环境微塑料（MPs）是一种由高分子聚合物和吸附的化学物质组成的复杂混合物，具有持久性，可表现出广泛的毒性。由于人类总是不可避免地会接触MPs，因此有必要表征其生物活性以评估潜在的健康风险。该研究报道了使用一种新型纳米膜过滤技术分离和评估美国安大略湖水样品中MPs的生物活性。
图1. 使用纳米膜过滤和哺乳动物细胞系评估环境水样的生物活性
美国罗切斯特大学的Sarah E. Morgan博士和Lisa A. DeLouise博士在Eco-Environment & Health期刊上发表了题为“Assessing bioactivity of environmental water samples filtered using nanomembrane technology and mammalian cell lines”的研究论文。
该研究旨在分离并鉴定安大略湖近岸水域中MPs，最后表征水样过滤后MPs残余物的生物活性。首先，作者利用氮化硅纳米膜技术从在不同时间和地点采集的湖水样本中分离出8 ~20 μm的MPs（图1a）,并采用尼罗红染色结合荧光显微镜鉴定 MPs。然后，通过测试HaCaT细胞活力、芳烃受体（AhR）活性和 IL-6 水平来分别评价水样过滤后的MPs残余物的生物活性（图1b）。
图2. 实验流程图
尼罗红染色鉴定结果表明，所有湖水样品中均含有MPs颗粒（图2a）。采用ImageJ估算了样品中尼罗红阳性区域面积来衡量MPs含量，发现在不同采样时间和位点样品中的MPs含量均没有显著差异（图3b和图3c）。
图3. 表明安大略湖水过滤后残余物中含有微塑料（MPs）颗粒。图3a为采用尼罗红和台盼蓝染色的湖水经过滤后MPs残余物的明场和荧光显微照片，图3b和3c分别为不同时间和位点下过滤水样MP残余物显示尼罗红阳性的区域面积占比。
不同采样时间和位点的水样分离出的MPs残余物均没有显著HaCaT细胞活力（图4a和4b）。然而，HaCaT细胞对不同时间采集的水样过滤MPs残余物的AhR 活性和 IL-6 水平存在显著的差异 (图5a和图6a)。由于MPs含量与AhR 活性和 IL-6 水平之间均未观察到明显关联（图5c和图6c），这些样品中MPs含量差异无法解释这些生物活性的显著变化。因此，作者推测观察到的不同时间样品中MPs残余物细胞活性差异可能是由于样品之间MPs的物理化学性质不同。此外，采样点靠近乡村的样品IL-6水平高于采样点靠近城市的，但是不同点位分离的MPs残余物的AhR 活性和 IL-6 水平并没有显著改变（图5b和图6b）。这暗示今后可能需要更大的采样规模才能全面评估环境MPs对人体细胞的生物活性，并阐明样品的物理化学和时空特性对生物活性的影响。
图4. 暴露于不同时间（a）和位点（b）采集的过滤水样MPs残余物的 HaCaT 细胞活力没有显著变化。
图5. 暴露于不同时间（a）和位点（b）采集的过滤水样MPs残余物的 HaCaT 细胞芳香烃受体（AhR）被激活。AhR活性通过测定CYP1B1转录基因水平来评价。图5c为尼罗红阳性区域面积占比（NR+%）与AhR活性的相关性。
图6. 暴露于不同时间（a）和点位（b）采集的过滤水样MPs残余物的HaCaT细胞IL-6水平显著改变。IL-6水平通过ELISA测定。图5c为尼罗红阳性区域面积占比（NR+%）与AhR活性的相关性。
该研究提出了一种分离安大略湖水中8 ~20 μm的MPs并表征其生物活性的新方法——目前针对该粒径范围的MPs研究较少。该方法可以推广至其他水域中。该研究初步表明，安大略湖水中含有MPs颗粒，并且对人体细胞具有生物活性，同时指出需要增加采样以评估季节性和时间因素对MPs生物活性的影响。该研究的结果和提出的方法将有助于了解环境MPs 暴露对人类造成的危害和风险。
该研究得到美国国家环境健康科学研究所（NIEHS R01 ES021492）、罗切斯特大学毒理学培训计划（NIEHS T32 ES007026）和罗切斯特大学环境健康科学中心（NIEHS P30 ES001247）等项目资助。
Sarah E. Morgan, Lisa A. DeLouise*, Assessing bioactivity of environmental water samples filtered using nanomembrane technology and mammalian cell lines, Eco-Environment & Health, 2024.
https://doi.org/10.1016/j.eehl.2024.05.004
Sarah Morgan，博士，美国罗切斯特大学医学中心DeLouise实验室博士后。主要研究方向为微塑料的体外暴露，风险评估，方案开发和混合效应。
Lisa A DeLouise, 博士，美国罗切斯特大学医学中心皮肤科、生物医学工程、材料科学和毒理学系终身副教授。Pennsylvania State University物理化学博士、Rochester Institute of Technology产品开发高级硕士。环境健康与科学中心、安大略湖微塑料和人类健康中心成员。主要研究方向为外源性损伤（包括微纳米塑料）皮肤毒理学，率先研究了纳米材料在变应性皮肤接触性皮炎中的相互作用和免疫调节效应。微泡阵列技术发明者，该技术已被应用于药物研发领域。Nidus MB Technologies创始人、首席执行官。从事学术研究和药物研发工作超过35年，发表学术论文131篇，获得发明专利15项。
撰文：刘思思（华南师范大学）
审校：刘玉灿（烟台大学）
推送：王玥玮（清华大学）
