塑膠微粒:對人體健康可能的危害

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塑膠微粒 (microplastics, PS)是普遍存在的環境污染物,人體暴露在塑膠微粒中是不可避免的。即便如此,人們對塑膠微粒對人類健康的影響知之甚少。由於產品,食品和空氣中存在塑膠微粒,因此可能由於攝入,吸入和皮膚接觸而發生接觸。在所有生物系統中,暴露於塑膠微粒可能會因攝取增加導致顆粒中毒,並伴有氧化壓力,炎症病變等。免疫系統無法去除合成顆粒可能導致慢性炎症並增加腫瘤形成的風險。此外,塑膠微粒可能會釋放其成分,吸附污染物和病原生物。

重點整理:

人類在環境中暴露於塑膠微粒。

接觸途徑包括食入,吸入和皮膚接觸。

毒性可能來自顆粒毒性,氧化壓力和炎症。

炎症可能導致腫瘤形成和顆粒移位增加。

塑膠微粒可能參與免疫功能和神經毒性的破壞。

圖1. 塑膠微粒進入人體的方式以及危害

環境中的塑膠通常源自廢棄不當的消費品,由於熱氧化過程導致緩慢退化,在較低程度上由生物降解導致材料完整性減弱,碎裂成小於 5 mm 的碎片,稱為二次塑膠微粒。當這種尺寸的塑膠顆粒被生產用於產品(如化妝品,如去角質劑或牙膏),它們被稱為塑膠微粒。海水中已經發現了塑膠微粒,濃度高達102, 000顆粒m-3,並報告污染淡水,沉積物,土壤,空氣甚至食品,如啤酒、海鹽和自來水在研究上都被發現含有塑膠微粒。

接觸路線

塑膠微粒是普遍存在的污染物。人體通過攝入含有塑膠微粒的食物、吸入空氣中的塑膠微粒以及通過產品、紡織品或灰塵中含有的這些顆粒與皮膚接觸,暴露在塑膠微粒中。

攝入

攝入被認為是人類接觸塑膠微粒的主要途徑。根據食品的消費量,塑膠微粒的估計每人一年攝入量為39,000至52,000顆粒。顆粒可能通過受污染的食物或吸入後從黏膜間隙到達胃腸道系統,可能導致炎症反應、滲透性增加以及腸道微生物組成和代謝的變化。

吸入

塑膠微粒由多種來源釋放到空氣中,包括合成紡織品、材料磨擦(如汽車輪胎、建築物)和表面塑膠微粒的懸浮物。空氣中塑膠微粒的最初測定之一是指室外濃度為0.3-1.5顆粒m-3,室內濃度為0.4-56.5顆粒m-3(聚合物的33%),包括可吸入大小。個人吸入估計為每日26至130塑膠微粒。

皮膚接觸

與塑膠微粒接觸被認為是一條不太重要的接觸途徑,儘管據推測奈米塑膠(100 nm)可以橫穿皮膚屏障。此路線更經常與暴露在塑膠的單體和添加劑,如內分泌干擾物雙酚A和鄰苯二甲酸鹽,如日常用電器。然而,奈米塑膠能夠跨越皮膚屏障並引起毒性的可能性不應在沒有證據的情況下被放棄。在醫學上,塑膠已知能誘發低炎症反應和異物反應。

塑膠微粒毒性的路徑

塑膠微粒再過去曾被視為無毒惰性顆粒,現在被視為對生物體的潛在危害,取決於暴露和易感性。塑膠微粒的高表面積可能導致氧化壓力、細胞毒性和轉移到其他組織,而它們的持續的性質限制他們從生物體中去除,導致慢性炎症,這增加了癌症的風險。另一方面,塑膠微粒作為顆粒物的一部分,也可能與免疫或神經退行性疾病的發病率增加有關。此外,塑膠微粒可能從其基質中釋放化學品或從環境中吸收,或充當危險微生物的載體。

氧化壓力和細胞毒性

抗氧化反應過多可能導致氧化壓力。塑膠微粒可能是這種氧化壓力的起源,由其高表面積、被吸附到其表面的氧化物種(如金屬)釋放或由於炎症反應期間釋放的活性氧物種。例如斑馬魚和小鼠在接觸塑膠微粒後出現氧化壓力。

