微塑料的毒理學(xué)研究進(jìn)展
——微塑料對(duì)微生物、藻類、魚(yú)類和哺乳動(dòng)物類的毒理學(xué)效應(yīng)

景美琪，李綽然，王隆清，王天傲，薛肖玥，張笑寒，馬永正,*

1. 天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院海洋科學(xué)系，天津 300072 2. 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院環(huán)境工程系，天津 300350

1 背景介紹（Background information）

2004年Richard Thompson等首次闡述了微塑料（microplastics, MPs）這一概念。微塑料通常被認(rèn)為是直徑<5 mm的塑料碎片、顆粒。按照其化學(xué)組成主要可分為：聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物（ABS）等。其分別產(chǎn)生于材料加工行業(yè)、包裝行業(yè)、產(chǎn)品制造行業(yè)、紡織和服裝業(yè)、化妝品行業(yè)、海運(yùn)和漁業(yè)、旅游業(yè)等[1]。按照其來(lái)源分，微塑料可分為2類：一是化妝品、洗滌劑等商品中加入的塑料微珠等初級(jí)微塑料；二是較大的塑料經(jīng)過(guò)一定外力作用（海浪沖刷、海洋渦旋、紫外線照射、環(huán)境風(fēng)化、空氣氧化、生物降解和復(fù)融過(guò)程等）產(chǎn)生的次級(jí)微塑料[2-3]。自20世紀(jì)50年代開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)塑料產(chǎn)品以來(lái)，短短幾十年時(shí)間里，塑料碎片已經(jīng)在陸地環(huán)境以及海洋各層甚至南北極區(qū)域中逐漸積累[4-5]。Jambeck等[6]指出2010年192個(gè)沿海國(guó)家產(chǎn)生了2.75億t塑料垃圾，其中480萬(wàn)t～1 270萬(wàn)t流入海洋。預(yù)計(jì)到2025年，可從陸地進(jìn)入海洋的塑料廢物的累積數(shù)量將增加1個(gè)數(shù)量級(jí)。

通常將粒徑在100～1 000 nm的塑料稱作納米塑料（nano-plastics, NPs）[7]，其來(lái)源于塑料制品的釋放或微塑料的進(jìn)一步降解。近年來(lái)，大量研究集中在微塑料上，而對(duì)于納米塑料的研究較少。與微塑料相比，納米塑料尺寸更小，比表面積更大，細(xì)胞的親和力也更高[8]。納米塑料可能穿過(guò)生物屏障進(jìn)入生物組織、血液和細(xì)胞，可能會(huì)對(duì)生物體造成更大的危害[9]。

微塑料廣泛存在于各個(gè)環(huán)境介質(zhì)中，如水環(huán)境、土壤環(huán)境以及大氣環(huán)境。目前已有研究表明，微塑料會(huì)在各個(gè)環(huán)境介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化，并對(duì)環(huán)境介質(zhì)造成一定影響。在水環(huán)境中，王薪杰等[10]研究指出微塑料在河流與海洋中會(huì)產(chǎn)生聚沉、重懸、水平運(yùn)輸和潛流交換等遷移過(guò)程，水環(huán)境中微塑料暴露產(chǎn)生的影響具體表現(xiàn)在：對(duì)水生生物個(gè)體的毒性、對(duì)人類健康的危害、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的影響[11]。在土壤環(huán)境中，張秀玲等[12]指出微塑料會(huì)對(duì)土壤有機(jī)碳礦化產(chǎn)生影響，低量微塑料與秸稈混施會(huì)顯著促進(jìn)有機(jī)碳礦化。土壤中的微塑料暴露產(chǎn)生的影響具體表現(xiàn)在：對(duì)土壤中有毒物質(zhì)的吸附、對(duì)土壤中微生物的毒性、土壤有機(jī)碳礦化、土壤物理性質(zhì)的改變、影響土壤生態(tài)功能和安全等[13]。相比于水環(huán)境、土壤環(huán)境中微塑料的相關(guān)研究，大氣環(huán)境中微塑料的研究起步最晚，但大氣環(huán)境是全球微塑料遷移的重要介質(zhì)，微塑料可通過(guò)大氣沉降對(duì)人類及其他生物產(chǎn)生潛在的毒性效應(yīng)。Vianello等[14]指出在室內(nèi)環(huán)境中，24 h內(nèi)一人可吸入272個(gè)微塑料顆粒；Zhang等[15]指出微塑料吸入量與年齡大致呈反比關(guān)系?；诖耍疚恼須w納了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)論，主要通過(guò)關(guān)鍵詞、主題詞檢索、摘要檢索、相關(guān)領(lǐng)域著名學(xué)者檢索和參考綜述檢索等方法有針對(duì)性地收集相關(guān)信息，并按照營(yíng)養(yǎng)級(jí)與物種的不同進(jìn)行分類歸納。

當(dāng)前已有的相關(guān)綜述，多為微塑料對(duì)單一營(yíng)養(yǎng)級(jí)或單一物種的毒理學(xué)研究歸納，且目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于微塑料毒性沿營(yíng)養(yǎng)級(jí)傳遞的定量研究成果較少，暫無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法建立起科學(xué)有效的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。本文更全面地總結(jié)歸納了微塑料對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物的毒理學(xué)研究進(jìn)展，包括微塑料對(duì)微生物、藻類、魚(yú)類和哺乳動(dòng)物類的毒性效應(yīng)，并對(duì)其中的空白研究領(lǐng)域提出自己的思路見(jiàn)解，分析了現(xiàn)階段尚存的不足之處，將有利于今后相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展。

2 微塑料對(duì)微生物的毒性效應(yīng)（Toxic effects of microplastics on microorganisms）

微生物是水生態(tài)系統(tǒng)中常見(jiàn)的類群，包括細(xì)菌、放線菌、原生動(dòng)物、微藻和浮游生物等。近年來(lái)針對(duì)微塑料的生物毒理學(xué)研究大多集中于細(xì)菌、微藻和浮游生物這3類。本章節(jié)首先聚焦于細(xì)菌和浮游動(dòng)物研究的近況，藻類將會(huì)在本文后續(xù)章節(jié)單獨(dú)討論。

2.1 微塑料對(duì)細(xì)菌的毒性效應(yīng)

微塑料對(duì)微生物特別是細(xì)菌的毒理學(xué)效應(yīng)與細(xì)菌本身的種類和尺寸，微塑料微粒的粒徑、種類和添加劑種類，微生物與塑料微粒接觸時(shí)間的長(zhǎng)短等因素有關(guān)，所引發(fā)生物生理反應(yīng)的機(jī)制也隨生物群落構(gòu)成的不同而有所不同?，F(xiàn)有的大部分研究以描述微塑料對(duì)細(xì)菌的影響為目標(biāo)，關(guān)注在污泥、土壤中細(xì)菌受微塑料環(huán)境影響的表現(xiàn)[16-17]。一些學(xué)者利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）、蛋白質(zhì)分析、轉(zhuǎn)錄組分析等技術(shù)做了深入研究，所得結(jié)論大多揭示出微塑料對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生負(fù)面影響[18]。

