納米塑料對生物的毒性效應及作用機制研究進展

劉沙沙，梁綺彤，陳諾，楊曉茵

肇慶學院環(huán)境與化學工程學院，肇慶 526061

塑料及其制品的生產和使用給人類帶來了極大的便利，但大量的廢棄塑料難以回收利用而進入到大氣、水體和土壤環(huán)境中，經過長期的物理、化學和生物降解作用會形成微小的塑料顆粒，當其粒徑<5 mm時稱為微塑料[1]。近期的研究發(fā)現，微塑料可以進一步破裂為粒徑為納米級別的塑料[2]；納米塑料還被應用于日化產品、藥物輸送、電子設備和醫(yī)學診斷中，使其直接進入到環(huán)境中[3]。由于納米塑料的尺寸極小，很容易被生物吞食或攝入。納米塑料具有較大的比表面積導致其可以吸附其他污染物，呈現出對生物的復合效應，通過轉運、富集等過程進行食物鏈傳遞，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴重威脅[4-6]。

目前，關于納米塑料對環(huán)境中生物的毒性效應研究已逐步開展起來，研究者利用環(huán)境生物學技術并將轉錄組學、代謝組學、蛋白質組學與基因編輯技術等結合起來，從細胞和分子層面上探討納米塑料對水生生物、陸生植物、無脊椎動物和微生物的毒性效應，但目前的相關研究報道只側重在某一方面，并未進行系統(tǒng)的梳理和總結。因此，本文在歸納生物體對納米塑料的攝取、富集和轉運規(guī)律的基礎上，論述了納米塑料本身及其吸附的其他污染物對環(huán)境中生物的毒性效應（氧化應激、炎癥、代謝紊亂和基因毒性等）及機制，并評估了納米塑料對人類健康的潛在威脅，對未來需加強的研究方向進行了展望，為后期評估納米塑料的生態(tài)毒性效應提供理論基礎和科學依據。

1 生物體對納米塑料的攝取、富集和轉運（Uptake, enrichment and transport of nanoplastics by organisms）

納米塑料的粒徑非常小，容易被環(huán)境中的生物吞食和攝取而在體內富集，甚至還可以穿過腸道屏障進入到體液循環(huán)系統(tǒng)，在器官中積累或隨糞便排出[3,7]。相關研究表明，水生生物可以吸附或攝取納米塑料的粒徑范圍為30～1 000 nm[8]。Jeong等[9]研究發(fā)現，粒徑為50 nm的聚苯乙烯可以穿過水蚤消化器官的細胞膜，并很快分散到全身；然而粒徑為500 nm～6 μm的聚苯乙烯大部分被限制在消化器官內。不同粒徑的納米塑料在斑馬魚體內的積累也有差別，Lee等[10]通過掃描電鏡觀察發(fā)現，50 nm的聚苯乙烯作用下，絨毛膜表面粗糙，且孔道明顯打開，這說明納米塑料進入到斑馬魚體內并在組織和細胞中富集，例如神經系統(tǒng)、肌肉纖維和富含脂肪的區(qū)域等；200 nm和500 nm的聚苯乙烯主要在絨毛膜的表面聚集，并堵塞孔道。納米塑料（100 nm）能夠被蠶豆根尖吸收，并在細胞間隙中積累，可能會阻礙細胞壁孔對營養(yǎng)物質的運輸[11]。納米塑料會先聚集在黃瓜的根部系統(tǒng)，然后通過莖傳輸進入到葉子、花和果實中[12]。隨著暴露濃度和時間的增加，納米聚苯乙烯可以在粗梗水蕨孢子表面大量地吸附和積累，并抑制孢子的萌發(fā)和配子體的發(fā)育[13]。納米塑料還可以吸附和聚集在小麥[14]、洋蔥[15]的組織中。

