(二、14)微塑料暴露:对人类生育能力、怀孕和儿童健康的影响(汇综)

健康   2024-11-02 10:30   湖南  

生殖免疫的核心:子宫内膜异位症和腺肌症的免疫炎症、生殖破坏、妊娠失败等相关病理生理(本长文共分三大部分)。此篇为(二、14),即第二部分第14篇。

目录(已发文章链接)

第一部分:一、低生育力(不孕,RIF反复种植失败,RPL反复流产等,妊娠失败与妊娠病理)的生殖免疫学相关评估(第一部分10篇已发出,链接如下):

1、免疫学检测在低生育能力(不孕症)临床环境中的作用The role of immunologic tests for subfertility in the clinical environment
2、免疫对整倍体胚胎着床失败的影响Contribution of immunology to implantation failure of euploid embryos
3、免疫调节治疗——证据在哪里?Immune modulation treatments—where is the evidence?
4、Immunotherapy for recurrent pregnancy loss: a reappraisal复发性流产的免疫治疗:再评估
5、揭示妊娠的免疫遗传学:亲本HLA-C同种异型预测单整倍体胚胎移植后的妊娠丢失

UNRAVELLING THE IMMUNOGENETICS OF PREGNANCY: PARENTAL HLA-C 
ALLOTYPES ARE PREDICTIVE OF PREGNANCY LOSS AFTER SINGLE EUPLOID EMBRYO TRANSFERS.
6、Uterine NK cells: active regulators at the maternal-fetal interface子宫NK细胞:母胎界面的活性调节者
7、活化的NK细胞导致胎儿同种免疫性血小板减少症的胎盘功能障碍和流产Activated NK cells cause placental dysfunction and miscarriages in fetal alloimmune thrombocytopenia
8、Clearance of senescent decidual cells by uterine natural killer cells in cycling human endometrium子宫uNKs细胞在子宫内膜中动态清除衰老的蜕膜细胞
9、Immunologic causes and thrombophilia in recurrent pregnancy loss复发性流产的免疫病因和血栓形成

10、Immunologic and rheumatologic causes and treatment of recurrent pregnancy loss: what is the evidence?反复性流产的免疫学与风湿病学原因及治疗:有哪些证据?
第二部分:二、反复种植失败(RIF)与子宫内膜容受性评估(第1~11篇链接如下)
(二、1)反复种植失败(RIF)的病理生理学进展A review of the pathophysiology of recurrent implantation failure浅显易懂,类似科普的文章,但讲出了许多有意义因素)。
(二、2)蜕膜化评分可识别反复妊娠丢失和不明原因不孕女性样本中的子宫内膜功能失调
(二、3)子宫内膜容受性的免疫决定因素:生物学视角
(二、4)子宫内膜容受性的当前观点:病因和治疗的综合概述
(二、5)综述慢性子宫内膜炎及其对生殖的影响
(二、6)慢性子宫内膜炎与反复性不孕:系统性回顾与荟萃分析
(二、7)慢性子宫内膜炎和胚胎植入改变:来自文献系统评价的统一病理生理学理论
(二、8)慢性子宫内膜炎老问题、新见解和未来挑战
(二、9)子宫内膜微生物群在胚胎着床和反复着床失败中的作用
(二、10)炎症和自身免疫性疾病对子宫内膜和生殖结局的影响
(二、11)内分泌干扰化学物在体外会干扰人原代子宫内膜间质细胞的蜕膜化过程
(二、12)内分泌干扰物对生殖系统的不利影响
(二、13)内分泌干扰物联合作用对人类生殖的生殖毒性
本文(二、14)微塑料暴露:对人类生育能力、怀孕和儿童健康的影响
以下待发
(二、15)子宫重塑中的免疫细胞:它们是内分泌干扰物的靶标吗
(二、16)天然内分泌干扰物对各种人类健康目标的毒理学效应快速综述
(二、17)内分泌干扰物与子宫内膜异位症
(二、18)在子宫内膜异位症的发病机理背景下,深入了解膳食植物雌激素干扰内分泌的潜在机制
(二、19)子宫内膜在植入中的作用:现代观点
(二、20)慢性子宫内膜炎免疫微环境的研究进展

(二、21)炎症反应对生殖的有害和有益影响:无菌和病原体相关炎症

(二、22)子宫内膜 microRNA 在反复植入失败中的作用

(二、23)胚胎移植中子宫内膜容受性阵列的全面综述:进展、应用和临床结果

(二、24)整倍体胚胎移植周期中子宫内膜容受性阵列的全面综述

(二、25)转化生长因子β超家族信号与子宫蜕膜化
(二、26)子宫内膜TGFβ信号通过重塑母胎界面促进早期妊娠发育

(二、27)TGF-β在妊娠和妊娠并发症中的作用

(二、28)子宫内膜蜕膜化和妊娠并发症中的自噬基因和信号通路

(二、29)当自噬遇到胎盘发育和妊娠并发症时
(二、30)子宫内膜源性着床失败有什么新发现
(二、31)复发性植入失败女性的先天性和适应性免疫失调

(二、32)子宫内膜源性着床失败有什么新发现

(二、33)焦亡在妊娠相关疾病发生发展中的作用

(二、34)母体对胎儿的同种异体识别

(二、35)母胎界面免疫:KIR/HLA (Allo)识别

(二、36)NK细胞与生殖:汇综
第三部分:三、子宫内膜异位症和腺肌症、肌瘤等相关免疫炎症、生殖破坏、妊娠失败等相关病理生理(第1~3篇链接如下,后续54篇发出)
(三、1)难以阻止的宫缩——孕激素抵抗与孕激素效应不足的相关机制(链接)
(三、2)炎症和免疫反应在子宫肌瘤发病机制中的作用:包括它们对生殖结局的负面影响(链接)
(三、3)子宫息肉、子宫腺肌病、平滑肌瘤和子宫内膜容受性(链接)
以下待发:
(三、4)子宫内膜细胞因子在有或无子宫内膜异位症患者中对不孕症的评估
(三、5)自然杀伤细胞数量和活性的变化及其与子宫内膜异位症的临床关系系统回顾和荟萃分析
(三、6)巨噬细胞在子宫内膜异位症女性异位子宫内膜中显示促炎表型,与该疾病的感染性病因相关
(三、7)子宫内膜巨噬细胞、子宫内膜异位症与微生物群:是时候揭开它们复杂关系的面纱了
(三、8)M1巨噬细胞是子宫内膜异位症细胞治疗的有效药物
(三、9)反复性流产的子宫内膜原因:子宫内膜异位症、子宫腺肌症和慢性子宫内膜炎
(三、10)子宫内膜异位症是否与全身亚临床炎症有关
(三、11)~54篇。
本文为第二部分第14篇

微塑料暴露:对人类生育、怀孕和儿童健康的影响Microplastics exposure:implications for human fertility,pregnancy and child health

这是发表在Review Front Endocrinol (Lausanne). 2024 Jan 4:14:1330396.的一篇综述文章。

我们日常环境中发现的塑料越来越成为个人和群体健康的担忧,这些污染物对许多人体器官系统的暴露程度和潜在毒性作用越来越明显。微塑料(MPs),即微小的塑料颗粒,似乎具有许多与其塑料前体相同的生物效应,并具有在不同器官中潜在累积的复合效应。最近,在人类胎盘中观察到微塑料积聚,提出了与这些污染物对怀孕和后代健康的生物影响有关的重要问题。考虑到健康和疾病的发展起源框架,这些问题尤其突出,该假说宫内微塑料暴露可以影响后代的终身健康。目前检索和分析汇总了这方面的国际学术进展状态,并强调了未来研究的重点和途径。

KEYWORDS:plastics pollution, microplastic, pregnancy, placenta, DOHAD

1、塑料污染

塑料是一种合成或半合成聚合物,是在19世纪工业革命之后开发出来的。由于其具有许多有用的特性,例如重量轻、可无限制地塑造、生产成本低、化学耐受性广以及易于制造和运输等,因此得到了广泛应用。它们在食品包装(如容器、塑料袋)、建筑产品(如管道、PVC护墙板)、电子产品和运输材料等方面得到了广泛应用。塑料的发展还为医学带来了革命性的变化,提供了救命的设备和无菌、一次性的器械和个人防护装备。然而,塑料的过度使用导致了“一次性文化”的出现,产生了大量难以降解的环境塑料污染。
塑料污染是指环境中合成塑料产品的累积,破坏了野生动物和人类的栖息地和健康。目前,一次性塑料制品的产量正在迅速上升,超出了我们处理其废弃物的能力,导致塑料污染成为最紧迫的环境问题之一。正如Hirt及其同事之前所评论的那样,2018年塑料垃圾达到了3.59亿公吨,估计每年有480万至1270万公吨的塑料垃圾进入海洋,占全球海洋和海洋塑料污染的80%。大型河流也会将塑料垃圾带入海洋,起到传播垃圾的作用,随着水流向下游,垃圾越来越多。当塑料垃圾被困在洋流中时,它可能会被运送到世界各地。
许多一次性塑料制品的功能寿命只有几分钟到几小时,但它们可能在环境中持续数百年。塑料降解是一个非常缓慢的过程,通过物理力、紫外线(UV)辐射、温度变化和环境生物降解,塑料聚合物会发生破碎和降解。产生的降解产物是较小的塑料碎片,被称为微塑料和纳米塑料。

2、微塑料和纳米塑料

微塑料(MPs)是由较大的塑料产品分解产生的。微塑料在我们的环境中无处不在,在海洋、河流、地下水、沉积物和土壤环境中大量存在,甚至存在于我们呼吸的空气中。目前使用的大多数塑料都具有很强的抗降解性。然而,它们容易受到机械和光化学过程的影响,从而分解成微米和纳米尺度的颗粒。纳米塑料(NPs)是大小在1纳米至1毫米之间的塑料颗粒。MPs和NPs具有相似的特性和生物学效应;然而,由于NPs的尺寸较小,它们具有更高的生物学移动性和生物可用性,这使得它们能够相对容易地通过生物膜。为了便于本综述的讨论,将使用“微纳米塑料(MNP)”这一术语来描述所有尺寸小于5毫米的塑料碎片,因此它既包括MPs也包括NPs。
MNPs还可以根据其聚合物组成和形状进一步进行分类。这些特性与它们所源自的塑料产品来源密切相关(图1)。塑料由多种聚合物组成,包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚氨酯(PU)。然而,聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯是三种最常见的聚合物,存在于无数的家用和个人护理产品、化妆品产品、牙膏和塑料食品容器中。MNPs的形状也各不相同,包括纤维、微珠、碎片、小球和聚苯乙烯。塑料污染的类型和来源已在其他文章进行了详细的讨论。
FIGURE 1

 图1 常见的微塑料和纳米塑料的形状、成分和潜在来源。PE、聚乙烯;PP,聚丙烯;PS,聚苯乙烯;PET,聚对苯二甲酸乙二醇酯;PVC、聚氯乙烯;PMMA,聚甲基丙烯酸甲酯。

值得注意的是MNPs不仅仅是纯塑料聚合物,它们还与多种有机分子和/或金属混合在一起。商业塑料中含有许多添加剂,它们可能会从塑料中渗入周围的环境或组织中,因为这些添加剂不是通过共价键与聚合物基质结合的。最近的一项审查估计,在塑料制造的各个阶段使用了超过10000种不同的化学物质,其中约有2400种被确定为监管关注的化学物质。此外,MNPs的疏水表面可以吸收环境污染物,特别是多环芳香烃。人们担心,存在于MNPs中的化学物质,或吸附在其表面的化学物质,可以进入人体并释放到各种组织床中。因此,MNPs充当了多种外源性化学物质的载体,这些化学物质可能绕过肠道和肝脏中的药物代谢酶等典型的生理防御机制,直接对周围的细胞/组织产生影响。众所周知,几种从塑料中渗出的化学物质已被证实可导致人类出现多种不良健康状况,包括对在子宫内暴露的胎儿。然而,专门研究微塑料和与其相关的多种化学物质的发育毒性的研究却很有限。

3、接触途径和不利的人类健康结果

人体接触MNPs有三种途径:吸入、摄入和皮肤接触(图2)。据估计,个体每年接触的MNP数量约为7.4万至12.1万个,其中摄入和吸入被认为是主要的接触途径。由于该估计未考虑NPs,因此总的MNP粒子暴露量很可能更高。值得注意的是,大多数MNPs可以穿过肺部、肠道和皮肤的生理屏障。这些转运机制尚未完全阐明,但已在其他文献进行了详细的综述(本文后一并译出该综述全文:塑料作为内分泌干扰物的化学成分:概述和评论)。
了解塑料对人类健康影响的前提是也熟悉相关环境内分泌干扰物对人类的影响。请参前文链接如下。
科学向善,专业向光,超凡脱俗,然而少数人性垢浊,污染破坏,渐进地狱,世间任何之毒均与无法与人性相比。
(二、11)内分泌干扰化学物在体外会干扰人原代子宫内膜间质细胞的蜕膜化过程
(二、12)内分泌干扰物对生殖系统的不利影响
(二、13)内分泌干扰物联合作用对人类生殖的生殖毒性

FIGURE 2

图2 微纳米塑料(MNPs)暴露及其对人类和哺乳动物生殖和发育影响的证据摘要。

在人类中,已经在多种生物样品中发现了MNPs,包括血液,尿液,痰,粪便,以及胎盘,母乳。此外,已经在包括肺,结肠和脾脏。

最近在人类胎盘组织中发现了微塑料和胎粪,表明直接接触胎儿,并引起对发育毒性和后代长期健康后果的关注。虽然MNPs污染和人类接触的范围在过去十年中变得非常明显,但相对较少的研究明确关注MNPs接触的生殖后果,特别是人类。这一领域的有限工作,特别是集中于MNPs暴露对哺乳动物生殖的影响,将在下文描述并在中总结(图2)。

4、MNPs暴露对哺乳动物生育力的影响

4.1、成年男性的生育力影响

有几种不良的生殖效应在雄性哺乳动物口服不同大小和持续时间的MNPs后被观察到。例如,雄性啮齿动物口服PS-MNPs会导致睾丸内的累积,并导致生精上皮细胞的破坏,伴有局部氧化应激和线粒体功能障碍的证据,以及睾丸中促炎性细胞因子的过度表达。同样,这种暴露还与血睾屏障的破坏有关,体外研究显示Sertoli细胞中存在氧化应激、内质网应激和紧密连接蛋白的折叠/降解。这些暴露显然有明显的功能后果,因为在啮齿动物模型中,MNPs暴露会导致精子数量和质量的减少,以及睾丸雄激素生产的减少和睾酮和促黄体生成素(LH)的循环水平的降低。研究表明,MNPs暴露可能对雄性哺乳动物的下丘脑-垂体-性腺内分泌信号通路、睾丸功能和精子质量产生重要影响(有关这一主题的综述请参见D'Angelo和Meccariello的文章)。值得注意的是,全球塑料产量的急剧上升与有据可查的人类精子产量的普遍下降相吻合,这一下降趋势自2000年以来似乎正在加速。

