微塑料（MP）是指直徑小于5毫米的塑料顆粒，它們廣泛存在于環境中，并且對生態系統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境：一種是作為一次微塑料在生產過程中直接產生的小顆粒（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系統產生影響，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，浙江大學醫學院附屬第一醫院李蘭娟獨立通訊在Environment International在線發表題為“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，研究發現，空氣傳播的PHA微塑料引起了鼻腔微生物群的失調、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。這些發現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）已被發現對不同生物體有毒。這些微塑料通過空氣和食物進入人體，并已在腸道、肺部和胎盤中被發現。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）被認為能減少傳統塑料的環境危害，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，FA (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，FA組和FX組的肝臟均有核固縮和肝細胞腫脹，FA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組的香農指數高于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組未發現關鍵物種（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指數無變化，但Pielou指數增加（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組未發現肺部固有細菌。

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，FX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，FA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%，FNC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組發現了與Muribaculaceae相關的三種不同腸道結構固有菌（圖7C），而FX組則發現了與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、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），FA組的Dubosiella增多，FX組的Faecalibacterium增多。代謝通路變化集中在磷酸轉運系統和淀粉、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、蛋白質消化吸收和癌癥相關代謝通路增強（圖8E-F）。肝臟轉錄組分析發現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、蛋白質消化吸收和氨基酸tRNA合成，而FX組則集中在嘌呤代謝和ABC轉運蛋白（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，FX組則與甘油磷脂代謝和色氨酸代謝相關（圖9D-F）。肝臟轉錄組分析顯示，FA組的轉錄調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組代謝組和轉錄組的變化

七．相關網絡和重要的關鍵控制因子

通過構建MP組中代謝物、細菌和轉錄本的相關網絡（圖10A-10D），發現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現：

?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，肝臟轉錄組失調，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、肝臟轉錄組失調和肝毒性。

這些結果表明，可生物降解的PHA是傳統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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