宏觀上看，微塑料的存在會(huì)影響環(huán)境中菌落群落的組成和總量。史文超等[16]發(fā)現(xiàn)好氧反硝化菌群受水體中典型塑料PS、PA納米顆粒的抑制作用強(qiáng)度有所不同，但其脫氮性能均會(huì)受到抑制；同時(shí)，微塑料的存在也改變了菌群的構(gòu)成比例和優(yōu)勢(shì)種，在PS脅迫下的菌群中，紅螺菌科成為了優(yōu)勢(shì)種群；在PA的脅迫下，紅桿菌科成為了好氧反硝化菌群中的優(yōu)勢(shì)種群。付茜茜等[19]進(jìn)一步研究了城市紅樹(shù)林系統(tǒng)水體微塑料表面的附著菌落后發(fā)現(xiàn)，微塑料表面附著菌落的組成、生物膜總量與微塑料的種類、大小均有關(guān)；同時(shí)，微塑料表面的優(yōu)勢(shì)菌種與水環(huán)境中優(yōu)勢(shì)菌種的組成有較大的區(qū)別。類似地，在杜嘉烯[20]的研究中也發(fā)現(xiàn)，堆肥過(guò)程中PP微塑料表面菌群的結(jié)構(gòu)也與堆肥環(huán)境中顯著不同；微塑料的加入使堆肥環(huán)境中的厚壁菌門（Firmicutes）的相對(duì)豐度降低了27.20%～40.47%，堆肥結(jié)束后，微塑料表面主要以擬桿菌（Bacteroidetes）為優(yōu)勢(shì)菌門。劉瑋婷等[21]的研究表明，微塑料還會(huì)改變近岸多環(huán)芳烴降解菌群結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可能影響菌落降解污染物的能力；添加了微塑料的體系中，優(yōu)勢(shì)菌種為冰居菌（Glaciecola），而與之對(duì)照的環(huán)境中優(yōu)勢(shì)菌群則為小紅卵菌（Rhodovulum）。由此可見(jiàn)，在許多環(huán)境中，微塑料均會(huì)影響其中的菌落結(jié)構(gòu)，研究微塑料對(duì)菌落結(jié)構(gòu)的影響對(duì)農(nóng)業(yè)堆肥、海上石油污染治理等都有重要意義。

合成橡膠如順丁橡膠、丁苯橡膠等，作為人類三大合成高分子材料之一，與人類的生活密切相關(guān)。由于橡膠本身的高分子結(jié)構(gòu)，以及耐磨性、高彈性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使其在使用和廢棄過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生微納米尺度的碎片或顆粒。盡管橡膠與塑料的區(qū)分主要在于其力學(xué)性能上差異，但是作為廣泛使用的穩(wěn)定的高分子材料，環(huán)境中微納米級(jí)的橡膠顆?；蛩槠脖划?dāng)作一類微塑料污染物而進(jìn)行研究。Wang等[22]的研究結(jié)果表明，輪胎源微塑料（tire microplastics, TMPs）作為一種新興的環(huán)境污染物，是細(xì)菌特別是有害微生物定植和繁殖的載體。隨著這種新污染物越來(lái)越多地進(jìn)入城市水系統(tǒng)，輪胎微塑料上的細(xì)菌定植豐度會(huì)隨著時(shí)間的推移而增加，尤其是致病菌，且與新陳代謝和降解相關(guān)的細(xì)菌功能也隨著時(shí)間的推移而增強(qiáng)，這可能會(huì)危及水生生物甚至是人類的健康。

Liu等[23]將天藍(lán)色鏈霉菌（Streptomycescoelicolor）M145置于不同濃度、粒徑范圍在20～100 nm納米塑料環(huán)境中，培養(yǎng)后發(fā)現(xiàn)，20 nm的塑料顆粒致死率最高，微塑料均對(duì)抗生素的產(chǎn)生起到抑制作用，且納米塑料毒性更強(qiáng)。Wang等[24]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究PVC、PA、PS和PE共4種微塑料顆粒對(duì)好氧顆粒污泥氨氧化性能的影響，發(fā)現(xiàn)微塑料對(duì)硝化作用有可逆的抑制作用，氨氧化細(xì)菌的活性受其抑制，同時(shí)微塑料顆粒還會(huì)富集亞硝化細(xì)菌，導(dǎo)致部分硝化功能失去穩(wěn)定性；另外，相較于PE，PVC、PA和PS對(duì)抗生素抗性基因（AGS）的負(fù)面影響更大。上述研究表明，微塑料對(duì)細(xì)菌的毒理學(xué)影響具有選擇性。

2.2 微塑料對(duì)浮游生物的毒性效應(yīng)

水體環(huán)境是微塑料污染最主要的富集場(chǎng)所，浮游動(dòng)物是水體環(huán)境中分布廣、對(duì)環(huán)境變化較為敏感的一類生物，探究浮游生物受微塑料的影響情況對(duì)研究微塑料的毒理學(xué)效應(yīng)具有重要意義。Sun等[25]有關(guān)黃海微塑料分布的調(diào)查表明，浮游生物是環(huán)境中微塑料的匯。在浮游生物中，水蚤是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)，許多學(xué)者就水蚤攝食、生長(zhǎng)和繁殖等生理活動(dòng)受微塑料環(huán)境的影響做了進(jìn)一步的研究。

水蚤是一種小型浮游生物，在環(huán)境中廣泛分布，在水生生態(tài)系統(tǒng)中占有十分重要的地位，水蚤易于飼養(yǎng)，生長(zhǎng)周期快，遺傳信息明確，是毒理學(xué)研究中常用的一種模式生物。Besseling等[26]首次發(fā)現(xiàn)納米塑料會(huì)對(duì)大型溞（Daphniamagna）的生活史產(chǎn)生巨大的影響，暴露在納米塑料環(huán)境下的水蚤體型變小，繁殖能力受到影響；暴露在不同濃度、老化程度的納米塑料中的水蚤均呈現(xiàn)產(chǎn)出的子代體型小、數(shù)量低的特性，且新生蚤中畸形蚤的比例較未暴露的群體均有所上升。老化程度越高，新生蚤為畸形個(gè)體的比例越高。Liu等[27]將新生水蚤暴露在納米塑料環(huán)境下培養(yǎng)為成體后，利用轉(zhuǎn)錄組分析其遺傳物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與未暴露在納米塑料環(huán)境下的水蚤相比，二者存在200多個(gè)基因的差異表達(dá)，納米塑料暴露環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致新生蚤的氧化應(yīng)激、免疫防御和糖代謝紊亂；而在Liu等[28]的另一項(xiàng)有關(guān)納米塑料環(huán)境對(duì)蚤狀溞的生殖毒性影響途徑的研究中分析了蚤狀溞的蛋白質(zhì)組，利用分子和生化分析，建立起了納米塑料影響蚤狀溞的有害結(jié)局路徑（AOP），最終得到納米塑料積累會(huì)對(duì)蚤狀溞后代形成生長(zhǎng)抑制，導(dǎo)致繁殖量減少的結(jié)論。在攝食方面，劉全斌[29]研究發(fā)現(xiàn)在高于環(huán)境濃度1倍的10 μm微塑料環(huán)境下，培養(yǎng)日本虎斑猛水蚤48 h后，PS微粒并未影響水蚤對(duì)微藻的攝入，同時(shí)PS微粒并不會(huì)在水蚤體內(nèi)停留過(guò)長(zhǎng)時(shí)間。

2.3 微塑料對(duì)微生物的毒性影響機(jī)制

2.3.1 微塑料影響相關(guān)基因的表達(dá)

盧萍等[30]研究發(fā)現(xiàn)，微塑料會(huì)影響沉積物中與硝化有關(guān)的功能基因的豐度，其中聚乳酸（PLA）微塑料會(huì)導(dǎo)致amoA和nirS豐度提高，nirK豐度降低，而PVC微塑料則導(dǎo)致上述3種基因的豐度均降低；最終，這種基因豐度的變化與酶的活性等因素結(jié)合，共同影響氮循環(huán)的方式。Liu等[27]的研究表明，生活在納米塑料環(huán)境下的水蚤后代的基因發(fā)生較大改變，這種改變可能會(huì)導(dǎo)致水蚤后代的畸形、影響其繁殖能力。在Liu等[28]的另一項(xiàng)研究表明，納米塑料對(duì)水蚤子代基因的改變可能會(huì)通過(guò)產(chǎn)生差異表達(dá)蛋白（DEPs）等方式作用于水蚤子代的生活史。

