Science：无处不在的微塑料，我们究竟了解多少？

这是《肠道产业》第 545 篇文章

编者按：

近年来，微塑料成为国际社会高度关注的环境问题。2016 年，联合国环境大会将海洋塑料垃圾和微塑料问题等同于全球气候变化等全球性重大环境问题。今年1月，来自意大利的研究人员更是首次在胎盘中发现了微塑料。那微塑料对人体健康可能有什么危害呢？会影响我们的肠道屏障和肠道微生物组吗？目前还存在哪些知识空缺？

今天，我们特别编译了发表在 Science 杂志上关于微塑料与人体健康的文章。希望本文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。

    微塑料无处不在

在全球生物圈中，微塑料（小于 5mm 的塑料颗粒，包括小于 1µm 的纳米塑料）无处不在，这使人们越来越担心它们对人类健康的影响^1~3。最近的证据表明，人类在不断吸入和摄入微塑料。然而，这些污染物是否对人类健康构成重大风险，目前还尚不了解。有关暴露和危害的关键数据严重缺乏，急需填补，以便更好地了解微塑料对人体健康的影响。

微塑料是由塑料、汽车轮胎、服装、涂料以及生产前颗粒和粉末风化和分解而产生的。它们也可能被有意添加到日常生活产品中，例如化妆品和研磨清洁剂^1,2。

微塑料代表了高度多样化的污染物类别，其大小可跨 5 个数量级，形状各异（如球体、碎片状、纤维状），成分复杂，包括高分子材料和化学混合物（残留单体、添加剂和疏水性环境污染物）^4~6。此外，在微塑料上生长的生物膜可能是有害微生物的来源之一^2,7。

它们在环境中的普遍存在引起了关于它们对野生动物和生态系统的影响的严重担忧¹，但是它们对人类健康的影响是什么呢? 

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图. 微塑料对人体的影响

    广泛暴露于微塑料

微塑料可通过吸入和摄入进入人体，造成潜在健康影响（见图）。它们的影响可参考空气微颗粒污染：小于 2.5µm 的小颗粒，例如柴油尾气中的小颗粒，能够穿过细胞膜，引发氧化应激和炎症，并与心血管和呼吸系统疾病或肺癌死亡风险的增加有关³。这种相似性为收集更多关于微塑料颗粒潜在风险的信息提供了充足的动力。

在确定微塑料对人类健康的风险时，一个主要问题是缺乏有关人类暴露于微塑料的数据。我们迫切需要足够的分析工具来取样、分离、检测、量化和表征微塑料（<10µm），特别是纳米塑料颗粒。

目前，在外部暴露研究方面，数据主要是针对大颗粒（大于 10 至 50µm）的，这些数据有限、高度可变，并且缺乏统一的标准和质量控制措施，阻碍了全面的暴露评估^1,8。

越来越多的证据表明，人们广泛暴露于各种食物、饮用水和空气中的微塑料^1,9,10。据报道，自来水和瓶装水中的微塑料含量在每升 0 至 10⁴ 个颗粒之间变化，而小粒径微塑料的颗粒含量通常更高⁸。

对大粒径、主要由纤维组成的微塑料的首次大气测量表明，塑料颗粒是细粉尘的相关组成部分，例如，伦敦中部的沉积速率为每天每平方米 575 至 1008 个微塑料颗粒⁹。

长期暴露于室内空气，直接吞下室内灰尘或食物上的灰尘沉淀¹⁰以及直接暴露于塑料食品容器或塑料瓶（例如聚丙烯婴儿奶瓶）释放的颗粒¹¹，这些都值得特别关注。

较大的微塑料可能会通过粪便排出，或沉积在呼吸道或肺部后通过粘液纤毛进入肠道^1,4。

鉴于方法学上的局限性和对较大颗粒的测量偏差，现有的分析可能低估了人类的外部暴露，并且通常不纳入占比较小的小于 10µm 的小颗粒，然而，这些颗粒可能与毒性更相关^1,12。

