微塑料（MP）是指直徑小于5毫米的塑料顆粒，它們廣泛存在于環(huán)境中，并且對生態(tài)系統(tǒng)和生物體健康構成潛在威脅。微塑料可通過兩種主要途徑進入環(huán)境：一種是作為一次微塑料在生產(chǎn)過程中直接產(chǎn)生的小顆粒（如塑料顆粒），另一種是通過大型塑料物品（如塑料瓶、袋子等）的降解而形成的二次微塑料。微塑料根據(jù)其化學成分可分為多種類型，常見的包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）等。這些微塑料不僅對水生生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，還可以通過空氣和食物進入人體，造成不同程度的健康問題。

2025年2月，浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院李蘭娟獨立通訊在Environment International在線發(fā)表題為“Hazard assessment of airborne and foodborne biodegradable polyhydroxyalkanoates microplastics and non-biodegradable polypropylene microplastics”的研究論文。該研究分析了生物降解性聚羥基烷酸酯（PHA）微塑料與非生物降解性聚丙烯（PP）微塑料對小鼠肝臟和肺部的毒性影響。通過多組學分析，研究發(fā)現(xiàn)，空氣傳播的PHA微塑料引起了鼻腔微生物群的失調(diào)、肺部微生物群的變化、肺部和血清代謝組的擾動以及肝臟轉(zhuǎn)錄組的變化，導致輕度肺部毒性。研究還確定了一些潛在的差異性生物標志物，例如：空氣中PHA的鼻腔異源菌和肺部異源菌；鼻腔乳酸桿菌和肺部不動桿菌對空氣中PP的影響；腸道糞桿菌屬用于食源性PHA；研究結果表明，PHA微塑料相比PP微塑料對肺部和肝臟的毒性較小，表明PHA可能是PP的潛在替代品。這些發(fā)現(xiàn)有助于評估空氣傳播和食物傳播的PHA和PP微塑料的危害。

微塑料（MP）廣泛存在于環(huán)境中，常見類型如聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）已被發(fā)現(xiàn)對不同生物體有毒。這些微塑料通過空氣和食物進入人體，并已在腸道、肺部和胎盤中被發(fā)現(xiàn)。空氣傳播的PS微塑料可引起小鼠肺部炎癥和微生物群變化，而聚醚砜（PES）微塑料則影響肺部代謝。生物降解性聚乳酸（PLA）微塑料可增強小鼠的花生四烯酸代謝。食物傳播的微塑料也會改變腸道微生物群，如PS微塑料減少有益菌，而PVC微塑料則增加有害菌。盡管生物降解性微塑料（如PHA）被認為能減少傳統(tǒng)塑料的環(huán)境危害，但其對肝臟和肺部的毒性尚不清楚。本研究旨在比較空氣和食物傳播的PHA與聚丙烯（PP）微塑料在小鼠體內(nèi)的毒性效應，分析其對氣道微生物群、肺部和肝臟代謝的影響，并評估PHA微塑料是否較PP微塑料毒性較輕。

一．PP和PHA微塑料對肝臟功能、抗氧化能力及病理變化的影響

鼻腔暴露后，AA (PP MP nasal exposure) 組的AST (aspartate aminotransferase) 和ALT (alanine aminotransferase)顯著增加，而AX (PHA MP nasal exposure)組變化較小（圖1A-1B）。兩組的SOD (superoxide dismutase) 和T-AOC (total antioxidant capacity) 變化不大（圖1C-1D）。口服暴露后，F(xiàn)A (PP MP oral exposure) 組和FX (PHA MP oral exposure) 組的AST和ALT均升高（圖1E-1F）。FA組的SOD和T-AOC低于FX組和FNC組，但兩者間無顯著差異（圖1G-1H）。

在病理學上，鼻腔暴露后，AA組肺部出現(xiàn)更嚴重的炎癥、滲出和出血（圖1I），肝臟則有核固縮和肝細胞腫脹，而AX組未見明顯變化（圖1J）。口服暴露后，F(xiàn)A組和FX組的肝臟均有核固縮和肝細胞腫脹，F(xiàn)A組的病理變化更為嚴重（圖1K）。整體來看，PHA微塑料引起的肺部和肝臟病理變化較PP微塑料輕。

圖1. PP MP和PHA MP誘導的血清生化參數(shù)和組織病理學改變（nasal exposure control group (ANC)，oral exposure control (FNC) ）