2.3.2 微塑料對(duì)細(xì)胞氧化應(yīng)激的刺激作用

Liu等[27]的研究表明，納米級(jí)PS塑料會(huì)誘導(dǎo)水蚤產(chǎn)生氧化應(yīng)激，從而影響水蚤的繁殖能力，但目前對(duì)于塑料微粒刺激水蚤產(chǎn)生氧化應(yīng)激的機(jī)制研究還十分欠缺。張晨[31]通過(guò)對(duì)日本虎斑猛水蚤的研究得出，微塑料對(duì)乙醇脫氫酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶和蛋白酶體激活子復(fù)合物亞基-4的改變可能是微塑料引起其氧化應(yīng)激的原因；而氧化應(yīng)激可以提高暴露在脅迫環(huán)境下生物的代謝成本，從而可能促使該生物將用于繁殖的能量轉(zhuǎn)移至代謝，影響其繁殖能力。

2.3.3 微塑料影響活性氧（ROS）的產(chǎn)生

張晨[31]在研究微塑料對(duì)日本虎斑猛水蚤的影響效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，微塑料在猛水蚤世代中的積累會(huì)促進(jìn)其后代ROS的產(chǎn)生，最終可能會(huì)導(dǎo)致氧化系統(tǒng)的失調(diào)。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在細(xì)菌中，在Liu等[23]對(duì)天藍(lán)色鏈霉菌（Streptomycescoelicolor）M145的研究中也得出，微塑料的加入會(huì)顯著提高其ROS水平和細(xì)胞膜通透性，進(jìn)一步影響了放線菌素的產(chǎn)率；同時(shí)該研究還發(fā)現(xiàn)，納米塑料對(duì)該菌的影響遠(yuǎn)大于微塑料對(duì)該菌的影響。

2.3.4 微塑料改變環(huán)境透氧量

盧萍等[30]通過(guò)對(duì)氮循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn)，微塑料能夠改變沉積物的孔隙度，從而增大沉積物中養(yǎng)分通量以及硝化細(xì)菌與氧氣的接觸，最終促進(jìn)硝化作用的發(fā)生。

2.4 小結(jié)

盡管有關(guān)微塑料對(duì)菌落結(jié)構(gòu)影響的研究有所增多，但目前大部分研究仍未深入探究微塑料影響機(jī)制及其與影響程度的相關(guān)度。目前，微塑料刺激微生物氧化應(yīng)激的機(jī)制、微塑料如何影響相關(guān)基因的表達(dá)都尚未有明確的答案；不同環(huán)境下微塑料種類與微生物的優(yōu)勢(shì)種的對(duì)應(yīng)關(guān)系等都需要學(xué)者們的進(jìn)一步研究。在應(yīng)用層面上，學(xué)者們可以更多探討微塑料種類對(duì)菌落代謝能力、繁殖規(guī)模等的影響，從而轉(zhuǎn)化入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，幫助改進(jìn)農(nóng)業(yè)堆肥和促進(jìn)環(huán)境中污染物的降解。

3 微塑料對(duì)藻類的毒性效應(yīng)（Toxic effects of microplastics on algae）

藻類是海洋食物網(wǎng)中的主要生產(chǎn)者，也是給生物提供氧氣的重要來(lái)源；目前關(guān)于微塑料對(duì)藻類產(chǎn)生影響的毒理學(xué)模式和機(jī)制的了解較為有限。在本章節(jié)中，主要綜述微塑料自身的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)藻細(xì)胞的影響。

3.1 微塑料對(duì)藻類的毒性效應(yīng)

微塑料對(duì)藻類的影響與其種類、濃度和大小等多方面因素有關(guān)。殷岑[32]研究了高濃度的PE（200～250 μm）、PVC（200～250 μm）和PS（200～250 μm）對(duì)斜生柵藻（Scenedesmusobliquus）的生長(zhǎng)抑制效應(yīng)，針對(duì)每種塑料進(jìn)行96 h的暴露實(shí)驗(yàn)后，可以發(fā)現(xiàn)PE的抑制效果最為顯著，PVC相較PE的抑制效果要小，而PS則基本沒(méi)有影響。Sjollema等[33]的研究表明，在不同尺寸PS（0.05、0.5和6 μm）的實(shí)驗(yàn)設(shè)置濃度下暴露72 h，特氏杜氏藻（Dunaliellatertiolecta）生長(zhǎng)受到明顯抑制，并且這種負(fù)面影響隨著PS粒徑的減小而增加。Davarpanah和Guilhermino[34]發(fā)現(xiàn)在PE（1～5 μm）較低的濃度下暴露96 h后，對(duì)海洋微藻周氏扁藻（Teraselmischuii）的平均生長(zhǎng)率沒(méi)有顯著影響。Zhang等[35]研究微塑料對(duì)海洋微藻中肋骨條藻（Skeletonemacostatum）的毒性效應(yīng)，通過(guò)藻類生長(zhǎng)抑制實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微米級(jí)PVC（1 μm）對(duì)微藻的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用，暴露96 h后最大生長(zhǎng)抑制率達(dá)到39.7%；然而，毫米級(jí)PVC（1 mm）對(duì)微藻的生長(zhǎng)沒(méi)有影響。此外，Zhang等[35]的研究表明高濃度微米級(jí)PVC（1 μm）對(duì)藻類光合作用也有負(fù)面影響，在PVC處理下葉綠素含量和光合效率均下降；但在Sjollema等[33]的研究中，PS（0.5 μm）并未對(duì)光合作用產(chǎn)生影響。由此可見(jiàn)，受制于不同種類、濃度和大小的塑料碎片，藻細(xì)胞所受到的影響各不相同。

3.2 微塑料對(duì)藻類的毒性影響機(jī)制

3.2.1 遮蔽效應(yīng)及物理吸附

Schwab等[36]研究發(fā)現(xiàn)，藻類生長(zhǎng)減少的主要原因可能是遮蔽效應(yīng)導(dǎo)致的光的可用性降低。在Zhang等[35]研究微塑料對(duì)海洋微藻中肋骨條藻（Skeletonemacostatum）的毒性效應(yīng)中發(fā)現(xiàn)，與非接觸遮光效應(yīng)相比，微塑料的吸附和聚集可能是對(duì)海洋微藻產(chǎn)生毒性效應(yīng)的潛在原因。Bhattacharya等[37]研究發(fā)現(xiàn)了納米塑料對(duì)小球藻（Chlorella）和柵藻（Scenedesmus）的物理吸附，這種吸附普遍存在于帶正電的納米塑料中，其原因是納米塑料和細(xì)胞膜、細(xì)胞壁間的靜電吸引。這種吸附對(duì)小球藻（Chlorella）和柵藻（Scenedesmus）的影響格外明顯，并且和這2種藻類的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)性相關(guān)。吸附阻礙藻類的光合作用，可能是通過(guò)納米顆粒對(duì)光和空氣流動(dòng)的物理阻塞造成的。由于微塑料與自然介質(zhì)的不同，塑料上附著藻類中的葉綠素a含量明顯減少，進(jìn)而影響藻類的生長(zhǎng)[38]。另外，微塑料團(tuán)聚形成的聚集體，同樣會(huì)影響藻類的生長(zhǎng)[39-40]。

