微塑料生物毒性研究现状及热点可视化剖析

肖庆 ， 王国增 ， 韩静 ， 刘小兰

1.福建省中医药科学院药物研究所，福州 350003；

2.福州大学生物科学与工程学院，药物生物技术与工程研究所，福州 350108

塑料制品对现代人类的生产生活至关重要，在包装、建筑、汽车、电子、农业等领域有着广泛的应用。2019 年全球塑料产量高达3.68 亿t［1］。微塑料（microplastics，MPs）是直径小于5 mm、形状多样的非均匀塑料混合体［2］。根据粒径大小可将微塑料分为3类：微塑料（粒径1～5 mm）、小型微塑料（粒径1 μm～1 mm）、纳米塑料（粒径小于1 μm）［3］。根据来源可将微塑料分为初级微塑料和次级微塑料。初级微塑料是指塑料颗粒工业产品，如化妆品、洗涤剂和药物载体等产品中含有的塑料或树脂微粒。次级微塑料是指塑料垃圾经物理、化学或生物降解造成粒径和体积减小而形成的塑料微粒［4］。微塑料作为一种新兴的环境污染物，可在不同的环境介质中不断发生迁移。到目前为止，在人类活动频繁的淡水、海洋、陆地、大气层甚至极地海洋和深海沉积物中均发现了微塑料的积累［4］。微塑料污染已成为与气候变化、臭氧耗竭和海洋酸化并列的全球重大环境问题。

微塑料粒径小且不易降解，易被低营养级生物摄取并进入食物链积累，如微塑料从藻类转移到浮游动物再转移到鱼类［5］。微塑料进入生物体后进行不断积累，有可能造成细胞损伤、代谢紊乱和免疫系统破坏等不良后果。近年来，微塑料的生物毒性已经引起了研究人员的广泛关注。例如，摄入微塑料可能会改变蚯蚓肠道菌群［6］、引起小鼠肝脏脂质代谢紊乱［7］等。更严重的是，微塑料具有比表面积大、孔隙率高、疏水性强等特点，可成为重金属、杀虫剂、持久性有机污染物等有害污染物的载体，产生联合生物毒性［8］。例如，聚乙烯微塑料吸附全氟辛烷磺酸/苯并芘会降低虹鳟的卵孵化率和胚胎存活率［9］；聚乙烯微塑料吸附甲基汞会影响斑马鱼肝脏中cyp1a1、prdx1和gstp1基因的表达［10］。人类通过吸入含纳米塑料的气溶胶、摄入被微塑料污染的食物和水等将微塑料带入人体呼吸系统、消化系统和循环系统，进而对健康构成重大威胁［11］。

虽然关于微塑料生物毒性的研究目前已有许多文献报道，但是通过对微塑料生物毒性的研究文献进行统计分析并展现当前研究热点和未来趋势尚未见报道。文献计量分析是定量评估学术文献趋势和信息挖掘的有效工具，本研究通过文献计量和可视化分析，以期深入了解微塑料生物毒性的研究进展，并展望未来微塑料生物毒性的潜在研究思路。

1 数据来源和分析方法

1.1 数据来源

本研究英文文献数据来源于Web of Science（WoS）核心合集，以［（TS = microplastics） OR（TS = microplastic）］ AND ［（TS = toxicity） OR（TS = biotoxicity） OR （TS = biological toxicity） OR（TS = toxicological impacts） OR （TS = toxic effects）］为检索式。关于微塑料生物毒性的文献2011年前较少（仅2008年发表1篇），因此选择检索时间范围为2011—2022年。文献类型为研究论文和综述论文，出版语言为英语。进行精炼后，最终得到2 190篇文献（研究论文1 790篇和综述论文400篇）。

表1 微塑料生物毒性领域2011—2022年发文量位列前10的期刊Table 1 Top 10 journals by number of publications in the microplastic biotoxicity fields from 2011 to 2022

中文文献数据来源于中国知网（www.cnki.net），以“微塑料毒性”或“微塑料生物毒性”为主题检索，时间范围为2011—2022年，得到130篇期刊论文（研究论文27篇和综述论文103篇）。将检索得到的文献记录以Refworks 格式导出，再利用Endnote X9将数据转化为“ris”格式。

1.2 分析方法

利用VOS viewer 软件（版本号1.6.18）对以上两类数据进行文献计量和可视化分析：①利用共同作者（co-authorship）创建研究作者不同国家和机构以及发文量和引用频次的密度可视图；②利用共现（co-occurrence）创建英文文献所有关键词的聚类网络可视图以及中文文献所有关键词的标签视图。