男性生育力、胎儿健康以及后代的长期健康都取决于精子发生过程中发生的表观遗传编程事件,这些事件可能会因接触各种睾丸毒性物质而被破坏。表观遗传修饰在调节基因表达和发育过程中发挥着关键作用,包括生殖细胞分化和精子产生。尽管目前尚未有研究考察塑料纳米粒子(MNPs)对哺乳动物精子表观遗传组的影响,但有强有力的证据表明,常见于MNPs中的添加剂(如邻苯二甲酸盐和双酚A)实际上会破坏这一关键的发育过程。在啮齿动物模型中,接触邻苯二甲酸盐和双酚A可以诱导生殖细胞DNA甲基化模式的变化、组蛋白修饰以及非编码RNA的表达。这些变化可能会扰乱关键的精子发生过程中的正常表观遗传编程,导致精子发育受阻、精子质量降低和生育能力受损。在人类群体中也观察到了类似的关联,多项研究表明,尿液中邻苯二甲酸盐和/或双酚A代谢物浓度与精子的差异性甲基化模式有关,通常是在与细胞生长和发育相关的基因的启动子区域,并与精子质量差和生育结果不佳相关。此外,邻苯二甲酸盐和双酚A对生殖细胞表观遗传标记的跨代和跨代效应已被观察到,这表明它们可能对后代产生长期影响。

4.2、成年女性的生育力影响

与研究男性生殖影响的许多研究一样,PS-MNPs是与哺乳动物雌性生殖毒性相关的最广泛研究的塑料颗粒之一。在大鼠和小鼠模型中,口服摄入PS-MNPs会导致这些颗粒在子宫组织内积累,并在各种卵巢部位,包括正在发育的卵泡内积累。这些暴露的啮齿动物的卵巢重量减少,细胞骨架蛋白的表达降低,并且显示出卵泡动态的改变,减少了正在发育和成熟的卵泡的数量,增加了萎缩和囊肿卵泡的数量。同时,观察到明显的生殖激素信号变化,循环中的雌二醇(E2)和抗缪勒管激素(AMH)浓度降低,黄体生成素(LH)、促卵泡激素(FSH)和睾酮浓度升高。暴露的啮齿动物显示出这种MNP暴露的生理/生育后果,出现了可测量的发情周期持续时间的变化、卵巢储备降低、胚胎植入率降低和后代数量减小。这种生殖功能障碍的机制被认为在很大程度上是由MNP引起的氧化应激所驱动的。暴露的啮齿动物的卵巢组织显示出氧化应激的标志物,如丙二醛(MDA),并出现了总抗氧化能力的扰乱和更多的细胞凋亡证据。同样,在体外暴露于PSMNP的人类颗粒细胞(COV4-34)也显示出更多的脂质过氧化证据,抗氧化系统中超氧化物歧化酶(SOD2)和谷胱甘肽(GSH)的蛋白质水平降低,细胞存活率降低。女性生殖器官中MNPs的积累和由此产生的氧化应激被认为会促进过多的成纤维细胞增殖和纤维化。此外,在这些暴露的组织中观察到了促炎信号。值得注意的是,到目前为止,很少有研究考察过MNP暴露对人类女性生殖组织的存在或毒性,这应是未来研究工作的重点。然而,最近在接受生育治疗的患者的卵泡液中发现了MNPs。这些样本中MNPs的平均浓度约为-120 MNP/,最常见的聚合物为PVC、PE、PS、PP和PU,并与几种常见的塑料相关颗粒共同存在,包括常见的颜料、溶质和填料。重要的是,作者在体外培养时发现,当暴露于与这些相同的MNPs时,牛卵母细胞的成熟受到损害,其浓度与测量的浓度相似。此外,这些暴露的卵母细胞显示出显著的蛋白质组学改变,涉及卵母细胞功能、氧化应激和DNA损伤的蛋白质水平存在差异。到目前为止,还没有研究考察MNPs对任何哺乳动物卵子表观遗传组的影响。因此,可以肯定的是,这些塑料颗粒对卵子健康和后代健康有额外的不良影响,部分是由于卵子表观遗传印记的改变。综合来看,在多种哺乳动物物种中收集到的这些研究结果提供了令人信服的证据,证明MNPs对女性生殖健康和生育能力具有毒性影响。

5、妊娠期MNP暴露

5.1、在胎盘中积聚、转移和不利影响的证据

越来越多的证据表明MNPs会积聚在胎盘内并影响其正常功能。胎盘是孕期的关键器官,负责所有母体-胎儿交换。2020年首次报道了在用PS-MNPs处理的大鼠胎盘组织中发现MNP积聚,此后在小鼠中进行了许多研究,观察到了结构和功能上的后果。暴露于MNPs的雌性大鼠(MNP大小为100纳米至10毫米)的胎盘较小,胎盘内分泌功能区中含糖原的细胞数量减少,胎儿-胎盘血管发育不良(。子宫螺旋动脉的重塑也受到损害,这可能是子宫和胎盘免疫细胞失衡的结果(例如,子宫自然杀伤细胞数量减少,巨噬细胞比例改变)。此外,对MNPs暴露的胎盘的转录组和代谢分析表明,氨基酸、葡萄糖和胆固醇代谢以及补体/凝血级联途径受到干扰。

最近,在健康分娩的孕妇的胎盘组织中观察到了MNP的累积。无论是阴道分娩还是剖腹产,MNP的数量在患者之间各不相同,范围从0.28-9.55 粒子/克组织,最常见的聚合物为PE、PS、PA、PU和PVC。粗略观察发现,MNPs存在于胎盘的胎儿和母体部分,以及绒毛膜羊膜。更详细的调查发现,MNP存在于胎盘的合体滋养层细胞内,既分散在细胞质中,又被封装在位于细胞膜下面的结构(如胞质泡、脂质滴、囊泡、溶酶体、过氧化物体)中,以及绒毛膜绒毛结构中的周细胞和胎儿血管内皮细胞中。

虽然在人体中进行体内功能研究存在伦理和后勤方面的挑战,但在不同人胎盘细胞系中进行的体外研究表明,人类胎盘MNP的摄取和功能改变存在明显的潜力。利用永生化的HTR-8/sVneo绒毛膜外滋养层细胞系,PS-MNPs暴露导致MNP在细胞质中积累,并引起活性氧物种(ROS)的产生增加,促炎性细胞因子(如TNF-a和IFNg)的产生增加,细胞周期停滞,最终导致细胞存活率降低。这些细胞还显示出基因表达谱的改变,增加了调节白细胞分化、细胞周期、凋亡过程和细胞黏附所需的基因的表达。功能上,这些暴露于MNP的细胞表现出运动能力受损和侵袭能力下降,这意味着MNP暴露可能对所需的稳固母胎循环建立的侵袭性植入过程产生负面影响,以支持足够的胎儿发育。还对BeWo和JEG-3细胞进行了研究——这两种细胞系代表着绒毛膜滋养层和合体滋养层细胞系,直接促进母体-胎儿交换。

一系列体外、动物和人体离体研究表明,MNPs在胎盘细胞中的吸收随着其尺寸减小和浓度增大(10^6至10^11)而增强。对孕期暴露于不同大小(20至500纳米)的PS-NPs的母鼠和母鼠的研究发现,这些粒子存在于胎儿的肝脏、心脏、大脑、肺和肾脏中。有趣的是,使用PE-MPs(10至45微米)进行类似暴露时,MP仅在胎儿肾脏中积累。在人类中,MNPs已被发现存在于胎儿胎粪和羊水中,并且使用体外人胎盘灌注模型,描述了MNPs在母体和胎儿循环之间的尺寸依赖性转移。这些暴露的胎盘组织还显示出与炎症和铁稳态相关的基因和蛋白质表达失调。这些数据综合起来表明,胎盘会积累和转运MNPs进入胎儿体内,这引发了人们对于孕期母体接触MNP可能导致后代产生短期和长期不良健康后果的担忧。

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5.2、怀孕期间接触MNPs及其对后代的影响

鉴于胎盘健康和功能对胎儿发育至关重要,因此孕妇在孕期接触MNPs与胎儿生长模式改变有关并不令人意外。利用孕期暴露于PS-MNPs(磷酸盐-金属纳米粒子)的小鼠模型进行了相关研究。这些研究涉及的纳米粒子大小从90纳米到5毫米不等,在妊娠后半期(E15.5-E17)显示出明显的胎儿生长受限,平均胎儿体重比未暴露胎儿小12%至15%。胎儿-胎盘重量比也降低,这一发现与胎儿生长受限一致,表明营养物质转运能力不足以支持胎儿体重增长。这些作者还观察到,暴露于MNP的胎儿脐带长度较短,这一发现在小鼠缺氧诱导的胎儿生长受限模型中被描述,并在人类先天性生长受限(IUGR)和胎儿窘迫病例中被发现。大多数研究报告称,母亲的MNPs暴露对总窝产仔数没有影响,但在小鼠和鸡胚胎模型系统中,有报道称胚胎致死性和吸收,后者归因于明显的胚胎畸形和发育延迟。
MNPs诱导的胎儿生长受限进一步扩展到出生体重和新生儿体重减少的观察在大鼠和小鼠模型中,孕期暴露于PS-MNPs(70-100纳米)会降低新生仔鼠体重,在某些情况下以性别依赖的方式。具体来说,有两份研究报告仅对雌性后代的体重减少。有趣的是,在暴露的雌性胎儿中观察到了类似的11b-羟类固醇脱氢酶(Hsd11b1)表达降低。由于胎盘HSD11B1酶是子宫内胎儿皮质醇暴露的关键调节因子,作者推测,可能存在失调的糖皮质激素信号,这在一定程度上可以解释观察到的性别特异性新生儿体重差异。令人好奇的是,有一份报告称在孕期PE-MNP暴露的小鼠模型中,新生仔鼠性别比例发生改变,偏向于雄性后代,同时活产率降低。然而,在这一模型中,出生6小时后,雄性和雌性仔鼠的体重同样减少。在人类群体中,关于母体MNP暴露对胎儿生长和后代出生体重的影响知之甚少。然而,Jeong及其同事进行了一项研究,首次报告了在 IUGR 妊娠中,胎盘 MNP 积累与出生体重呈负相关(r = - 0.82,p < 0.001)。观察到类似的关系还包括新生儿出生时的身长、头围和1分钟APGAR评分。在13例 IUGR 病例中均检测到MNPs,每份样本可检测到多达38种不同的MNPs。PE 和PS是最丰富的聚合物,MNPs的大小从2.9毫米到34.5毫米不等。尽管这项研究的样本量较小,并且存在一些方法学问题(例如:每例检查了多少胎盘组织?),但它确实提出了有关宫内MNP暴露对胎儿生长和发育影响的担忧,值得进一步研究。
进一步的调查显示,越来越多的证据表明,子宫内暴露于微塑料不仅会对胎儿和新生儿的体重产生不良影响,还会损害胎儿的器官发育。例如,从子宫内暴露于PS-MNP的胎鼠中收集的骨骼肌组织,显示出明显的发育不良,涉及肌肉组织发育、脂质代谢和皮肤形成等相关基因的表达失调。在产后(第14天),子宫内和哺乳期暴露于MNP的幼鼠,海马区内增殖细胞数量显著减少,神经干细胞数量减少,表明存在异常的脑发育。这些后代以性别特异性的方式表现出神经生理和认知缺陷。使用鸡胚模型收集的数据同样表明,子宫内MNP暴露会对神经系统发育产生不利影响,包括观察到神经管缺陷。无论是小鼠模型还是鸡模型的产后观察都表明,孕期MNP暴露会对发育中的肝脏、脾脏和心脏的大小和组织结构产生不利影响,并有证据表明存在氧化应激和免疫细胞浸润紊乱。值得注意的是,一些研究发现,暴露于孕期环境MNP的胎儿/新生儿的身体和器官重量会持续到成年,强调了在怀孕期间暴露于环境MNP的后代可能出现不良的短期和长期健康后果。
值得注意的是,并非所有迄今收集到的数据都显示孕期MNP暴露会导致胎儿、出生或新生儿器官重量降低。相反,其他研究小组发现,在分娩后一周内,MNP暴露不会导致小鼠幼崽体重降低,甚至体重增加。观察到的这些差异很可能是由研究中广泛使用的MNP暴露协议和实验方法造成的。许多研究使用了PS-MNPs,通常是在纳米粒径范围(25-900纳米)内进行的,然而也有一些使用了较大的PS-或PE-MNPs(1-45毫米),这些可能不会显示出相似的生物利用度和/或跨胎盘转运模式。母体MNP暴露的时间也有所不同,有些从交配前80天开始暴露,而另一些则持续暴露至断奶时。事实上,郑等人在孕期第14天时未观察到胎儿体重的变化,但在产后7天时观察到了幼崽体重的增加——他们将这一发现归因于通过母乳的产后MNP暴露(124)。此外,给药途径(口服、吸入或注射)的不同,以及剂量报告实践的差异,使得从各种MNP暴露模型中直接比较妊娠结局数据的解读成为一项挑战。
患有IUGR的婴儿,特别是那些在生命早期经历快速生长(即“追赶式”生长)的婴儿,更容易受到长期影响,包括身材矮小、心血管疾病、高血压、二型糖尿病、代谢综合征和胰岛素抵抗。研究调查了接触MNPs对代谢和神经发育的影响。母体接触PS-NPs会对分娩后幼崽的代谢功能产生不利影响。研究观察到,母体暴露于PS-MPs(0.5-5 μm)会对胎儿产生长期的代谢不良后果,包括血脂异常、肝脏生理变化和雌性后代脂肪肝。证据表明暴露于MNPs在子宫内导致暴露于该物质的幼仔在以后的生活中出现长期代谢结果,并产生一些性别特异性影响。然而,研究中使用的MNPs是人工制造的,可能不含商业塑料产品中的任何化学添加剂。据报道,后面这些化学物质中的一些促进了跨代成人发病疾病的风险。研究发现,将孕期的小鼠和大鼠暴露于双酚A(BPA)、邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)后,观察到F1和F2代出现肥胖、性成熟异常、睾丸和卵巢疾病等现象,但在F3代中观察到更为显著的影响,影响了未来世代的生育和繁殖能力。这些观察结果强调了塑料化学物质可通过直接和间接的方式对后代造成编程效应,并可能与其他微塑料(包括化学物质)共同造成额外的影响。
此外在母鼠和子代一生中(从断奶到成年)暴露于PE(10-20mm),观察到子代在断奶后和成年后表现出自闭症样特征,包括重复和强迫行为。此外,将孕期小鼠暴露于PS-MNPs会导致胎儿下丘脑中NPs的积累,八周大的后代观察到焦虑样行为。尽管报道有限,但这些观察结果表明,早期暴露于MNPs可导致子代在生命后期出现长期神经生物学障碍。子宫内和早期生命中的微塑料暴露显示出对后代的短期影响,但对长期影响的研究有限;因此,需要进行更多的研究以确定长期的胎儿编程。此外,还需要对更多种类的MNPs[例如聚合物类型、形状、风化程度/UV(紫外线)影响程度等]的影响进行研究,因为大多数研究只研究了PS-MNPs的影响。

6、在知识和高度优先研究领域仍然存在差距

目前有关MNPs的生殖和发育影响的证据虽然主要局限于单一类型MNP(PS微球)的研究,但提示可能存在显著影响。然而,由于对MNP暴露的认识存在重大知识缺口,因此无法全面评估当前的MNP暴露是否导致人类显著的不育或疾病。虽然人类显然普遍暴露于各种可能渗透胎儿组织的MNP,但当前测量MNP在各种基质(食物、灰尘、组织等)中的含量的方法存在局限性,使得对这些暴露量的估计不准确,尤其是小于1毫米的粒子。

此外,很少有足够数量的充分表征的、均匀的微塑料制品来研究对生殖的潜在危害。因此,大多数已发表的毒性研究检查了标准化聚苯乙烯微米或纳米尺寸塑料(PS-MNP)的影响。这与环境中的MNP污染中发现的微塑料形状、尺寸、聚合物基质及其相关化学成分的多样性形成了鲜明对比。MNPs的大小、形状和化学成分各不相同,有些种类可能比其他种类更有害,颗粒和化学物质的综合作用可能比单独的聚合物颗粒造成更大的损害。此外,对啮齿动物的研究倾向于使用每公斤体重数十万个粒子的暴露率,据估计,这比人类或动物的真实暴露率要高得多。应检查更能真实反映真实世界暴露的较低暴露率的MNPs,以更好地评估其真实危害。此外,研究应考虑测试的MNPs中存在的化学添加剂,因为这些添加剂可能会通过生理防御机制被带到脆弱的组织,从而导致毒性。这些变量可能影响毒性的程度仍然未知,需要进行研究来评估不同类型的聚合物和添加剂的潜在健康影响。

7、结论

大量证据表明,MNP粒子污染了人类的组织,包括子宫内的组织。不太清楚的是,这些暴露中有多少来自纳米塑料,以及这些暴露在多大程度上影响生育能力、胎儿发育和随后的后代健康。动物研究揭示了MNP暴露的短期影响,但很少有人研究长期的、跨代的影响,或者这些影响是否会以较低的、与环境相关的暴露率发生。未来的工作需要进一步调查暴露于环境相关的MNPs的个体的长期结果在子宫内。此外,表征人类MNP暴露的方法——特别是纳米塑料——必须得到改进,以便临床和流行病学研究可以开始评估现实世界对人类的影响。这也将有助于确定自然人流动暴露的来源,并制定缓解战略以限制风险。此外,对暴露于MNPs的更准确评估——定量和定性评估——将提高推断其他毒性模型预测的危害的能力。根据塑料进入废物流的速度,人类塑料暴露将继续快速增长。要了解MNPs对后代健康的威胁程度,需要大量的研究工作。

参考文献(略)。

塑料作为内分泌干扰物的化学成分:概述和评论

Birth Defects Res. 2020 Oct;112(17):1300-1307.