此外，納米塑料能夠沿著食物鏈轉移到更高營養(yǎng)級的生物，不斷累積和富集。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，浮游動物可以將納米塑料攜帶至魚類體內，Skjolding等[16]用暴露于納米塑料中的鹵蟲喂食斑馬魚，在斑馬魚的胃腸道、頭部和鰓部均發(fā)現了納米塑料的積累。納米塑料還可由浮游植物萊茵衣藻（生產者）傳遞給浮游動物大型蚤（初級消費者），再到小型魚中國青鳉（次級消費者），最后進入到談氏鱖魚（第三級消費者）的體內[17]。目前還缺乏關于納米塑料在陸地食物鏈中轉移的報道，雖然科學家已在人類的糞便中檢測到塑料顆粒的存在，但是納米塑料在人類食物鏈中傳遞的研究還是空白。

2 納米塑料對生物的毒性效應及作用機制（Toxic effects and mechanism of nanoplastics on organisms）

納米塑料被環(huán)境中的生物吸附或吞食后，會對生物體產生一定的毒害作用[18]，主要包括在生長和繁殖能力、死亡率、攝食率、細胞（氧化應激、炎癥、線粒體和溶酶體功能障礙等）及分子水平（基因、蛋白質和代謝產物表達）等方面的效應等[19-29]（圖1）。由于具有巨大的比表面積和強疏水性，納米塑料吸附環(huán)境中的其他污染物后，將改變污染物的生物可利用性，并使其毒性增加或削減[30-32]。目前該方面的研究主要集中在淡水/海洋生物和植物等，陸地生態(tài)系統(tǒng)中納米塑料污染的研究也逐漸開展起來，但納米塑料對動物及微生物的作用研究還較少。

圖1 納米塑料及其吸附的污染物對環(huán)境中生物的毒性效應Fig. 1 Toxic effects of nanoplastics and its adsorbed pollutants

2.1 水生生物

Peiponen等[33]的研究提供了大量的證據說明納米塑料存在于水環(huán)境中。關于納米塑料對水生生物的影響及機制的研究已引起廣泛關注。納米聚苯乙烯吸附在藻類表面通過阻礙光照強度、降低空氣流動和葉綠素濃度來抑制光合作用，導致藻類發(fā)育障礙[19]。Ribeiro等[20]研究發(fā)現，納米塑料可以進入到黑鯽的腦中，引起腦組織損傷和行為失常。納米級聚苯乙烯和聚碳酸酯可以破壞肥頭鰷魚的抗氧化系統(tǒng)，引起氧化應激，并影響先天免疫系統(tǒng)[21]；低濃度的納米塑料能引起魚腦中細胞活性顯著降低，增加其氧化還原壓力[22]。納米聚苯乙烯可以在河蜆的外套膜、腮和內臟中蓄積，誘發(fā)肝臟損傷、神經毒性和腸道炎癥等[23]。將牡蠣暴露于塑料顆粒中（50 nm），其受精成功率明顯降低，部分幼蟲的發(fā)育完全停止[34]。將20 nm的聚苯乙烯注射到斑馬魚胚胎后可以到達胚胎大腦，引起DNA氧化損傷[35]；長時間暴露于納米聚苯乙烯的大型蚤的壽命明顯縮短[36]。Liu等[24,37]研究了添加和不添加納米塑料的情況下淡水枝角水蚤蛋白質的表達差異，發(fā)現納米塑料的加入使卵黃原蛋白和谷胱甘肽的表達發(fā)生上調，并引起氧化應激、信號轉導和脂肪酸代謝、角質層和幾丁質代謝途徑的變化，從而抑制了淡水枝角水蚤的繁殖和生長；添加納米塑料后增強了淡水枝角水蚤的糖代謝途徑，促進了能量的產生，這可能是新生的水蚤抵抗納米塑料毒性的方式之一。經納米聚苯乙烯脅迫24 h后，三角褐指藻的光合作用系統(tǒng)受到損傷，并導致線粒體膜去極化和基因毒性[25]，但Bergami等[26]研究發(fā)現，聚苯乙烯對杜氏藻的光合作用效率沒有影響。