2 结果与分析

2.1 文献产出趋势分析

发表文献数量的变化能够直接反映某一领域研究的发展趋势。2011—2014 年，关于微塑料毒性的年发表文章数量均未超过10 篇。从2015 年开始，年发表文章数逐年增加，2018 年后出现快速增长。2021 年发表文章数为783 篇，占文献总数的26.91%。截至2022 年9 月6 日，WoS 核心合集已收录2022 年发表的文章556 篇。如图1 所示，将2011—2022 年的年发表文章数进行指数拟合，发现其呈指数增长趋势（y=0.778e0.5935x），R2=0.959 5，表明随着时间的推移，微塑料生物毒性的研究呈指数上升趋势，说明人们对微塑料的生物毒性日益关注。

图1 基于WoS核心合集的微塑料生物毒性领域年发表文章数量（2011—2022年）Fig. 1 Annual number of published papers in the microplastic biotoxicity fields based on WoS core collection (2011—2022)

2.2 研究作者分析

图2展现了基于co-authorship 对微塑料生物毒性研究作者的国家和机构进行聚类后得到的密度可视图。项目密度可视化图中，每个点都有一种颜色，表示该点的项目密度。当一个点附近的项目数量越多，该点的权重就越高，其颜色就越接近黄色。反之，点的颜色越接近蓝色。从图2A中可以看出，全球范围内从事微塑料生物毒性的研究人员主要来自于中国、美国、意大利、德国、韩国等。其中中国在2011—2022年间共发表相关文章913篇，排名第1。发表微塑料生物毒性相关文献数量位列前5的研究机构依次是中国科学院（Chinese Academy of Sciences）、南京大学（Nanjing University）、中国科学院大学（University of Chinese Academy of Sciences）、华东师范大学（East China Normal University）、中国海洋大学（Ocean University of China）和埃维罗大学（Aveiro University）（并列第5），大部分机构来自中国（图2B）。

A:研究作者国家密度可视图；B：研究作者机构密度可视图

研究作者发文量位列前3 的分别是来自东南大学的王大勇教授（24 篇）、华东师范大学的施华宏研究员（24 篇）和韩国建国大学的An Joun-joo教授（23 篇）。发文量进入前10 的中国作者还有华东师范大学的陈启晴研究员、华南农业大学的王俊教授。在被引量方面，施华宏研究员以1 878次排名第1，Galloway T S 和浙江工业大学的靳远祥教授分别以1 468 次和1 218 次排名第2 和第3（图3）。

2.3 期刊及引文分析

出版微塑料生物毒性研究文献数量位列前10的期刊如表1所示。2011—2022年上述期刊共发表1 199 篇文献，占总文献数的54.75%。发文量最多的期刊是《Science of the Total Environment》，达309 篇，占前10 期刊发表文献数的25.77%；位列第2 的期刊是《Journal of Hazardous Materials》，发文量为209 篇，占比17.43%；位列第3 的期刊是《Environmental Pollution》，发文量为202 篇，占比16.85%。总被引量位列前3 的期刊分别是《Environmental Pollution》《Science of the Total Environment》《Environmental Science & Technology》，其中《Environmental Science & Technology》篇均被引量高达130.93次，且H指数为345，均排名第1。以上期刊在微塑料生物毒性的研究中具有较高的影响力。

A：研究作者发表文章数；B：研究作者发表文章引用频次

表2为2011—2022年微塑料生物毒性研究领域被引频次位列前10 的文献，主要涉及微塑料对环境、生态系统的影响、在生物体内细胞和组织的积累和影响、对人体健康的威胁等。被引频次最高的是Horton 等［12］于2017 年在《Science of the Total Environment》上发表的文献《Microplastics in freshwater and terrestrial environments： evaluating the current understanding to identify the knowledge gaps and future research priorities》，总被引频次达1 110 次。这篇综述批判性地评估了目前有关淡水和陆地环境中微塑料的存在、行为和归宿，以及大量海洋微塑料文献中的相关生物和化学信息对淡水和陆地系统的适用性和可比性，并列出了当前的知识状况并确定了关键差距。Van Cauwenberghe 等［13］于2014 年在《Environmental Pollution》上发表了《Microplastics in bivalves cultured for human consumption》，该文献被引频次为904 次，主要调查了两种商业化养殖双壳类动物贻贝和长牡蛎中微塑料的存在情况，并指出海产品中存在的海洋微塑料可能对食品安全构成威胁。位列第3的是Wright 等［14］于2017 年在《Environmental Science & Technology》上发表的《Plastic and human health： a micro issue？》，被引频次为901 次。这篇综述借鉴了跨学科的科学文献，讨论和评估了微塑料对人类健康的潜在影响，并概述了未来研究的亟需关注的领域。值得一提的是，Rochman 等有2 篇文章被引频次位列前10，分别为883 和628次。

