微塑料相关有害有机化合物（HOCs）在人体胃肠道中的生物可利用性：聚合物特性与饮食因素的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Bioaccessibility of microplastic-associated HOCs in the human gastrointestinal tract: Role of polymer properties and dietary modulators

　　

曾文清|李博雅|卢丽佳|段卓然|王静志|李思|宋瑞萍|杨玉仪|李红娜|王洁

中国农业大学资源与环境科学学院，农田土壤污染预防与修复国家重点实验室，北京 100193，中国

摘要

微塑料（MPs）的摄入是微塑料相关疏水性有机污染物（HOCs）暴露的重要途径，然而在消化过程中可被生物利用的部分仍不明确，尤其是在考虑真实的吸收动力学和饮食成分的情况下。本文建立了一个基于生理学的体外消化模型，该模型包括胃、小肠和结肠三个阶段，并使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为吸附剂来模拟肠道壁的吸收过程。我们量化了七种多氯联苯（PCBs）在不同微塑料聚合物（HDPE、LDPE、PET、PP、PS、PVC）及不同粒径（15-300目）存在下，以及在常见食物成分（纤维素、食用油、蛋白质、淀粉）条件下的生物利用率。研究结果显示，微塑料的粒径对其生物利用率有显著影响：较小粒径的微塑料释放出的污染物更多，而最大粒径的微塑料仅释放了14.3-36.8%的污染物。橡胶状聚合物（如PE）比玻璃状聚合物（如PVC）更容易释放污染物，这是因为它们的分子链更具流动性。值得注意的是，饮食成分对这些效应也有显著影响：共存的饮食脂肪可使疏水性污染物的生物利用率降低21.0-65.7%，而蛋白质和碳水化合物则通过胶束作用略微促进了污染物的释放。这些结果表明，微塑料的载体效应受其颗粒特性和饮食环境的动态影响，为评估人类健康风险提供了关键参数。

引言

自20世纪50年代塑料被广泛使用以来，全球塑料产量在2022年已超过40亿吨[2]、[39]。因此，塑料垃圾已成为一个普遍存在的环境问题，紫外线辐射和物理磨损等作用使得塑料碎片分解为微塑料（MPs，尺寸小于5毫米），这些微塑料渗透到水生、陆地和大气环境中[13]、[3]、[31]。这种普遍的环境污染不可避免地导致人类 exposure。在各种消费品中都检测到了微塑料，包括海产品、食盐、蜂蜜和饮用水。重要的是，在人类粪便中检测到微塑料证实了饮食摄入是微塑料进入人体的主要途径[26]、[33]、[40]。虽然吸入和皮肤接触也是可能的途径，但口服途径是微塑料相关HOCs与胃肠道相互作用的关键途径。

除了微塑料本身的物理风险外，人们越来越关注微塑料作为有机污染物载体的作用。由于其高比表面积和疏水性，微塑料容易从周围环境中吸附疏水性有机污染物[29]。摄入后，化学平衡发生改变，微塑料结合的HOCs可能会在胃肠道中脱附并进入血液，可能导致累积性毒性[35]。因此，量化这些污染物的生物利用率对于准确评估人类健康风险至关重要。

然而，估计HOCs的生物利用率在方法上仍具有挑战性。尽管体内模型能够提供现实的数据，但体外消化模型可以精确控制实验条件，有助于阐明脱附机制[15]、[19]、[23]。然而，目前的体外研究往往缺乏生理真实性。许多研究仅关注单一消化阶段（例如胃液），或者没有采用“无限吸附剂”来模拟污染物在肠道壁的持续吸收过程。如果没有吸附剂，脱附可能会过早达到平衡状态，从而无法准确估计生物利用率[21]、[6]。聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为一种有前景的生物膜替代物，在这些系统中表现良好，能够模拟被动吸收过程[14]。此外，消化环境的复杂性常被忽略；饮食成分（如脂质和蛋白质）会显著改变肠道液的溶剂化能力，从而影响污染物的释放[21]。

为弥补这些知识空白，本研究建立了一个基于生理学的体外消化系统，并结合PDMS吸附剂，以准确量化微塑料中HOCs的生物利用率。研究了七种具有不同疏水性的多氯联苯（log Kow约5.6 – 7.9），这些多氯联苯来自多种聚合物类型（如PE、PS、PVC）和不同粒径（15–300目）。具体来说，我们的目标是：(1) 量化微塑料粒径和聚合物类型对PCBs脱附动力学的影响；(2) 在真实的肠道条件下，探讨共存饮食成分（纤维素、油脂、蛋白质、淀粉）对污染物生物利用率的影响。

部分摘录

化学品与微塑料

微塑料（MPs）包括低密度聚乙烯（LDPE），其颗粒被分为五个粒径等级：15、30、100、200和300目（对应的公称孔径分别为1.180、0.600、0.150、0.075和0.050毫米）。在聚合物比较实验中，使用了六种聚合物：LDPE、高密度聚乙烯（HDPE）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）（Aladdin，上海）。

PDMS无限吸附剂的评估

生物体内的细胞膜在HOCs的吸附平衡中起着关键作用[14]、[6]。引入无限吸附剂对于模拟胃肠道上皮对HOCs的持续被动吸收至关重要。在我们的系统中，PDMS吸附剂成功维持了浓度梯度，促进了PCBs从水相向PDMS表面的迁移。

结论

本研究阐明了微塑料相关PCBs在人体胃肠道中的生物利用机制，包括物理化学和生理学因素。通过使用PDMS无限吸附剂验证基于生理学的提取方法，我们证明了“载体效应”不是一个静态特性，而是一个受颗粒形态、聚合物热力学和消化环境相互作用动态调节的过程。我们的研究结果证实，微塑料的粒径对其生物利用率有重要影响。

作者贡献声明

宋瑞萍：撰写初稿并负责监督。杨玉仪：撰写并审稿编辑。王静志：数据可视化。李思：撰写并审稿编辑。曾文清：撰写初稿并负责数据可视化。李红娜：撰写并审稿编辑。王洁：撰写并审稿编辑，验证结果，负责监督和项目管理。段卓然：撰写初稿。李博雅：撰写初稿并负责数据可视化。卢丽佳：撰写初稿。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

王洁得到了国家自然科学基金（项目编号：U24A20634、42377381和U21A2038）和中国农业大学2115人才发展计划的支持。

利益冲突声明

作者声明没有财务利益冲突。