細胞毒性是顆粒毒性、氧化壓力和炎症的結果。在細胞培養中,包括巨噬細胞、紅血球和大鼠血管上皮細胞中,對細胞內化進行了描述。在細胞內,塑膠微粒不受膜束縛,可能與細胞間結構相互作用。體外測試已經能夠顯示從環境中收集的塑膠微粒引起的細胞毒性。另一方面,暴露在大腦和上皮人類細胞中的PS和聚乙烯0.05-1毫克L-1不能誘導細胞溶解,但反應性氧化(ROS)增加高濃度,導致細胞毒性。此外,巨噬細胞和肺上皮細胞培養物暴露在PS(60μm)中會導致ROS和內質性視網膜壓力(由錯誤摺疊的蛋白質聚集引起),導致細胞死亡。因此,細胞毒性和氧化壓力可能是塑膠微粒毒性的重要機制。

能量平衡和新陳代謝的中斷

能源平衡受可用能源、攝入和儲備以及支出之間的平衡的影響。一些研究表明,塑膠微粒可能對能量平衡有影響。例如,塑膠微粒可能減少能量攝入,因為:(a) 餵養活動減少(如海洋蠕蟲、螃蟹和蛤類);(b)可能藉由神經毒性(如魚類)導致的掠奪性能降低;(c) 通過調節消化酶活動,消化能力不足,導致營養攝入量減少(例如澱粉酶增加和魚類肌氨辛活性減少)。另一方面,在小鼠中觀察到塑膠微粒可能具有相反的效果,增加食物攝入量,作為對增加能源需求或降低吸收效率的回應。塑膠微粒可能導致由於能源消耗增加而導致負能量平衡。在塑膠微粒的體內研究中,能耗的增加被觀察到由:(a) 能量要求炎症反應;(b) 能源成本較高,增加腸道居住時間;(c) 增加排泄機制,如氨排泄或產生糞便顆粒或糞便。事實上,在海洋蠕蟲中,能量儲備消耗了50%,小鼠的肝臟重量顯著下降的能量儲備被觀察到與塑膠微粒接觸的次要性。

塑膠微粒也可能導致代謝變化,直接或次要的影響,如負能量平衡。例如,魚和老鼠接觸塑膠微粒導致乳酸脫氫酶(LDH)增加,這是一種厭氧酶。在魚類(二惡英拉布拉克斯),45奈米聚甲基甲基丙烯酸酯顆粒誘導調節RNA的腹腔體擴散啟動受體與脂質代謝有關,可能干擾能量儲備的調動。此外,在小鼠肝臟中,它也導致ATP水準下降和脂質代謝下降。在人類中,塑膠微粒可能具有類似的效果,通過增加能量消耗,減少營養攝入或調節新陳代謝。然而,考慮到與經過測試的生物相比,人類的暴露濃度低,能量需求高,對這些影響的觀察可能有限。

塑膠微粒轉移到循環系統和遠處的組織

人體暴露在塑膠微粒後,塑膠微粒可能局部作用或遷移,導致接觸遙遠的組織。由於上皮屏障的滲透性增加,在炎症期間特別可能轉移。胃腸道黏膜也可能因營養不良和富含飽和脂肪的飲食而增加果糖滲透率(通過腸道微生物群的變化)。據報導,在吸入和攝入塑膠微粒後,大鼠中塑膠微粒的轉移到達了肝臟或脾臟等遙遠的組織。在人類中,胎盤的灌注模型顯示,240奈米PS能夠穿過胎盤屏障。塑膠微粒可引起炎症、肺高血壓、血管閉塞(鐘斯等人2003年)、可凝固性增加和血細胞毒性。事實上,在體外,PS(≤243 nm)導致紅血球的聚集和內皮黏附,而20μm和25-200 μm PP增加了溶血,並導致組織胺的釋放。塑膠微粒也可以到達肝臟和腎臟,影響生物的新陳代謝和排泄。小鼠口服帶有螢光的5和20μm PS,濃度分別為106和104,導致肝臟、腎臟和腸道的積累,並具有氧化壓力、能量平衡紊亂和神經毒性的證據。較小的顆粒(5微米)主要積聚在腸道中,而較大的顆粒在組織(20μm)中持續積累。在人類腎皮質上皮細胞中,PS(44 nm)通過內分泌和擴散內化,對細胞生存能力、新陳代謝或細胞週期進展沒有影響,但在近核區域積累,在長達90分鐘內沒有清除的跡象。腎細胞中顆粒的連續積累可能導致腎功能嚴重受損。當到達骨骼時,PE 和 PS 顆粒可能由於骨質疏鬆的活性增加而導致骨質流失。