3.2.2 ROS損傷

在光合生物中，ROS作為線粒體、葉綠體和過(guò)氧化物酶體的各種代謝途徑的副產(chǎn)物持續(xù)產(chǎn)生（ROS損傷機(jī)理如圖1所示），并響應(yīng)諸如病原體、干旱、光照強(qiáng)度和污染等環(huán)境脅迫[37]。塑料吸附會(huì)促進(jìn)藻細(xì)胞中ROS的產(chǎn)生[37]，這一效應(yīng)歸因于藻細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激?？寡趸杆桨l(fā)生變化，破壞了氧化和抗氧化之間的平衡。因此，藻類受到ROS積累的破壞，導(dǎo)致脂質(zhì)氧化，抑制藻類生長(zhǎng)[40]。Mao等[41]的研究表明PS（0.1 μm和1 μm）除了會(huì)使小球藻（Chlorella）光合作用效率降低外，還會(huì)導(dǎo)致藻細(xì)胞的類囊體扭曲和細(xì)胞膜受損，其原因在于微塑料造成的物理?yè)p傷和氧化脅迫，最終影響藻類的生長(zhǎng)。

3.2.3 物理?yè)p傷

微塑料可能穿過(guò)細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，并有可能對(duì)其造成破損[38,40]。這種損傷機(jī)制在高等植物中同樣得到了證實(shí)，Sun等[42]的研究表明羧基改性聚苯乙烯納米塑料（PS-COOH, 200 nm）可以吸附在擬南芥（Arabidopsisthaliana）根尖區(qū)的細(xì)胞上，嚴(yán)重影響了其生長(zhǎng)和幼苗發(fā)育。此外，Mao等[41]還指出這種物理?yè)p傷也會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)藻細(xì)胞類囊體扭曲以及細(xì)胞膜受損，最終導(dǎo)致藻細(xì)胞死亡。

3.3 小結(jié)

目前，關(guān)于微塑料對(duì)藻類的毒性影響的研究以微藻居多，大多呈現(xiàn)出對(duì)其生長(zhǎng)的抑制作用，但不同種類微塑料對(duì)不同藻的影響程度大相徑庭；特別地，在Canniff和Hoang[43]的研究中綠色熒光聚乙烯微珠（直徑63～75 μm，顆粒密度為0.99～1.01 g·cm-3）對(duì)羊角月牙藻（Raphidocelissubcapitata）的生長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用。已有的研究中并未發(fā)現(xiàn)其規(guī)律，這在未來(lái)的研究中需要進(jìn)一步探索。此外，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是針對(duì)單一藻類，而在實(shí)際的環(huán)境中是多種藻類并存；同時(shí)為了放大微塑料的影響效應(yīng)，選取的濃度也超過(guò)環(huán)境中的微塑料濃度，這2點(diǎn)都是與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不相符的地方。因此，在以后的實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)這2點(diǎn)無(wú)論在實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還是在實(shí)驗(yàn)材料的選擇都需要著重考慮。

圖1 微納塑料對(duì)藻細(xì)胞的毒性機(jī)理（活性氧損傷）注：ROS表示活性氧物種；MDA表示過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛；SOD表示過(guò)氧化物歧化酶；CAT表示過(guò)氧化氫酶。Fig. 1 The toxic mechanism of micro-nanoplastics on algae cells （reactive oxygen damage）Note: ROS stands for reactive oxygen species; MDA stands for malondialdehyde; SOD stands for superoxide dismutase; CAT stands for catalase.

4 微塑料對(duì)魚(yú)類的毒性效應(yīng)（Toxic effects of microplastics on fish）

4.1 微塑料對(duì)魚(yú)類的危害

針對(duì)魚(yú)的毒理學(xué)研究，大多通過(guò)將魚(yú)類直接暴露于一定濃度的微塑料環(huán)境下進(jìn)行，微塑料通過(guò)皮膚直接攝取、魚(yú)類腮部的開(kāi)合或者吸附到魚(yú)類所攝取的食物上（食物鏈傳遞）轉(zhuǎn)移到魚(yú)類身體中[44]。

由于微塑料粒徑小和對(duì)有毒物質(zhì)吸附性高的特性，其對(duì)魚(yú)類造成的危害總體分為2類：機(jī)械物理?yè)p傷和復(fù)合物毒性引起的化學(xué)損傷[45]。其損傷、危害程度因微塑料的種類、形狀、粗糙度、顏色、對(duì)有毒化學(xué)物質(zhì)的親和性等的不同也有很大區(qū)別[46]。Choi等[44]指出在相同實(shí)驗(yàn)條件下，暴露在形狀不規(guī)則的微塑料環(huán)境的羊頭鰷魚(yú)（Cyprinodonvariegatus）比暴露在球形微塑料環(huán)境下的游泳移動(dòng)距離更短，即游泳能力更差；此外，研究還指出不規(guī)則微塑料的粗糙度可能導(dǎo)致魚(yú)類炎癥增加。Ory等[47]發(fā)現(xiàn)魚(yú)優(yōu)先捕獲類似于食物顆粒的黑色微塑料，而其他顏色（藍(lán)色、半透明和黃色）的微塑料大多在其之后被共同捕獲。關(guān)于微塑料對(duì)于有毒化合物或重金屬吸附的聯(lián)合毒性機(jī)制極為復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外研究尚處于起步狀態(tài)，Barboza等[48]發(fā)現(xiàn)汞與微塑料之間存在顯著的相互作用，導(dǎo)致歐洲鱸魚(yú)幼體的神經(jīng)毒性、氧化應(yīng)激和損傷，以及能量相關(guān)酶活性的變化。Haghi和Banaee[49]研究指出，鯉魚(yú)接觸百草枯和/或微塑料后，肌酐水平升高，結(jié)果表明，水中微塑料劑量的增加顯著增加了百草枯對(duì)魚(yú)類的毒性作用。Wik等[50]研究了輪胎源微塑料（TMPs）滲濾液毒性對(duì)斑馬魚(yú)等的毒理效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)斑馬魚(yú)在暴露48 h之內(nèi)死亡，根據(jù)毒性鑒定評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)此為TMPs聯(lián)合鋅與有機(jī)化合物引起。有毒物質(zhì)與微納塑料的聯(lián)合毒性研究任務(wù)繁重且聯(lián)合毒理機(jī)制復(fù)雜，需要進(jìn)一步的研究。

4.2 微塑料對(duì)魚(yú)類的毒性影響機(jī)制

4.2.1 微塑料對(duì)魚(yú)類的行為產(chǎn)生影響

已有研究發(fā)現(xiàn)魚(yú)類暴露在微納塑料環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)攝食、游泳等行為異常，具體表現(xiàn)為游泳速度變慢，游泳范圍、距離變小以及停止進(jìn)食。Cedervall等[51]將測(cè)試魚(yú)暴露在納米塑料環(huán)境中，魚(yú)通過(guò)吞咽食物的方式攝取納米塑料，在18、21、24、27和30 d時(shí)觀察魚(yú)的活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)受試魚(yú)的移動(dòng)速度比對(duì)照魚(yú)慢得多，移動(dòng)范圍也小得多，而且在捕食過(guò)程中，測(cè)試魚(yú)群不再捕食浮游動(dòng)物。此外，研究人員將水蚤放入測(cè)試魚(yú)口中，魚(yú)群并沒(méi)有吞咽行為。這些數(shù)據(jù)表明，魚(yú)類在食用含有納米塑料顆粒的食物后會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的行為紊亂。Choi等[44]研究了羊頭鰷魚(yú)幼魚(yú)的游泳行為，也發(fā)現(xiàn)受試魚(yú)暴露在微塑料環(huán)境中出現(xiàn)總移動(dòng)距離變短，游泳能力下降的現(xiàn)象。相似地，Mattsson等[52]的研究也證明了這一點(diǎn)。

