无处不在的微塑料会威胁健康吗？
无处不在的微塑料会威胁健康吗？
本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：XiaoZhi Lim，原文标题：《每年吃掉一张信用卡，无处不在的微塑料会威胁健康吗？|《自然》长文》，题图来自：unsplash
李敦柱从前每天都用微波炉加热塑料饭盒中的午饭，但自从这名环境工程师和同事们有了一项令人不安的研究发现后，他就停止这么做了——他们的研究发现，塑料饭盒会往热水里释放大量微小碎片，这些碎片被称为“微塑料”（microplastics）。“我们被吓到了。” 李敦柱说。去年10月，来自都柏林圣三一大学的李敦柱和研究人员们在报告中指出，水壶和婴儿奶瓶也会释放微塑料[1]。研究团队计算得出，家长们如果摇晃塑料奶瓶中的热水来泡制婴儿配方奶，那他们的宝宝每天可能会吞下超过一百万颗微塑料颗粒。
但李敦柱和其他科研人员并不清楚微塑料是否对人体有害。每个人都会吃进沙子、吸入灰尘，尚不清楚额外食用塑料颗粒是否会危害人体健康。“我们摄入的大部分东西都直接通过肠道从另一头出去了。” 英国埃克塞特大学生态毒理学家Tamara Galloway说。但李敦柱的措辞谨慎：“我觉得可以说，可能会有很高的潜在风险。”
从马里兰州马格西河中收集到的微塑料。来源：Will Parson/Chesapeake Bay Program
研究者已经为微塑料的潜在风险忧虑了近20年——不过研究大多集中在对海洋生物造成的危害上。普利茅斯大学海洋生态学家Richard Thompson的科研团队在英国海滩上发现了塑料微粒，随即他于2004年创造了“微塑料”这个名词，用以描述直径小于5毫米的塑料颗粒。从那之后，科学家们发现微塑料无处不在：深海中；北极雪和南极冰中；贝类、盐罐、饮用水和啤酒中；飘在空中，又或随着雨水飘落在高山和城市中。这些微小的碎片可能需要数十年甚至更长的时间才能完全降解。Galloway说， “我们近乎能肯定，几乎所有物种都暴露在一定程度的微塑料里。”
对微塑料的研究，最早集中在研究个人护理用品中发现的塑料微粒、在压模成产品之前逸出的原始塑料颗粒，以及废弃瓶子和其他大型塑料废弃物中慢慢释放出的塑料碎片。所有这些微塑料都会被冲入河流与海洋中：2015年，海洋学家估计全球水面漂浮着15万亿至51万亿个微塑料颗粒。人们随后确定了微塑料的其他来源，例如马路上的塑料碎片来自汽车轮胎，合成微纤维来自于人类的衣物。这些颗粒在海陆之间随风飘散，人们因此可能吸入或吃到任何来源的塑料。
今年3月，荷兰瓦赫宁根大学的环境科学家Albert Koelmans在报告中[2]提出，从对空气，水，盐和海鲜中微塑料的有限调查来看，儿童以及成人每人每天可能摄入数十至十万个微塑料碎片。他和同事们认为，在最坏的情况下，每人每年可能会吃掉相当于一张信用卡重量的微塑料。
监管机构正在迈出量化人们健康风险的第一步——测量暴露程度。今年7月，加利福尼亚州水资源控制委员会（加利福尼亚州环境保护局下属分支机构）将成为世界上第一个宣布量化饮用水中微塑料浓度的标准方法的监管机构，其目的旨在未来四年内对饮用水进行监测并公布报告结果。
清洁工人在南非西开普省的阿尼斯顿海滩收集塑料颗粒。
问题的另一部分是评估微塑料对人类或动物产生的影响。此事说起来容易做起来难。超过100个实验室对动物（主要是水生生物）摄入微塑料的后果进行了研究。他们发现摄入微塑料可能导致某些生物繁殖率降低或遭受生理损害。但人们很难诠释这些发现：由于微塑料具有多种形状，大小与化学成分，许多研究中使用的塑料材料与环境中发现的塑料相当不同。
研究人员们最为担心的是尺寸最小的碎片，称作“纳米塑料”（nanoplastics）——小于1微米（参见“微塑料尺度”）。有些纳米塑料有可能进入细胞，从而破坏细胞活性。但是大部分纳米塑料颗粒由于其颗粒实在太小，导致科学家们无法对其进行识别。因而这些颗粒并未计入Koelmans的饮食评估中，加利福尼亚州也不会对其进行监测。
来源: S. Primpke et al. Appl. Spectrosc. 74, 1012–1047 (2020).