納米塑料的生態(tài)毒性效應與其添加濃度/時間、粒徑大小和表面電荷等有關[38]。（1）添加濃度與脅迫時間。隨著納米塑料濃度的增加，斜生柵藻中葉綠素a含量的降低速率加快[39]。低濃度的納米聚苯乙烯（5 mg·L-1）增強了幼年日本沼蝦的存活能力，高濃度時（10、20和40 mg·L-1）產生了抑制或毒性作用，這主要是通過調控與抗氧化作用和免疫防御相關的基因表達來完成[27]。隨著添加濃度和暴露時間的增加，納米塑料會對日本沼蝦的葡萄糖代謝途徑產生不利影響，因此抑制了糖酵解途徑，與脂質代謝相關的基因表達發(fā)生下調，降低了相關酶的活性（例如己糖激酶、脂肪酶和乙酰輔酶A羧化酶等），導致日本沼蝦幼體消化、轉運和合成脂類的能力減弱，因此使其體內的脂肪含量降低[28]。（2）粒徑。Singh等[40]研究發(fā)現，粒徑為55 nm的聚苯乙烯對斑馬魚的基因毒性要>100 nm的，可能是因為粒徑較大的納米塑料被禁錮在消化道，粒徑較小的可以透過器官而引起更高的毒性。輪蟲在納米聚苯乙烯的脅迫下呈現出粒徑依賴方式的毒性作用，例如，MAPK信號通路和抗氧化酶被顯著激活，生長速度和繁殖力降低，壽命縮短等[41]。（3）表面電荷。陽離子（—NH2）基團修飾的納米塑料的毒性作用要大于陰離子（—COOH）的，兩者對海膽胚胎和綠藻均導致嚴重的發(fā)育缺陷、生長抑制和致死效應[26,29]。陽離子修飾的納米塑料對地中海貽貝具有顯著的胚胎毒性，導致參與到早期殼形成的基因表達異常[42]。帶正電荷（—NH2）的聚苯乙烯對大型蚤的毒性較大，可能是因為與大型蚤帶負電荷的細胞膜發(fā)生了強烈的相互作用[43]。氨基改性的納米聚苯乙烯（PS-NH2）抑制了微囊藻的光合效率，降低了有機物質合成，增強了氧化應激，通過提高轉運蛋白的表達上調和破壞細胞膜完整性來促進微囊藻毒素向細胞外釋放[38]。馮立娟[44]利用基因編輯技術和非靶向代謝組學方法研究納米塑料的生物效應，發(fā)現PS-NH2通過破壞細胞膜的完整性和引起谷胱甘肽代謝途徑的紊亂來對細長聚球藻產生毒性；帶正電荷（—NH2）的聚苯乙烯顯著刺激了銅綠微囊藻中微囊藻毒素和微囊藻毒素-亮氨酸-精氨酸的釋放；帶負電荷（—SO3H）的聚苯乙烯因為靜電排斥作用，不容易與細胞膜接觸，因此在短期內對微囊藻毒素的釋放可以忽略不計。

由于納米塑料巨大的比表面積和強疏水性，可以作為污染物的吸附載體而形成復合污染。環(huán)境中的生物暴露于復合污染物的毒性效應十分復雜。納米聚苯乙烯促進了多環(huán)芳烴從暴露介質中吸附至納米塑料上，進而降低了多環(huán)芳烴的生物利用性和生物積累[30]。納米塑料的存在不僅改變了有機污染物誘發(fā)的生物體基因表達情況，也會引起代謝途徑的變化。例如，納米級聚苯乙烯的加入降低了卡馬西平對紫貽貝的基因毒性，引起編碼生物轉化（cyp32）、解毒過程（gst）、DNA損傷（p53）、組織修復（hsp70）和免疫系統(tǒng)（lys）的基因表達下調[31]。Singh等[40]研究發(fā)現，納米聚苯乙烯-熒蒽復合污染引起的DNA損傷程度要小于單一聚苯乙烯或熒蒽，這說明納米塑料降低了熒蒽對斑馬魚的基因毒性，可能是因為納米塑料吸附多環(huán)芳烴后降低了其生物可利用性。相反的，攝入納米塑料會抑制輪蟲的多異源抗藥性，從而導致持久性有機污染物的毒性增強[32]。納米塑料明顯加劇了重金屬對斑馬魚的毒性，增加了胚胎死亡率和畸形，降低了孵化率[10]。納米聚苯乙烯的存在增強了磷酸三苯酯對斑馬魚的毒性，不僅引起斑馬魚的肝臟和生殖腺體積增大，還降低了受精率和卵孵化率，導致斑馬魚的繁殖性能下降[45]。在土壤中，草甘膦農藥吸附在納米塑料表面，抑制了銅綠微囊藻的生長[6]。