4.2.2 微塑料對(duì)魚(yú)類的代謝產(chǎn)生影響

魚(yú)類的自身脂質(zhì)代謝會(huì)受到微塑料攝入的干擾。Brandts等[53]探究了短期暴露于45 nm聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）納米塑料環(huán)境中的金頭鯛（Sparusaurata），指出測(cè)試魚(yú)暴露于納米塑料環(huán)境后，與脂質(zhì)代謝相關(guān)的關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄水平升高，血漿膽固醇和甘油三酯水平發(fā)生變化，研究表明，金頭鯛短時(shí)間暴露于PMMA后，脂質(zhì)通路發(fā)生了改變，脂質(zhì)代謝受到嚴(yán)重影響。Choi等[44]的研究中也提到了魚(yú)類的脂質(zhì)代謝受微塑料的影響。

4.2.3 微塑料引起魚(yú)類的氧化應(yīng)激反應(yīng)

微塑料通過(guò)影響并調(diào)控基因刺激魚(yú)類出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)。Qiao等[54]研究了微塑料對(duì)于Cu的吸附，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間積累，微塑料和Cu在斑馬魚(yú)肝臟和腸道內(nèi)累積，Cu通過(guò)影響DNA的方式間接引起魚(yú)群的氧化應(yīng)激反應(yīng)，且會(huì)促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Brandts等[53]得出結(jié)論，魚(yú)接觸PMMA（0、0.001、0.01、0.1、1和10 mg·L-1）后，與脂代謝相關(guān)的關(guān)鍵基因（如載脂蛋白A1和視黃酮X受體）的mRNA水平普遍上調(diào)。金頭鯛抗氧化相關(guān)基因（如谷胱甘肽過(guò)氧化物酶Ⅰ）在暴露24 h后表達(dá)上調(diào)，總抗氧化能力（TAC）不斷增加，抗氧化狀態(tài)相關(guān)基因的早期上調(diào)，表明魚(yú)類能夠激活抗氧化防御，這與TAC值的升高相一致。其原因在于PMMA激活了機(jī)體的抗氧化防御，誘導(dǎo)了脂質(zhì)代謝途徑的改變和血細(xì)胞的遺傳毒性[55]。

4.2.4 微塑料引起魚(yú)類炎癥反應(yīng)

Lei等[55]研究了魚(yú)類在0.001 mg·L-1的微塑料暴露10 d所受到的影響。PA、PE、PP和/或PVC微塑料會(huì)造成腸道損傷，包括絨毛破裂和腸上皮細(xì)胞分裂。健康的斑馬魚(yú)成魚(yú)暴露于微塑料環(huán)境會(huì)導(dǎo)致其肝細(xì)胞空泡化甚至壞死，引起肝臟部分炎癥[56]。

4.2.5 微塑料抑制魚(yú)類的體質(zhì)量增長(zhǎng)

長(zhǎng)期暴露于微塑料環(huán)境下的魚(yú)類呈現(xiàn)體質(zhì)量增長(zhǎng)緩慢甚至下降的現(xiàn)象。藍(lán)益添等[57]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微塑料濃度>0.12 g·L-1時(shí)能顯著抑制淡水魚(yú)體質(zhì)量的增長(zhǎng)，微塑料的濃度>0.18 g·L-1時(shí)能顯著抑制淡水魚(yú)體長(zhǎng)的增長(zhǎng)。

4.2.6 微塑料對(duì)魚(yú)類的神經(jīng)毒性

Chen等[58]的研究表明，雙酚A（BPA）可在斑馬魚(yú)內(nèi)臟、鰓、頭和肌肉中積累；研究還發(fā)現(xiàn)，納米塑料顆粒也會(huì)在魚(yú)的不同組織中積累。該研究組發(fā)現(xiàn)BPA或納米塑料均可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)髓鞘堿性蛋白（MBP）基因上調(diào)；同時(shí)，2種污染物均表現(xiàn)出明顯的乙酰膽堿酯酶（AChE）活性抑制，而AChE是具有代表性的神經(jīng)毒性生物標(biāo)志物。此外，在共暴露處理下，微管蛋白基因表達(dá)、多巴胺含量以及中腦星形膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（MANF）mRNA表達(dá)均顯著上調(diào)，這表明對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)和多巴胺的神經(jīng)毒性作用均增強(qiáng)。

4.3 小結(jié)

在微塑料對(duì)魚(yú)類影響的毒理學(xué)研究要注意的是：現(xiàn)階段在實(shí)驗(yàn)室中探究微塑料對(duì)魚(yú)類的毒理學(xué)危害時(shí)，部分研究人員為了放大其效應(yīng)，加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程并獲得更明顯的結(jié)果，會(huì)使微塑料實(shí)驗(yàn)濃度遠(yuǎn)高于實(shí)際環(huán)境的微塑料濃度。這不利于毒性產(chǎn)生臨界值標(biāo)準(zhǔn)的確定，也無(wú)法建立科學(xué)的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。在未來(lái)研究中還應(yīng)進(jìn)一步探究實(shí)際環(huán)境中微（納米）塑料濃度的危害；微塑料吸附有毒物質(zhì)（包括重金屬）的聯(lián)合毒性研究較少，更廣泛的微塑料聯(lián)合有毒化合物和重金屬對(duì)魚(yú)類的毒理學(xué)研究需要研究人員的長(zhǎng)期研究與大量積累；受試物種單一化的問(wèn)題使得眾多研究人員尚不能廣泛統(tǒng)一地確定微塑料的毒理學(xué)效應(yīng)，應(yīng)在未來(lái)使受試物種廣泛化。

5 微塑料對(duì)哺乳動(dòng)物的毒性效應(yīng)（Toxic effects of microplastics on mammals）

5.1 微塑料的暴露途徑

人類等哺乳動(dòng)物可以通過(guò)消化道、呼吸道以及皮膚接觸的方式攝入微塑料，并在體內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)運(yùn)和吸收等過(guò)程，從而對(duì)哺乳動(dòng)物和人體健康產(chǎn)生不良影響（圖2）。

圖2 微塑料關(guān)于哺乳動(dòng)物（人）的暴露途徑Fig. 2 Exposure pathways of microplastics in mammals （humans）

5.1.1 通過(guò)消化道暴露

目前，通過(guò)消化道攝入含有微塑料的食物被認(rèn)為是人類接觸微塑料的主要途徑[59]。隨著塑料制品的大量使用，許多魚(yú)類、貝類和蝦類等海洋生物都攝入了不同濃度的微塑料[60]，而位于食物鏈頂端的人類，則會(huì)因?yàn)楦患饔枚龃髷z入微塑料的風(fēng)險(xiǎn)。更加值得注意的是，研究人員在人類日常飲用的瓶裝水中也發(fā)現(xiàn)了一定濃度的微塑料，成人和兒童的每日估計(jì)攝入量（EDI）分別為40.1 μg·kg-1·d-1和87.8 μg·kg-1·d-1[61]。此外，國(guó)內(nèi)外研究者在食鹽、糖等食品調(diào)味料中，同樣檢測(cè)到了微塑料的蹤跡[62]。

Carr等[63]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微塑料的尺寸越小，腸道對(duì)塑料顆粒的吸收率越高，并且尺寸小的塑料顆粒對(duì)腸道的危害更大[64-65]。對(duì)于納米塑料，它們穿透腸道上皮細(xì)胞的能力更強(qiáng)，該能力取決于納米塑料尺寸的大小與表面電荷，其能夠通過(guò)腸道屏障轉(zhuǎn)運(yùn)后而到達(dá)整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)[66]，進(jìn)而對(duì)生物體產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。雖然到目前為止，還沒(méi)有研究能夠有效建立起納米塑料的大小、組成和攝取之間的聯(lián)系，但研究表明，不同的體外腸道模型對(duì)于不同尺寸、表面修飾和化學(xué)成分的塑料顆粒（50～500 nm）測(cè)定的吸收率范圍為1.5%～10%[67-69]。

