科研丨宁夏医科大学: 一次性塑料餐具热暴露对人体肠道菌群和代谢物的影响(国人佳作)

本研究旨在确定食用一次性塑料餐具(DPT)中的热餐的人群肠道微生物群和代谢的变化。暴露组(n = 30)和对照组(n = 30)分为DPT组和非DPT组，为其提供3顿热餐。观察1个月后，暴露组(n = 27)停用DPT三餐1个月，作为暴露后组。收集粪便样本，使用LDIR检测微塑料(MPs)，并基于16S rRNA进行肠道微生物群分析。采用LC-MS/MS进行尿液代谢物分析。结果显示，暴露后组粪便中MPs水平低于暴露组。此外，暴露组和暴露后组中放线菌门、变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门的丰度与对照组相比有显著差异。微生物群丰度和代谢物水平的变化主要与中枢神经系统效应、能量代谢和炎症有关，这表明DPT热暴露1个月对健康有相当大的影响。

图文摘要

论文ID

原名：Effects of thermal exposure to disposable plastic tableware on human gut microbiota and metabolites: A quasi-experimental study

译名：一次性塑料餐具热暴露对人体肠道菌群和代谢物的影响

期刊：Journal of Hazardous Materials

IF：13.6

发表时间：2023.10

通讯作者：何淑兰，孟令辰，李江平

通讯作者单位：宁夏医科大学公共卫生学院

DOI号：10.1016/j.jhazmat.2023.132800

实验设计

结果

1 研究参与者的基线特征

研究参与者的基线特征显示在表1中。三组参与者的年龄、性别、身体质量指数(BMI)无显著差异(P＞0.05)。

表1 研究参与者的基线特征。

2研究参与者和MP水平

微塑料(MP)检测结果显示，暴露组粪便中平均MPs含量为24.650items/g，对照组为19.645 items/g，两组比较差异无统计学意义(p > 0.05)。暴露停止后，暴露后组研究参与者粪便中MP水平降至9.805 items/g(剔除未参加随访抽样的3名参与者)。结果表明，消除通过食物的一次性塑料餐具(DPT)热暴露可以显著降低粪便中的MP水平(p < 0.001)(图2)。

3 肠道微生物组分析

3.1 16S rRNA基因测序信息进行16S rRNA基因扩增子测序，从87份样本中获得的优化序列数为每个样本4108,779条reads，平均序列长度为410 bp。物种注释结果统计如下：域，1；界，1；门，16；纲，27；目，70；科，132；属，323；种，617；OTU，1333。

3.2 肠道菌群多样性的变化在物种水平上，α多样性覆盖指数(coverage index)分析表明，暴露组和对照组在第一次采样时没有显示出显著差异，表明暴露结束后参与者的肠道微生物没有显著变化。然而，在停止暴露后1个月，暴露后组参与者的覆盖指数显著低于对照组和暴露组(图3)。

在物种水平上，基于主坐标分析(PCoA)的肠道菌群β多样性分析表明，DPT热暴露影响了暴露组与暴露后组之间、对照组与暴露后组之间的肠道微生物群结构。然而，暴露组和对照组之间的β多样性没有差异(图4)。

3.3 肠道微生物群落组成的变化

群落条形图可以直观地呈现两个方面的信息：每组在门和属水平上的肠道菌群种类，以及各样本中肠道菌群的相对丰度。如图所示，各组的肠道菌群存在差异(图5)。在门水平上，三组均显示厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidota)为肠道菌群的优势菌。与对照组相比，暴露组和暴露后组的优势菌的结构组成发生了显著变化，如拟杆菌门(Bacteroidota)丰度水平降低，放线菌门(Actinobacteriota)丰度水平升高(图5a)。在属水平发现了类似的变化，例如与对照组相比，暴露组和暴露后组中普拉梭菌属(Faecalibacterium)的丰度降低，经黏液真杆菌属(Blautia)的丰度增加(图5b)，表明DPT热暴露对人体肠道微生物群的影响。

群落热图显示了门和种水平上肠道微生物群落的物种丰度。在门水平上，暴露组和对照组的优势微生物群落组成相似，而暴露后组的优势肠道微生物群组成发生了不同的变化，这表明DPT热暴露可对人体肠道微生物群产生延迟效应(图6)。