2.2 陸生植物

植物處于食物網的底端，是人類重要的食物來源。因此，納米塑料對植物的毒性效應近年來受到廣泛關注，例如洋蔥、大蔥、小麥、綠豆、蠶豆、大豆、生菜、萵苣和玉米等[46]。植物可以吸附或內化塑料顆粒，與納米塑料的自身特性（粒徑、濃度）、植物響應和環(huán)境介質等有關。研究發(fā)現吸附在植物表面的塑料主要有聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯[46]。20 nm和100 nm的聚苯乙烯主要通過吸附于大豆種皮表面降低種子吸收水分的速度，從而抑制種子的活力和發(fā)芽率，20 nm的對根尖數量無顯著影響，而100 nm的則表現出促進作用[47]。Giorgetti等[15]的報道指出，50 nm的聚苯乙烯能夠內化于洋蔥的根分生區(qū)細胞，抑制了根的延伸生長，引起氧化脅迫，產生細胞毒性（例如有絲分裂異常和基因毒性）。納米塑料可以通過水通道蛋白進入到水稻的根部，從而抑制初生根的長度和質量，根的形態(tài)也會發(fā)生明顯改變，與碳代謝相關的基因表達發(fā)生下調[48]。粒徑為300 nm的聚苯乙烯增加了黃瓜根中丙二醛、脯氨酸和可溶性蛋白的含量及根活力，降低了鈣、鎂和鐵的含量[11]。納米聚苯乙烯可以進入種子內部，通過增強α-淀粉酶的活性而使淀粉顆粒的水解加速，進而產生更多的可溶性糖和能量用于小麥幼苗的生長[49]。聚苯乙烯顆粒對菜心幼苗的毒性作用呈現出明顯的粒徑效應，幼苗可以通過調節(jié)可溶性糖和可溶性蛋白的含量來保持細胞的滲透勢，以應對聚苯乙烯的脅迫[50]。然而，目前還沒有關于整株植物對納米塑料的攝取、不同部位的轉運和積累的報道，納米塑料通過食物鏈傳遞及對食品安全造成威脅的研究也較為少見。

2.3 無脊椎動物及微生物

蚯蚓作為土壤食物鏈中的主要動物之一，在改善土壤肥力、維持土壤生態(tài)系統(tǒng)結構與功能等方面起到十分重要的作用[51]。納米聚苯乙烯改變了土壤線蚓的腸道微生物組成，進而改變其攝食行為，影響線蚓的健康和生態(tài)功能（例如氮循環(huán)和污染物轉化等）[52]。納米塑料的添加增強了四環(huán)素在土壤線蚓組織中的積累，引起腸道中抗性基因豐度和多樣性的增加[53]。此外，還有一些關于納米塑料對模式生物毒性效應的研究，例如，Lei等[54]將線蟲暴露于粒徑為100 nm和500 nm的塑料顆粒后，線蟲的身體彎曲、頭部跳動頻率和爬行速度加快，這說明納米塑料可以改變線蟲的運動行為。納米聚苯乙烯通過線粒體損傷和降低神經元中多巴胺的含量引起秀麗隱桿線蟲的神經毒性[55]。添加濃度為0.1 mg·L-1和1 mg·L-1的納米聚苯乙烯后，抑制了秀麗隱桿線蟲機體的免疫應答反應和線粒體未折疊蛋白反應，縮短了線蟲的壽命[56]。聚苯乙烯誘導秀麗隱桿線蟲中編碼酪氨酸脫羧酶基因（tdc-1）的表達上調和編碼谷氨酸轉運體基因（eat-4）的表達下調，引起神經元毒性[57]。土壤中的跳蟲通過創(chuàng)建生物孔隙來改良土壤系統(tǒng)，添加納米聚苯乙烯后可以在幾秒內進入到生物孔隙中，從而限制了跳蟲的運動行為[58]。納米聚苯乙烯可以進入到蜻蜓幼體細胞空腔內，引發(fā)不同組織的氧化應激反應，并對膽堿能神經系統(tǒng)產生不利影響，可能會導致神經功能和神經肌肉功能障礙[59]。