免疫功能中斷

人體暴露在塑膠微粒後,顆粒可能會引起局部或全身免疫反應,這取決於其傳播。然而,在某些情況下(如遺傳易感性)環境暴露足以破壞免疫功能,有利於自身免疫性疾病或免疫抑制。自身免疫性疾病可能由顆粒物吸入、粒子轉移、氧化壓力、免疫調節器釋放和免疫細胞活化等機制引起,導致暴露於自身抗原和產生自身抗體。例如,接觸顆粒物似乎與全身自身免疫性風濕病和全身性紅斑狼瘡有關。另一方面,由於樹突狀細胞活化程度較低、產生IL-10(抗炎細胞因子)和抑制T-helper 2型反應在幼年接觸小鼠燃燒衍生的顆粒物后,發現了免疫抑制效果。塑膠微粒作為空氣中的顆粒物,也可能導致免疫功能的中斷,儘管這還沒有在人類身上找到。儘管如此, 貝類在接觸塑膠微粒后顯示免疫抑制和組織依賴調節免疫反應。因此,需要進一步研究塑膠微粒對免疫系統的影響。

神經毒性與神經退行性疾病發病率的上升

接觸污染物可能導致神經毒性,這與神經退行性疾病有關。在接觸顆粒物后,體內報告了神經毒性,可能是由於氧化壓力和大腦(免疫細胞)微膠質的啟動,因為直接接觸遷移的顆粒或通過循環炎性細胞因子(來自其他炎症部位)的作用,導致神經元受損。事實上,接觸交通污染,包括顆粒物,與老年人的輕度認知障礙有關,增加了老年癡呆症發展的風險,以及癡呆症發病率較高。通過同樣的機制,並取決於個體易感性,塑膠微粒可能有助於增加神經退行性疾病的發病率。事實上,在體內毒性測試中已經表明,塑膠微粒可以影響神經元功能和行為。在歐洲海鱸的大腦中,塑膠微粒被報告引起乙醯膽鹼酯酶(AChE)的抑制,氧化壓力與脂質過氧化水準的增加和能量生產的厭氧途徑增加。在同一物種中,接觸塑膠微粒已證明會影響游泳性能,這是一種行為指標。據報導,接觸PS也會對小鼠的神經傳遞,如AChE活性增加和血清神經遞質變化。在使用神經細胞類型的體外研究中,40-70奈米PS奈米球也能夠誘導代謝活性的毒性和變化,依賴於細胞類型和濃度,由於生物活性化合物的聚集和存在,PS長期儲存後毒性增加。由於在測試生物體或細胞中的塑膠微粒時,以及由於人類接觸微量物質時存在神經毒性的證據,因此有必要瞭解塑膠微粒如何可能與人類的神經毒性有關,從而增加神經退行性疾病發展的風險。

塑膠微粒作為微生物和潛在有毒化學品的載體

除了顆粒毒性外,塑膠微粒還可能帶來化學和生物風險。單體和添加劑可能從生物體內的塑膠微粒中滲出,使組織暴露在鄰苯二甲酸鹽和雙酚A等化學物質中,這些化學物質被稱為內分泌干擾物,即使在極低濃度下也干擾內源性激素。除了其成分外,塑膠微粒的高表面積使得它們容易成為它們接觸的微生物或化學物質的載體。例如,在從環境中回收的塑膠微粒中發現了持久性有機污染物(POP),包括多環芳烴(PAHs)和多氯聯苯(多氯聯苯)。攝入時,塑膠微粒可能使生物體暴露在這些潛在有毒化學物質的濃度較高,甚至增強其毒性。