5.1.2 通過(guò)呼吸道暴露

在空氣中傳播的微塑料來(lái)源非常廣泛，包括合成紡織品、材料（例如汽車輪胎，建筑物）的磨損以及微塑料在表面的重懸浮等[59]。據(jù)估計(jì)，每人每天通過(guò)呼吸攝入空氣中的微塑料數(shù)量約為26～130個(gè)[70]。Vianello等[14]采取人體模型結(jié)合空氣采樣，估計(jì)輕度活動(dòng)的成年男性每人每天可吸入272個(gè)微塑料顆粒。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，塑料顆粒的性質(zhì)（例如大小和密度）會(huì)影響它們?cè)诤粑到y(tǒng)內(nèi)的沉積，密度較小和尺寸較小的顆粒能夠到達(dá)肺部更深處[66]。

5.1.3 通過(guò)皮膚暴露

與通過(guò)消化道、呼吸道攝入相比，通過(guò)皮膚接觸攝入的微塑料所占比重較小。然而，目前許多研究已經(jīng)在磨砂膏、洗發(fā)露等個(gè)人護(hù)理用品以及化妝品中檢測(cè)到了微塑料，當(dāng)人們使用其進(jìn)行洗滌時(shí)，可能發(fā)生皮膚接觸[71]。

Hernandez等[72]通過(guò)順序過(guò)濾分級(jí)分離的方法，證實(shí)了在包含PE微珠的商業(yè)磨砂膏中納米塑料的存在。研究表明，尺寸大小在100 nm以上的微塑料由于受到角質(zhì)層的限制，不太可能通過(guò)皮膚被吸收，而納米塑料顆粒（<100 nm）接觸皮膚之后，能夠穿過(guò)上皮組織進(jìn)入生物體內(nèi)部[73-74]。因此，皮膚暴露這一攝入途徑同樣應(yīng)當(dāng)引起科學(xué)家們的關(guān)注。

5.2 微塑料對(duì)哺乳動(dòng)物的毒性效應(yīng)

微塑料通過(guò)上述暴露途徑進(jìn)入到哺乳動(dòng)物體內(nèi)后，會(huì)對(duì)生物體不同部位產(chǎn)生各種毒性效應(yīng)。本章節(jié)分別闡述了微塑料對(duì)哺乳動(dòng)物消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)的毒性效應(yīng)（圖3）。

圖3 微塑料對(duì)哺乳動(dòng)物的毒性效應(yīng)Fig. 3 Toxic effects of microplastics on mammals

5.2.1 微塑料對(duì)消化系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，小鼠攝入高濃度PE微塑料后，其腸道（結(jié)腸和十二指腸）顯示出明顯的炎癥，并且Toll樣受體4（toll-like receptor 4, TLR4）、轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白-1（activating protein-1, AP-1）和干擾素調(diào)節(jié)因子5（interferon regulatory factor5, IRF5）的表達(dá)更高[75]。PS微塑料顆粒還會(huì)引起小鼠腸道粘液分泌減少、腸道菌群失調(diào)、腸屏障功能障礙和代謝異常[76-77]。Hans等[78]發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)的微塑料能通過(guò)其表面電荷促進(jìn)吸附反應(yīng)，與腔內(nèi)復(fù)雜的物質(zhì)相互作用，比如更大的蛋白質(zhì)和糖蛋白會(huì)被吸附到微塑料顆粒的表面，這可能會(huì)影響腸道的免疫系統(tǒng)，并引起局部炎癥[79]；反之，炎癥可能又會(huì)促進(jìn)腸道對(duì)塑料微粒的吸收[80]，形成一種正反饋機(jī)制。Liu等[81]采用體外消化過(guò)程轉(zhuǎn)化100 nm和5 μm的PS微塑料顆粒，發(fā)現(xiàn)消化過(guò)程不會(huì)改變PS的化學(xué)組成，但會(huì)在PS的表面形成冠狀物，進(jìn)而可能造成毒性的改變，且100 nm PS的腸道毒性高于5 μm PS。Luo等[82]指出，通過(guò)食物與水體攝入是TMPs的潛在接觸途徑，因此胃腸道可能是TMPs的主要作用靶點(diǎn)，TMPs可能在此穿過(guò)腸絨毛，進(jìn)入血管，形成蛋白質(zhì)-塑料復(fù)合物（被稱為蛋白冠）。此外，TMPs可能會(huì)對(duì)胃腸道的消化過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響，當(dāng)TMPs不受自身免疫系統(tǒng)控制時(shí)，將會(huì)參與體內(nèi)循環(huán)，從而在細(xì)胞和分子水平產(chǎn)生毒性。

目前關(guān)于納米塑料對(duì)胃腸道毒性的實(shí)驗(yàn)研究還較少。Forte等[83]用44 nm和100 nm的PS納米顆粒對(duì)胃腺癌（AGS）細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)納米塑料顆粒的毒性與其大小、濃度和作用時(shí)間有關(guān)，并且PS納米顆粒能夠影響細(xì)胞活力和細(xì)胞形態(tài)、改變炎癥基因的表達(dá)，且44 nm的顆粒比100 nm的顆粒更能強(qiáng)烈誘導(dǎo)炎癥因子IL-6和IL-8基因的上調(diào)。

5.2.2 微塑料對(duì)呼吸系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

人體吸入的纖維微塑料大部分可能會(huì)被肺部黏液和纖毛清除，有些可能會(huì)在肺部持續(xù)性存在，引起局部的生物反應(yīng)，尤其是在清除機(jī)制受損的個(gè)體中[84]。PS微塑料顆?？梢酝ㄟ^(guò)誘導(dǎo)ROS的形成而在人肺上皮細(xì)胞中引起細(xì)胞毒性和炎癥，盡管低濃度的PS微塑料顆粒通過(guò)消耗ZO-1（zonula occluden-1）蛋白只能引起保護(hù)性肺屏障的損傷，但它們也可能增加患慢性阻塞性肺疾病的風(fēng)險(xiǎn)[85]。

此外，PS納米塑料顆粒會(huì)顯著影響人肺上皮細(xì)胞的活性、細(xì)胞周期和細(xì)胞凋亡過(guò)程，改變相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄以及蛋白質(zhì)表達(dá)，并且PS對(duì)人肺上皮細(xì)胞的影響取決于其大小、暴露時(shí)間和濃度[86]。Lim等[87]的研究表明，PS納米塑料顆粒暴露會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的代謝變化，例如氨基酸和三羧酸循環(huán)中間代謝產(chǎn)物的增加，該過(guò)程在調(diào)節(jié)細(xì)胞抵抗毒性效應(yīng)中起著關(guān)鍵作用。

5.2.3 微塑料對(duì)免疫系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

近年來(lái)，微塑料對(duì)免疫系統(tǒng)的毒性效應(yīng)研究大多選取小鼠作為哺乳動(dòng)物模型和人體細(xì)胞系為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行。免疫系統(tǒng)在微塑料的入侵下可能產(chǎn)生的免疫毒性，主要表現(xiàn)為免疫抑制、免疫激活和炎癥反應(yīng)。

