《Food Research International》：Exposure to PET micro- and nanoplastics induces size-dependent interactions and microbial biotransformation in a human gut model
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塑料污染已成为一项重大的环境挑战，且与人类健康的相关性日益增加，这主要归因于塑料来源的微塑料和纳米塑料（MPs和NPs；统称MNPs）的普遍存在，以及人类暴露程度和相关生物学效应仍存在不确定性。在众多暴露途径中，经口摄入被认为与普通人群尤为相关，
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塑料污染已成为一项重大的环境挑战，且与人类健康的相关性日益增加，这主要归因于塑料来源的微塑料和纳米塑料（MPs和NPs；统称MNPs）的普遍存在，以及人类暴露程度和相关生物学效应仍存在不确定性。在众多暴露途径中，经口摄入被认为与普通人群尤为相关，因为MNPs已在食物链和食品接触材料中被广泛检出。然而，将这些证据转化为现实的人类风险评估仍具挑战性，部分原因在于许多实验研究采用了简化的颗粒替代物、不切实际的高剂量，或无法再现关键胃肠道特征（如消化驱动的转化和微生物互作）的生物学模型。
胃肠道是抵御摄入MNPs的第一道主要生物学屏障。大部分颗粒预计将穿过肠腔并随粪便排出。与此同时，关于较小颗粒穿越生物屏障、进入体循环并在组织中蓄积的担忧持续存在。先进的体外消化和肠道发酵模型已成为在受控条件下模拟胃肠道环境、同时捕捉微生物群落动态和代谢产物产生的有价值工具。MNPs可能通过与肠道菌群相互作用对宿主生理产生间接影响，肠道菌群既是暴露的靶标，也是暴露的介导者。
在膳食基质中检出的聚合物中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其在食品包装中的广泛使用以及在瓶装水、饮料、海产品等人类消费品中的明确存在而备受关注。PET也是健康个体和胃肠疾病患者粪便中最丰富的聚合物之一。尽管其重要性显著，但关于PET颗粒在消化过程中的行为和转化、其与肠道菌群的相互作用方式，以及何种理化性质（尤其是颗粒尺寸）调控这些过程，仍存在关键不确定性。
颗粒尺寸被认为是决定MNP命运和生物学效应的关键因素。虽然微塑料（<5 mm）在环境和食品基质中被广泛报道，但纳米塑料（<1 μm）仍难以检测和表征，限制了对其暴露、流行率和健康影响的理解。从生物学角度看，较小颗粒可能表现出更高的表面反应性和更强的与黏膜表面及宿主细胞相互作用的潜力，且相比较大MPs更易穿越上皮屏障。
研究人员近期揭示了PET MPs可调节微生物组成和代谢，可能影响肠道生态和屏障相关结局。然而，塑料纳米颗粒在此类实验框架中的证据仍然缺失。除对微生物组的影响外，一个在很大程度上尚未探索的问题是：人体肠道菌群是否能在胃肠道样条件下促进塑料生物转化。能够启动PET解聚的酶系统已在环境细菌中被描述，PET生物降解途径在工程菌或纯培养环境中已被表征。最近的宏基因组挖掘已在人类相关微生物组（包括唾液和肠道）中鉴定出与塑料降解酶相关的基因，提示对慢性MNP暴露可能存在适应性功能响应。然而，这种预测的潜力是否能在复杂肠道基质中、在生理相关的胃肠道条件下转化为可测量的生化活性，仍然未知。