目前清楚的是：形势只会更加严峻。目前全球每年生产近4亿吨塑料，预计到2050年，产量还将增加一倍以上。即便明天全球所有的塑料生产都奇迹般地停止，现存垃圾填埋场中和环境中的塑料（估计约为50亿吨）仍将继续降解成无法收集或清理的微小碎片，从而不断增加微塑料的数量。Koelmans称之为“塑料定时炸弹”。
他说：“如果你问我这有多大风险，我现在倒不怎么害怕。但是如果我们什么都不做，未来着实令人担忧。”
危害方式
关于“塑料碎片可能有害”有几种理论说法。其中一种说法是：如果微塑料小到可以进入细胞或组织，那么它们可能作为外来物刺激人体——就像细长的石棉纤维会引发肺组织发炎，从而导致癌症。与之类似的还有空气污染：发电厂，汽车尾气和森林大火产生的烟尘颗粒称为PM10和PM2.5——颗粒物的粒径分别约10微米和2.5微米。这些颗粒会沉积在呼吸道和肺中，高浓度的颗粒物沉积则会损害呼吸系统。不过Koelmans指出，PM10的浓度含量比空气中的微塑料浓度高数千倍。
较大的微塑料更有可能对人体产生危害，例如通过化学毒性。塑料制造商在生产塑料时添加了诸如增塑剂，稳定剂和色素之类的化合物。而其中许多物质都是有害的，例如，紊乱内分泌（激素）系统。但是，摄入微塑料是否会显著增加人们暴露于化学物的风险，取决于微塑料脱离塑料碎片的速度以及塑料碎片在人体内的停留时间——研究人员才刚开始研究这些因素。
在旧金山湾区收集的微塑料，为研究目的而打上标记。来源：Cole Brookson
另一种理论是环境中的微塑料可能会吸引化学污染物，而动物通过食用被污染的塑料碎片，间接摄取了化学污染物。但是与塑料碎片相比，动物更有可能会从食物和水中摄取污染物；另外，吞食未被污染的塑料碎片甚至可能有助于清除动物肠道中的污染物。美国国家标准与技术研究院的海洋生物学家Jennifer Lynch说，研究人员目前就微塑料携带污染物是否是一个重大问题尚无定论。
最简单的危害方式——至少对海洋生物而言——也许是动物因为吞食了没有营养价值的塑料碎片，导致没有摄取足够多的食物。Lynch同样也是夏威夷太平洋大学海洋废弃物研究中心的负责人，她对海滩上发现的海龟尸体进行了解剖，并检测了其肠道中的塑料以及组织中的化学物质。2020年，她带领的团队对9只3周龄以下的幼龟进行塑料检测分析。结果显示其中一只幼龟只有9厘米长，但消化道中却有42块塑料，其中大部分是微塑料。
Lynch说：“我们不认为它们中哪只是直接死于塑料。”但她认为幼龟因食用了塑料而无法按照所需的速度快速生长。“这个阶段对那些小家伙来说非常凶险。”她说。
一只刚孵化的夏威夷玳瑁海龟，旁边是它胃中的微塑料颗粒。来源：Jennifer Lynch
对海洋影响的研究
人们在微塑料对海洋生物的危害风险方面做的研究工作最多。英国普利茅斯海洋实验室的海洋生物学家Penelope Lindeque指出，在最小的海洋生物中，浮游动物在微塑料存在的环境下生长速度较慢，繁殖较不成功：它们的卵会更小、更不易孵化 。她的实验结果表明，由于浮游动物没有摄入足够多的食物，从而导致繁殖出现问题[3]。
但由于生态毒理学家进行研究实验时，尚未弄清水体环境中存在哪些微塑料，所以他们的实验只能采用人造材料，通常使用较小尺寸的聚苯乙烯球，且浓度远高于调查结果（参见“微塑料分类”）。