然而,應進一步探討從塑膠和塑膠微粒遷移的單體、添加劑和降解產品對人類健康的影響。微生物也可能殖民塑膠微粒的表面,包括弧菌。在這種情況下,塑膠微粒可以充當載體,將微生物輸送到組織,保護它們免受免疫系統的傷害,並造成可能有利於感染的組織損傷。此外,塑膠微粒改變並增加了土壤生物體(Folsomia candida)腸道微生物群的多樣性。攝入大量塑膠微粒後,人類也會產生同樣的效果。腸道微生物群的改變可能導致不良反應,如有害物種的增殖、腸道滲透率以及提高內毒性。然而,從吸收到塑膠微粒的化學物質或微生物的釋放產生的負面影響將在很大程度上取決於與攝入顆粒相關的類型、載體塑膠微粒的清除時間和遷移、污染物的釋放率和程度,以及其在人體組織中的轉移和有害影響。

人類健康塑膠微粒研究的未來方向

儘管目前沒有證據表明塑膠微粒對人類健康存在廣泛風險,但有必要了解人類暴露在內,特別是對較小的塑膠微粒(+10 μm)的暴露。聚苯乙烯行為模型導致估計人類閾值濃度在5.1至53.3毫克-1的體重範圍內,對應估計最低人類接觸誘導作用最敏感的生物標誌物超過7.7克,考慮到人類肝臟的平均值,約357克,考慮到成人平均(70公斤),不太可能發生。其他報告也支援這一結論,其中對攝入塑膠微粒與其他(更豐富的)添加劑和污染物的環境暴露進行了透視,並根據目前缺乏風險評估資訊說明進一步研究的必要性。塑膠微粒毒理學的複雜性、它們與其他污染物(如金屬)的相互作用,或將其健康影響納入其他污染物類別(如顆粒物),也限制了風險評估。此外,毒理學檢測中使用的塑膠在表面特性、風化和吸收化學品和生物體方面往往與環境對應物大相徑庭,導致結論不準確。因此,必須進一步探討塑膠微粒對公眾健康的風險,包括不僅檢測與環境有關的濃度,而且測試與環境有關的塑膠微粒特性。

人類通過吸入、攝入和皮膚接觸接觸塑膠微粒,可能導致慢性炎症性病變人類接觸塑膠微粒可以通過估計來確定,例如為吸入而提供的估計和塑膠微粒的攝入。通過典型的診斷程式,可以更精確地確定人類暴露。胃腸道暴露可以通過分析糞便樣本來確定,而支氣管可能提供有關呼吸系統的資訊。活檢、從屍檢中獲得的組織和血液可用於塑膠微粒的組織學測定。然而,仍然需要開發識別這些樣本中的塑膠的方法,可能涉及組織消化或組織部分的染色。這些方法總是受到組織可用性以及樣品的潛在污染(如在醫學中廣泛使用塑膠材料)的限制。塑膠微粒對人體健康的影響可能由動物模型(如小鼠或大鼠)的研究決定,或者通過細胞培養的研究來決定,同時也考慮不同的終點。可能嘗試與負面結果接觸有關的觀察性研究,但可能需要大量樣本和仔細考慮共同創始人的影響。

結論

塑膠消費的不斷增加,加上其持久性,正導致人類越來越多地接觸塑膠微粒。在高濃度或高個體易感性條件下,塑膠微粒可能導致炎症性病變,其根源來自其表面與組織相互作用的潛力。神經退行性疾病、免疫性疾病和癌症發病率的增加也可能與接觸環境污染物(包括塑膠微粒)增加有關。然而,關於環境接觸塑膠微粒對人類健康的影響的知識有限,導致高度的不確定性,即使在適用預防原則時也不應危言聳聽。隨著這些合成材料在我們的環境中的預計增加,需要更多的研究來充分瞭解塑膠微粒對人類健康的風險,需要瞭解人類的暴露、發病機率和影響。

懶人包

雖然有眾多動物實驗,特別是在海洋魚類上以及小鼠都表示出塑膠微粒可能的危害,但在人類研究上並沒有明顯的證據證明塑膠微粒會對人體造成明顯的傷害。其原因在於每天吸入的塑膠微粒量過少,塑膠微粒性質不同造成傷害的原因過於複雜,並且需要長期累積觀察實驗,因此難以證明對人類確切的危害。

Environmental exposure to microplastics: An overview on possible human health effects

參考文獻

Prata, J. C., da Costa, J. P., Lopes, I., Duarte, A. C., & Rocha-Santos, T. (2020). Environmental exposure to microplastics: An overview on possible human health effects. Science of the Total Environment702, 134455.

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