，研究發(fā)現(xiàn)即使在濃度非常低的情況下，也會(huì)干擾機(jī)體內(nèi)源性激素的生理活動(dòng)。魚(yú)類暴露于微塑料會(huì)通過(guò)干擾丘腦-垂體-性腺軸而抑制性激素分泌，引起性腺發(fā)育遲緩以及繁殖力下降，也會(huì)降低幼魚(yú)的孵化成功率和增長(zhǎng)率[26-27]。

微塑料不僅具有水生生物生殖毒性作用，其對(duì)陸地生物和人類的生殖系統(tǒng)也可以產(chǎn)生毒性作用。微塑料可以導(dǎo)致雄性小鼠精子數(shù)量和活動(dòng)率顯著降低，精子畸形率顯著升高，以及血清睪酮含量降低；也可以引起每只母鼠的活產(chǎn)仔數(shù)、幼崽的性別比和幼崽的體重顯著降低。生殖毒作用的機(jī)制主要通過(guò)氧化應(yīng)激和激活p38MAPK信號(hào)通路誘導(dǎo)的[28]。關(guān)于納米顆粒是否能通過(guò)人體的胎盤屏障，研究者得到了不同的結(jié)論。使用體外人胎盤灌注模型發(fā)現(xiàn)直徑240 nm的顆?？梢员惶ケP吸附，能夠穿過(guò)胎盤屏障而不影響胎盤外植體的生存能力。然而，在體外培養(yǎng)人胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞中僅觀察到微塑料在細(xì)胞間的聚集， 而未發(fā)現(xiàn)其在胎盤屏障轉(zhuǎn)運(yùn)的證據(jù)。微塑料對(duì)人體細(xì)胞與動(dòng)物試驗(yàn)的生殖毒性結(jié)論并不完全一致， 仍需進(jìn)一步研究證實(shí)。

3 結(jié) 論

因微塑料具有用量大、難降解等特點(diǎn)，其在環(huán)境中的累積量會(huì)日益增多，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人類健康都會(huì)產(chǎn)生威脅。微塑料主要通過(guò)呼吸道、消化道和皮膚進(jìn)入機(jī)體，并通過(guò)顆粒內(nèi)在化或遷移對(duì)相應(yīng)的組織和器官產(chǎn)生毒性作用。通過(guò)物理?yè)p害、造成腸道菌群失衡、改變酶活性、激活免疫細(xì)胞、引起氧化應(yīng)激及干擾內(nèi)源性激素等對(duì)消化、神經(jīng)、呼吸、免疫、生殖內(nèi)分泌系統(tǒng)產(chǎn)生毒性作用。但是，目前關(guān)于微塑料對(duì)于人類的急性毒性及長(zhǎng)期危害的研究仍十分有限，因此需要更多的研究來(lái)充分了解微塑料的潛在影響和毒性效應(yīng)。由于微塑料對(duì)生物和人類健康造成威脅，因此必須控制塑料的過(guò)度使用，世界各國(guó)均應(yīng)制定相應(yīng)法律和政策來(lái)有效控制塑料垃圾的任意排放。