在本研究中，以PET作为模型聚合物（因其广泛的食物相关暴露），研究人员研究了不同尺寸的PET颗粒——微塑料、微纳米塑料和纳米塑料——在与现实摄入场景相符的暴露水平下如何影响人类结肠菌群。采用来自三位健康供体的粪便菌群进行了模拟胃肠道消化和静态结肠发酵实验。除分析微生物群落变化和发酵产物外，研究人员还评估了消化过程中的尺寸依赖性理化变化，并利用互补方法（包括功能预测和靶向UHPLC-MS/MS检测PET降解途径关键中间体）探索了PET微生物生物转化的潜力。总体而言，这一综合方法为评估PET MNPs对肠道生态系统的尺寸依赖性效应以及确定PET是否能在结肠发酵过程中发生转化，提供了一个生理学信息丰富的框架。
论文解读
一、研究背景与科学问题
塑料污染已成为全球性环境挑战，其对人类健康的潜在影响日益受到关注。微塑料（MPs，尺寸<5 mm）和纳米塑料（NPs，尺寸<1 μm）统称MNPs，广泛存在于食物链和食品接触材料中，经口摄入被认为是普通人群最主要的暴露途径。然而，现有研究多采用简化的颗粒替代物、超生理剂量的暴露水平，或无法再现消化驱动转化和微生物互作等关键胃肠道特征的生物学模型，导致人类风险评估面临重大挑战。
胃肠道是抵御摄入MNPs的第一道生物学屏障。大部分颗粒预计经肠道随粪便排出，但较小颗粒可能穿越生物屏障进入体循环并在组织中蓄积。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET，一种广泛用于食品包装的聚酯材料）是人体粪便中最常检出的聚合物之一，与日常饮食消费场景密切相关。尽管已有研究提示PET MPs可调节肠道微生物组成和代谢，但纳米塑料在肠道模型中的效应证据仍然缺乏。此外，人体肠道菌群是否能在胃肠道条件下促进PET生物转化，仍是一个尚未解答的关键科学问题。颗粒尺寸被认为是决定MNP命运和生物学效应的关键因素，但尺寸如何调控PET颗粒在消化过程中的行为、与肠道菌群的互作方式以及潜在生物转化，仍不明确。
二、研究设计与主要结论
针对上述问题，研究人员以PET为模型聚合物，采用来自欧盟PlasticsFatE项目（Grant Agreement No. 965367）的三种标准化测试材料——PET微塑料（MPs，D50为160±100 μm，不规则形）、PET微纳米塑料（MNPs，尺寸范围50-2000 nm，不规则形）和PET纳米塑料（NPs，D50为89.9±1.6 nm，球形），在基于估算每日人类摄入量（3.2 mg/次摄入）的现实暴露水平下，结合INFOGEST标准化体外胃肠道消化模型和静态结肠发酵模型，利用三位健康供体（1女2男，年龄25-30岁，BMI正常，近6个月无抗生素使用史）的粪便菌群，系统研究了不同尺寸PET颗粒对结肠菌群的影响及其生物转化潜力。
研究得出以下核心结论：颗粒尺寸是驱动肠道菌群和代谢响应的关键因素；纳米塑料比微塑料表现出更强的功能效应；在肠道相关条件下存在菌群驱动的PET生物转化证据。该研究为评估饮食相关PET MNPs暴露的人体健康风险提供了生理学信息丰富的综合框架。
三、关键技术方法
研究人员采用了以下主要技术方法：场发射扫描电子显微镜（FESEM，用于观察颗粒表面形态变化）和显微共聚焦拉曼光谱（用于评估消化过程中PET结晶度变化）；体外模拟胃肠道消化（INFOGEST标准化方案，包括口腔、胃、肠道三阶段）结合静态结肠发酵模型（厌氧条件，pH 6.8，37°C，48小时）；16S rRNA基因V3-V4区Illumina MiSeq高通量测序结合DADA2流程进行微生物群落分析，Tax4Fun2进行功能预测；气相色谱-火焰离子化检测（GC-FID）定量短链脂肪酸（SCFAs，肠道菌群发酵的主要代谢产物）；靶向超高效液相色谱-串联质谱（UHPLC-MS/MS）结合3-硝基苯肼（3-NPH，一种用于羧酸类化合物衍生化的试剂）衍生化检测PET降解中间体；以及Caco-2人肠道上皮细胞模型评估细胞毒性和促炎细胞因子。
四、研究结果