納米塑料對土壤微生物群落具有顯著的毒害作用，主要表現為菌群功能的改變和多樣性的減少，酶活性的降低等[4]。細菌的個體非常小，只有粒徑足夠小的納米塑料才可以進入到其細胞內[60]。50 nm的聚苯乙烯可以引起嗜堿鹽單胞菌細胞膜的損傷，誘發(fā)顯著的氧化還原壓力并促進胞外聚合物的分泌[61]。雖然沒有直接的證據說明納米塑料可以嵌入到細胞膜而被菌體吸收，Rossi等[62]通過分子模擬研究發(fā)現，納米塑料可以穿過脂質雙分子層，改變細胞的功能，因此可以推測納米塑料與細菌細胞膜之間的作用是其主要的毒性機制。納米塑料可以通過與奧奈達希瓦氏菌細胞膜和胞外分泌物直接接觸，改變其核黃素分泌[63]。Saygin和Baysal[64]的研究指出，由于細胞膜結構的不同，革蘭氏陽性菌和陰性菌受納米塑料影響的程度存在差異；Ustabasi和Baysal[65]探索了從牙膏中分離出的聚乙烯塑料對細菌的毒性作用，發(fā)現聚乙烯對革蘭氏陽性菌（枯草芽孢桿菌）的損害程度要大于革蘭氏陰性菌（銅綠假單胞菌）。帶負電荷的納米塑料在高濃度（200 mg·L-1）時，可以破壞細胞表面聚合物，降低水解酶活性和表面電荷，并且增加了活性氧的產生[66]。因此可以推測塑料顆粒的表面電荷、細菌的蛋白質代謝和脂質過氧化酶活性的變化是影響塑料與菌體之間相互作用的重要因素。

3 納米塑料對人類健康的潛在影響（Potential effects of nanoplastics on human health）

農作物、魚蝦貝類等會對環(huán)境中的納米顆粒進行吸收和轉運，導致其在體內積累，并可通過食物鏈的營養(yǎng)轉移造成農畜產品的納米塑料污染，食品安全可能會受到影響，進而引發(fā)人類健康風險[67]（圖2）。但是食品中納米塑料含量及隨后的飲食暴露量的研究數據還十分欠缺，還無法評估存在于人類食物鏈中的納米塑料對人體健康的潛在影響[44]。納米塑料對人類健康可能存在的危害和風險已引起關注，納米塑料進入人體的方式主要有經口攝取、吸入及皮膚接觸，然后可能會沿著細胞間隙進行傳輸，或者通過腸黏膜細胞轉運到毛細淋巴管，進入到淋巴組織，經血管到達多個器官[68-69]。紡織工人長期接觸合成纖維，會出現呼吸系統(tǒng)疾病，癥狀主要包括咳嗽、呼吸障礙和肺活量減少等?？梢酝茰y，納米塑料跟合成纖維相似，也可以通過空氣或者食物攜帶進入到肺或胃腸系統(tǒng)[70]。