值得注意的是，人体体液和组织中塑料颗粒的内部暴露测量仍处于初级阶段。

    微塑料对人体健康的影响

为了降低目前人类对微塑料风险评估的不确定性，我们需要更好地了解微塑料通过呼吸道、胃肠道和皮肤上皮屏障的能力。有限的体外和体内数据表明，只有一小部分灌胃的微塑料能够穿过肺和肠道的上皮屏障，并且具有特定的吸收谱，通常随着颗粒大小的减少，吸收效率增加²。

但是当考虑到终生暴露和可能在组织和器官中积累，这种低比例的颗粒吸收依然是重要的。

对人类细胞、啮齿动物和水生物种的研究表明，小于 10µm 的微塑料可以从肠道转移到淋巴和循环系统，导致全身暴露，并且在包括肝脏、肾脏和大脑在内的组织中积累¹²。

尽管最小的粒子（小于 0.1µm）可能能够通过细胞膜¹²、胎盘¹³和大脑¹⁴进入所有器官，但关于吸收、分布、代谢和排泄（ADME）的相关关键知识仍存在空白。微塑料在人体中是否存在剂量依赖效应仍是未知的。

微塑料一旦接触到肺或肠内的上皮内膜，或被吸收内化后，可能会产生物理、化学和微生物毒性，也可能产生累积性作用。几项体外（例如人类细胞培养）和啮齿动物体内研究显示潜在的吸入或摄入微塑料会导致多种生物效应，包括物理（粒子）毒性，引发氧化应激，细胞因子的分泌，细胞损伤，炎症和免疫反应，以及 DNA 损伤，神经毒性¹²和代谢的影响。

但是这些观察到的效应通常是在高浓度的微塑料暴露下触发产生的，而且这些实验使用的是数量有限的原始的、商业上可获得的颗粒类型，与环境中遇到的颗粒类型不一致。此外，这些检测的粒子的化学污染不能总是被排除在外。

不过上述研究结果与环境颗粒暴露研究中观察到的影响类似，流行病学研究报告了暴露于大量塑料纤维粉尘的塑料和纺织业的工人会发生肺损伤，包括炎症、纤维化和过敏²。

    微塑料造成的化学毒性

微塑料还可以作为载体，将颗粒中或颗粒上的外源性危险化学品、蛋白质和毒素转移到体内，从而可能导致化学毒性^1,5,6。然而，这种“特洛伊木马”效应尚未得到充分研究，我们对纳米微塑料的作用知之甚少。

纳米微塑料比大粒径微塑料更能有效地跨越生物膜，并且其化学反应的表面积更大。一些研究表明，水中的微塑料可能作为微生物毒性载体，携带与生物膜相关的机会性细菌病原体和抗生素耐药性基因，这些基因可能会与肠道菌群相互作用¹⁵。为了进一步阐明这一点，需要对人体内微生物污染物的稳定性进行深入研究。微塑料作为其他潜在病原体（如真菌和病毒）载体的可能性也值得关注。

基于此，我们迫切需要进行更多的研究，以充分了解微塑料在现实生活条件下的潜在毒性、潜在机制和长期影响。

    纳米颗粒蛋白质晕特性

微塑料的另一个有趣但尚未研究的潜在危险特性是纳米颗粒蛋白质晕（biocorona），即塑料颗粒表面上存在生物分子和其他物质，可能会影响颗粒的吸收、命运和效应^7,13。

纳米颗粒蛋白质晕的非均匀组成是由微塑料的物理化学性质与环境（包括自然物质、生物分子、化学污染物和微生物）和人体（吸附脂质和蛋白质）的复杂颗粒相互作用决定的^6,7,13。在穿过肺和肠的上皮屏障之前，微塑料被困在覆盖于细胞表面的黏液层中，而摄入的颗粒必须通过胃和肠腔内的酸性环境。