摘要:双酚 A 和邻苯二甲酸酯在塑料材料制造中用作添加剂,但它们会随着年龄的增长和高温而浸出,导致它们成为生态系统中无处不在的污染物,包括人体组织内。近年来,这些化合物已被证明具有内分泌干扰特性,能够干扰许多激素的作用并导致人类健康问题。据报道,大部分破坏性活动与雌激素、雄激素和甲状腺激素的作用有关,并且人们担心对女性和男性生殖健康、甲状腺功能、代谢改变、大脑发育/功能、免疫反应和激素敏感组织中癌症的发展产生不良后果。贯穿始终的一个反复出现的主题似乎是,在子宫内和出生后早期存在易感性暴露的窗口,这可能会导致以后的生活中生病,而无需进一步暴露。本综述强调了历史背景下的关键问题,并提出了有关许多数据差距的问题。

1、引言

内分泌干扰物被定义为“由于内分泌功能的变化而对完整生物体和/或其后代造成不良健康影响的外源性物质”。
多细胞生物的正常生长、发育和维持取决于功能性内分泌系统。然而,近年来,许多环境化学品,包括在塑料材料制造中用作添加剂的双酚 A (BPA) 和邻苯二甲酸酯,已被证明具有干扰激素作用的能力。这种内分泌干扰化学物质 (EDCs) 可能通过改变内分泌腺中的激素合成、改变激素的运输/代谢/排泄,或与生理激素竞争与靶细胞中的受体结合,从而不恰当地模仿或拮抗激素作用(图 1)。据报道,BPA 和邻苯二甲酸酯的大部分破坏性活动与雌激素、雄激素和甲状腺激素的作用有关,并且引起了人们对人类健康的不良后果的关注,从女性和男性的生殖健康,到甲状腺功能,到糖尿病、心血管疾病和肥胖症的代谢改变,再到大脑发育/功能受损和免疫反应受损, 和激素敏感组织中的癌症(图 2)。EDCs 暴露的易感性窗口似乎在子宫内和出生后早期最为明显,这种暴露的后果通常要到成年后期才显现出来,有时甚至会传到后代

图 1 内分泌干扰化学物质 (EDCs) 可能干扰激素作用的机制。EDCs,如双酚 A (BPA) 和邻苯二甲酸盐,可能会干扰内分泌腺中激素 (H) 的合成、激素在血液中的运输以及靶组织的激素作用。它们还可能改变激素的代谢和排泄

图 2 暴露于内分泌干扰化学物质(EDCs)如双酚A和邻苯二甲酸盐。
塑料是作为有机聚合物与添加剂混合物混合制成的,以提供目标特性,例如韧性、柔韧性和颜色。它们的多功能性、耐用性和重量轻,因此被广泛用作建筑材料、包装应用以及家用和医疗产品。BPA 因其交联特性而用作聚碳酸酯塑料和环氧树脂的添加剂,以硬化产品以用作食品储存容器和水瓶。邻苯二甲酸酯是邻苯二甲酸酯,用作增塑剂以降低脆性和增加柔韧性,尤其是在聚氯乙烯 (PVC) 塑料中,但也被添加到许多其他消费品中,包括粘合剂、油漆、空气清新剂产品和个人护理产品。早期实验报告称,BPA在加热时可以从塑料材料中渗出。使得人们对这些广泛使用的添加剂能够随着热量和年龄的增长从塑料材料中渗出的能力有了更普遍的理解,成为生态系统中无处不在的污染物,包括人体组织。

2、BPA 内分泌干扰特性的证据

BPA的合成在1891年首次被描述,其雌激素特性在1930年代被报道。在 1930 年代,人们因其药用特性而寻求具有雌激素特性的化学物质,但更强效的雌激素如己烯雌酚 (DES),而不是较弱的化合物如 BPA。DES的处方预防流产一直使用到1971年,并且在报告称怀孕期间服用该药物的母亲的女儿患上罕见的阴道癌后停止使用。在接下来的几十年里,进一步的研究揭示了儿子和女儿在子宫内暴露于这种强效雌激素后会出现许多生殖异常和癌症,并作为对子宫内暴露于内分泌干扰剂的发育后果的警告
BPA从未被用作药物,而是在环氧树脂和聚碳酸酯塑料的制造中找到了方式,使其成为一种大批量生产的化学品,其广泛分布包括在人体组织和尿液中。它模拟生理性雌激素的能力来源于其酚类基团(图3),现在已知酚类基团决定了与雌激素受体的结合。在体外,它已被证明与雌激素受体 ERα 和 ERβ 结合,刺激雌激素依赖性基因表达并增加雌激素反应细胞的增殖,但它也可以通过膜雌激素受体(包括 G 蛋白偶联受体 GPR30)和非基因组机制发挥作用。它还被证明能够增加芳香酶的表达,芳香酶是将雄激素转化为雌激素所必需的关键酶。除了其雌激素活性外,它还可以与雄激素受体结合并产生抗雄激素反应。BPA 还可以与甲状腺激素受体结合并干扰甲状腺功能。此外,BPA 还可以结合并干扰过氧化物酶体增殖物激活受体 (PPAR) 的作用 。动物模型已证明对雄性和雌性生殖功能有不利影响。流行病学研究表明,人类接触 BPA 与多种不良内分泌后果之间存在联系,不仅包括男性和女性生殖功能,还包括甲状腺激素、免疫功能的改变、葡萄糖稳态破坏(糖尿病)、心血管疾病和肥胖。接触BPA也与激素敏感癌症的发展有关,尤其是乳腺癌。动物模型显示,在子宫内乳腺发育的关键窗口期接触BPA可以改变乳腺生物学,并增加以后生活中后续患乳腺癌的风险

图 3 双酚和邻苯二甲酸酯的化学结构与生理雌激素 17β-雌二醇和合成雌激素己烯雌醇的化学结构。
由于 BPA 的内分泌干扰特性,人们投入了大量精力开发双酚 F (BPF) 和双酚 S (BPS) 等类似物(图 3),希望能找到没有不良活性的替代品。然而,体内和体外的模型都表明,这些类似物仍然可以与雌激素受体结合,并在基因表达上产生雌激素反应,尽管在分子水平上存在一些详细的作用机制存在差异

3、邻苯二甲酸酯内分泌干扰特性的证据

邻苯二甲酸酯是邻苯二甲酸酯,由烷基和芳基酯基团的多种组合衍生而来的一大类化合物组成,可产生从低分子量到高分子量的化合物(图 3)。因此,与单一化合物 BPA 不同,邻苯二甲酸盐的内分泌干扰特性更为复杂,不同的化合物具有不同的效力和效果。邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯 (DEHP) 由于成本低廉,是 PVC 中使用的主要增塑剂。邻苯二甲酸丁苄酯 (BBP) 用于制造用于地板材料的发泡 PVC。邻苯二甲酸二乙酯 (DEP) 被添加到许多个人护理产品中以稳定香味。许多邻苯二甲酸酯被广泛使用,以至于它们现在被经合组织 (2004) 单独列为高产量化学品。早期的体外研究表明,几种邻苯二甲酸酯可以与雌激素受体结合,刺激雌激素依赖性基因表达并增加雌激素反应细胞的生长。然而,一些邻苯二甲酸酯也会干扰 PPAR 的作用,PPAR 在调节脂质稳态中充当脂质传感器。几种EDCs已被证明可以通过干扰PPARγ作用来改变脂肪生成。尽管许多邻苯二甲酸酯通过PPARα的反应比PPARγ更大,邻苯二甲酸酯是PPARγ的有效激活物和BBP已被证明可以促进3T3-L1前脂肪细胞的脂肪生成。许多体内模型已经证明,子宫内接触邻苯二甲酸盐对雄性啮齿动物的生殖发育产生负面影响,这与人类的睾丸发育不良综合征有着惊人的相似之处,这表明邻苯二甲酸盐暴露可能会对男性生殖健康产生不利影响。

4、人类接触 BPA 和邻苯二甲酸盐的 来源

由于 BPA 和邻苯二甲酸盐是普遍存在的环境污染物,因此人类接触 BPA 和邻苯二甲酸盐可能是由吸入、摄入和皮肤吸收引起的。在空气中,BPA 现在是一种无处不在的污染物,尽管世界不同地区存在很大差异,从印度城市的最高水平(200-17,400 pg/m^3),但即使在极地地区 (1–17 pg/m^3 )也能检测到。据报道,空气中BPA的水平与1,3,5-三苯苯之间存在相关性,1,3,5-三苯苯是塑料燃烧的示踪剂,表明大气中BPA的来源可能是塑料材料的燃烧。BPA 从塑料包装中浸出后也广泛存在于食品中,并且在饮用水中的含量很低
邻苯二甲酸酯在空气中无处不在,尤其是在室内环境中,在美国里士满地区的一项研究中,测量出 100% 的家庭都存在邻苯二甲酸酯。比起在室内灰尘中更普遍的较重、挥发性较低的邻苯二甲酸酯如DEHP和BBP),挥发性较强的邻苯二甲酸酯(DMP)、DEP和二丁二醇酯(DBP)在空气中的浓度更高。较高的环境温度与较高的空气邻苯二甲酸盐浓度有关,而PVC地板的存在与房屋尘埃中DEHP和BBP的较高水平有关。饮食通常被认为是主要的暴露途径。然而,个人护理产品的局部应用对邻苯二甲酸酯的皮肤吸收也已得到证明。在几乎所有人类尿液样本中都检测到邻苯二甲酸酯代谢物,表明该人群广泛暴露。DEP主要代谢物的尿液浓度与个人护理产品的使用呈正相关,反映了DEP作为香味的固定剂的使用

5、对人类健康的担忧和早年接触的影响

长期以来,接触 EDCs(包括 BPA 和邻苯二甲酸盐)一直是与人类健康相关的问题(图 2)。据报道,在 1920 年至 1940 年代,食用植物性植物雌激素后农场动物缺乏生育能力,这警告了暴露于强效雌激素化合物可能对人类生殖健康造成后果,许多关于野生动物在暴露于具有内分泌干扰特性的污染化学物质后生殖失败的报道也是如此。然而,正是在怀孕期间给女性开DES的许多长期副作用,使得对人类和动物都有特别后果的证据。在1990年代中期发现的胎儿发育与成人疾病之间的联系带来了一种新的概念,即成人疾病可能起源于胎儿,DES的这一发展遗产表明,在子宫内接触不良的内分泌物质可能会对成年生活产生长期影响。尽管内分泌干扰剂与广泛的人类健康问题有关,但贯穿始终的一个反复出现的主题似乎是,在子宫内和出生后早期存在易感性窗口,这可能预示着在以后的生活中出现疾病,而无需进一步的化学暴露。
子宫内接触某些邻苯二甲酸酯的影响以及对男性生殖健康的后果一直是长期研究的问题,无论是使用动物模型还是人类流行病学方法。尽管动物模型揭示了明显的联系,但人类流行病学研究更加复杂。流行病学研究的这种差异可能反映了研究混合物效应复杂性的环境现实,不仅是不同酯本身的混合物,还包括涉及其他 EDC 的混合物
鼠实验表明,在胎儿期或产后早期的敏感期内暴露于BPA会导致乳腺组织结构改变,并增加乳腺癌的风险。对乳腺芽的剂量反应研究表明,在低浓度下刺激的导管和芽的生长在高浓度下被抑制。这反映了许多EDCs的非线性作用,并凸显了BPA在低剂量下以不同于高剂量的方式在早期生命中发挥作用的能力,并在低剂量下产生不利影响而不是高剂量。在关于乳腺生物学的人类流行病学研究中,已报告在绝经后女性中,血清BPA水平与乳腺X线密度呈正相关,这是乳腺癌风险的预测标志
一些 EDC,现在称为肥胖原,可以干扰能量代谢的内分泌调节和脂肪组织结构的发育,尤其是在生命早期,从而导致成年后体重增加和肥胖。动物模型显示,早期暴露于BPA或BPS可能使动物易患体重增加,而在啮齿动物中的跨代研究进一步报告了在暴露于BPA和一些邻苯二甲酸盐(DEHP和DBP)后,可遗传特征会向肥胖转移。体外模型表明,BPA和邻苯二甲酸酯代谢物可以促进 3T3L1 前脂肪细胞的脂肪生成。流行病学研究报告称,早年接触 BPA 与儿童体重增加有关,并注意到尿液中邻苯二甲酸酯代谢物的浓度与腰围增加之间存在关联。还发现 BPA 水平与成年人瘦素和生长素释放肽的循环水平相关,瘦素和生长素释放肽是脂肪组织分泌的调节饥饿的激素。这表明 BPA 也可能干扰荷尔蒙对饥饿和饱腹感的控制,并且有报告称暴露于 1 nM BPA 3 周后 3T3L1 脂肪细胞模型中瘦素 mRNA 的产生增加
其他研究也表明,早期接触EDCs(包括塑料添加剂 plastics additives)会改变大脑和免疫系统的发育。孕妇接触双酚A和邻苯二甲酸盐与儿童的不良认知和行为后果有关。早期接触环境内分泌干扰物也被报道会抑制炎症过程,导致对细菌、病毒、真菌和癌细胞的免疫反应不足。在一项大鼠模型中,怀孕动物接触双酚A会调节其后代对A型流感病毒的固有免疫反应。因此,在全球COVID-19大流行期间撰写文章时,可能也需要提出这样的问题:接触BPA和邻苯二甲酸盐等环境内分泌干扰物是否损害了免疫系统,从而也影响了对SARS-CoV-2(COVID-19)冠状病毒的易感性?以及先前不同的内分泌干扰物(EDC)暴露是否可能导致个体人症状和结果的严重程度存在差异。