二．空氣傳播的PP和PHA微塑料改變鼻腔微生物群和代謝通路

AA、AX和ANC組的鼻腔微生物群以厚壁菌門為主，AA組主要富集乳桿菌目和瘤胃球菌目，而AX和ANC組以葡萄球菌目和乳桿菌目為主。AA組的α多樣性高于AX和ANC組，AX組的香農(nóng)指數(shù)高于ANC組（圖2C-2E）。PERMANOVA分析表明AA、AX和ANC組的鼻腔微生物群組成存在顯著差異（R2=0.199，P<0.001）（圖2F-2G）。

圖2. AA、AX和ANC組鼻微生物組成及α多樣性

AA組的鼻腔微生物平均相似性（21.67%）低于AX（29.82%）和ANC組（31.47%）。AA組與ANC組的不相似性（87.36%）高于AX與ANC組（74.03%）。AA組富集乳桿菌屬、未分類的Muribaculaceae和Atopostipes，而AX組富集Gemella、未分類的Muribaculaceae和Lachnospiraceae_UCG-001（圖3A-3B）。Venny分析顯示AA和AX組分別富集15種和5種特異性細菌，乳桿菌屬和Allobaculum分別為PP和PHA微塑料暴露的關鍵鼻腔生物標志物。AA組檢測到三個鼻腔結構關鍵物種（Lachnospiraceae、Lachnospiraceae_NK4A136_group和腸桿菌屬），而AX組未發(fā)現(xiàn)關鍵物種（圖3C）。

圖3. AA組和AX組鼻微生物組的變化

三．空氣傳播的PP和PHA微塑料改變了肺部微生物群的組成和通路

Bacteroidota和Firmicutes在AA、AX和ANC組的肺部微生物群中占主導地位（圖4A），且Bacteroidales和Lactobacillales是主要細菌目（圖4B）。在AA組中，肺部微生物物種減少，Shannon指數(shù)無變化，但Pielou指數(shù)增加（圖4C-4E）。與AX和ANC組相比，AA組的微生物群差異更大。PERMANOVA分析顯示三組之間的組成差異顯著（P < 0.001），AA組變化最顯著。

圖4. AA、AX和ANC組肺微生物組成及α多樣性

AA組的微生物群相似性顯著低于AX和ANC組。AA組的Acinetobacter、Escherichia-Shigella和Sphingomonas顯著增加，而AX組的Alloprevotella、Clostridia_vadinBB60_group和Harryflintia豐度增加（圖5A-5B）。兩組未富集特定細菌。結果顯示，Acinetobacter和Alloprevotella分別是PP和PHA微塑料暴露的差異性生物標志物。AX組中確定了三個肺部結構性固有細菌，分別為Faecalibacterium、Oscillospiraceae和Lactobacillus（圖5C），而AA組未發(fā)現(xiàn)肺部固有細菌。

圖5. AA組和AX組肺微生物組的變化

四．食源性PP和PHA微塑料改變腸道微生物群組成和代謝通路

Bacteroidota和Firmicutes在FA、FX和FNC組的腸道微生物群中占主導地位（圖6A）。FA組的腸道微生物α多樣性降低，F(xiàn)X組變化較小（圖6C-6E）。PERMANOVA分析表明，三組之間的腸道微生物組成有顯著差異（P < 0.001）。FA和FX組與FNC組相比，腸道微生物差異也顯著（P < 0.001和P = 0.002）（圖6F-6G）。

圖6. FA、FX和FNC組腸道微生物組成和α多樣性

SIMPER分析顯示，F(xiàn)A和FX組的腸道微生物相似性略高于FNC組（分別為49.26%和53.36%，F(xiàn)NC組為48.15%）。FA組與FNC組的微生物差異大于FX組與FNC組的差異（57.06%對53.3%）。FA組中Dubosiella、未分類Erysipelatoclostridiaceae和Anaeroplasma增多，而FX組中Dubosiella、Faecalibacterium和Terrisporobacter增多（圖7A-7B）。Dubosiella在FA和FX組中都有富集。Erysipelatoclostridiaceae和Faecalibacterium是PP和PHA微塑料口服暴露的特征性腸道生物標志物。FA組發(fā)現(xiàn)了與Muribaculaceae相關的三種不同腸道結構固有菌（圖7C），而FX組則發(fā)現(xiàn)了與Lactobacillus和Clostridia_UCG-014相關的兩種結構固有菌（圖7D）。