目前，尚無關于納米塑料對人體的直接毒性效應的相關報道，主要通過體外實驗探索納米塑料對人體健康的間接影響，這些研究的對象局限在人類源細胞系和模型，產生的毒理效應主要包括誘發(fā)氧化應激、炎癥、代謝紊亂和細胞毒性等[71]。納米塑料對人類細胞的毒性與所選的細胞系有關，其對人單核巨噬細胞沒有損害作用，但能引起與免疫相關的細胞系中活性氧產生和DNA損傷[71]。Gopinath等[72]進行體外人血細胞實驗發(fā)現，納米塑料進入血管后穿過腸絨毛，可以形成比原始納米塑料具有更高的基因毒性和細胞毒性的蛋白質-塑料復合體，這可能是因為復合體可以逃離人體防御系統(tǒng)，在循環(huán)系統(tǒng)中存在時間較長。Domenech等[73]利用熒光探針技術研究發(fā)現，納米聚苯乙烯可以穿過消化系統(tǒng)的上皮膜屏障，但對人結直腸癌和淋巴癌細胞膜滲透性和完整性并未產生影響。500 nm和60 nm的聚苯乙烯引起人胃癌（AGS）細胞的DNA斷裂，使細胞活力和線粒體膜電位降低，從而誘發(fā)細胞凋亡[74]。人結直腸腺癌細胞暴露在500 nm的納米塑料后，發(fā)生了線粒體去極化，可能是因為粒徑稍微大一點的塑料進入細胞后可以逃離溶酶體，并對其他細胞器和蛋白質造成損害[75-76]。Xu等[77]的研究證明，粒徑為25 nm的聚苯乙烯比70 nm的更容易內化進入肺癌人類肺泡基底上皮細胞質中，誘導與炎癥相關的基因轉錄，引起細胞周期S期阻滯，觸發(fā)了腫瘤壞死因子相關的凋亡途徑，從而影響細胞活力。低濃度的納米聚苯乙烯會引起支氣管上皮細胞中與自噬和內質網應激相關的代謝發(fā)生變化，例如氨基酸和三羧酸循環(huán)過程中代謝產物的增加[78]。Hesler等[79]采用體外共培養(yǎng)模型進行研究發(fā)現，納米塑料沒有引起腸道和胎盤轉運障礙，具有微弱的毒性作用。50 nm的塑料可以進入到腸基底外側細胞和淋巴癌細胞的細胞核，因而引發(fā)基因毒性[73]。根據上述生物及人體細胞系對納米塑料污染所做出的反應，可以推測人類為了應對納米塑料的脅迫可能會出現基因組和行為的變化[71]。

圖2 納米塑料的人體暴露風險[67]Fig. 2 Human body exposure risks of nanoplastics[67]

4 展望（Expectation）

納米塑料的長期存在會對環(huán)境中的水生生物、植物、無脊椎動物和微生物產生毒性作用，并可通過食物鏈轉運富集對人類健康造成潛在威脅。然而作為一種新污染物，納米塑料的生態(tài)毒理學效應及機制的研究亟待加強：

（1）研究中采用的納米塑料的種類和形狀相對單一，主要是關注了工程塑料的生態(tài)毒性，但對于環(huán)境中實際存在的納米塑料的研究尚欠缺；

（2）納米塑料難以溶于測試介質或體液中，在毒性暴露實驗中還無法保證納米塑料在溶液相中的準確濃度，目前是以單位體積/質量內顆粒物的量為計數方式，難以轉化為生物體內殘留量并表示為劑量-響應關系，需將更多的新技術和新方法應用到納米塑料濃度標準化研究中；

（3）納米塑料中含有的添加劑可能會不斷釋放出來，關于納米塑料對生物體的毒性效應是由于其自身還是塑料添加劑的釋放造成的，目前還沒有明確的結論，還需做進一步的探索；

（4）目前沒有足夠的證據說明納米塑料可以通過吞噬或穿透作用進入到細胞內，需結合同位素示蹤與分子生物學新技術等深入探討其引發(fā)的毒理學機制。