然而，微颗粒的纳米颗粒蛋白质晕的成分在从体外到体内跨越组织屏障的变化所起的作用，以及介导吸收和毒性的潜在机制尚不清楚，值得更多的研究。

    未来发展

上述的知识空白阻碍了对人类暴露于微塑料的健康风险的深入评估。然而，正在进行的研究将有助于增进我们的理解。预计在未来几年内，与人体体液和组织中的微塑料（特别是纳米微塑料）相关的颗粒分析技术将取得进展。

一般来说，微塑料被认为是基于其某种特性来影响人类健康的，如化学成分、大小、形状和表面电荷^1,4,6。因此，除了现在经常使用的材料，例如聚苯乙烯球，还需要检查环境风化的薄片和纤维，来更好地了解测试颗粒的特征和反映真实环境。

此外，鉴于它们的理化相似性（例如，较差的溶解度，高持久性，宽的粒径范围和复杂的性质），微塑料与研究较多的纳米材料和颗粒物空气污染之间存在重要的相似性。

因此，对塑料颗粒的研究可以建立在现有知识和纳米材料研究经验的基础上，以及结合与空气微粒污染相关的动力学、毒理学和流行病学数据进行预测，特别是暴露于燃烧源的矿物粉尘颗粒和煤烟颗粒的影响。

为了评估不同微塑料特有的影响，将不同标准聚合物材料与经过充分研究的阳性对照（例如烟灰颗粒、工程非塑料纳米材料、二氧化硅颗粒和天然聚合物）的影响进行比较将很有用。

此外，关于环境微塑料的重要知识可以从用于药物递送系统的聚合物颗粒和塑料假体植入物磨损颗粒中挖掘²。

每天，人类都会暴露在各种各样的天然和人造颗粒中，其中空气污染颗粒被公认为是疾病的全球主要环境危险因素之一。了解微塑料的作用及其对环境颗粒暴露总量的贡献，对评估其对全球疾病负担的潜在贡献至关重要。

由于其持久性、宽尺寸范围和复杂的特性，与其他环境颗粒相比，微塑料可能表现出不同的颗粒特性，具有不同和更广泛的毒性。

迄今为止，迫切需要解决与微塑料有关的健康问题，例如内部暴露；ADME 过程，包括纳米颗粒蛋白质晕的影响；与免疫系统的相互作用；纳米塑料是否会影响胎盘，胎儿和大脑；以及环境微塑料与其他环境天然和工程纳米颗粒的不同之处。

开拓性的跨学科研究计划（如荷兰的 Microplastics＆Health 和欧盟 Horizon 2020 研究计划）开始解决其中的一些问题，这些问题对于创新、循证决策和改善风险管理的战略至关重要。

为了解决这种潜在的健康危害，需要涉及环境和医学领域的科学家以及高分子科学家的多学科研究努力。全面的风险评估距离还很遥远，但是现在应该解决主要的研究空白，以支持卫生政策和缓解策略。

参考文献：

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1.SAPEA, “A scientific perspective on microplastics in nature and society” (2019); https://doi.org/10.26356/microplastics.

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4.C. M. Rochman et al., Environ. Toxicol. Chem. 38, 703 (2019).

5. A. A. Koelmans et al., Environ. Toxicol. Chem. 50, 3315 (2016).

6.J. Shi, D. Wu, Y. Su, B. Xie, Sci. Total Environ. 10.1016/j.scitotenv.2020.142775 (2020).

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11.D. Li et al., Nat. Food 1, 746 (2020).

12.C. Q. Y. Yong, S. Valiyaveetill, B. L. Tang, Int. J. Environ. Res. Public Health 17, 1509 (2020).

13.M. M. Gruber et al., J. Nanobiotechnology 18, 128 (2020).

14.M. Prüst, J. Meijer, R. H. S. Westerink, Part. Fibre Toxicol. 17, 24 (2020). 15. L. Lu et al., Sci. Total Environ. 667, 94 (2019).

原文链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6530/672.full

作者｜A. Dick Vethaak, Juliette Legler

编译｜Jack Chen

审校｜617

编辑｜笑咲

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