来源：《自然》分析
通过使用纤维状或片状塑料，而非球状塑料，科学家们开始采用更符合现实环境的实验条件。一些科学家已经开始使用仿生物膜的化学物质涂覆测试材料，这似乎会让动物更容易吃下微塑料。
纤维状塑料似乎是一个特殊的问题。Lindeque说，与球状塑料相比，纤维状塑料在浮游动物体内停留的时间更长。2017年，澳大利亚研究人员在报告指出，暴露于纤维状微塑料风险中的浮游动物产下的幼体数量只有正常的一半，且成年后体型较小。研究人员发现纤维状微塑料虽然未被摄入，但是它们干扰了浮游动物的游动，另外人们还发现了生物体内的变形[4]。2019年的另一项研究[5]指出，暴露于纤维状微塑料风险中的成年蝉蟹（Emerita Analoga）的寿命相对较短。
红色的纤维状微塑料缠绕着一种浮游动物，Temora copepod。来源：Plymouth Marine Laboratory
大多数的实验室研究将生物体暴露于某种特定尺寸、聚合物和形状的微塑料中。但是，Koelmans说，自然环境中的生物体是暴露于混合物的。2019年，他和他的博士生Merel Kooi根据11份海洋，河流和沉积物的调查报告结果，绘制了微塑料的丰度，从而建立起水生环境微塑料混合物的模型。
去年，他俩和同事一起在计算机模拟中使用该模型，用来预测鱼类摄入足够小的塑料微粒的频率，以及食用过多微塑料影响生长的可能性。研究人员发现，在目前的微塑性污染水平下，1.5％的调查地点的鱼类会面临以上风险[6]。但是Koelmans说，热点地区的风险可能会更高，如深海地区。微塑料一旦到达深海，通常被埋在沉积物中，不会再漂到其他地方，而且也没法清理。
海洋已经压力重重，与微塑料通过生物链传递到人类相比， Lindeque更担心微塑料会进一步耗尽浮游生物种群。“浮游生物是海洋食物网的基础，如果浮游生物消失，它对鱼类资源的影响，对全世界人口粮食保障的影响将更令我们担心。”
对人类影响的研究
前沿研究人员表明，尚无公开研究结果显示塑料碎片对人体存在直接影响。目前的研究都依赖于实验室研究——让细胞或人体组织暴露于微塑料风险中；或使用动物，例如小鼠和大鼠。例如，一项研究指出[7]，摄入大量微塑料会导致小鼠小肠发炎。在另两项研究中，与对照组相比，暴露于微塑料风险中的小鼠的精子数量相对较少[8]，幼崽数量减少，体型减小[9]。一些针对人体细胞或组织的体外研究也表明存在毒性。
但是，正如微塑料对海洋影响的研究，尚不清楚实验室研究所使用的微塑料浓度是否与实际环境情况相关。大多数研究使用了聚苯乙烯球，但这无法代表人类摄入微塑料的多样性。Koelmans还指出，这些研究属于同类研究中的第一批，一旦有了确凿的证据，它们最终可能会成为异常值。目前体外研究多于动物研究，但研究人员表示，他们还不清楚怎么把固体塑料微粒对组织的影响，外推到完整动物身上可能的健康问题。
看到塑料了吗？这是一幅从美国西部的国家公园和荒野地区取样得到的颗粒的毫米级放大图像，灰尘、沉积物、微塑料纤维和小球混杂在一起。来源：Janice Brahney, Utah State University