胃肠道消化和结肠发酵对PET表面和结构的影响： FESEM观察显示，原始PET MPs表面相对光滑，具有脆性聚合物典型的断裂纹路；经胃肠道消化后表面覆盖异质层（蛋白冠），但未见明显侵蚀；结肠发酵后表面粗糙度增加，出现裂隙和结构不连续，并观察到微生物细胞黏附形成生物膜样结构。拉曼光谱显示，微米级PET在消化后结晶度显著增加（1094/1118 cm-1和1186/1176 cm-1峰强度比升高、羰基峰半高宽收窄），提示外层无定形区域优先降解；纳米PET因原始结晶度低且表面粗糙，消化后呈进一步无定形化趋势。
PET暴露对结肠菌群的影响： 平板计数和qPCR结果均显示菌群响应强烈依赖于供体基线组成。16S rRNA基因测序显示，α多样性变化呈供体和颗粒尺寸依赖性。在门水平，PET暴露诱导中等但明显的组成偏移，如志愿者1中PET NPs导致Pseudomonadota减少和Bacillota增加，志愿者2中所有PET尺寸均促进Thermodesulfobacteriota在24小时增加。在属水平，跨供体出现趋同趋势，包括Fusobacterium（尤其对MNPs和NPs）的反复增加，以及Bacteroides、Enterocloster和Lachnoclostridium的尺寸依赖性调节。在种水平，观察到Bilophila wadsworthia减少、Bifidobacterium bifidum和Phascolarctobacterium faecium增加等变化。主成分分析（PCA，一种降维统计方法）清晰区分了不同PET尺寸处理下的菌群响应模式。
对结肠菌群发酵活性的影响： SCFAs分析显示，志愿者1在24小时所有PET尺寸均降低乙酸和丁酸，但48小时PET NPs反而增加丙酸、丁酸、异丁酸和异戊酸；志愿者2在48小时PET NPs降低乙酸、丙酸、丁酸和总SCFAs；志愿者3响应有限。铵离子（NH?+，反映蛋白水解代谢活性）产生呈供体和尺寸依赖性增加，尤其与纳米塑料相关，提示蛋白分解代谢增强。
细胞响应： Caco-2细胞活力检测和IL-6、IL-8细胞因子测定显示，无论颗粒尺寸和消化状态如何，均未观察到显著细胞毒性或促炎反应，表明短期暴露条件下PET颗粒未产生可检测的肠道上皮毒性。
PET生物转化证据： Tax4Fun2功能预测显示存在PETase（EC 3.1.1.101，催化PET初始水解的酶）和MHETase（EC 3.1.1.102，催化MHET进一步水解的酶）的预测丰度，且纳米塑料暴露下预测丰度增加。靶向UHPLC-MS/MS检测显示，在PET NPs和MNPs暴露样品中一致检出MHET（PET降解的第一阶段中间产物），TPA（对苯二甲酸）和PCA（原儿茶酸）虽未达统计学显著累积，但在PET暴露样品中呈现可重复的升高趋势（q<0.1）。
五、讨论与结论
讨论部分指出，肠道菌群对塑料颗粒的响应高度个性化，与既往研究一致。PET暴露与Fusobacterium、Escherichia/Shigella和Bacteroides等常与肠道功能紊乱相关的属增加，以及Bifidobacterium和Lachnospiraceae等有益菌减少相关，提示向不利微生物构型的转变。颗粒尺寸的差异效应可能源于不同作用机制：较大微塑料可作为微生物定植和生物膜形成的底物，通过创造空间生态位影响多种菌群；纳米塑料因尺寸小于细菌细胞，更可能通过与细菌细胞包膜和胞外聚合物直接相互作用，引起膜扰动和氧化应激。SCFAs的变化可能反映菌群将PET衍生底物部分纳入能量代谢的适应性响应。铵离子增加与糖分解菌减少一致，提示蛋白分解代谢增强。
研究结论为：在现实相关暴露水平下，PET颗粒的尺寸是决定肠道菌群和代谢响应的关键因素，纳米塑料比微塑料表现出更强的功能效应；人体肠道菌群在胃肠道相关条件下具有驱动PET生物转化的潜力，MHET的检出提供了初始水解裂解的直接证据。该研究为理解饮食来源MNPs暴露的肠道健康影响提供了重要的实验框架和科学依据。