表2 2011—2022年微塑料生物毒性研究领域被引频次位列前10的文献Table 2 Top 10 cited literatures in the research fields of microplastic biotoxicity from 2011 to 2022

2.4 国际研究热点和趋势

文献中的关键词可以用于反映在特定领域中的研究热点。对2 190 篇文献记录中的所有关键词进行合并同义词和删除无效关键词处理后，以出现20 次为阈值，在VOS viewer 中共获得151 个有效关键词，出现频次排名前10 的关键词如表3所示。将关键词进行聚类共现后主要得到4 个聚类，揭示了微塑料生物毒性领域有4 个研究热点与主题受到较多的关注，如图4所示。

表3 微塑料生物毒性领域出现频次排名前10的关键词（阈值=20）Table 3 Top 10 keywords by number of occurrence in the microplastic biotoxicity fields (threshold value = 20)

图4 微塑料生物毒性领域基于co-occurrence英文文献关键词的聚类网络视图Fig. 4 Clustering network visualization map of keywords in English literatures based on co-occurrence in the microplastic biotoxicity fields

聚类1 概括为微塑料生物毒性的表现，包含“microplastics”“toxicity”“plastics”“nanoplastics”“exposure”“accumulation”“oxidative stress”等49个关键词。微/纳米塑料体积小、比表面积大、含量多，被吸入或摄入生物机体后，肺和肠道很可能暴露在这些难以降解的外源性塑料微粒中，通过活细胞转移到淋巴和/或循环系统，并积累在次级器官中，从而导致一系列生物反应，包括氧化应激、炎症、菌群紊乱、遗传毒性、细胞凋亡、神经毒性等［7，11，14-16］。以啮齿类动物为模型研究微/纳塑料的生物毒性时发现，聚苯乙烯或聚乙烯微塑料的摄入会促进活性氧自由基的产生，改变氧化应激标志物如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）和丙二醛（malondialdehyde， MDA）的水平，促进促炎性细胞因子如IL-1β、IL-6、TNF-α的产生［7］。微塑料颗粒如果穿过肺上皮或肠道上皮细胞，可能会引起炎症反应，且反应程度与微塑料的化学成分、表面电荷、ζ-电位（粒子表面与周围液体介质之间的电位差）、比表面积相关［14］，如PS纳米颗粒（193.8～344.5 nm）的ζ 电位与急性肺炎指示参数相关［17］。微塑料在肠道“过境”期间如果被微生物定殖，可能会改变肠道菌群的组成，还可能会减少粘只液分泌并导致肠屏障功能障碍［18］。南京大学和南京医科大学联合发现参与者粪便微塑料浓度与炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）的严重程度呈正相关［16］。与肠道菌群相比，肺部的微生物群落在微塑料表面的定殖程度较低，但微塑料携带的致病物种或者肺中的特定物质可能促进特定微生物的生长，从而改变微生物组成或结构，产生对宿主的连锁反应［19］。将啮齿动物直接暴露于水悬浮荧光塑料纳米粒子，结果发现这些荧光粒子不仅存在于肠、肝、脾、睾丸等组织中，而且在脑中也有发现，模型动物在活动水平、抑郁样行为和认知功能方面有所改变，同时神经毒性作用的常见指标-乙酰胆碱酯酶活性亦有所下降［3］。

聚类2 概括为微塑料生物毒性的产生来源，包含“plastics”“pollution”“water”“degradation”“transport”等43 个关键词。塑料因耐用、质轻、抗腐蚀、成本低等优点，已逐渐成为人类生活中不可或缺的材料之一。环境中的塑料在风化、摩擦等物理磨损、紫外光照射等化学腐蚀下或者细菌、真菌等微生物降解作用下，形成次级微塑料，这是微塑料的主要来源之一。微塑料的生物毒性主要是由于其独特的物理和化学特性，以及与微生物的相互作用。微塑料的物理性质包括大小、形状、溶解度和表面电荷等，可能会影响其在细胞内的定位和组织间移位，从而导致其产生不一样的生物毒性［20］。由于塑料本身的化学组成（如疏水性表面）、未结合的化学物质（如添加剂）、未反应的残余单体（如聚氨酯）以及生产老化过程中产生的活性氧，导致微塑料吸附疏水性有机污染物、释放增塑剂、溴化阻燃剂和铅热稳定剂等，滤出聚氨酯、聚氯乙烯和环氧树脂等，这些均会导致各种生物毒性［14］。此外，微塑料可被微生物定殖，包括环境以及机体中的微生物［18］。在环境中，微塑料表面会形成生物膜，可能携带对人类有害的病原体，如弧菌菌株［21］。在生物体内，微塑料被肠道微生物定殖后，可能会影响肠道菌群的组成或功能，甚至触发炎症和免疫反应［16］。