关于风险还有一个问题是，微塑料是否可能会停留在人体中，并在某些组织中积累。针对小鼠的研究结果表明，5微米左右的微塑料可以停留在肠中或到达肝脏。通过分析小鼠排泄微塑料速度的有限数据，并假设只有一小部分1微米~10微米大小的颗粒能够通过肠道吸收至体内，Koelmans及其同事估计，一个人一生可能会在体内积聚数千个微塑料颗粒[2]。
一些科学家已经开始着手研究在人体组织中是否可以找到微塑料。 去年12月，一个科研团队在一项对六个胎盘进行微塑料测量的研究[10]中首次对此进行了记录。研究人员使用化学物质分解了组织，检查了剩余部分，最后在其中4个胎盘中找到了12个微塑料颗粒。然而，亚利桑那州立大学环境健康工程师Rolf Halden说，虽然他高度赞扬研究人员在实验过程中为避免样本污染所做的努力——包括保证分娩病房没有塑料物品，并通过样本分析表明，采集的空白材料对照组未受到污染——但是他仍指出，这些塑料碎片仍有可能来自收集或分析胎盘样本时受到了污染。他说：“要确切证明某微塑料颗粒来源于某一人体组织，这会一直很困难。”
李敦柱说，如果担心自己暴露于微塑料风险的话，人们有办法去减少微塑料。他对厨具的研究发现，塑料的释放很大程度上取决于温度——这也就是为什么他不再使用微波炉加热塑料容器中食物的原因。为了减少婴儿奶瓶中微塑料的数量，他的团队建议家长们可以使用在非塑料水壶中煮开放凉的水冲洗消毒过的奶瓶，从而冲去消毒过程中产生的微塑料。另外，家长们还可以使用玻璃容器泡制婴儿配方奶，待冷却后再装入奶瓶。该小组目前正在招募志愿者父母，为研究提供婴儿尿液和粪便样本，以进行进一步微塑料分析。
纳米级别的微塑料
Halden指出，最令人担忧的是：极微小塑料颗粒能够穿透并停留在组织甚至细胞中，这在环境采样中应更受关注。例如，一项研究[11]让怀孕的小鼠吸入极微小的颗粒，之后在胎儿的几乎每个器官中都发现了这些颗粒。 “从风险角度来看，这才是真正令人担心的点，也是我们需要更多数据的地方。”
能够进入细胞的颗粒往往小于几百纳米。法国图卢兹第三大学的分析化学家Alexandra ter Halle说，“纳米塑料”直到2018年才有正式定义，当时研究人员规定了纳米塑料的上限是1微米——这个尺寸的塑料足够微小，可以分散在水柱中，更容易让生物体摄入，而非像大型的微塑料那样在水中沉浮。
但是研究人员对纳米塑料几乎一无所知。它们是看不见，摸不着的。单是对它们进行测量就令科学家们头疼。
研究人员可以使用光学显微镜和光谱仪（通过与光的不同相互作用来区分颗粒）来测量塑料颗粒的长度，宽度以及化学组成成分，测量精度直至几微米。但是如果小于该尺度，人们就很难将塑料颗粒与非塑料颗粒（例如海洋沉积物或生物细胞）区分开。瑞士一非营利研究组织“航行和探索协会”（Sail and Explore Association）的纳米材料科学家Roman Lehner说：“这是在草垛里捞针，但是针看上去和草长得一样。”
这是对德国奥尔登堡废水处理厂的样本采用红外光谱分析生成的假彩色图像。有颜色的碎片是塑料聚合物；其他碎片包括橡胶、煤烟、沙子和植物纤维。来源：S. Primpke et al. Anal. Bioanal. Chem.410, 5131–5141 (2018).