Park等[88]使用PE微塑料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給小鼠灌喂PE（0.125、0.5和2 mg·d-1）90 d，發(fā)現(xiàn)雄性小鼠體質(zhì)量增加明顯減少，雌雄小鼠體內(nèi)中性粒細(xì)胞在血液中的比例均明顯增加。此外在該實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，食用PE的小鼠血液中IgA水平顯著升高，脾臟內(nèi)淋巴細(xì)胞亞群發(fā)生改變。一些研究表明小腸上皮中的巨噬細(xì)胞在微塑料顆粒>0.5 μm時(shí)會(huì)發(fā)生吞噬作用，內(nèi)吞作用的粒徑上限通常為0.5 μm[89]。然而，盡管>0.2 μm的顆粒可通過(guò)脾濾過(guò)系統(tǒng)清除，但也有研究表明發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞也可內(nèi)吞較大的5 μm顆粒[90-91]。Li等[75]的研究表明用不同劑量的PE微塑料（6、60和600 μg·d-1）連續(xù)5周處理C57 BL/6小鼠時(shí)，高濃度微塑料飼喂組與空白組（未處理組）相比，各飼喂組血清白細(xì)胞介素-1α水平均顯著高于空白組，且Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞在CD4細(xì)胞中的比例降低。

Prietl等[92]選取人外周血細(xì)胞、單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中分離的白細(xì)胞，采用尺寸為20～1 000 nm的羧基聚苯乙烯（CPS）顆粒作為模型顆粒，發(fā)現(xiàn)尺寸≥500 nm的CPS顆粒僅對(duì)巨噬細(xì)胞有細(xì)胞毒性，500 nm和1 000 nm CPS顆粒刺激單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞分泌IL-6和IL-8，促進(jìn)巨噬細(xì)胞對(duì)細(xì)菌的吞噬和趨化作用，并引起粒細(xì)胞的氧化爆發(fā)。20 nm CPS顆粒對(duì)所有吞噬細(xì)胞均有細(xì)胞毒性，且會(huì)刺激人單核細(xì)胞分泌IL-8并誘導(dǎo)單核細(xì)胞氧化破裂。

以上一些研究結(jié)果表明微塑料對(duì)吞噬細(xì)胞產(chǎn)生了毒性效應(yīng)，但目前微塑料對(duì)免疫系統(tǒng)的研究仍然比較少，對(duì)人體的免疫系統(tǒng)影響仍待深入探究。

5.2.4 微塑料對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

不僅微塑料會(huì)對(duì)呼吸、消化和免疫系統(tǒng)產(chǎn)生不良毒性，納米塑料還能穿過(guò)血腦屏障在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中引起毒性效應(yīng)[93]。目前人們關(guān)于微塑料對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)帶來(lái)的影響的研究還較少，有研究發(fā)現(xiàn)人腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞T98G在微塑料影響下會(huì)產(chǎn)生大量的ROS，引起氧化應(yīng)激反應(yīng)[94]，從而對(duì)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。另外在一些類似的研究中，還存在對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)毒性效應(yīng)的結(jié)論不一致的現(xiàn)象[95-96]，這為之后更多的研究提供了借鑒，需要注意在實(shí)驗(yàn)中保證微塑料有相同的化學(xué)性質(zhì)、相同的粒徑大小，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為相同的物種等。

5.2.5 微塑料對(duì)生殖系統(tǒng)的毒性效應(yīng)

Park等[88]研究發(fā)現(xiàn)，暴露于PE微塑料顆粒的小鼠，每只雌鼠的活產(chǎn)數(shù)、幼崽的性別比例和幼崽的體質(zhì)量都發(fā)生了顯著變化。此外，PE的存在會(huì)影響后代脾臟內(nèi)淋巴細(xì)胞的亞群。Xie等[97]將健康的雄性C57BL/6小鼠暴露于生理鹽水或不同劑量的直徑為5.0～5.9 μm的微塑料顆粒中6周，其結(jié)果表明，微塑料會(huì)導(dǎo)致小鼠的精子數(shù)量和活性均顯著下降，且精子的畸形率顯著升高。此外，田坤明和陳秋[98]以小鼠為對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行28 d劑量為5 mg·kg-1不同粒徑微塑料顆粒的灌喂染毒處理，結(jié)果顯示亞急性染毒微塑料也可能會(huì)對(duì)雄性生殖功能造成潛在毒性。最近有相關(guān)人體胎盤灌注模型研究顯示240 nm PS能穿過(guò)胎盤屏障，并且不影響胎盤外植體的生存能力[99]。與此同時(shí)，另一項(xiàng)體外培養(yǎng)人胎盤滋養(yǎng)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)微塑料在胎盤屏障轉(zhuǎn)運(yùn)的現(xiàn)象[100]。

5.3 小結(jié)

在之后的關(guān)于微塑料對(duì)哺乳動(dòng)物的毒性效應(yīng)研究中需要關(guān)注如下問(wèn)題：第一，目前在試驗(yàn)生物的選擇上較為單一，實(shí)驗(yàn)對(duì)象局限于模式生物及體外細(xì)胞，主要關(guān)注了對(duì)小鼠體內(nèi)各器官的毒性作用，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果難以代表所有的哺乳動(dòng)物種類，也不完全適用于評(píng)價(jià)微納米塑料對(duì)人體健康的危害，因此，其結(jié)論需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。第二，現(xiàn)有研究在微塑料的選取上也比較局限，其材質(zhì)多為PS和PE，而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的微塑料品種則更加多樣化，且其表面存在各種類型的添加劑和其他污染物，這使得實(shí)際生活中微塑料的毒性效應(yīng)和作用機(jī)制更加復(fù)雜，有待進(jìn)一步的研究。其中，尤其TMPs與其他污染物（如重金屬和有機(jī)化合物以及其他微塑料）的相互作用對(duì)人體產(chǎn)生聯(lián)合毒性的研究很少，TMPs聯(lián)合毒性的相應(yīng)分子機(jī)制尚不清楚，而TMPs又是日常生活中人體接觸率較高的一類微塑料，因此，建議對(duì)輪胎微塑料與其他污染物、不同的輪胎微塑料本身以及與其他微塑料進(jìn)行聯(lián)合毒性試驗(yàn)[82]。第三，目前對(duì)微塑料毒性機(jī)制的研究主要集中于炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等層面，對(duì)于更深入的分子層面上的機(jī)制原理仍涉及較少，今后需要采取更先進(jìn)的技術(shù)手段或方法進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)探究。

6 微塑料在食物鏈中的遷移轉(zhuǎn)化（Migration and transformation of microplastics via food chain）

微塑料不僅通過(guò)直接作用對(duì)生物個(gè)體造成危害，食物鏈傳遞同樣也是微塑料暴露的重要途徑。在水生食物鏈中，Murray和Cowie[101]通過(guò)給龍蝦喂食帶有PP纖維的魚(yú)，首次證明了微塑料可以沿食物鏈從食物轉(zhuǎn)移到捕食者。Farrell和Nelson[102]則記錄了PS微球從藍(lán)貽貝轉(zhuǎn)移到青蟹的過(guò)程。Set?l?等[103]的研究顯示了塑料在浮游動(dòng)物食物網(wǎng)中的營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)移：糠蝦在攝食各種橈足類和多毛類幼蟲(chóng)物種后，其腸道內(nèi)含有微塑料。Cedervall等[51]研究了商業(yè)制造的PS納米塑料顆粒沿著海洋食物鏈的傳輸情況，發(fā)現(xiàn)納米塑料（24 nm）可以沿著斜生柵藻—大型水蚤—鯽魚(yú)的水生食物鏈發(fā)生遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，最終影響鯽魚(yú)的脂質(zhì)代謝和行為活動(dòng)。該項(xiàng)研究中，對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的鯽魚(yú)至少有3個(gè)獨(dú)立的不同代謝參數(shù)：體質(zhì)量數(shù)值、血清中膽固醇的比例以及膽固醇在肌肉和肝臟中的分布，基本可保證全面地評(píng)價(jià)鯽魚(yú)的生理狀態(tài)。

