李兰娟团队最新研究：微塑料毒性大起底！全面评估空气传播和食源性微塑料危害

微塑料（MP）是指直径小于5毫米的塑料颗粒，它们广泛存在于环境中，并且对生态系统和生物体健康构成潜在威胁。微塑料可通过两种主要途径进入环境：一种是作为一次微塑料在生产过程中直接产生的小颗粒（如塑料颗粒），另一种是通过大型塑料物品（如塑料瓶、袋子等）的降解而形成的二次微塑料。微塑料根据其化学成分可分为多种类型，常见的包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）等。这些微塑料不仅对水生生态系统产生影响，还可以通过空气和食物进入人体，造成不同程度的健康问题。

2025年2月，浙江大学医学院附属第一医院李兰娟独立通讯在Environment International在线发表题为“Hazard assessment of airborne and foodborne biodegradable polyhydroxyalkanoates microplastics and non-biodegradable polypropylene microplastics”的研究论文。该研究分析了生物降解性聚羟基烷酸酯（PHA）微塑料与非生物降解性聚丙烯（PP）微塑料对小鼠肝脏和肺部的毒性影响。通过多组学分析，研究发现，空气传播的PHA微塑料引起了鼻腔微生物群的失调、肺部微生物群的变化、肺部和血清代谢组的扰动以及肝脏转录组的变化，导致轻度肺部毒性。研究还确定了一些潜在的差异性生物标志物，例如：空气中PHA的鼻腔异源菌和肺部异源菌；鼻腔乳酸杆菌和肺部不动杆菌对空气中PP的影响；肠道粪杆菌属用于食源性PHA；研究结果表明，PHA微塑料相比PP微塑料对肺部和肝脏的毒性较小，表明PHA可能是PP的潜在替代品。这些发现有助于评估空气传播和食物传播的PHA和PP微塑料的危害。

微塑料（MP）广泛存在于环境中，常见类型如聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）已被发现对不同生物体有毒。这些微塑料通过空气和食物进入人体，并已在肠道、肺部和胎盘中被发现。空气传播的PS微塑料可引起小鼠肺部炎症和微生物群变化，而聚醚砜（PES）微塑料则影响肺部代谢。生物降解性聚乳酸（PLA）微塑料可增强小鼠的花生四烯酸代谢。食物传播的微塑料也会改变肠道微生物群，如PS微塑料减少有益菌，而PVC微塑料则增加有害菌。尽管生物降解性微塑料（如PHA）被认为能减少传统塑料的环境危害，但其对肝脏和肺部的毒性尚不清楚。本研究旨在比较空气和食物传播的PHA与聚丙烯（PP）微塑料在小鼠体内的毒性效应，分析其对气道微生物群、肺部和肝脏代谢的影响，并评估PHA微塑料是否较PP微塑料毒性较轻。

一．PP和PHA微塑料对肝脏功能、抗氧化能力及病理变化的影响

鼻腔暴露后，AA (PP MP nasal exposure) 组的AST (aspartate aminotransferase) 和ALT (alanine aminotransferase)显著增加，而AX (PHA MP nasal exposure)组变化较小（图1A-1B）。两组的SOD (superoxide dismutase) 和T-AOC (total antioxidant capacity) 变化不大（图1C-1D）。口服暴露后，FA (PP MP oral exposure) 组和FX (PHA MP oral exposure) 组的AST和ALT均升高（图1E-1F）。FA组的SOD和T-AOC低于FX组和FNC组，但两者间无显著差异（图1G-1H）。

在病理学上，鼻腔暴露后，AA组肺部出现更严重的炎症、渗出和出血（图1I），肝脏则有核固缩和肝细胞肿胀，而AX组未见明显变化（图1J）。口服暴露后，FA组和FX组的肝脏均有核固缩和肝细胞肿胀，FA组的病理变化更为严重（图1K）。整体来看，PHA微塑料引起的肺部和肝脏病理变化较PP微塑料轻。