圖7. FA組和FX組腸道微生物組的變化

五．空氣傳播的PP和PHA微塑料改變肺部，血清代謝組和肝臟轉(zhuǎn)錄組

空氣傳播和食源性PP、PHA微塑料顯著影響肺部和腸道微生物群、代謝組及轉(zhuǎn)錄組。肺部微生物群在不同暴露組間差異明顯（圖8A-B），AA組顯示Acinetobacter、Escherichia-Shigella等細菌增多，AX組Alloprevotella和Clostridia_vadinBB60_group增多。代謝分析表明，AA組的花生四烯酸代謝增強，而AX組檸檬酸循環(huán)、丙酮酸代謝增強（圖8C）。食源性微塑料對腸道微生物群也有影響（圖8D），F(xiàn)A組的Dubosiella增多，F(xiàn)X組的Faecalibacterium增多。代謝通路變化集中在磷酸轉(zhuǎn)運系統(tǒng)和淀粉、蔗糖代謝上。血清和肺部代謝物分析顯示，AA和AX組分別與癌癥代謝、蛋白質(zhì)消化吸收和癌癥相關代謝通路增強（圖8E-F）。肝臟轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)AA組與酒精中毒相關，AX組與花生四烯酸代謝和類固醇激素合成相關（圖8G-J）。這些變化可能與微塑料暴露的生物標志物和疾病機制相關。

圖8. AA和AX組代謝組和轉(zhuǎn)錄組的變化

六．食源性PP和PHA微塑料改變腸道和血清代謝組及肝臟轉(zhuǎn)錄組

食源性PP和PHA微塑料改變腸道和血清代謝組及肝臟轉(zhuǎn)錄組。腸道代謝物在FA組和FX組之間顯著不同（圖9A-B），FA組主要集中在癌癥中心碳代謝、蛋白質(zhì)消化吸收和氨基酸t(yī)RNA合成，而FX組則集中在嘌呤代謝和ABC轉(zhuǎn)運蛋白（圖9C）。血清代謝物也在FA和FX組有所變化，FA組與不飽和脂肪酸生物合成和苯丙氨酸代謝相關，F(xiàn)X組則與甘油磷脂代謝和色氨酸代謝相關（圖9D-F）。肝臟轉(zhuǎn)錄組分析顯示，FA組的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和亞油酸代謝過程增強，而FX組的花生四烯酸代謝、脂肪酸降解和PPAR信號通路顯著增強（圖9G-I）。這些代謝和轉(zhuǎn)錄變化可能揭示了微塑料暴露的生物標志物和潛在的疾病機制（圖9J-K）。

圖9. FA組和FX組代謝組和轉(zhuǎn)錄組的變化

七．相關網(wǎng)絡和重要的關鍵控制因子

通過構建MP組中代謝物、細菌和轉(zhuǎn)錄本的相關網(wǎng)絡（圖10A-10D），發(fā)現(xiàn)了不同組件之間的多種相關性。多個關鍵控制因子在MP組中被識別，其中肺部的 Enterorhabdus、肝臟DEGs Gm45988、Gm4631 和 zfp973 分別在AA、AX、FA和FX組中被確定為重要的相關控制因子（圖10E-10H）。

圖10. 相關網(wǎng)絡和相應的信息傳遞者在不同的MP組

總結

本研究確定了一些重要發(fā)現(xiàn)：

?空氣傳播的PP微塑料導致鼻腔和肺部微生物群失衡，肺部和血清代謝組破壞，肝臟轉(zhuǎn)錄組失調(diào)，并引起肺部和肝臟毒性。

?空氣傳播的PHA微塑料引起鼻腔和肺部微生物群的輕微變化，肺部和血清代謝組、肝臟轉(zhuǎn)錄組的輕度改變，導致輕度肺部毒性，但未引起肝臟毒性。

?食物傳播的PP和PHA微塑料導致腸道微生物群失衡。

?食物傳播的PP微塑料相較于PHA微塑料，導致更嚴重的腸道和血清代謝組破壞、肝臟轉(zhuǎn)錄組失調(diào)和肝毒性。

這些結果表明，可生物降解的PHA是傳統(tǒng)PP的潛在替代品。研究結果可為空氣傳播和食物傳播的PP和PHA微塑料危害評估提供參考。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2025.109311

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