纳米微塑料如何影响生物体肠道与免疫系统？郑浩/吴晓蒙团队揭秘

2004年，英国普利茅斯大学的海洋生物学教授 Richard Thompson 等人在 Science 上发表了一篇关于海洋水体和海洋沉积物中塑料碎片的论文，首次提出“微塑料”的概念。

微塑料是指直径小于 5 毫米的塑料颗粒，还可进一步分为纳米塑料(1-100nm)、亚微米塑料(100nm-1μm)、微米塑料(1μm-5mm)。这些微塑料颗粒在水生和陆地生态系统甚至大气中广泛分布。全球海水中微塑料的平均浓度在 0.01-10 个/m³；即使在全球最深的海域马里亚纳海沟也有大量微塑料沉积，甚至明显高于其他海底沉积物的含量。

微塑料粒径小，生物可降解性低，可作为多种病原体、金属、抗生素和有毒化学物质的载体。当微塑料积累于生物体内时，可造成肠道菌群紊乱、基因表达失调、行为和生理功能障碍、免疫毒性及生殖缺陷等健康问题。

因此，微塑料既是危害地球环境的“隐形杀手”，更是危害生物安全的“慢性杀手”。2016 年召开的第二届联合国环境大会上，微塑料污染被列入环境与生态科学研究领域的第二大科学问题。2017 年，二十国集团汉堡峰会通过“二十国集团海洋垃圾行动计划”，将微塑料问题提升到了全球治理层面。

探究微塑料对于健康的威胁迫在眉睫。

一种重要的环境污染指示物——蜜蜂，可以用作研究微塑料对生物体影响的模型。蜜蜂是重要的传粉昆虫，每个蜂群拥有几千只工蜂，它们会在几公里范围内采集花粉。当采集花粉时，蜜蜂会无意间成为环境污染物的携带者，继而导致污染物在蜂蜜、蜂胶、蜂王浆和蜂蜡等蜂产品中积累。目前，城市周边地区的蜂场中已经发现了微塑料的存在。

中国农业大学郑浩教授长期致力于蜜蜂模式动物的研究工作，中国农业大学吴晓蒙副教授长期致力于食品包装与食品安全的研究工作。两课题组最近的合作研究成果证明了微塑料对蜜蜂肠道菌和肠道免疫系统产生干扰，进而造成了致病菌侵入蜜蜂血淋巴。研究成果发表在 Science of the Total Environment，题为“Nano- and micro-polystyrene plastics disturb gut microbiota and intestinal immune system in honeybee”。文章提出了蜜蜂可作为新型模式动物，用于研究微塑料对肠道菌群的影响，扩大了人们对纳米尺度微塑料健康风险的认识。

实验中，该团队观察到微塑料被蜜蜂摄入后，进入中肠，又经过狭窄的回肠，最终积累在直肠的过程。

▲图 | 纳米微塑料被蜜蜂摄入并积累在肠道（来源：论文1）

该实验所用的塑料是聚苯乙烯。聚苯乙烯常被用来制作泡沫塑料制品，并可以和其他橡胶类型高分子材料共聚生成各种不同性能的产品。日常生活中常见的应用包括一次性饮料杯等餐具、泡面等食品外包装、透明 CD 盒等，是食品包装废弃物的重要来源之一。

而蜜蜂的肠道微生物群为探索环境污染物如何影响宿主健康提供了优势。

肠道微生物群因其对宿主健康具有重要影响而受到特别关注。它可以改善食物消化、增强免疫系统并增加对病原体的抵抗力。而蜜蜂的肠道菌群是研究肠道菌群与宿主之间关系的绝佳实验模型，已被用于研究肠道群落组成和多样性的动态变化。与哺乳动物相比，蜜蜂肠道微生物群的简单性和保守性使其成为理想的模型系统，尤其是在研究外部压力（如微塑料或病原菌）的影响时。

2020 年的一项研究表明，聚苯乙烯对蜜蜂的整体体重和死亡率的影响有限。然而，它显著改变了肠道微生物群结构以及与免疫系统、抗氧化和解毒相关的基因表达。但这项研究仅涉及了直径为 25μm 的微塑料，纳米级塑料颗粒的影响仍然难以捉摸。

因此，郑浩和吴晓蒙团队对纳米级别的微塑料进行了蜜蜂肠道菌附着情况及丰度影响研究。实验结果表明，暴露于直径为 100nm 的聚苯乙烯颗粒环境中的蜜蜂摄入微塑料颗粒后，全身重量和存活率显著降低，肠道发育不良。随着喂食时间从第 0 天增加到第 15 天，微塑料转移到直肠，并积聚在大多数蜜蜂肠道共生体定殖的地方。

扫描电子显微镜观察结果表明，粒径为 100nm 的纳米级别微塑料会堵在花粉孔上；而粒径为 1μm 的微塑料与肠道菌尺寸相近，会互相贴附；粒径为 10μm 的微塑料尺寸较大，其上附着了较多的肠道菌。

▲图 |蜜蜂肠道中细菌、微塑料和花粉的聚集状态（来源：论文1）

此外，该研究还发现了纳米微塑料会显著降低蜜蜂乳酸菌和双歧杆菌的丰度。研究人员推测其原因是 100nm 的微塑料贴附在花粉壁上，阻碍了肠道菌群对花粉的利用，导致肠道菌难以获得花粉的营养物质、菌群丰度降低。

而肠道菌群结构的变化又进一步导致了宿主免疫功能障碍。

Hafnia alvei 可以导致蜜蜂败血症，是蜜蜂成虫的主要细菌类病原之一。实验中，在纳米级微塑料干扰了蜜蜂肠道菌群和肠道免疫系统后，Hafnia alvei 导致蜜蜂肠道壁显著变薄，进而入侵血淋巴，蜜蜂的死亡率提高了五倍。

这些基于新型模式动物蜜蜂的研究结果表明，纳米微塑料的暴露影响了蜜蜂的正常生长发育，增加了其它胁迫对蜜蜂的健康影响。扩展了人们对塑料碎片之于健康风险的认知，特别是在纳米尺度上的、常常被忽略的塑料危害。