图1. PP MP和PHA MP诱导的血清生化参数和组织病理学改变（nasal exposure control group (ANC)，oral exposure control (FNC) ）

二．空气传播的PP和PHA微塑料改变鼻腔微生物群和代谢通路

AA、AX和ANC组的鼻腔微生物群以厚壁菌门为主，AA组主要富集乳杆菌目和瘤胃球菌目，而AX和ANC组以葡萄球菌目和乳杆菌目为主。AA组的α多样性高于AX和ANC组，AX组的香农指数高于ANC组（图2C-2E）。PERMANOVA分析表明AA、AX和ANC组的鼻腔微生物群组成存在显著差异（R²=0.199，P<0.001）（图2F-2G）。

图2. AA、AX和ANC组鼻微生物组成及α多样性

AA组的鼻腔微生物平均相似性（21.67%）低于AX（29.82%）和ANC组（31.47%）。AA组与ANC组的不相似性（87.36%）高于AX与ANC组（74.03%）。AA组富集乳杆菌属、未分类的Muribaculaceae和Atopostipes，而AX组富集Gemella、未分类的Muribaculaceae和Lachnospiraceae_UCG-001（图3A-3B）。Venny分析显示AA和AX组分别富集15种和5种特异性细菌，乳杆菌属和Allobaculum分别为PP和PHA微塑料暴露的关键鼻腔生物标志物。AA组检测到三个鼻腔结构关键物种（Lachnospiraceae、Lachnospiraceae_NK4A136_group和肠杆菌属），而AX组未发现关键物种（图3C）。

图3. AA组和AX组鼻微生物组的变化

三．空气传播的PP和PHA微塑料改变了肺部微生物群的组成和通路

Bacteroidota和Firmicutes在AA、AX和ANC组的肺部微生物群中占主导地位（图4A），且Bacteroidales和Lactobacillales是主要细菌目（图4B）。在AA组中，肺部微生物物种减少，Shannon指数无变化，但Pielou指数增加（图4C-4E）。与AX和ANC组相比，AA组的微生物群差异更大。PERMANOVA分析显示三组之间的组成差异显著（P < 0.001），AA组变化最显著。

图4. AA、AX和ANC组肺微生物组成及α多样性

AA组的微生物群相似性显著低于AX和ANC组。AA组的Acinetobacter、Escherichia-Shigella和Sphingomonas显著增加，而AX组的Alloprevotella、Clostridia_vadinBB60_group和Harryflintia丰度增加（图5A-5B）。两组未富集特定细菌。结果显示，Acinetobacter和Alloprevotella分别是PP和PHA微塑料暴露的差异性生物标志物。AX组中确定了三个肺部结构性固有细菌，分别为Faecalibacterium、Oscillospiraceae和Lactobacillus（图5C），而AA组未发现肺部固有细菌。

图5. AA组和AX组肺微生物组的变化

四．食源性PP和PHA微塑料改变肠道微生物群组成和代谢通路

Bacteroidota和Firmicutes在FA、FX和FNC组的肠道微生物群中占主导地位（图6A）。FA组的肠道微生物α多样性降低，FX组变化较小（图6C-6E）。PERMANOVA分析表明，三组之间的肠道微生物组成有显著差异（P < 0.001）。FA和FX组与FNC组相比，肠道微生物差异也显著（P < 0.001和P = 0.002）（图6F-6G）。

图6. FA、FX和FNC组肠道微生物组成和α多样性

SIMPER分析显示，FA和FX组的肠道微生物相似性略高于FNC组（分别为49.26%和53.36%，FNC组为48.15%）。FA组与FNC组的微生物差异大于FX组与FNC组的差异（57.06%对53.3%）。FA组中Dubosiella、未分类Erysipelatoclostridiaceae和Anaeroplasma增多，而FX组中Dubosiella、Faecalibacterium和Terrisporobacter增多（图7A-7B）。Dubosiella在FA和FX组中都有富集。Erysipelatoclostridiaceae和Faecalibacterium是PP和PHA微塑料口服暴露的特征性肠道生物标志物。FA组发现了与Muribaculaceae相关的三种不同肠道结构固有菌（图7C），而FX组则发现了与Lactobacillus和Clostridia_UCG-014相关的两种结构固有菌（图7D）。