6、最后的评论和数据差距

塑料现在在我们的室内和室外环境中无处不在,当这些化学物质会干扰荷尔蒙系统时,化学添加剂随着年龄的增长和热量而浸出的能力是一个特别的问题,荷尔蒙系统对人体的调节至关重要。当然,就像所有事物一样,我们的身体可以容忍少量的此类污染物,但随着使用量的增加和暴露量的增加,问题就会出现。此外,多种污染物化学物质通过类似机制起作用的能力使情况变得更加复杂,从而使 BPA 和邻苯二甲酸盐能够长期暴露于低剂量许多 EDC 的混合物中导致更大的内分泌干扰。一种解决方案肯定是用其他缺乏内分泌干扰特性的化合物代替 BPA 和邻苯二甲酸酯,但到目前为止,寻找替代品的努力并不容易,正如发现的其他双酚替代品的不良特性所说明的那样。随着我们对塑料材料的依赖程度越来越高,在教育消费者如何避免或减少日常接触塑料方面,需要做很多工作。
尽管在过去几十年中已经对暴露于 EDCs (如 BPA 和邻苯二甲酸酯)的潜在后果了解很多,但需要更明确的研究来更清楚地说明特定关联,尤其是在混合物的评估中。现在,不良反应似乎不太可能来自单一来源甚至单一化学品,而是来自具有添加剂、重叠或互补作用机制的化学品的长期低剂量混合物。考虑到这一点,继续评估 BPA 和邻苯二甲酸盐暴露对人类健康问题的影响并确定个体易感性的潜在机制就显得尤为必要。

参考文献(略)。

水生环境中的微塑料:支持或反对不利影响的证据和主要知识差距

Environmental Toxicology and Chemistry 环境毒理化学 2018;37:2776–2796

摘要:科学界和公众对自然环境中存在的微塑料越来越关注。此文介绍了对文献的系统评价结果,以评估微塑料对环境造成危害的证据权重。我们得出结论,微塑料确实存在于地表水和沉积物中。碎片和纤维占主导地位,微粒仅占检测到的微塑料类型的一小部分。检测到的浓度比报告影响生物体生化、摄食、繁殖、生长、组织炎症和死亡率等终点的浓度低几个数量级。微塑料作为疏水性有机化合物在生物体内积累的载体的证据也很薄弱。因此,现有数据表明,这些材料不会对环境造成危害。然而,实验室测试中使用的微塑料的颗粒类型、大小范围和浓度与环境中测量的微塑料之间存在不匹配。选定的环境隔间也受到了有限的关注。迫切需要通过进行高质量和更全面的监测研究以及更符合环境现实效果的研究来解决这种不匹配。只有这样,我们才能全面描述微塑料对环境的风险,以支持引入监管控制措施,从而对环境质量产生真正的积极影响。

引言

在过去的十年中,科学、公众和监管部门对环境中微塑料的发生和影响越来越感兴趣,微塑料被定义为 <5 毫米大小的塑料颗粒(,由多种来源产生,包括化妆品、使用过程中较大物品的磨损(如轮胎碎片), 以及较大塑料物品的碎片化。2010 年只有不到 10 篇同行评审文章包含“微塑料”一词,尽管这一数字在 2017 年上升到约 306 篇。除此之外,围绕微塑料的使用和排放也取得了重大的政策和监管发展,例如, 在美国,有《2015年无塑料微球水法案》和《2017年环境保护(塑料微球;英格兰)条例》 2017 年发布,该法规宣布禁止在所有水洗型化妆品中使用塑料微珠。[塑料微球Microbead(由聚乙烯或聚丙烯制成,常用于个人护理产品中)]

越来越多的证据表明微塑料存在于环境中,被吸收到生物体中,以及许多研究认为这些材料对海洋生物产生不利影响并且可能对人类健康构成风险。然而,各种研究人员对一些研究的质量表示担忧,并且很少努力将关于微塑料的环境发生和影响的不同研究结果置于风险背景下。

因此,我们提出了对已发表文献的系统评价的结果,以试图回答以下问题:关于环境中微塑料的发生和影响的现有数据是否表明这些材料正在造成危害?在回答这个问题时,我们探讨了更广泛的社区关于环境中微塑料所提出的一些断言的证据基础,包括“废水处理过程无法去除微塑料”、“微塑料存在于水和沉积物中”、“微塑料被生物体吸收”、“微塑料可以作为持久性有机污染物进入生物体并通过食物链的载体,“和”微塑料正在对环境中的生物产生不利影响”。我们还确定了需要解决的主要知识差距,以确定微塑料对环境的影响程度。我们希望分析结果将有助于将未来的研究工作重点放在微塑料对环境的影响上。

方法(从略

对截至 2017 年底发表的论文进行了系统评价,这些论文由搜索引擎 Scopus 和 Web of Science 确定。使用了搜索词“微塑料”和“环境”,并确定了 320 篇同行评审的研究文章。当引用的文献产生相关的同行评审文章和政府机构发布的适用报告时,进行进一步的靶向搜索,以免这些文章被搜索引擎遗漏了。

环境中微塑料的来源和发生

在本综述中,我们使用了海洋环境保护科学方面联合专家组(2015 年)描述的“塑料”定义,该定义将塑料定义为一种合成的水不溶性聚合物,通常来自石化,可以在加热时模塑并操纵成各种形状,以便在使用过程中保持。这包括热塑性塑料,如聚乙烯和聚丙烯,以及热固性塑料(即连续加热后不能再成型),例如聚氨酯泡沫和环氧树脂(海洋环境保护科学方面联合专家组,2015 年)。微塑料是任何尺寸为 ≤5 毫米的固体塑料颗粒。关于微塑料范围的上限 (5 mm) 的一致性在文献中是一致的;然而,不同的作者提出了不同的下限。这通常与颗粒采样尺寸限制或分析检测限。例如,海洋环境保护科学方面联合专家组(2015 年)将微塑料尺寸范围的下限设置为 1 纳米,而 Lassen 等将范围的下限限制为 1 微米。塑料微粒尺寸范围的标准化将是有用的,就颗粒大小的子分类达成一致也是有用的。例如,随着颗粒变得更小,尤其是在纳米尺寸范围内,预计它们的行为会与较大的颗粒不同,这可能会影响环境运输或命运,并可能增加对暴露生物体产生不利影响的可能性。

在环境中,微塑料根据其来源分为初级或次级。初级微塑料有意用于 ≤5 毫米尺寸范围内,包括用于磨砂和洗发水的化妆品珠、用于喷砂和预生产树脂颗粒的颗粒。次生微塑料是较大的塑料材料的碎片,通过使用(例如,从洗涤衣物或纺织品中释放纤维)、废物管理或自然环境中较大的塑料碎片(例如,塑料袋或瓶子)。

人们对这些微塑料源对环境的排放率知之甚少,对该领域当前知识的详细分析超出了本综述的范围。简而言之,迄今为止的重点一直是原生微塑料。这可能是因为使用量/销售量乘以微塑料含量可以粗略估计的微塑料的排放量,预计这些微塑料将通过废水处理厂。对次生微塑料的形成速度知之甚少,因为这受多种因素的共同影响,例如聚合物类型和环境暴露条件。生物活动可以帮助碎片化,例如微生物降解或动物活动,尽管光降解也会根据周围环境(例如温度、水深)以可变速率碎片化塑料颗粒,并且机械风化也是可能的。人们对这些因素如何共同作用知之甚少,这使得次生微塑料的暴露评估变得困难。相比之下,化妆品中的微塑料受到了更多关注。Sundt 等试图对挪威的所有初级和次级微塑料排放进行详细评估,并得出结论,轮胎粉尘预计将是波罗的海微塑料浓度的最大贡献者,而消费品预计贡献最小。丹麦的微塑料排放估算也得出了类似的结论:预计向水生环境排放的微塑料总量的 0.9% 是初级微塑料(0.1% 的化妆品),而轮胎粉尘预计将占水生环境微塑料排放总量的 60%。Eunomia (2016) 也得出了类似的结论,其中向海洋环境排放的陆地微塑料以轮胎粉尘为主。Eunomia还报告了内陆、沿海和海上活动对进入海洋环境的塑料总量的相对贡献分别为 0.5 吨、9 吨和 175 万吨。随着这些排放估计值对海洋、淡水和陆地系统的初级和次级微塑料的发展,它们可以与模型配对,可以估计颗粒大小和来源(例如废水)如何影响微塑料的环境归宿和发生。

微塑料环境发生

我们确定了 109 项研究,报告了环境中微塑料的 MEC。这些研究的重点是对淡水、海水和沉积物进行采样。尽管农业微塑料来源或污水处理厂生物固体的农业传播,以及陆地废物处理是农业土壤中微塑料的潜在来源,但陆地土壤的数据几乎不存在。 在本节中,我们总结了所使用的分析方法以及根据微塑料浓度和特性获得的结果。

微塑料采样和分析方法(从略)


图 1 使用拉曼和傅里叶(Raman and Fourier)变换红外光谱等分析技术进行聚合物鉴定的每项研究的可疑微塑料百分比,其中 0% 表示仅使用视觉分析技术来识别微塑料。每个类别中研究的总颗粒数也以范围(即识别最少和最多的微塑料颗粒数的研究)和平均值提供。此外,63%、60%、38%和53%的研究没有分别报告在0、<50、>50和100%聚合物鉴定类别中发现的颗粒总数。

当使用适当的分析确认方法时,微塑料检测中也会遇到问题,因为颗粒脆性(在样品制备阶段破裂)、颗粒生物污染(干扰信号)或颗粒尺寸太小而无法充分分析。

出现在地表水中

各大洲都已对地表水中的微塑料进行监测(图 2)。大多数监测水体中微塑料的研究都集中在海洋上 (n = 58),只有少数研究集中在淡水上 (n = 10;图 2)。研究报告导致每平方米物品和每立方米物品的不同单位,这是不相容的,两者之间的转换并不简单。以每平方米项目数报告会降低发生数据的有用性,因为所有生态毒性测试都是以每体积的质量或颗粒数来报告的。尽管如此,研究仍然只报告每平方米的物品,强调了报告标准化的必要性。所采用的抽样方法也会影响结果。一项比较几种常用采样方法的研究发现,浓度根据所使用的方法相差几个数量级。这是由于采样聚焦的深度或净网孔尺寸施加的颗粒粒度采样限制。相比之下,收集全水样品的方法(例如抓取采样)不会根据颗粒大小进行区分。同样,需要标准化来产生可重复和可比较的监测结果。

图 2 来自综述文献的海洋和淡水水生测得环境浓度 (MEC) 的全球分布。海洋和淡水水生测量环境浓度(mec)的全球分布。报告的单位没有转换,因此,相关的mec在两个单独的地图中报告:每平方米的物品件items(上)和每立方米的物品件items(下)。黑点表示使用其他单位报告的浓度(例如,在物品件items/立方米地图中(底部),黑点表示已报告的物品件items/平方米浓度)。

我们回顾了16年的发生数据,得出了合理的全球覆盖范围(图2)。据报道,在高度城市化和工业化的沿海地区和河流附近,浓度最高阿姆斯特丹运河中报告的mec(10万件/立方米[100件/升];和南方韩国海岸(16 727件/m^3[16.7件/L])。这一观察得到了最近一项广泛的模拟活动的支持,该活动将流经亚洲高度工业化地区的河流确定为最大的淡水河流之一

在沉积物中出现

50 项监测研究量化了海洋/沿海沉积物中的微塑料,只有 10 项研究调查了淡水沉积物中的微塑料(图 3)。与水柱监测研究类似,这些调查以不同的单位(即每公斤物品数、每平方米物品数和每立方米物品数;图 3)。尽管可以在单位之间进行转换,但并不总是报告实现这一目标的方法细节。大多数报告的沉积物监测研究是在欧洲进行的,与水样分布研究类似,该研究更加关注海滩和近岸沉积物(图 3)。淡水沉积物样本主要来自湖泊 (66%)。据报道,台湾海峡的浓度最高(42 560 项/米^3)。

图 3 海洋和淡水沉积物的全球分布测量了回顾文献中的环境浓度 (MEC)。报告的单位未进行转换,因此,相关的 MEC 在 3 个单独的地图中报告,即每平方米物品数(上)、每立方米物品数(中)和每千克物品数(下)。黑点表示使用其他单位报告的浓度(例如,以 items/m^2 为单位)地图(顶部)黑点是以 items/m^3 为单位的浓度或已报告每公斤物品数)。

微塑料类型和化学特性

在分析的 83% 的矿床研究中,根据样品浓度或百分比报告了沉积物和水柱(海洋和淡水)的样品形态组成(图 4A 和 B)。水柱中的总体平均样品成分为 52% 的纤维,其次是 29% 的碎片,其他颗粒形态包括珠子/球状、薄膜、泡沫和其他颗粒仅占检测到的总微塑料的一小部分。在沉积物中也观察到类似的趋势,其中纤维占颗粒的 45%,其次是碎片,占 33%(图 4B)。就聚合物类型而言,水柱和沉积物的趋势也相似,聚乙烯构成的颗粒比例最大,其次是水中的聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯酰胺(图 4C)和沉积物中的聚丙烯(图 4B)。图 4E 和 F 总结了沉积物和水柱监测数据中看到的不同颗粒类型的百分比组成分布。

图 4 测得的环境浓度样本摘要特性。水柱 (A) 和沉积物 (B) 中每项研究的平均聚合物组成以及水柱 (C) 和沉积物 (D) 中的整体形状/形态平均值。对纤维、碎片和珠子的回顾研究中报告的样品百分比进行排名和绘图,给出 3 个分布,反映水柱 (E) 和沉积物 (F) 中样品形状形态趋势。仅纳入旨在量化所有微塑料形状形态的研究。淡水和海洋研究均被纳入。PA = 聚酰胺;PE = 聚乙烯;PET = 聚对苯二甲酸乙二醇酯;PP = 聚丙烯;PS = 聚苯乙烯;PU = 聚氨酯;PVA = 聚乙烯醇;PVC = 聚氯乙烯。

微粒确实存在于世界各地的地表水和沉积物中。然而,由于采样技术的可变性/挑战、使用的微塑料检测方法的差异、样品中微塑料的分类方式、采样设计的差异,很难定义不同地区和环境基质的暴露程度)、报告单位和调查的颗粒大小。标准化在未来势在必行,以便将监测研究的结果以及与效果研究的数据进行比较。
在已经进行了微塑料表征的情况下,监测研究中检测到的大多数微塑料被认为来自次级来源(即,已经降解的大型塑料物品的碎片或无意中从衣服中释放的纤维),这表明次级微塑料的来源对于了解减少环境中微塑料的政策或缓解措施是否有效非常重要。监管重点已放在初级微塑料上,根据目前的结果,就发生率而言,初级微塑料似乎不太重要。因此,减少或禁止(例如,化妆品微珠)可能对减少环境微塑料负荷的影响有限,Gouin 等(2015 年)也得出了这一结论。追踪次生微塑料的来源比追踪次生微塑料更复杂,这可能就是它们迄今为止一直回避关注的原因。因此,报告样品成分对于帮助确定哪些颗粒在生态毒性测试和评估其来源和途径方面具有最高优先级非常重要。图 4 中绘制的大部分数据与海洋环境(水柱和沉积物)有关;然而,微塑料的环境分布(聚合物类型和形态)会因微塑料和环境特性而异。因此,随着其他隔间(例如淡水和海表层)的可用数据越来越多,这些数据应单独呈现,以更好地描述各种环境隔间中的微塑料分布和暴露。

污水处理厂是微塑料的重要来源吗?