聚类3 概括为微塑料与其他有害物质联合作用产生的生物毒性，包含“adsorption”“bioaccumulation”“heavy metal”“chemical”“contaminants”等39 个关键词。微塑料具有表面粗糙、比表面积大和疏水性强等特点，表现出很强的吸附性能。据统计，微塑料可吸附重金属离子（如Cu2+、Cd2+、Hg2+等）、杀虫剂（如草甘膦、溴氰菊酯、毒氟膦等）、持续性有机污染物（如多氯联苯、苯并芘、全氟辛烷磺酸等）、纳米粒子（二氧化钛纳米粒、银纳米粒、金纳米粒等）、抗生素（如四环素）［22］等。此外，病原微生物也会附着在微塑料表面［18，21］。微塑料和这些有害物质相互作用并在生物体内产生联合毒性，如生长抑制、卵孵化、DNA 损伤等［22］。微塑料进入环境后在光照射、物理劣化或微生物降解等作用下不断老化，在这一过程中，微塑料的表面粗糙度和孔隙率增加，并裸露出更多的含氧或含碳官能团，这将进一步提升微塑料的吸附能力［23-24］。Zhao 等［25］研究发现老化的聚对苯二甲酸丁二醇酯微塑料对Cd2+和四环素有很强的吸附能力，且竞争体系中Cd2+和四环素的吸附量高于单一溶液，易造成更强烈的生物毒性。

聚类4 概括为微塑料的摄入途径，包含“ingestion”“marine environment”“mytilus-edulis”“debris”“human health”等17 个关键词。塑料垃圾约占所有海洋垃圾的60%～80%，在某些海域甚至高达90%～95%。据估计，到2025 年海洋中将累积超过2.5 亿t 塑料垃圾［4，26-27］。海洋中的微塑料主要通过各种海洋生物摄入，如浮游动物、双壳类、鱼类、桡足类等，并在生物体内不同的组织（腮、消化腺、肠道、循环系统等）以及通过食物链在海洋生物体内积累［15］。人类摄入微塑料的途径主要有饮食暴露、吸入暴露和皮肤暴露等途径［14］。海产品（如鱼和贝类）是人类主要的食物来源，目前已在约56.5%的商业鱼类样本中发现了微塑料［5］。海洋环境中的微塑料随着地表径流、大气沉降、食物链不断迁移，在河流、土壤、空气中等其他环境介质中也发现了微塑料。目前在食品如蜂蜜、糖、海盐和啤酒等也发现了微塑料［14］。接触被污染的食物导致每人每年平均摄入39 000～52 000 个微塑料颗粒［5］。此外，吸入暴露也是人类长期接触微塑料的途径之一。海盐气溶胶、大气沉降物、污泥、轮胎碎片以及职业暴露等导致空气中的微塑料浓度不容忽视。人类接触微塑料的途径多且周期长，更易引发人类健康的潜在公共卫生风险。

2.5 国内研究热点和趋势

对中文文献中的所有关键词进行同义词合并后，以出现5 次为阈值，在VOS viewer 中共获得16个关键词，并得到微塑料生物毒性的标签视图，如图5 所示。图中节点大小代表着关键词出现频次，颜色则表示出现时间。大部分关键词平均出现时间均在2020 年之后，说明微塑料生物毒性的大部分研究近两年来才在国内期刊上发表。但这并不意味着微塑料生物毒性对于国内学者而言是一个较新的研究领域，因为国内学者关于微塑料生物毒性的研究报道在国外期刊上发表数量排名第1。

图5 微塑料生物毒性领域基于co-occurrence中文文献关键词标签视图Fig. 5 Overlay visualization map of keywords in Chinese literatures based on co-occurrence in the microplastic biotoxicity fields