图7. FA组和FX组肠道微生物组的变化

五．空气传播的PP和PHA微塑料改变肺部，血清代谢组和肝脏转录组

空气传播和食源性PP、PHA微塑料显著影响肺部和肠道微生物群、代谢组及转录组。肺部微生物群在不同暴露组间差异明显（图8A-B），AA组显示Acinetobacter、Escherichia-Shigella等细菌增多，AX组Alloprevotella和Clostridia_vadinBB60_group增多。代谢分析表明，AA组的花生四烯酸代谢增强，而AX组柠檬酸循环、丙酮酸代谢增强（图8C）。食源性微塑料对肠道微生物群也有影响（图8D），FA组的Dubosiella增多，FX组的Faecalibacterium增多。代谢通路变化集中在磷酸转运系统和淀粉、蔗糖代谢上。血清和肺部代谢物分析显示，AA和AX组分别与癌症代谢、蛋白质消化吸收和癌症相关代谢通路增强（图8E-F）。肝脏转录组分析发现AA组与酒精中毒相关，AX组与花生四烯酸代谢和类固醇激素合成相关（图8G-J）。这些变化可能与微塑料暴露的生物标志物和疾病机制相关。

图8. AA和AX组代谢组和转录组的变化

六．食源性PP和PHA微塑料改变肠道和血清代谢组及肝脏转录组

食源性PP和PHA微塑料改变肠道和血清代谢组及肝脏转录组。肠道代谢物在FA组和FX组之间显著不同（图9A-B），FA组主要集中在癌症中心碳代谢、蛋白质消化吸收和氨基酸tRNA合成，而FX组则集中在嘌呤代谢和ABC转运蛋白（图9C）。血清代谢物也在FA和FX组有所变化，FA组与不饱和脂肪酸生物合成和苯丙氨酸代谢相关，FX组则与甘油磷脂代谢和色氨酸代谢相关（图9D-F）。肝脏转录组分析显示，FA组的转录调控和亚油酸代谢过程增强，而FX组的花生四烯酸代谢、脂肪酸降解和PPAR信号通路显著增强（图9G-I）。这些代谢和转录变化可能揭示了微塑料暴露的生物标志物和潜在的疾病机制（图9J-K）。

图9. FA组和FX组代谢组和转录组的变化

七．相关网络和重要的关键控制因子

通过构建MP组中代谢物、细菌和转录本的相关网络（图10A-10D），发现了不同组件之间的多种相关性。多个关键控制因子在MP组中被识别，其中肺部的 Enterorhabdus、肝脏DEGs Gm45988、Gm4631 和 zfp973 分别在AA、AX、FA和FX组中被确定为重要的相关控制因子（图10E-10H）。

图10. 相关网络和相应的信息传递者在不同的MP组

总结

本研究确定了一些重要发现：

Ø空气传播的PP微塑料导致鼻腔和肺部微生物群失衡，肺部和血清代谢组破坏，肝脏转录组失调，并引起肺部和肝脏毒性。

Ø空气传播的PHA微塑料引起鼻腔和肺部微生物群的轻微变化，肺部和血清代谢组、肝脏转录组的轻度改变，导致轻度肺部毒性，但未引起肝脏毒性。

Ø食物传播的PP和PHA微塑料导致肠道微生物群失衡。

Ø食物传播的PP微塑料相较于PHA微塑料，导致更严重的肠道和血清代谢组破坏、肝脏转录组失调和肝毒性。

这些结果表明，可生物降解的PHA是传统PP的潜在替代品。研究结果可为空气传播和食物传播的PP和PHA微塑料危害评估提供参考。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2025.109311

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