据信,污水处理厂(WWTP)是环境微塑料的重要贡献者,并且有人建议它们由于体积小而很少或不去除排放到废水系统中的微塑料。检测微塑料和估计 WWTP 的去除量存在许多挑战;例如,生物污垢是极有可能的,并且存在许多纤维素纤维(例如卫生纸),导致错误识别的可能性很高。因此,理想情况下,在对污水处理厂中的微塑料进行监测时,所有可疑的微塑料都应接受分析确认。此外,需要强大的采样方法来捕捉流量和 WWTP 停留时间的每日变化,因为在全天采集的样本中发现了显着差异。
已经进行了大量研究,量化了不同废水处理过程中微塑料的去除情况(表 1)。单独的一级处理可以去除平均 65% 的总微塑料进水负荷,而二级和三级处理方案可以平均去除 94% 的总进水负荷(表 1)。一项对丹麦污水处理厂的研究预测,环境排放率为进入微塑料质量的 0.3%。在 WWTP 废水中检测到的大多数微塑料是塑料纤维和碎片,只有一小部分是微珠,尽管微珠是监管关注的焦点。观察到的微塑料去除可以通过以下事实来解释:即使它们可以通过排除网移动,但许多微塑料可能会因其密度而漂浮,随后在初级处理过程中被撇渣器从油脂层中去除。如果微塑料没有漂浮,它很可能被污染,要么沉到沉淀池的底部,要么与絮凝剂结合,随后被去除。无论哪种情况,大部分塑料微粒都不太可能保留在处理过程的水相中,随后随废水排放到环境中。估计,污水处理厂污水仅占进入环境的总微塑料负荷的 3%。此外,最近的一项命运建模活动预测,接收污水的河流在到达海洋之前将有效地保留许多微塑料,包括污水处理厂污水中发现的最主要的微塑料尺寸分数,这表明淡水沉积物是考虑暴露于通过 WWTP 污水排放到河流中释放的微塑料时最相关的隔间。

表 1. 文献中报道的特定处理类型的废水处理厂清除和污水成分总结 




污水成分
治疗类型报告的移除纤维片段微珠/小球参考b
主要50, 78%主要纤维

1, 2
二 次98, 99, 96%36–48%46–67%0–9%1, 3, 4
第三的98, 97, 90, 99.9%8.8%91%未报告2, 4–6
膜生物反应器72, 99%61–84%11–33%0%4, 7

现有数据表明,污水处理厂(WWTP) 中将去除很大一部分塑料微粒,而在污水中排放的塑料微粒中,只有一小部分是塑料微珠。迄今为止的结果表明(即去除率)表明,进入废水的微塑料中有很大一部分将被引导到污水污泥中,而不是污水中。这表明,将污水污泥用于农业应用可能是探索释放到废水系统中的微塑料的更相关的暴露途径。

微塑料会被生物体摄入吗?

几项实地研究记录了许多物种从多个营养级和地理区域摄入微塑料(表 2)。我们将感兴趣的读者引导至对动物在该领域摄入微塑料的广泛回顾。已在鱼类、无脊椎动物和鸟类中检测到微塑料(表 2)。与水和沉积物微塑料的出现数据一致,在组织中检测到的微塑料的最大比例由纤维和碎片组成,只有一小部分是珠子。最近对来自北海的 400 条鱼进行的一项研究采用严格的质量控制标准,在一条鱼中仅产生 2 个微塑料。此外,过去 30 年在波罗的海采样的鱼类和浮游生物显示,内部微塑料浓度没有随着时间的推移而显着增加。大约 20% 的鱼样本含有微塑料,其中 93% 的微塑料是纤维。纤维丰度可能更高,原因有两个:内部生物体浓度反映了水生和沉积物 MEC 样品的组成,或者纤维的分布效率不如较硬的颗粒。鱼的内部浓度往往最低,这可能是由于暴露减少;然而,实地研究表明,较高的内部微塑料浓度与较高的周围微塑料浓度相关,与深水无脊椎动物和鱼类的摄食方式、长度或重量无关。这种联系是可能的,因为作者还量化了周围水中的微塑料。这不是常见的做法,但对结果的解释有很大帮助。因此,可以通过报告内部和外部的微塑料浓度来改进现场吸收研究。

表 2. 文献综述研究中报告的平均和内部浓度范围以及微塑料样品成分

营养类群浓度范围(平均值)样品组成 % 均值(范围)参考b
0–19 (1.4) 件/鱼38% (0–100)纤维1–17


27% (0–94)片段


2%(0–24)
无脊椎动物0.47–11.2 (2.8)91% (65–100)纤维15–24

物品/生物13% (0–13)片段

0.36–11 (3.05) 个颗粒/克5.3%
14.2 物品/鸟74% (55–100)纤维25, 26


7.7% (0–7.7)片段


0%

在实验室中,许多研究表明微塑料可以被生物体吸收。Scherer 等(2017 年)发现,与藻类共同暴露的微塑料显着减少了大型水蚤对微塑料的摄入,这与 Ayukai (1987) 之前得出的结论相似,其中 Acartia clausi(克氏纺锤水蚤) 在暴露于藻类和微塑料球时表现出优先摄食。Weber 等人(2018 年)发现,Gammarus pulex(钩虾) 的微塑料体负荷取决于剂量和年龄,而 Marín-Magán 和 Cañavate (1995) 进行的实验将优先摄入与日本对虾的生命阶段联系起来。在量化微塑料摄入量时,重要的是要考虑测试条件,因为除了测试物种的摄食方式和生命阶段外,食物的存在或食物的类型也会影响结果。

微塑料的摄入需要与排出率一起考虑,以便对生物体中微塑料的存在提供有意义的解释。对鱼类和无脊椎动物进行的实验室微塑料暴露研究有很多;然而,很少有人研究微塑料摄入是否会影响排出率,特别是在与环境中发现的浓度相似的情况下。有证据表明,金鱼的肠道对珠状微塑料和纤维都有有效的清除作用。此外,Mazurais等人(2015)观察到,经过48小时的净化期,labrax Dicentrarchus(舌齿鲈 /欧洲鲈)幼虫完全排出了珠状微塑料(10-45mm)。在无脊椎动物中也发现了大量的微塑料排泄,尽管人们担心它们较小的体型会阻碍排泄。Allorchestes compressa(澳洲海洋两栖动物)在36小时内排出不规则颗粒(11-700mm) , Gammarus fossarum在4小时内观察到纤维完全排出;D. magna在24小时内对颗粒和碎片(10-106mm)的肠道有效清除,尽管颗粒的排卵速度比颗粒慢;以及完全排出被Idotea emarginata摄入的颗粒、纤维和碎片的混合物。Au等(2015)报告说,在阿兹特克透明菌中,纤维的排出速度比珠状微塑料慢(相当于食物排出);然而,在两次暴露中确实发生了完全排泄。最后,对大西洋鳕鱼的实地观察发现,绝大多数发现有微塑料的胃也充满了有机含量。作者提出,微塑料肠道清除因此与食物相似。这些发现表明,微塑料的摄入在鱼类和无脊椎动物中都很重要,并可能受到物种和微塑料形态的影响;从风险评估的角度来看,这一信息很重要,应在所有微塑料暴露研究中报告。

尽管许多研究表明微塑料沉积很重要,但也有一些观察到颗粒从消化道转移。例如,暴露于 1 μm 球体的 D. magna 表现出跨肠道上皮屏障的易位。暴露于 0.5 μm 球体的螃蟹也表现出易位到血淋巴、鳃和卵巢。微塑料从肠道到循环系统的组织易位也在暴露于 <10 μm 颗粒的贻贝中得到证实;然而,在太平洋牡蛎中重复这个实验并不会导致易位。Von Moos 等 (2012) 提供了微塑料 (<80 μm) 吸收到蓝贻贝消化腺的证据,从而在细胞水平上引起炎症反应。Lu 等人(2016 年)将斑马鱼暴露于 20 μm 和 5 μm 以及 70 nm 微塑料中,在鳃、肝脏和肠道中发现了 5 μm 和 70 nm 颗粒,而 20 μm 颗粒仅在鳃和肠道中发现。从肠道转移到循环系统,然后到肝脏的易位机制尚不清楚。颗粒 5 到 150 μm 的易位被认为是由于吸收,这种现象发生在脊椎动物物种中,其中颗粒在摄入后被动且不频繁地从肠道传递到循环系统。有趣的是,在鱼肝中发现了大于 150 μm 尺寸限制(这是与人类相关的渗透阈值)的颗粒(高达 600 μm)。鱼类的渗透阈值可能更高,尽管可能性不大,允许 >150 μm 颗粒不经常进入循环系统,或者可能正在发生其他目前未知的机制。Collard 等(2017 年)报告了凤尾鱼中主要 323 μm 微塑料的易位,并提出了 2 种可能的易位理论:1) 被吸收的较小碎片的聚集,或 2) 通过肠道屏障。然而,作者指出,方法学上的局限性阻碍了微塑料的精确定位。证明颗粒易位> 150 μm 的研究也有可能受到污染,因为尚未进行后续研究以确定这种易位的可能机制。已知的是,易位可能会发生,并且似乎与大小有关,但在每次暴露后并不一致地观察到。<5 μm 的颗粒更容易进入循环系统(例如,纳米塑料),但较小的颗粒也比较大的颗粒更容易去除。应该强调的是,方法学的局限性和较小的研究规模阻碍了微塑料的精确定位,因此难以得出可靠的结论;此外,这些研究虽然有用,但并没有为理解易位背后的机制提供进展。因此,各种粒径从肠道转移到循环系统和肝脏的机制以及这些事件的频率是需要解决的重要知识空白。随着对易位机制、频率和颗粒大小之间关系的更好理解,评估微塑料易位可能带来的风险将成为可能。

与 WWTP 样品类似,分析确认微塑料的存在对生物体组织提出了重大挑战,在仅使用视觉识别方法解释研究结果时应谨慎。还应密切注意样品提取和消解方法,因为有些方法效率低下、可能会降解或使样品中的塑料着色,例如使用硝酸的方法。

微塑料的营养转移

由于微塑料与猎物相似且体积小,因此微塑料的营养转移被认为是捕食者的重要生物放大途径,导致低营养生物的可用性。这既会阻碍进食,又会让微塑料传递给捕食者,长时间进食后,可能会导致生物放大。实验室已证明微塑料的营养转移;但是,这些结论的情况很重要。首先,在这些研究中,无脊椎动物仅限于仅包含微塑料的饮食,这可能会影响吸收;其次,无脊椎动物然后在净化期之前被喂给捕食者;第三,尽管文献中报道的两个营养级物种的微塑料出现率都很高,但在净化之前对捕食者中的微塑料出现进行了量化。重要的是要注意,这些人工条件不能很好地代表环境条件,因此应谨慎解释结果。尽管最近的一项研究报告称,鱼的质量或营养水平都与微塑料摄入无关,但微塑料的营养转移尚未在现场显示,这使得作者得出结论,观察到的微塑料存在是短暂的,这表明由于显着的肠道清除率,生物放大潜力较低。这与实验室研究一致,表明微塑料肠道在鱼类和无脊椎动物中的保留时间很短,提供了进一步的证据,表明积累将是最小的;然而,现有数据确实表明,微塑料可以被环境中的生物体吸收。

微塑料会影响海洋和淡水生物吗?

微塑料的影响研究探索了一系列终点,包括生存、生长、繁殖、换羽和生化终点。在本节中,我们回顾了已采用的测试类型和获得的结果。

研究条件

已使用各种实验设计来评估微塑料对淡水和海洋生物的影响。最常见的测试材料是聚苯乙烯,尽管聚乙烯被报道为环境样品中最常见的聚合物(图 4A 和 B 以及 5)。大多数研究 (95%) 使用的颗粒尺寸比在环境中可以可靠检测到的颗粒尺寸更小(例如,<131 μm;图 5)。大多数研究都集中在球形颗粒上,尽管环境样本中普遍存在碎片和纤维,但只有少数测试纤维或片段,最近关于该主题的评论也发现了这个问题。研究中使用的大多数测试物种来自主要消费群体(例如无脊椎动物),这是出于道德原因(图 5),大多数研究调查了微塑料暴露对海洋生物的影响,这表明与淡水和陆地物种有关的生态毒性存在数据差距。

图 5 在已确定的微塑料影响研究中使用的测试特性(颗粒类型和大小以及测试物种)摘要。给出了暴露、粒径和聚合物以及测试物质营养水平的饼图。测试物种最初按营养级报告,然后是使用海洋、淡水或陆地物种的研究的百分比。PA = 聚酰胺;PE = 聚乙烯;PET = 聚对苯二甲酸乙二醇酯;PS = 聚苯乙烯;PVC = 聚氯乙烯。

生态毒性终点分布

在图 6 中,显示了来自每项生态毒性研究的每升颗粒数的 NOEC 和 LOEC。根据所研究的粒径范围分离终点,因为这被认为会影响摄入的可能性,从而影响影响。很明显,测试的颗粒大小比有把握地记录在自然环境中的颗粒大小要小得多。微粒和纳米颗粒能够在基于实验室的效应研究中进行研究,因为它们可以被标记以简化分析检测,例如,使用荧光标记。在大多数研究中,使用了预先清洁或直接从制造商处获得的球形颗粒,而只有 5 项研究测试了暴露于纤维的影响。

图 6 使用 0.01 至 0.1 μm (A)、0.1 至 1 μm (B)、1 至 10 μm (C) 和 >10 μm (D) 的颗粒尺寸进行测试的微塑料累积生态毒性终点分布。红色和黑色符号分别表示最低观测效应浓度 (LOEC) 和无观测效应浓度 (NOEC)。累积分布可以解释为 NOEC/LOEC 可能沿 X 轴下降的位置。例如,在 (A) 中,LOEC/NOEC 的第 25 个百分位数约为 1014颗粒/L 的 Ps/L 中,而第 75 个约为 1015颗粒/L。终点包括本综述确定的一系列急性、亚致死性、标准和非标准终点。EC50 = 中位效应浓度。

生态毒性终点分布(图 6)概述了我们目前对微塑料潜在影响的理解。它们包括急性和慢性测试的非标准和标准终点,无论测试是否遵循既定指南,例如经济合作与发展组织 (OECD) 推荐的指南。大多数测试都导致了 NOEC;然而,在许多情况下,这是指测试的最高暴露浓度。这表明真正的 NOEC 实际上可能更大。由于锯齿状或锋利的边缘,碎片被认为更有可能引起内部磨损;然而,证实这一点的实验数据有限。迄今为止,一项研究报告了 50% 的研究人群 (EC50) 的片段效应浓度,即 8.6 × 107颗粒/L 。测试的粒径约为 1 毫米,与报告的微塑料 MEC 相比,这是一个相关的粒径;然而,EC50 比最大 MEC 大几个数量级(例如,16.7–100 个颗粒/L)。据报道,50% 的测试种群的致死剂量是纤维,角足类 H. azteca 为 71 430 纤维/升,浮游动物 Ceriodaphnia dubia 为 13 000 纤维/升,这再次比报告的最高 MEC 高一个数量级。