2017年，ter Halle和同事通过分析从大西洋收集的海水，首次证明了环境样本中存在纳米塑料[12]。她从水中提取胶体固体，过滤掉大于1微米的颗粒，烧掉剩下的部分，然后使用质谱仪（将分子破碎，并按分子量对碎片进行分类）来确认残余物中存在塑料聚合物。
Halle考察期间收集到的两个已降解的塑料容器的表面。她发现最外面几百微米的塑料已经变为晶体状且有脆性；她认为，可能从这些表面脱落的纳米塑料也是这样[13]。目前，由于人们无法从环境中采集到纳米塑料，进行实验室研究的科研人员会研磨自制塑料，从而希望得到类似的颗粒。
使用自制纳米塑料有一个优势：研究人员可以通过引入标记物来追踪被测生物体内的塑料颗粒。Lehner及同事准备了纳米尺寸的荧光塑料颗粒，并将其置于由人肠内衬细胞构建的组织下[14]。结果表明，细胞的确吸收了颗粒，但没有显示出细胞毒性的迹象。
Lehner提出，解决微塑料风险的最后一个难题，是发现完整组织切片中的塑料碎片（例如通过活检）并观察其产生的病理影响。Halden说，这将“非常有意义”。但是能到达组织的塑料颗粒必须非常小，因此两位研究人员都认为，这么小的颗粒很难确定地检测出来。
收集所有这些数据会很花时间。Ter Halle与生态学家们合作，量化了野外环境中的微塑料摄入量。她说，仅分析大约800个昆虫和鱼类样本中700微米以上的塑料颗粒，就花费了数千小时。研究人员目前正在检测25微米~700微米范围内的颗粒。她说：“这困难而且乏味，得花很长时间才能出结果。” 她补充说，若要检测更小的尺寸，“工作量会指数增加。”
Alexandra ter Halle在一次海洋探险中收集到的塑料样本。来源：Vinci Sato@ Expedition 7th Continent
刻不容缓
研究人员认为，目前环境中的微塑料和纳米塑料含量很低，不至于影响人体健康。但是它们的数量会不断增加。去年9月，研究人员预测[15]，如果将每年密封在垃圾填埋场中的塑料，以及散落在陆地和海洋中的塑料的数量，预计到2040年，每年累加到现有垃圾中的塑料量将比 2016年的1.88亿吨翻一倍，达到3.8亿吨。 科学家们估计，其中约有1000万吨可能是以微塑料的形式存在的——该计算还不包括不断地现有垃圾中因侵蚀释放出的塑料颗粒。
研究的第一作者，美国皮尤慈善信托基金会（Pew Charitable Trusts）的Winnie Lau说，有些塑料垃圾生产是可以控制的。研究人员发现，如果在2020年采用每一个行之有效的遏制塑料污染的解决方案，并尽快扩大规模——包括转型为再利用系统，采用替代材料，并回收塑料，那么到2040年，每年增加的塑料废料量可减少至1.4亿吨。
到目前为止，收益最大的会是减少一次性塑料的使用。“生产出会存在500年却只使用20分钟的东西是毫无意义的。” Galloway说，“这是一种完全不可持续的生活方式。”
参考文献：
1. Li, D. et al. Nature Food 1, 746–754 (2020).
2. Nor, N. H. M., Kooi, M., Diepens, N. J. & Koelmans, A. A. Environ. Sci. Technol. 55, 5084–5096 (2021).
3.Botterell, Z. L. R. et al. Environ. Pollut. 245, 98–110 (2018).
4. Ziajahromi, S., Kumar A., Neale, P. A. & Leusch, F. D. L. Environ. Sci. Technol. 51, 13397–13406 (2017).
5. Horn, D. A., Granek, E. F & Steele, C. L. Limnol. Oceanogr. Lett. 5, 74–83 (2019).
6. Koelmans, A. A., Redondo-Hasselerharm, P. E., Nor, N. H. M. & Kooi, M. Environ. Sci. Technol. 54, 12307–12315 (2020).
7. Li, B. et al. Chemosphere 244, 125492 (2020).
8. Jin, H. et al. J. Hazard. Mater. 401, 123430 (2021).
9. Park, E.-J. et al. Toxicol. Lett. 324, 75–85 (2020).
10. Ragusa, A. et al. Environ. Int. 146, 106274 (2021).
11. Fournier, S. B. et al. Part. Fibre Toxicol. 17, 55 (2020).
12. Ter Halle, A. et al. Environ. Sci. Technol. 51, 13689–13697 (2017).
13. Rowenczyk, L. et al. Environ. Sci. Technol. 54, 4102–4109 (2020).
14. Caldwell, J. et al. Environ. Sci. Nano 8, 502–513 (2021).
15. Lau, W. W. Y. et al. Science 369, 1455–1461 (2020).
原文以Microplastics are everywhere — but are they harmful?标题发表在2021年5月4日的《自然》的新闻特写版块上
本文来自微信公众号：Nature Portfolio（ID：nature-portfolio），作者：XiaoZhi Lim