不同壳聚糖分子量对微塑料排泄的影响

《Frontiers in Nutrition》：Effect of different chitosan molecular weights on microplastic excretion

　　

引言：微塑料（MP）摄入对包括人类在内的生物体和环境构成显著健康风险。此前已确立的促进MP排泄的壳聚糖平均分子量约为800,000；然而，不同分子量壳聚糖对MP排泄及肠道环境的影响仍不明确。本研究旨在阐明不同分子量壳聚糖对MP排泄和肠道微生物群的影响。方法：以Sprague–Dawley大鼠为模型，饲喂含平均粒径50 μm MP的饮食。结果：与对照组相比，所有分子量壳聚糖组（低：83,000；中：673,000；高：1,877,000）粪便重量均增加。此外，中、高分子量壳聚糖组MP排泄率显著更高，胃肠道内MP滞留率更低。16S rRNA宏基因组分析显示，高分子量壳聚糖组Firmicutes丰度下降，Bacteroidota和Proteobacteria丰度上升，有益菌属Akkermansia和Bacteroides丰度增加。这些发现证实分子量≥673,000的壳聚糖可促进MP排泄，且壳聚糖摄入可能通过改善肠道微生物群保护肠道环境。

研究背景与立项依据：全球塑料产量持续攀升，微塑料（MP，直径<5 mm的塑料颗粒）在河流、海洋与大气中广泛分布，可经口、呼吸及皮肤接触进入人体并在肝脏、肾脏、肺、血液甚至脑中检出。口服摄入是主要暴露途径，因此促进MP快速排泄十分关键。已有研究指出分子量约800,000的蟹虾源壳聚糖可促进200 μm聚乙烯（PE）MP排泄，但不同分子量壳聚糖对50 μm级MP排泄及肠道微生物群的作用尚未明确；同时MP摄入会导致肠道屏障功能障碍、菌群失调及神经炎症相关代谢异常。为此，研究人员以Sprague–Dawley大鼠为模型，设置低（83,000）、中（673,000）、高（1,877,000）三种分子量红雪蟹源壳聚糖（脱乙酰度80.5%–88.3%），探究其对50 μm PE-MP排泄与肠道菌群的短期影响。论文发表于《Frontiers in Nutrition》。

主要关键技术方法：研究采用两项动物实验。实验一选用24只9周龄雄性Sprague–Dawley大鼠（日本SLC公司），按体重分为对照（C）及低、中、高分子量壳聚糖组（L、M、H），每组6只，饲喂含50 μm PE-MP（1.623×10⁷粒/g）的AIN-93M纯化饲料4天并禁食24小时，收集粪便与胃肠道组织，以30% H₂O₂消化粪便、10% KOH消化胃肠段，真空过滤（5 μm PTFE膜）后显微镜计数MP，计算排泄率与滞留率。实验二选用24只7周龄雄性Sprague–Dawley大鼠（CLEA Japan公司），分对照（C）、MP对照（CP）、高分子量壳聚糖（K）、高分子量壳聚糖+MP（KP）四组，干预8天，取粪便以NucleoSpin? DNA Stool试剂盒提取DNA，扩增16S rDNA V3–V4区并借Illumina NextSeq 1000测序，用QIIME 2分析相对丰度与α-多样性（Faith's PD、Shannon指数）。统计采用单因素ANOVA与Bonferroni多重比较（EZR，p<0.05）。

研究结果

3.1 实验一

3.1.1 体重与累计摄食量：各组起始体重304.2±2.3 g，干预期体重稳步增长，日均摄食17.3–17.4 g，组间无显著差异。

3.1.2 饮水量：壳聚糖组饮水量总体低于或接近对照组，低分子量组在第1–3天显著偏低，排除“饮水增多致粪重增加”假设。

3.1.3 组织重量：壳聚糖组胃肠道组织重量（每100 g体重）显著高于对照组，其他脏器无差异，提示肠腔内容物增多而非器官本身增生。

3.1.4 粪便重量：从0–24 h起高分子量组粪重显著高于对照，0–48 h起低分子量组粪重高于中分子量组；但三壳聚糖组总粪重无显著差异，说明分子量不单纯靠“扩容”起效。

3.1.5 粪便MP排泄率：0–120 h排泄率为C 52.9±3.9%、L未报显著值、M 72.4±10.5%、H 75.8±7.8%；M与H自0–24 h起即显著高于C。分子量–排泄率回归R²随观察时间从0.1934升至0.3663，呈探索性正相关。

3.1.6 胃肠道MP滞留率：C 15.3±1.4%、L 12.0±1.8%、M 8.0±1.5%、H 6.3±1.4%；M、H显著低于C，H显著低于L。经回收率校正后M+H组粪排+胃肠滞留超90%，印证MP主要限局肠腔。

3.2 实验二

3.2.1 体重与摄食：8天干预期各组体重增长相似，日均摄食17.4 g，无显著差异。

3.2.2 组织重量：KP组胃肠道重量显著高于C，与实验一趋势一致。

3.2.3 粪便重量：K与KP组自0–24 h起粪重显著高于C与CP。

3.2.4 肠道微生物群

3.2.4.1 相对丰度：门水平，CP组Verrucomicrobiota趋降、Bacteroidota趋升；K与KP组Firmicutes与Actinobacteriota明显下降，Bacteroidota与Proteobacteria上升。属水平，K与KP组Bacteroides（K由6.8%→17.5%，KP由6.1%→16.1%）与Alloprevotella（K由6.4%→12.2%，KP由5.2%→14.7%）显著升高，Romboutsia剧降（K、KP均由~10%→0.2%），Akkermansia在KP组维持~26.8%。

3.2.4.2 α-多样性：KP组Faith's PD由36.0升至41.2，其余组变化不大；Shannon指数各组前后无显著差异，表明短期干预未破坏整体多样性。

讨论与结论翻译：本研究以50 μm PE-MP饲喂大鼠5天，证明中分子量（~673,000）壳聚糖即促进MP排泄，低分子量（~83,000）无效，与既往~800,000壳聚糖结论衔接；高分子量组胃肠滞留最低。壳聚糖增粪重非因多饮水，而是肠腔内持水成凝胶并物理包裹MP，且分子量依赖的黏膜黏附/转运时间差异而非单纯扩容主导排泄差异。16S分析显示高分子量壳聚糖降低Firmicutes/Bacteroidota比，提升Akkermansia、Bacteroides等有益属，倾向正常体重相关菌群构型。结论：壳聚糖以分子量依赖方式促进50 μm PE-MP排泄（阈值≥673,000），并调节肠道微生物群组成；短期高剂量模型下MP主要限局胃肠腔，壳聚糖兼具物理促排与菌群调节双重意义，长期低剂量人体外推需后续验证。