图 6 中所示的终点仅适用于回顾研究,其中报告了每升颗粒数,或者根据的方法使用粒径和密度从每升质量进行转换是可能的。在一些情况下,研究报告了饮食的质量或百分比暴露,并且没有必要的颗粒特性来实现每升颗粒的转化率。几项研究测试了多种粒径,但暴露基于每升质量;因此,较小尺寸的微塑料每升计数的颗粒比测试的较大颗粒尺寸大几个数量级。在这些情况下,无法评估较小粒径是否比较大粒径更有害。最好以每升颗粒数报告,因为它与环境发生数据直接可比,并且是包含各种微塑料颗粒大小的更好选择。

分子或生物标志物终点的影响可能难以放大到环境中的影响;但是,我们报告这些终点是为了了解迄今为止报告的影响的广度。不幸的是,并非所有研究都可以包括在内。报告了可能与营养缺乏相关的重要生物标志物反应;然而,由于作者没有报告研究中使用的微塑料的粒度分布,因此无法转换为每升颗粒数。此外,该研究与其他研究类似,缺乏阴性对照。例如,部分饮食被塑料取代;因此,在处理鱼中看到的效果可能归因于减少饮食,而不是添加塑料。更现实的方法是在食品中添加塑料而不进行替代或包括阴性对照。在无脊椎动物研究中也观察到类似的问题,其中影响归因于微塑料的摄入,而没有考虑因缺乏或不适当的食物来源而产生的影响。

就环境相关性而言,许多研究中采用的生态毒性测试策略的有用性受到质疑。研究设计的局限性包括与测试微塑料的大小、形状和浓度缺乏环境相关性;缺乏详细的测试颗粒表征,例如尺寸分布、密度和在暴露前可能已经被吸附的化学物质的评估;报告单位的可变性(例如,每升质量或每升颗粒、饮食百分比);使用非标准终点或生物标志物 ;以及缺乏适当的对照(例如,阴性对照)。总之,基于实验室的研究数据表明,当暴露于非常高的浓度(例如,EC50 为 8.6 × 10 时,一些微塑料有可能对生物体产生不利影响7颗粒/L)。然而,影响研究中调查的微塑料的大小、形态和浓度与环境中监测的微塑料之间存在不匹配。此外,环境微塑料以混合物的形式存在,这应该反映在生态毒性研究中;例如,以适当的比例同时测试纤维、片段和微珠将是有用的,除了调查研究较少的颗粒类型,例如薄膜、纤维和碎片,因为有证据表明这些形态可能比珠子更有害。因此,与微塑料生态毒性有关存在重大数据空白和可以生成 EC50 数据的标准化测试将有助于监管风险评估。研究设计应包含适当的控制措施,并在适当时遵循经合组织测试指南。最重要的是,迫切需要监测和效果研究以可比的浓度报告。在颗粒毒理学领域,使用了单位体积颗粒数、单位体积表面积和单位体积质量。在执行这些研究时,使用多个标准化单位可能是合适的。关键是作者要充分表征生态毒性研究中使用的测试颗粒,并报告这些数据,以便能够在各个单位之间进行转换,从而可以与暴露数据进行比较。

微塑料是否直接或通过食物链成为持久性有机污染物的载体?

据称,由于其物理化学特性,微塑料会吸附大量疏水性有机污染物 (HOC),当这些微塑料被摄入时,它们可以作为将 HOC 运输到生物体中的载体。这有时被称为“特洛伊木马效应”。因此,我们检查了讨论微塑料可能作为 HOC 载体的文献,以 确定作为这种现象证据引用的最有影响力的论文,以及确定有影响力的研究是否确实提供了特洛伊木马效应的证据。

塑料在吸附 HOC 方面很有效,主要是因为它的疏水性;这在实验室和现场实验中证实。吸附的量和特定的 HOC 将取决于聚合物类型和可用表面积。事实证明,HOC 在塑料与周围环境之间达到平衡所需的时间需要数月到数年,而某些化合物的解吸半衰期从 14 天到数百年不等。这与最近的建模证据,使许多人得出结论,环境中的微塑料预计将成为 HOC 的汇,而不是摄入后生物体的来源。相反,有人认为内部肠道条件将促进 HOC 解吸,2017 年发表的许多研究表明,这种污染物暴露途径具有高度相关性,这表明争论仍在进行中。

特洛伊木马效应很难测试,尝试过特洛伊木马效应的研究几乎完全局限于实验室实验。建模研究也被用来根据理论确定这种效果是否可能。表 3 分析了探索摄入微塑料对 HOC 吸收影响的不同研究。野生物种中 HOC 与环境微塑料的相关性几乎没有提供证据表明塑料是造成观察到的生物污染的原因。使用干净的暴露介质(沙子或水)、干净的动物或不切实际的高 HOC 浓度采用环境不切实际的测试梯度的实验室研究也只能提供有限的效果证据。在这些实验室条件下可以显示转移也就不足为奇了;然而,这些结果需要放在环境背景下。例如,几位作者观察到从塑料中转移的物质比其他更丰富和天然存在的颗粒(例如沉积物)少,这表明污染物从塑料中转移并不重要。此外,对多环芳烃菲的研究表明,浮游生物的吸附作用大于塑料,这表明正常食物来源可能是某些 HOC 比塑料更重要的吸收途径。另一个需要考虑的重要组成部分是塑料的解吸半衰期。几项实验室研究报告称,在 24 至 48 小时内微塑料完全消失(在不切实际的高暴露中)。除了野生动物体内微塑料的内部浓度低(表 2)之外,这表明塑料在肠道中的积累时间不够长,无法促进解吸,即使肠道表面活性剂确实略微增强了 HOC 解吸的热力学有利性。

表 3. 评估从微塑料中摄入和随后解吸污染物作为重要暴露途径的证据

证据类别

研究类型证明定论不支持推理参考
田野

PCB 与摄入塑料质量之间的相关性、相关性≠因果关系。Ryan 等人 (1988)
田野

在海水中对聚乙烯高度吸收 PCB 和其他污染物。Mato 等人 (2001)
型号 / 实验室

塑料的存在会增加沉积物生物的暴露,观察到合成肠道表面活性剂中的解吸速率增加;型号受限:无生物污垢或有机物运输进行比较。Teuten 等人(2007 年)
实验室

雏鸡饲喂树脂颗粒,PCB 总负荷不显著,但低氯同系物显著不同;样本量小,重复间变异性大。Teuten 等人(2009)
模型

“与其他暴露途径相比,MP 作为 PBT 物质的载体可能相对较小。”Gouin 等人(2011 年)
田野

在海鸟中发现的多溴联苯醚成分类似于胃中的塑料,7 年后在 1000 公里外采集的猎物样本>不含类似的多溴联苯醚。Tanaka et al. (2013)
实验室

从塑料转移证明到蜗杆,确定塑料对 PCB 转移的影响很小。Besseling 等人(2013)
实验室

已证明转移(高塑料、污染物浓度),但比从沉积物转移的少 250%(浓度低于塑料)。Browne 等人 (2013)
实验室

实验设计无法区分水中解吸和随后的吸收或通过内部肠道释放(特洛伊木马);颗粒和暴露水之间的污染物梯度不切实际。Rochman 等人(2013b)
实验室

在 10 倍环境相关浓度下的重要性;在环境相关浓度下,片足类动物的吸收量低于沉积物。Chua et al. (2014)
模型

微塑料可能是蠕虫的重要暴露途径;然而,在环境中所需的条件不太可能;鱼类的途径似乎可以忽略不计。Koelmans 等人(2014 年)
字段/模型

海鸟体内的 POP 浓度与塑料摄入无关;建模表明更有可能充当被动采样器。Herzke 等人(2016)
实验室

在蠕虫中证明摄取;然而,塑料比沉积物少 76%;结论转移以天然颗粒为主。Beckingham 和 Ghosh (2017)
模型

对现有经验数据进行建模,自然猎物生物积累的 HOC 通量>塑料的通量。Koelmans 等人(2016 年)
模型

塑料不是吸附化学品转移的重要定量途径。Bakir 等人 (2016)
模型

塑料作为载体转移到生物体的作用最小(PAHs、逸度)。Lee et al. (2017)
实验室

在不切实际的高暴露下,没有从沉积的微塑料上升到幼鱼。Sleight 等人(2017)
实验室

摄入微塑料不太可能增加蠕虫对锌的暴露。Hodson 等人(2017)
  • 一个 2016 年之前进行的研究最常被引用为该现象的证据/支持。

  • HOC = 疏水性有机污染物;MP = 微塑料;PBDE = 多溴联苯醚;PBT = 持久性、生物累积性、毒性;PCB = 多氯联苯;POP = 持久性有机污染物。

为了证明似乎为特洛伊木马假说提供证据的研究的不确定分类,我们使用了一项研究,其中 Oryzias latipes(青鳉) 暴露于与海洋环境中测量的 HOC 浓度相关的微塑料。鱼被保存在定期更新的干净水中,受污染的塑料与食物一起撒入水中。这项研究设计实际上并不是在检验特洛伊木马假说,因为无法区分是否摄入了微塑料并且 HOC 随后在内部解吸,或者清洁水和被 HOC 吸附的微塑料之间不切实际的梯度是否导致 HOC 直接浸入水中并随后与鱼相关联(即:生物富集而不是生物蓄积)。

进行了质量平衡计算,以根据颗粒上报告的浓度确定 HOC 相关、微塑料暴露的鱼可能具有的理论最大浓度(图 7)。对照鱼被 HOC 污染是显而易见的(图 7),这可能是由于在饮食中使用了鳕鱼油。为了证明 HOC 从塑料中转移,报告的浓度(黑点)需要落在蓝色条上的某个位置;这仅发生在氟蒽、芘、PCB 123 和 PCB 187 中,对照鱼和处理鱼之间没有报告显着差异。实验结果与质量平衡计算不匹配的原因可能有很多。我们可以说的是,在大多数情况下,颗粒增加的污染物贡献大大小于对照鱼所暴露的污染物。当颗粒 HOC 浓度远大于对照鱼浓度(芘、菲、荧蒽)中发现的浓度时,在微塑料处理鱼中没有观察到相应的浓度峰值,这表明微塑料保留了这些化合物。因此,这项研究和使用类似实验设计的研究是不确定的,不能用于支持特洛伊木马假说。例如,更好的设计是使用海鱼并将它们保存在相关海水水箱中,然后引入预吸附的微塑料,以及海水和清洁无 HOC 水中不含微塑料的控制措施。总之,现有证据要么不支持微塑料可以作为 HOC 进入生物体的载体,要么尚无定论。我们无法找到一项研究,证明 HOCs 的摄取可以真正归因于微塑料运输到生物体中。


图 7 根据 Rochman 等人(2013b) 报告的初始海洋颗粒浓度的质量平衡分析,计算了海洋塑料暴露鱼(蓝色条)中的理论最大脂质浓度。还绘制了报告的对照鱼(虚线)和海洋塑料暴露的鱼(黑点)脂质浓度。假设鱼为 300 毫克,脂质含量为 2.1% 至 6.2%。

微塑料会对环境构成风险吗?

迄今为止,微塑料环境研究中缺少的一个主要组成部分是将影响和发生研究置于风险背景下。在对所有综述文献的摘要进行单词分析时,“风险”被确定为第 188 位,而“集中度”和“效果”分别排名第 10 位和第 11 位。风险评估为确定在现实世界中最有可能有害的特定微塑料形状、大小或聚合物以及确定风险最大的地理区域提供了一个起点。这些信息将有助于将未来的研究工作集中在最受关注的微塑料上,并有助于了解应该引入哪些缓解策略(如果有)以及应该在哪里引入这些策略。因此,在接下来的部分中,我们将监测和影响研究的结果结合起来,以确定根据当前的证据基础,是否可能对自然环境产生负面影响。

MEC 与效应终点的比较

为了将来自效应研究的数据放在上下文中,我们首先将 MEC 分布与效应浓度分布进行比较(图 8)。这种比较仅限于与生长、死亡率和繁殖有关的影响终点,因为这些是化学品监管风险评估中使用的标准终点。效应研究中最低的 LOEC/NOEC(针对 >1 μm 尺寸范围内的颗粒获得)比最高 MEC 高 2 个数量级以上(图 8)。因此,根据这些数据,几乎没有证据表明迄今为止在环境中看到的微塑料浓度对生物体有负面影响,特别是考虑到由于我们所描述的识别方法的局限性,许多监测研究被认为高估了浓度。

图 8 使用测量的环境浓度分布(海洋和淡水)绘制的累积物种终点分布。绘制了三个单独的终点分布,其中包含来自鱼类、无脊椎动物和藻类的急性和慢性测试的无观察到效应浓度和最低观察到的影响浓度。仅绘制与生长、死亡率和繁殖相关的终点。生态毒性终点根据测试粒径分为 3 种分布:0.01 至 0.1 μm、0.1 至 1 μm 和 >1 μm。LOEC = 最低观测效应浓度;MEC = 测得的环境浓度;NOEC = 无观察到效应浓度。

物种敏感性分布

将 MEC 与生态毒性终点分布进行比较有助于衡量微塑料粒径相关影响与 MEC 之间的总体趋势;然而,文献中也有足够的数据来迈出为微塑料制造 SSD 并进行风险概率评估的第一步。SSD 是基于代表一系列分类群的多个物种的生态毒性测试的累积概率函数。当这些终点组合成一个分布(对数正态)时,可以预测受影响物种的百分比。因此,可以通过从单个物种的毒性推断这种统计分布来估计社区水平的风险。不同的环境(例如,淡水、海洋和陆地)包含采用各种摄食策略(例如滤食者)或生活史特征的特殊物种,这些物种会增加微塑料暴露。同样,由于体型或无法识别微塑料,它们可能对摄入微塑料特别敏感。SSD 捕获了压力源(例如微塑料)的这种种间变异性,然后可用于得出关键的风险评估组成部分,例如预测无影响浓度(欧洲化学品局 2003 年)或 5% 危险浓度 (HC5)。HC5 是一个关键的监管参数,用于制定具有法律约束力的环境质量标准,并转化为生态系统中 5% 的物种会受到伤害的浓度。此外,SSD 可用于从一组有限的实验室数据中得出最大可接受浓度。

使用物种敏感性分布生成器 (US Environmental Protection Agency 2014) 构建了 SSD。构建具有代表性的 SSD 需要几个假设和标准,作者认识到图 9 中所示的分布存在一些局限性。SSD 的有用性取决于创建它的数据;因此,对于图 9 中所示的 SSD,需要考虑的一个重要警告是,同时使用了 NOEC 和 LOEC,以便可以包括一系列物种 (n = 9),涵盖关键分类群(例如,鱼类、等足类、桡足类棘皮动物和甲壳类动物。仅考虑了生态毒性研究中最大粒径类别 (10-5000 μm) 的死亡率、繁殖和生长终点,因为该粒径分数与环境中测量的粒径最相关,因此根据当前方法最具代表性。然而,应该注意的是,只有一项可以计算每升颗粒数值的生态毒性研究使用了 >100 μm 粒径暴露。如果未报告显著影响或报告浓度低于 LOEC,则将其视为 NOEC,而 LOEC 是具有显著影响的最低浓度。包括的端点可能没有遵守 SSD 所需的高质量测试。海洋和淡水数据被组合在 SSD 中以提高统计能力,因为仅凭这些数据还没有足够的数据来单独构建淡水或海洋环境的 SSD。淡水和海洋专用 SSD 在补充数据中介绍。我们首次尝试构建用于微塑料风险评估的 SSD,这本身无法提供监管指导;但是,它为 SSD 的外观提供了一个起点,并且应该随着更多相关数据的出现而更新。