在陸地食物鏈中，土壤中的微塑料也可通過(guò)轉(zhuǎn)移、富集作用而給更多的生物帶來(lái)健康風(fēng)險(xiǎn)。Huerta Lwanga等[104]首次提出了庭院土壤環(huán)境中的微塑料可通過(guò)土壤—蚯蚓—雞的食物鏈進(jìn)行傳遞，發(fā)現(xiàn)微塑料從土壤到蚯蚓糞的富集系數(shù)為12.7，從土壤到雞糞的富集系數(shù)高達(dá)105。該研究同時(shí)也檢測(cè)到雞砂囊中微塑料的富集系數(shù)為5.1，而砂囊作為食材可能導(dǎo)致微塑料進(jìn)入人體從而危害人體健康[101]。事實(shí)上，Li等[105]的研究也為農(nóng)作物（小麥和生菜）通過(guò)裂縫進(jìn)入的方式來(lái)吸收和積累PS提供了證據(jù)，結(jié)果表明微塑料有可能通過(guò)植物進(jìn)入食物鏈傳遞，最終對(duì)人類健康造成影響。此外，對(duì)于與人類具有相同生活環(huán)境的寵物（貓和狗等），其寵物食品和糞便中均被檢測(cè)到了一定濃度的微塑料，這也間接證明了微塑料已經(jīng)在食物鏈中傳遞[106]。

當(dāng)前，對(duì)于微塑料在食物鏈中的累積效應(yīng)，以及微塑料沿著食物鏈進(jìn)入人體所產(chǎn)生的潛在危害，尚缺乏系統(tǒng)的研究。未來(lái)還需要對(duì)食物鏈中不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物進(jìn)行微塑料污染特征調(diào)查，并進(jìn)一步開(kāi)展微塑料的人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

7 總結(jié)與展望（Summary and prospects）

由于微生物、藻類、魚(yú)類、哺乳動(dòng)物的物種、生活習(xí)性和所處營(yíng)養(yǎng)級(jí)位置的差異性，微塑料對(duì)不同生物的毒理效應(yīng)也有很大差別。但總結(jié)微塑料對(duì)生物體的毒性機(jī)制大致可分為2類，即機(jī)械物理?yè)p傷與生物化學(xué)毒性損傷。

微塑料對(duì)生物的機(jī)械物理?yè)p傷，在細(xì)菌和水蚤等微生物層面尚未體現(xiàn)，對(duì)于藻類則表現(xiàn)為遮蔽效應(yīng)、物理吸附以及穿透細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的物理?yè)p害，而魚(yú)類攝入微塑料會(huì)造成對(duì)消化系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)的物理?yè)p傷，例如導(dǎo)致腸道絨毛破裂從而造成物理?yè)p傷以及微塑料累積，對(duì)魚(yú)類消化系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。這些都是機(jī)械物理?yè)p傷機(jī)制的體現(xiàn)。

微塑料對(duì)生物的生化毒性損傷，在細(xì)菌層面體現(xiàn)為對(duì)氨氧化細(xì)菌的活性抑制、對(duì)反硝化菌群的脫氮性能抑制等，納米塑料甚至可以對(duì)部分細(xì)菌（如天藍(lán)色鏈霉菌）產(chǎn)生致死性危害；在浮游生物層面則體現(xiàn)為導(dǎo)致對(duì)新生蚤的氧化應(yīng)激、代謝紊亂、生長(zhǎng)抑制以及繁殖能力下降等；微塑料還通過(guò)破壞活性氧平衡的方式導(dǎo)致脂質(zhì)氧化，從而抑制藻類的生長(zhǎng)。對(duì)于魚(yú)類而言，微塑料的生化毒性會(huì)造成其行為紊亂、代謝異常和生長(zhǎng)遲緩，影響DNA和基因表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡，引發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎癥反應(yīng)以及神經(jīng)毒性。微塑料對(duì)哺乳動(dòng)物的生物化學(xué)毒性機(jī)制除了包括以上幾點(diǎn)之外，還體現(xiàn)在影響細(xì)胞活性、細(xì)胞形態(tài)和細(xì)胞周期等分子層面，以及免疫抑制、免疫激活和生殖功能的毒性方面。

總而言之，微塑料對(duì)微生物的毒性機(jī)制主要表現(xiàn)為生化毒性損傷方面，而對(duì)于藻類、魚(yú)類和哺乳動(dòng)物而言不僅體現(xiàn)在生物化學(xué)毒性損傷上，還體現(xiàn)在機(jī)械物理?yè)p傷方面，這是由于高級(jí)生物結(jié)構(gòu)往往更加復(fù)雜，攝入微塑料所產(chǎn)生的毒性效應(yīng)也就相對(duì)更多、更復(fù)雜。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)微塑料的相關(guān)毒理學(xué)機(jī)制研究仍相對(duì)匱乏，特別是針對(duì)長(zhǎng)期的環(huán)境低濃度微塑料對(duì)生物造成的影響，尚未有成熟的實(shí)驗(yàn)和手段來(lái)進(jìn)行探究。為了更加真實(shí)地理解微塑料帶來(lái)的生態(tài)與健康風(fēng)險(xiǎn)，今后還應(yīng)當(dāng)從以下幾個(gè)方面予以考慮。

（1）注重微塑料的多樣性。需要理解不同來(lái)源、化學(xué)成分、形狀和大小的微塑料對(duì)生物的影響，由于微塑料本身組成的復(fù)雜性，形狀的多樣性，來(lái)源的廣泛性，微塑料這些理化性質(zhì)的差異如何影響環(huán)境中的生物，進(jìn)而產(chǎn)生毒性效應(yīng)，仍需深入研究和探討。特別是同種微塑料在不同研究中針對(duì)同一種生物所發(fā)現(xiàn)的截然不同的效應(yīng)，這可能與微塑料本身組成、添加劑成分等密切相關(guān)，但仍需大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)（包括實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和野外實(shí)驗(yàn)）來(lái)驗(yàn)證。

（2）注重微塑料的環(huán)境貼合性。應(yīng)該盡可能選用模擬自然條件得到微塑料或者從自然環(huán)境中提取的微塑料作為暴露材料，避免研究人員為了放大其效應(yīng)，使得微塑料實(shí)驗(yàn)濃度遠(yuǎn)高于實(shí)際環(huán)境的微塑料濃度，強(qiáng)化對(duì)長(zhǎng)期處于環(huán)境低濃度微塑料暴露下生物毒理學(xué)效應(yīng)的研究；加強(qiáng)對(duì)微塑料與有機(jī)污染物和微生物致病菌聯(lián)合毒性的研究。

（3）注重受試物種的多樣性。受試物種單一化的問(wèn)題使得眾多研究人員尚不能廣泛統(tǒng)一地確定微塑料的毒理學(xué)效應(yīng)，應(yīng)在未來(lái)使受試物種廣泛化，有目的地開(kāi)展微塑料對(duì)人體危害的研究，而不僅限于圍繞著海洋生物以及小鼠等模式生物開(kāi)展。

（4）注重毒理學(xué)指標(biāo)的量化統(tǒng)一。應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展微塑料與污染物的復(fù)合毒理學(xué)機(jī)制及其影響因素的研究，設(shè)定毒理學(xué)指標(biāo)，建立更加系統(tǒng)的毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)和檢測(cè)系統(tǒng)。

（5）注重整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的整體影響。應(yīng)加強(qiáng)微塑料在食物鏈傳遞過(guò)程中毒性蓄積與變化的研究，而不是僅僅停留在生物個(gè)體水平，從更為全面的多角度進(jìn)行綜合評(píng)判。