2019 年及以前，微塑料生物毒性领域研究主要侧重于综合阐述微塑料的环境行为及其生态毒性，“生态毒性”“环境行为”“生态效应”等关键词共现频次较高。少数关于微塑料对藻类（斜生栅藻）、植物（绿豆）和动物（卤虫、大型溞）的毒性或联合毒性研究，微塑料化学成分为聚乙烯。2020 年主要侧重微塑料的生物毒性及健康危害效应，共现较强的关键词有“生物毒性”“联合毒性”“毒性”，与“生物毒性”相连接的有“环境行为”“分布”“吸附”等关键词。关于微塑料（聚乙烯或聚苯乙烯）对大型溞、稀有鲫仔鱼、胭脂鱼和小鼠的生殖、生长或急性毒性研究有少许报道。随着微塑料相关研究的不断深入，2021—2022 年发表的综述文献综合分析了微塑料的污染现状、迁移、以及与有机污染物的联合毒性。这一阶段共现较强的关键词有“污染现状”“迁移”“有机污染物”“聚苯乙烯微塑料”等。这一阶段的研究更多聚焦于微塑料和有机污染物或重金属对生物的联合毒性，如微塑料和芘、老化聚氯乙烯和镉、聚苯乙烯和邻苯二甲酸酯、三苯基锡和聚苯乙烯等分别对菲律宾蛤仔、小麦生长、紫叶生菜、斑马鱼、大鳞副泥鳅等生物的生长、生殖和胚胎毒性的影响。

3 讨论

本文基于VOS viewer 软件对Web of Science核心合集和中国知网中关于微塑料生物毒性的文献数据进行了可视化分析。结果发现，全球微塑料生物毒性研究文献数量呈指数增长，且目前正处于快速发展阶段。中国学者在微塑料生物毒性研究领域做了大量的工作，发表文章总数和被引量均位居世界前列，表明我国对该领域极为关注并占据主导地位。在高被引文献方面，我国仅有1 篇论文进入全球高被引论文前10 位，为南京大学任洪强院士团队发表的《Uptake and accumulation of polystyrene microplastics in zebrafish （Danio rerio） and toxic effects in liver》，我国论文在国际上的影响力仍需加强。《Science of the Total Environment》《Journal of Hazardous Materials》《Environmental Pollution》《Environmental Science & Technology》等期刊在微塑料生物毒性的研究中具有较高的影响力。然而，国内期刊上微塑料生物毒性相关研究论文发表时间较晚且数量不多，我国学者未来需将更多的高质量论文发表在国内期刊上。

微塑料生物毒性的国际研究热点主要集中在“微塑料生物毒性的表现”“微塑料生物毒性的产生来源”“微塑料与其他污染物的联合生物毒性”“微塑料的摄入途径”这些方面，国内对于这一领域的研究热点与国际热点有一定重合。尽管关于微塑料的生物毒性以及与其他污染物的联合生物毒性已被广泛和深入研究，但大多数数据源于实验室模拟，存在微塑料暴露途径单一、暴露浓度测定限制、毒性终点指标不全、微塑料吸收和转移机制不明确等问题。针对上述问题，未来关注人体暴露与人类健康风险评估将是微塑料生物毒性领域非常重要的研究热点。根据目前微塑料生物毒性的研究现状以及趋势，对未来的发展方向提出以下建议与展望。

3.1 测量和评估微塑料真实的暴露浓度

测量和评估微塑料真实的暴露浓度是评估其生物毒性和人类健康风险的前提条件。然而，现阶段的检测方法在小粒径微塑料的检测和量化方面还存在耗时长和效率较低等不足，导致快速准确地量化微塑料浓度存在一定挑战。未来可通过改进现有检测方法或开发新技术实现不同环境中微塑料的快速检测和准确量化。

3.2 研究不同暴露途径下微塑料吸收和转移机制

饮食暴露和吸入暴露是大多数生物机体接触微塑料的两大途径。当微塑料同时暴露于上述途径并进入生物机体后，微塑料的细胞吸收及转移机制对于探索微塑料潜在的毒理学机制至关重要，也是未来微塑料生物毒性研究的重要方向。

3.3 内源性微塑料生物毒性的防治

我国对塑料污染治理方面部署了多种政策和多项措施，如在《“十四五”塑料污染治理行动方案》中提出要源头减量、回收处置、清理整治等，这将大大减少环境中微塑料的新增数量。然而，内源性微塑料难以降解，若不被降解或排出则将持续存在于生物体内，并可能因不断积累产生毒性反应。促进内源性微塑料降解或排出可能是防治微塑料生物毒性的有效措施。