图 9 根据 10 至 5000 μm 粒径范围(与环境粒径分布最相关)研究的无观察到效应浓度和最低观察到效应浓度,用 95% 置信区间 (CI;红色) 绘制物种敏感性分布。还绘制了测得的环境浓度 (MEC) 累积分布(海洋和淡水 MEC)和 95% CI(绿色)。

95% MEC 和 5% 效应浓度的置信区间不重叠;HC5 为 6.4 × 104颗粒/升,比 95% MEC 大 3 个数量级,即 8.5 个颗粒/升,根据当前数据,这表明风险是有限的。然而,确实需要解决知识差距,以提高 SSD 的质量和相关性,并能够对环境中的微塑料进行合理的概率风险评估。这包括对相关粒径和形状组分进行生态毒性测试、标准化测试、改进方法和结果报告,以及更加关注淡水和陆地隔室。我们提供了一个随着研究进展进行改进的起点,尽管存在警告,但这可能确实提供了改进后的 SSD 的一般概念。当出现测量环境中较小粒径的方法时,MEC 分布可能会开始与 SSD 重叠。这将有助于将当前绝大多数生态毒性研究置于环境背景下,并应被视为研究重点。另一方面,来自 10 至 5000 μm 粒径分数的生态毒性数据最接近环境中报告的浓度(图 8)。

总体而言,将 MEC 与影响终点进行比较并不支持一些人关于微塑料对环境中生物体的健康产生负面影响的说法。观察到对生物体造成影响的微塑料浓度比在环境中测量的微塑料浓度高几个数量级。对于此比较,需要记住几个限制。我们知道,大约一半的报道的 MEC 具有纤维含量 >50%,其次是片段,这在效应研究中都没有得到很好的体现,这些研究往往集中在珠子/球体上。影响研究还侧重于比环境中通常监测的颗粒尺寸小得多的颗粒尺寸。为了回答微塑料是否会对环境中的生物产生负面影响的问题,需要明确定义微塑料的尺寸范围,监测研究需要描述环境中出现的微塑料的完整尺寸范围,影响研究需要使用与环境中发现的一致的测试材料(塑料类型、尺寸和形状)。只有这样,我们才能得出关于微塑料是否对环境产生负面影响的任何结论。

结论和建议

微粒确实存在于环境中,但根据我们的分析,目前有限的证据表明它们正在造成重大不利影响,或者它们正在增加疏水性有机化合物在生物体中的吸收。这一结论与其他人的结论一致,对围绕微塑料构成风险的说法提出了质疑。然而,根据目前的证据,无法得出微塑料对环境造成危害或不造成危害的结论。这是因为监测工作往往只关注环境中可能出现的微塑料尺寸范围的一小部分,并且影响研究往往使用不是目前被监测的材料。淡水环境的数据有限,陆地系统的数据更少,尽管这些环境中的暴露量可能大于海洋环境中的暴露量。因此,要确定微塑料是否对环境造成危害,工作需要集中在以下 3 个方面。

首先,环境暴露于微塑料。在更广泛的隔间(即,包括淡水和陆地系统)中需要更高质量的出现数据。这种监测需要确定环境中出现的整个尺寸范围的微塑料的浓度。浓度需要以有意义的单位表示,可以与效果研究数据进行比较。颗粒的准确分类和化学表征至关重要。需要监测扩散源(例如轮胎磨损、油漆、涂料)和点源(例如工业排放和 WWTP),以确定环境中微塑料的主要来源。这可能需要开发具有较低浓度和粒径检测限的新采样和分析方法,这些方法能够检测自然环境中的所有微塑料及其转化产物,例如纳米塑料。从其他领域(如纳米粒子)以及涉及分析化学家和物理学家的跨学科工作中吸取的经验教训对于帮助解决这些分析挑战可能很有价值。使用暴露建模方法,例如 Lambert 等人(2013 年)使用的方法来表征乳胶及其降解产物的环境暴露,也将有助于表征现实世界的暴露。由于当前分析方法的局限性而无法检测材料的情况下,暴露建模可能特别有用,并且可以提供比监测研究更高的空间和时间分辨率的信息,并有助于确定主要暴露来源。为了给这种暴露建模提供信息,需要关于使用的大型和微塑料的类型、使用量和使用模式的更好信息,以及来自实验室和半场模拟研究的这些材料的命运和行为信息。

第二,效果表征。需要对环境中实际存在的微塑料类型及其转化产物(如纳米塑料)进行影响研究。特别是,需要对目前在环境中观察到的尺寸范围的碎片和纤维的影响以及次生微塑料的影响进行更多工作。研究不仅需要描述对海洋生物的潜在影响,还需要描述对淡水和陆地物种的潜在影响。尽管研究应探讨对非标准生物的潜在影响,这些生物由于其特性而可能容易受到微塑料暴露的影响,但它们应侧重于用于评估标准化学品风险的生态相关终点(例如,死亡率、生长和繁殖)。对于次生微塑料,环境中可能会暴露于不同大小和形状的颗粒的复杂混合物中,对微塑料进行半场环境降解研究,然后对所得材料进行效果测试可能有助于确定这些材料是否造成伤害。

第三,评估微塑料风险。围绕环境中塑料微粒的讨论需要基于风险,因为发生并不总是等同于影响,仅仅因为在实验室中观察到影响并不意味着这种影响会在真实环境中发生。更好地设计监测和效果研究,使其产生为风险评估提供信息的数据,将意味着有可能确定世界不同地区的风险程度,并确定对风险影响最大的活动和做法。这意味着政策可以由可靠的科学提供信息,然后它们将真正对环境健康产生影响。

我们首次提出了环境中微塑料的详细风险评估,使用概率法 (SSD) 和生态毒性终点分布来包括非标准终点,以证明当前的生态毒性在颗粒大小方面与 MEC 不具有可比性;然而,初步评估几乎没有证据表明微塑料在真实环境中会造成伤害。我们还证明,微塑料作为 HOC 进入生物体的载体的重要证据尚未得到证实,最近的实验室和建模证据表明,这种暴露途径的影响很小。目前有限的证据表明,不利的环境影响是由微塑料引起的;然而,迫切需要解决重大的知识差距,以证实或反驳这一点。

参考文献(从略)

综述海洋环境中的微塑料:用于识别和定量的方法

Environmental Science & Technology Vol 46/Issue 6Article

本文综述对 68 项研究进行了比较,比较了用于识别和量化海洋环境中塑料微粒的方法。确定了三种主要采样策略:选择性、减容和批量采样。大多数沉积物样本来自涨潮线的沙滩,大多数海水样本是使用中性网在海面采集的。在样品处理过程中区分了四个步骤:密度分离、过滤、筛分和微塑料的目视分拣。目视分拣是鉴定微塑料最常用的方法之一(使用类型、形状、降解阶段和颜色作为标准)。还使用了化学和物理特性(例如,比密度)。鉴定微塑料化学成分的最可靠方法是红外光谱法。大多数研究报告说,塑料碎片是聚乙烯和聚丙烯聚合物。通常用于丰度估计的单位是 “items per m”2“用于沉积物和海面研究,”每米物品数”3“ 进行水柱研究。采样或样品处理期间使用的筛子和过滤器的网孔尺寸会影响丰度估计。大多数研究报告了塑料微粒的两个主要尺寸范围:(i) 500 μm–5 mm,由 500 μm 筛/网保留,以及 (ii) 1–500 μm,或保留在过滤器上的部分。我们建议未来的监测计划继续区分这些大小分数,但我们建议采用标准化的采样程序,以便对海洋环境中的微塑料丰度进行时空比较。


综述微塑料中的塑料

Marine Pollution Bulletin Volume 119, Issue 1, 15 June 2017, Pages 12-22

构成微塑料 (MP) 的聚合物的性质会影响它们的命运和它们在海洋中的生态影响。
塑料的平均分子量、结构化学和结晶度都会影响 MP 在海洋中的命运。

与海洋中 MP 的生物学方面相比,它们的物理化学特性很少受到关注。

现场塑料的碎裂也可以通过表面烧蚀发生,从而产生大量的子 MP。

微塑料 [MPs] 现在是海洋中无处不在的污染物,对海洋生态构成了严重的潜在威胁,并有理由鼓励集中关注生物和生态研究。但是,它们的产生、归宿、碎裂以及它们吸附/释放持久性有机污染物 (POPs) 的倾向是由构成它们的聚合物的特性决定的。然而,构成 MP s的聚合物的物理化学特性在已发表的工作中并未得到详细关注。本综述评估了构成微塑料的塑料的选定特性与它们作为具有潜在严重生态影响的污染物作用的相关性。还讨论了导致次生微塑料的碎裂,强调了表面消融机制的可能性,该机制可能导致较小尺寸 MPs的优先形成。

在海洋、河口、淡水体甚至在遥远的北极冰层现在已经建立起来。这些是从海滩、地表水、海洋沉积物以及海洋生物群。它们是海洋生态系统中一种独特的、潜在的生物积累污染物,会损害已经紧张的海洋提供支持陆地生命的关键生态系统服务的能力。与大型塑料碎片不同,海洋中的MPS 无法经济高效地检测、收集用于回收或其他管理处置。在沿海地区,浮动 MPS数量高达 103–104每 m3并不少见,缺乏有效的清除机制是一个特别严重的问题。漂浮的 MPS总是在沉积物中积累,它们对底栖生态系统的影响尚不清楚。

全球塑料产量随人口的变化,呈现出产量的非线性增长。

初级微塑料 [MPS] 在工业上制造为不同大小的微珠,用于个人护理产品,通常作为去角质剂,喷砂介质或作为较大的原生塑料颗粒,用作制造产品的原材料。 这些颗粒在制造、运输或使用过程中通过“泄漏”进入环境。例如,在欧盟(以及瑞典和瑞士),2012 年使用了 ~ 4360 公吨的微塑料珠{UNEP 2015},而在美国,估计每个用户每天的微珠消费量为 US ~ 2.5 毫克。对于初级 MPS 的生产量是易于处理的,并且它们的使用开始受到监管。但是,海洋中更丰富的是次级 MPS,它们通常来自较大的塑料碎片物品的碎片,要么是在产品使用过程中,要么是由于垃圾的风化降解。这些输入要难得多。次级MPS 包括合成织物洗涤过程中总是释放的纺织纤维碎片和留在田间的农业农用地膜碎片。然而,海滩环境中塑料垃圾的风化分解可能是次要 MPS 的主要来源。尽管它们在海洋中的体积很棘手,但次级 MPS 具有非常高的空间和时间可变性。

半结晶塑料的示意图,显示了嵌入无定形(细线)聚合物基质中的具有晶体性质的聚合物链有序片段(粗线)。

半结晶塑料在不同应变下的变形。

受到太阳紫外线促进的氧化作用后聚烯烃聚合物的变化示意图。

球形MP表面剥蚀破碎过程的示意图。左图:生产后的球形珠。中图:表面有广泛裂纹的风化珠。珠子表面有大面积裂纹。右图:部分剥离表面层的珠子。
从化妆品中提取的微塑料的特性、数量和吸附特性

Marine Pollution Bulletin Volume 99, Issues 1–2, 15 October 2015, Pages 178-185

化妆品是海洋环境中微塑料的潜在重要来源。

在这里,我们对从化妆品中提取的塑料微珠进行了表征和定量。

提取的微珠是平均直径在 164 至327 μm 之间的聚乙烯。

一次使用即可从去角质剂中释放 4594 至 94,500 个塑料微珠。

提取的微珠能够吸附 Phe [,用于合成染料和药物,三环角多环芳香族化合物,具有 Bay 区和 K 区。菲降解所涉及的代谢途径和多样性)和 DDT(二氯二苯基三氯乙烷)]。

化妆品,如面部磨砂膏,已被确定为海洋环境中微塑料的潜在重要主要来源。本研究表征、量化并研究化妆品中用作去角质剂的塑料微珠的吸附特性。从几种产品中提取聚乙烯微珠,结果表明具有较宽的尺寸范围(平均直径在 164 至 327 μm 之间)。我们估计一次使用可以释放 4594 至 94,500 个微珠。为了检查微珠积累和运输化学物质的可能性,它们暴露于 20 μ 的二元混合物中3H-菲和14海水中的 C-DDT。微珠运输吸附化学品的可能性与先前吸附研究中使用的聚乙烯 (PE) 颗粒大致相似。总之,化妆品去角质剂是海洋环境中微塑料污染的潜在重要但可预防的来源。

(A)典型的粗糙面部磨砂塑料微珠颗粒的扫描电子显微镜(SEM) (9000*放大)。(B)表面微珠形貌的SEM(16000 *放大)。(C)“产品F”中破碎的光滑球形塑料微珠的SEM (900*放大)。

塑料提供了各种廉价、轻质、坚固、耐用和耐腐蚀的产品。塑料作为材料取得了巨大的成功,它们被用于广泛的应用。这种多功能性,加上它们的低成本,使全球年产量约为 3 亿吨(欧洲塑料,2014 年)。大约 50% 的产量用于制造包装,其中大部分用于一次性应用。这造成了一个重大的废物管理问题,塑料约占英国产生的所有废物的 8-10%。

据报道,大约有 700 种海洋生物在自然环境中遇到海洋垃圾,其中塑料垃圾占其中的 90% 以上。大型塑料物品,如丢弃的渔绳和渔网,会导致无脊椎动物、鸟类、哺乳动物和海龟纠缠在一起,但海洋环境也受到更小的微塑料颗粒(NOAA 定义为 <5 毫米)的污染。这些在海面、海岸线和海床都有报道。微塑料的来源包括较大物品的碎片化(次要来源)和微塑料大小的颗粒的直接输入,例如化妆品中使用的塑料微珠和预生产颗粒(主要来源)。了解这些来源的相对重要性以及释放的微塑料颗粒的大小和丰度非常重要,因为这将影响生物群的遭遇率和可用性。

越来越多的证据表明,海水中的微塑料数量正在增加,其生态毒理学后果尚不清楚。Fendall 和 Sewell (2009) 报道了化妆品中用作“洗涤器”的微珠,他们将其描述为直径达 500 μm,被释放到自然环境中并可能被生物体利用。据报道,多种海洋生物都摄入了微塑料,包括沉积物和悬浮食性动物、甲壳类动物、鱼类、海洋哺乳动物和海鸟。然而,吸附到塑料上或掺入塑料中的化学物质在多大程度上可以从塑料颗粒中解吸并转移到海洋生物的组织中,目前尚不清楚。最近的实验试验为塑料在化学物质转移中的作用以及随后的不良生理影响提供了证据,但基于生物积累模型的研究得出结论,与其他途径相比,污染物在摄入后从塑料转移到海洋生物的重要性有限。

塑料微粒已被用于替代化妆品中的天然去角质材料(例如,浮石、燕麦片、杏子或核桃壳),并已报道存在于各种产品中,如洗手液、肥皂、牙膏、剃须泡沫、泡泡浴、防晒霜、洗发水和面部磨砂膏。

