市政环卫工人接触邻苯二甲酸酯的职业风险及其对身体的系统性影响：基于人体生物监测和网络分析的方法

《Environmental Pollution》：Occupational exposure to phthalate esters and systemic clinical changes in municipal sanitation workers: Human biomonitoring and network analysis approach

微塑料慢性暴露通过矿物化破坏、炎症和基因调控紊乱损害鲻鱼幼体骨骼发育，剂量依赖性行为改变与骨结构异常相关。

　　

刘闯|袁阳|廖娟莉|王正路

摘要

聚苯乙烯微塑料（PS MPs）是普遍存在的海洋污染物，已证实其对水生生物具有毒性。然而，它们对脊椎动物骨骼发育的影响，尤其是在鱼类中的影响，仍知之甚少。本研究探讨了长期（28天）暴露于PS MPs（直径7.3微米；浓度分别为0、0.2、2、20毫克/升）对海洋米鱼（Oryzias melastigma）骨骼发育的影响。荧光成像和组织学分析证实PS MPs主要在肠道和鳃中积累。行为分析显示，低剂量下初期表现为过度活跃，随后出现活动减弱；高剂量下则出现脊椎异常、骨体积/表面积减少以及矿化作用受损，而低剂量则促进骨骼形成。扫描电子显微镜结合能量分散X射线光谱和傅里叶变换红外光谱分析发现矿化过程受阻、钙磷比降低以及胶原/矿物质基质组成改变。基因表达分析表明成骨相关（Runx2、Sp7、Bmp4、AcvR1b）、破骨细胞相关（Ctsk）和形态发生相关（Shh）通路出现紊乱。这些多尺度研究结果表明，PS MPs通过干扰矿化过程、改变基质结构和引发炎症来损害骨骼发育。观察到的非单调剂量反应揭示了复杂的慢性毒性机制，对海洋鱼类种群构成了显著生态风险。

引言

微塑料（MPs，直径<5毫米）是源自塑料碎裂的普遍环境污染物。水生环境中常见的微塑料包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）（Thompson和Courtene-Jones，2024年）。PS MPs主要来源于包装和消费品，具有较高的生物毒性，并会在水生生物体内积累，干扰包括胚胎发育和器官功能在内的生理过程（Siddiqui等人，2023年）。

微塑料可以通过食物链传递，并在脊椎动物体内产生累积效应。鱼类作为海洋生态系统的重要组成部分和人类食物来源，会遭受微塑料引起的肠道损伤、神经毒性和免疫功能障碍（Kim等人，2021年）。骨骼系统对支撑、运动和适应至关重要，但微塑料对鱼类骨骼发育的影响尚未得到充分研究。在鱼类幼体阶段——这一快速骨骼形成和矿化的关键时期，对营养素（如钙、磷）的需求极为敏感（Dietrich等人，2021年；Lleras-Forero等人，2020年）。微塑料的摄入可能会降低摄食效率或营养吸收，导致矿物质元素不足、骨密度下降或骨骼形成异常。此外，微塑料携带的内分泌干扰化学物质（如双酚A、邻苯二甲酸盐）可能改变关键激素（甲状腺激素、甲状旁腺激素、维生素D）的水平（La Merrill等人，2020年），从而破坏成骨细胞与破骨细胞的平衡及骨骼重塑。例如，斑马鱼幼体长期暴露于微塑料会导致骨质疏松、骨密度降低和骨骼畸形。早期骨相关基因的表达上调表明存在代偿反应，而随后表达下调则表明成骨功能逐渐受损（Tarasco等人，2022年）。这些发现凸显了微塑料对脊椎动物骨骼的潜在风险（Tarasco等人，2022年）。