工业界使用术语“微珠”来描述作为个人护理和化妆品成分存在的微塑料颗粒;它们也可以被称为微球、纳米球、塑料颗粒(UNEP,2015)。化妆品中使用的“微珠”中约有 93% 是聚乙烯 (PE),但它们也可以由聚丙烯 (PP)、对苯二甲酸乙酯 (PET)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 和尼龙制成。微珠可能会被运送到废水处理厂,其中一些将被捕获在氧化池或污水污泥中。然而,由于它们的体积小,预计很大一部分将通过过滤系统进入水生环境。

Leslie 等人(2013 年)检查了排入北海、Oude Maas (马斯)河或北海运河的废水处理厂,并报告说处理后的污水平均含有 52 块微塑料/L。Eriksen 等人(2013 年)还报告了美国劳伦森五大湖地表水中大量多色微塑料球,这些微塑料球疑似来自消费品。这提供了证据,证明微塑料并非全部被捕获在污水处理厂的污水污泥中,并且引起了广泛的关注,因为污水处理场处理过的污水被排放到一系列水体中,包括内陆水域、河口和海洋(DEFRA,2002 年)。

Gouin 等人(2011 年)估计,根据个人护理产品中使用的 PE 微塑料珠的使用情况,美国人口用于个人护理产品的人均微塑料消费量约为每人 2.4 毫克^−1每 d^−1,表明美国人口每年可能排放约 263 吨^−1的 PE 微塑料。从这个角度来看,就其对海洋垃圾的贡献而言,这个年量大约相当于估计在北大西洋亚热带环流中积累的塑料总质量的 25%。

面部磨砂膏是一种含有微塑料作为去角质剂的化妆品。因此,此类产品可能会对海洋环境造成微塑料污染。尽管担心含有微珠的产品可能成为环境微塑料的主要来源,但只有一项研究测量了面部磨砂膏中的微塑料,并且没有同行评审的出版物确认面部磨砂膏中使用的微塑料聚合物的类型或数量。在这里,我们研究了三家公司生产的六个品牌的面部磨砂膏,并从聚合物类型、颜色、大小、重量和丰度方面描述了存在的微塑料(塑料微珠)。我们还研究了微塑料的吸附特性与持久性有机污染物菲 (Phe) 和二氯二苯基三氯乙烷 (DDT) 的运输潜力有关,并将它们与以前用于持久性有机污染物 (POP) 吸附/解吸研究的市售 PE 颗粒进行了比较。

Phe 菲Phenanthrene暴露和暴露监测

路线和途径:菲存在于化石燃料中,存在于不完全燃烧的产品中。大气中菲的一些已知来源是车辆排放、煤炭和石油燃烧、木材燃烧、焦炭厂、铝厂、钢铁厂、铸造厂、城市焚化炉、油页岩厂和烟草烟雾。

人体暴露:人类接触主要通过吸入烟草烟雾和其他受污染的空气,以及摄入被燃烧废水污染的食物或水。职业暴露可能通过吸入和皮肤接触发生。监测数据表明,普通人群可能通过吸入环境空气、摄入食物和饮用水以及皮肤接触这种化合物或其他含有菲的产品而接触到菲。

环境暴露:菲广泛分布在水生环境中,已在地表水、自来水、废水和干涸的湖泊沉积物中被发现。在从受污染水域收集的海鲜以及烟熏和木炭烤制的食物中也发现了它。菲天然存在于化石燃料中。在云杉针叶、树叶、草和植物中检测到菲。

慢性毒性(或暴露)

动物:菲可引起皮肤过敏,并被认为具有光毒性。它诱导了中国仓鼠细胞中的姐妹染色单体交换。现有数据不足以评估菲对实验动物的致癌性;然而,许多其他 PAH 通过口腔、吸入和皮肤暴露在实验动物中引起肿瘤。单次口服菲不会诱导大鼠乳腺肿瘤,单次皮下注射不会导致小鼠肿瘤发病率与治疗相关的增加。腹膜内或皮下注射菲的新生小鼠也没有发展为肿瘤。在小鼠的两次皮肤绘画试验中未报告皮肤肿瘤。菲还在几种小鼠皮肤起始促进试验中进行了测试。它在一项研究中作为启动子活跃,在其他四项研究中作为启动子不活跃,在一项研究中作为启动子不活跃。

人:菲被美国环境保护署归类为人类致癌性 D 类,即不属于人类致癌性。

DDT(二氯二苯基三氯乙烷)
二氯二苯基三氯乙烷 (DDT) 是有史以来使用最广泛、研究最充分的农药之一。 滴滴涕于 1945 年被引入商业用途,在人口稠密地区大量用于病媒控制,在农业中用于害虫控制。

DDT 和相关化合物《污染预防和清洁生产手册:农用化学品行业的最佳实践》 2011

二氯二苯基三氯乙烷(以下简称 DDT)是有史以来使用最广泛、研究最充分的农药之一。商业级 DDT 还含有化合物二氯二苯基二氯乙烯 (DDE) 和二氯二苯基二氯乙烷 (DDD),这两种化合物也是 DDT 的代谢物,具有相似的化学性质。(除非另有说明,否则 DDT、DDE 和 DDD 将指 分别为 p,p′-DDT、p,p′-DDE 和 p,p′-DDD。滴滴涕是一种有机氯化合物,于 1945 年被引入商业用途,在人口稠密地区大量用于病媒控制,在农业中用于害虫控制。DDT 是一种极强持久性的化合物,因为它几乎不溶于水,并且容易在脂肪组织中生物积累并在整个营养级中生物放大。到 1972 年,美国禁止使用 DDT,全球生产和使用也开始减少。尽管滴滴涕对环境有害,并可能对人类健康产生不利影响,但滴滴涕仍然会产生;事实上,全球产量实际上似乎在增加(UNEP,2008)。

1946 年,美国鱼类和野生动物管理局发表了一份报告,警告说 DDT 会对鱼类和水生无脊椎动物造成损害(USFWS,1946 年)。从那时起,大量研究表明,滴滴涕会导致鸟类蛋壳变薄和生殖损害,并对鱼类产生毒性。由于 DDT 在脂肪组织中积累,因此它有通过营养级进行生物放大的趋势,并且在鸟类中发现的浓度比鸟类摄食水中 DDT 的浓度高 1000 万倍(USFWS,2009 年)。到 1972 年,美国禁止使用 DDT,全球生产和使用也开始减少。

尽管滴滴涕(DDT)对环境有害,并可能对人类健康产生不利影响,但滴滴涕仍然会产生;事实上,全球产量实际上似乎在增加(UNEP,2008)。今天生产的大量 DDT 用作合成杀螨剂三氯杀螨醇(商品名:Kelthane)的中间体。1986 年,EPA 暂时取消了三氯杀螨醇的注册,因为最终产品中含有大量 DDT。最近一项对中国三氯杀螨醇配方的研究发现,二氯杀螨醇可能是中国 DDT 污染的重要因素,也可能是导致中国禁止技术性 DDT 二十多年后发现的 DDT 水平保持不变的原因。
在美国,DDT 仍可作为食品中的残留物被发现。DDT 浓度最高的食物来源是肉类、鱼类、家禽和乳制品。自从被禁止以来,食品中的滴滴涕残留量有所下降,但由于滴滴涕在环境中的极度持久性,预计食品中的残留量将持续几十年(美国毒物和疾病登记署,2002 年)。在 1999 年 FDA 总饮食研究中,在分析的 1,040 个项目中,有 255 个 (22%) 发现了 DDT(FDA,1999 年)。

毒代动力学

DDT 具有疏水性和亲脂性,需要有机溶剂(例如油或脂肪)作为载体。胃肠道吸收缓慢,症状需要几个小时才能出现。DDT 被肝脏微粒体酶缓慢代谢,最初将 DDT 脱氯化氢转化为 DDE,然后还原为 DDD。在一些啮齿动物(大鼠和仓鼠,但不是小鼠)中,DDT 会诱导微粒体肝酶促进新陈代谢。DDD 通过羟基化转化为酰氯中间体,然后水解转化为 2,2-双(对氯)乙酸 (DDA)。DDA 是 DDT 消除的主要途径,主要通过胆汁排泄,部分通过尿液排泄。哺乳期母亲可通过母乳排泄高达 10% 的 DDT 剂量。滴滴涕在所有组织中积累,但脂肪组织中的滴滴涕含量最高。与单独接触相比,共同暴露于 DDT 和狄氏剂会导致更多的 DDT 储存和更少的狄氏剂储存。DDE 在组织中的结合比 DDT 更强。DDT 在人类体内的半衰期为 3-6 年,是 DDE 的两倍。饥饿会调动脂肪储备,增加神经系统沉积和神经毒性作用。

污水处理厂中塑料微粒的运输和归宿

Water Research Volume 91, 15 March 2016, Pages 174-182

研究了 7 个三级植物和 1 个二级植物的废水。

现有的废水处理工艺可有效去除微塑料。

第三级污水可能不是微塑料的重要来源。

微塑料主要在撇渣和沉降过程中去除。

一些牙膏配方对污水处理厂的微塑料负荷有很大影响。

城市污水处理厂 (WWTP) 经常被怀疑是微塑料的重要点源或环境管道 。为了直接调查这些怀疑,研究了南加州 7 家三级工厂和 1 家二级工厂的污水排放。该研究还研究了这些废水处理设施的进水负荷、颗粒大小/类型、输送和去除。七家三级工厂中每家工厂的污水超过 18.9 万升,使用网孔尺寸在 400 至 45 μm 之间的组装筛子进行过滤。此外,使用 125 μm 过滤组件对三家三级工厂的 2840 万升最终流出物的表面进行了脱脂。结果表明,三级污水不是微塑料的重要来源,这些塑料污染物在撇渣和沉降处理过程中被有效去除。然而,在下游的二级工厂,平均每 114000 升最终出水中含有 1 个微粒。本研究中鉴定的大多数微塑料的特征(颜色、形状和大小)与牙膏配方中存在的蓝色聚乙烯颗粒相似。现有的处理工艺被确定为非常有效地去除进入典型城市污水处理厂的微塑料污染物。

微塑料颗粒通常小于 5 毫米,主要由聚乙烯、聚丙烯和其他聚合物制成。几十年来,随着塑料的生产和利用稳步增加,环境中微塑料的出现也同样升级,这些新污染物现在常见于河流、湖泊和海岸线. 微塑料已被证明对我们环境中的水生生物有负面影响。von Moos 等人(2012 年)报道,微塑料被蓝贻贝 Mytilus edulis 的细胞吸收,实验暴露对贻贝组织产生不利影响。Cole 等人(2013 年)发现浮游动物摄入了微塑料,浮游动物通常漂浮在盐和淡水中。多溴联苯醚 (PBDE) 是一组广泛用于电子产品的阻燃剂,被海洋两足类动物 Allorchestes Compressa 从微塑料中吸收。由于其疏水性,塑料微粒往往会吸收水性介质中的 PBDE、内分泌干扰化合物 (EDC)、药品和个人护理产品 (PPCP) 以及其他持久性有机污染物。在许多污水样本中检测到的 PBDE、EDC 和 PPCP 的浓度为万亿分之几,可以吸附并富集在微塑料颗粒 (MPP) 的表面。如果受污染的塑料残留物被鱼类、水生无脊椎动物和其他野生动物摄入,这些有毒污染物最终可能会进入生态系统的食物链。
微塑料颗粒 (MPP) 存在于许多个人护理和化妆品中,例如乳液、肥皂、面部和身体磨砂膏以及牙膏。其中许多产品在美国和世界各地每天都在使用。使用时,化妆品中的微塑料会直接排入家庭下水道冲洗;这些 MPP 和其他塑料碎片最终进入城市污水处理厂 (WWTP)。在一些已发表的报告中,污水处理厂被提及为水生系统中微塑料的潜在来源。然而,其他研究人员无法证实河流中的微塑料污染与 WWTP 之间的直接联系)。关于排放的污水是否对我们环境中微塑料的积累有重大贡献的争论已经扩大。此外,目前尚不清楚这些污染物在通过废水处理设施运输过程中的行为。了解微塑料在废水处理过程中的归宿和运输途径,对于工厂设计工程师和环境科学家来说都非常感兴趣。新发现可以帮助我们改进和改进现有的处理厂工艺,以管理或消除这类新型污染物。在这里,我们报告了关于废水处理系统中微塑料颗粒的存在以及它们在典型废水处理过程中的运输和清除的首次完整调查。

典型的三级污水处理流程。图中标示了初级、二级、三级处理过程(包括采样点、污水流向、污泥和固体流向以及三级处理末端的筛分/表面撇除位置)。

(a) 混合液中微珠的分布。(b) 牙膏中的MPPs。(c) 不含MPPs的180毫米筛网生物残渣。(d) WRP撇渣槽中的蓝色MPPs。(e) WWTP 180毫米筛网中的蓝色MPPs和生物残渣。(f) WWTP最终出水中发现的蓝色MPPs。(g) 覆盖着棕色生物膜的蓝色微塑料。(h) WWTP初级撇渣样品中的MPPs。(i) WWTP浓缩液中的MPPs。

在机洗中,纺织品中会释放聚酯和棉纤维

Environmental Science and Pollution Research Volume 24, pages 19313–19321, (2017)

微塑料在环境中广泛分布,随着产量的持续增加,它们对环境健康的影响引起了人们的关注。本研究的目的是量化从连续机洗排放到下水道的两种最常见纺织纤维的数量和质量。在第一次洗涤中,涤纶和棉纺织品释放的超细纤维的数量和质量分别在 2.1 × 10、5 至 1.3 × 10、7 和 0.12 至 0.33% w/w 的范围内变化。在连续洗涤中,释放的超细纤维量呈下降趋势。据估计,家用洗衣机的涤纶和棉超细纤维年排放量为 154,000 公斤(1.0 × 1014),芬兰(人口 5.5 × 106)为 411,000 公斤(4.9 × 1014)。由于高排放值和吸附能力,涤纶和棉超细纤维可能在水生环境中化学污染物的运输和归宿中发挥重要作用。

研究纺织品的照片。a.红色防起球羊毛衫。b.浅蓝色羊毛衫。c.蓝绿色软壳的两面。d.黑色和粉红色技术运动衫。e.蓝色棉质牛仔裤。f.红色棉质衬衫。所有纺织品都是全新的未使用过的。

图中展示了从第一次洗涤中分离出的纤维样品。a 是红色防起球羊毛衫。b 是浅蓝色羊毛衫。c 是双面天蓝色软壳。d 是黑色和粉红色技术运动衫。e 是蓝色棉质牛仔裤。f 是红色棉质衬衫。请注意,这些样品的体积并不相等。

未完待续。

下篇:

生殖免疫的核心:子宫内膜异位症和腺肌症、肌瘤等相关免疫炎症、生殖破坏、妊娠失败等相关病理生理,全文第二部分,二、反复种植失败(RIF)与子宫内膜容受性评估

(二、15)子宫重塑中的免疫细胞:它们是内分泌干扰物的靶标吗?

欢迎大家指正交流。

若光医学
医学博士,生物学博士后,教授,博士生导师。 主要从事:中西医结合妇科与生殖内分泌,不孕不育诊疗,出生缺陷产前诊断,中药药理学及新药研发。熟悉:药理学,病理生理学,分子生物学,生理学,妇产病理,超声诊断,中药药理与毒理学,药用植物与中药化学。
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