最近，在人类骨骼、软骨、椎间盘和骨髓中也发现了微塑料（Lu等人，2024年；Yang等人，2025年）。有限的哺乳动物研究表明，微塑料会损害骨骼微结构、软骨内骨化以及成骨细胞/破骨细胞活性，可能是通过干扰营养代谢、内分泌紊乱或氧化应激实现的（Giannandrea等人，2024年；Pan等人，2023年；Wang等人，2019年；Zhang等人，2024年）。骨骼是一种具有层次结构的材料，具有出色的机械性能（Fratzl和Weinkamer，2007年；Reznikov等人，2014年）。在纳米尺度上，骨骼是由胶原蛋白和碳酸氢钙羟基磷灰石矿物纳米颗粒组成的复合材料。骨骼的有机基质包含胶原蛋白以及一系列非胶原蛋白蛋白和脂质（Fratzl等人，2004年）。目前尚缺乏关于微塑料如何从多尺度角度影响动物骨骼发育的深入研究。

海洋米鱼（Oryzias melastigma）是一种成熟的海洋生态毒理学模型，因为它易于在实验室中培养、世代周期短且胚胎阶段具有透明性（Kim等人，2016年）。尽管米鱼骨骼缺乏骨细胞，但最近的研究进展表明，米鱼与哺乳动物在骨骼和软骨结构以及成骨细胞、软骨细胞和破骨细胞中表达的骨骼相关基因方面具有高度保守性（Kudo，2011年；Lleras-Forero等人，2020年；Shanthanagouda等人，2014年）。这些特性使其成为研究污染物影响下骨骼发育的理想模型。本研究采用多尺度方法探讨了长期暴露于PS MPs对海洋米鱼幼体骨骼发育的影响和机制，假设PS MPs通过干扰矿化过程和骨骼形成途径来发挥作用。这项研究有助于揭示PS MPs如何影响骨骼生长和发育，并加深我们对PS MPs对鱼类种群生态风险的理解。

实验生物和材料

海洋米鱼胚胎由中国上海飞曦生物科技有限公司提供，源自健康的实验室培育群体（超过4代）。实验方案已获得机构动物护理和使用委员会的批准。PS MPs（直径7.3微米，产品中未添加任何添加剂）和荧光PS微球（约7.5微米）分别从中国东莞俊鑫塑料有限公司和中国江苏智川科技有限公司购买。

荧光PS MPs在海洋米鱼体内的吸收和生物分布

球形PS MPs（直径7.3微米；图1A、B和图S1）主要在肠道和鳃中积累（图1C）。低剂量（0.2毫克/升）下，MPs在肠道和鳃中分散分布；中等剂量（2毫克/升）导致鳃和肠道中显著积累；高剂量（20毫克/升）则形成密集的肠道聚集物（图1C）。值得注意的是，根据组织学观察，肠道中的MP直径（约7.4微米）与暴露的颗粒直径一致，且MP颗粒的积累数量随剂量增加而增加（图S2）。

讨论

本研究表明，长期暴露于PS MPs（直径7.3微米）会通过多种机制显著损害海洋米鱼的骨骼发育。观察到的双相行为反应（低剂量初期过度活跃，后期活动减弱）可能反映了最初的神经兴奋/应激状态，随后逐渐发展为神经毒性或代谢衰竭。

先前的研究表明，直径20–27微米的聚乙烯微塑料会影响斑马鱼轴向骨骼的发育。

结论

长期暴露于PS MPs会通过一系列效应损害海洋米鱼幼体的骨骼发育：包括生物积累、矿化过程受阻（钙磷比降低、基质改变）、组织病理损伤、炎症以及关键成骨细胞、破骨细胞和发育相关基因的调控紊乱。观察到的非单调剂量反应和效应的时间进程表明了慢性微塑料毒性的复杂性。

作者贡献声明

王正路：研究指导、概念构思。廖娟莉：数据整理。袁阳：初稿撰写、数据可视化、实验设计、数据整理。刘闯：初稿撰写与修订、数据可视化、验证、研究指导、资金申请、数据整理、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42206081，资助人：刘闯）的支持。