3.4 三组间物种比较

图7在属水平上分析了三组间肠道微生物种类的差异，结果显示普拉梭菌属、拟杆菌属(Bacteroides

)、经黏液真杆菌属等70个属在三组间存在显著差异。组间差异的比较见补充材料(S2.1)。

4 LC-MS非靶向代谢组学分析4.1 代谢物分析

在三组参与者的尿液样本中检测到的离子和代谢物数量见补充材料(S2.2)。通过韦恩分析展示了每组特有的或所有组共有的代谢物(图8)。结果显示，暴露后组特有的代谢物数量最多，但大多数代谢物是所有三组共有的。

4.2 代谢物的分类和功能注释

利用KEGG和HMDB数据库对鉴定出的代谢物进行分类和标记，获得与某一代谢物相关的特定生物学通路和功能信息。KEGG数据库显示，具有生物学效应的化合物是主要的代谢物类别，其中多肽类化合物占比最高(23.13%)。此外，还观察到激素和递质(16.33%)、碳水化合物(15.65%)和其他化合物的比例。二级分类显示，氨基酸是注释最多的KEGG化合物。HMDB 4.0数据库显示，脂类分子(24.28%)是主要的化合物，有机酸及其衍生物(23.56%)和有机杂环化合物(16.77%)为代表(图9)。

4.3 差异代谢物的筛选和分析

图S3显示了两组之间的差异代谢物数量。在以下条件下进行差异代谢物的筛选：p值< 1，VIP_pred_OPLS-DA > 1，上下差异倍数= 1。结果表明，暴露组与对照组相比，注释了546种差异代谢物；而暴露后组与对照组相比，注释了310种差异代谢物，暴露组和暴露后组的差异代谢物数量最多，为703种。有关代谢物差异的详细分析见补充材料(S2.3)。

4.4 KEGG差异代谢物富集分析

暴露组和对照组之间的KEGG差异代谢物富集分析结果表明，塑料热暴露干预显著富集了类固醇激素生物合成、前列腺癌、癌症通路等36条代谢通路(图10a)，其中包括12条与人类疾病相关的代谢通路。这些结果表明，主要在癌症相关和物质依赖的代谢通路中显著富集。此外，与对照组相比，暴露后组有12条代谢通路显著富集，如酪氨酸代谢、GnRH分泌和癌症通路(图10b)。在这些途径中，有4条与人类疾病相关。与暴露组相比，暴露后组有12条代谢通路显著富集，包括咖啡因代谢、药物代谢-细胞色素P450和类固醇激素生物合成(图10c)。

讨论

本文进行了一项类实验研究，以观察DPT热暴露对人群健康的影响。口腔热暴露于DPT与粪便中MP水平显著升高相关。本研究还发现，热暴露导致肠道微生物群的α多样性降低和群落组成的变化，以及代谢物的变化和某些代谢通路的显著富集。此外，这些变化可能会延迟，这一点在暴露后组中更为明显。

1 DPT热暴露释放的MPs

塑料产品释放大量的MPs，这些MPs被人体摄入。本研究表明，DPT热暴露1个月后粪便MP水平为24.650 items/g，停止暴露1个月后下降至9.805 items/g。因此，作者认为DPT热暴露是MPs释放到食物中的一个重要原因，导致人类暴露增加。同样，之前的一项研究表明，通过模拟DPT热暴露，当热的食物或饮料在塑料袋中储存长达60分钟时，会释放出100多万MPs。之前的研究还表明，圆形塑料外卖容器可以分离多达12毫克的MPs，当塑料容器加热时，甚至会释放出更多的MPs，从而增加了人群摄入的可能性。综上所述，MPs可以从装有食物的塑料容器内部转移，热餐释放的温度会增加MPs的释放和转移，因此，食用热外卖食品的个体摄入MPs的风险可能更高。虽然一些国家和地区正在执行限制塑料制品使用的政策和法规，但由于各种社会经济原因，这些政策和法规并没有得到充分实施，导致人群中MPs的污染。因此，应开发替代材料以避免潜在的健康风险。

2 DPT热暴露对人体肠道微生物群的延迟效应

与对动物的研究类似，本研究还发现，由于塑料的热暴露，人类肠道微生物群的多样性发生了改变。暴露组和对照组的群落组成相似，但暴露后组的α多样性显著低于对照组和暴露组(P＜0.01)。这些结果表明，在停止DPT热暴露后，人体的体内稳态可以恢复，但可能存在延迟效应，原因是高温下塑料制品会释放MPs(一种惰性物质)。之前的动物实验研究关注的是暴露停止后的即刻效应，很少有研究评估暴露停止后的影响。值得注意的是，更大比例的纳米塑料暴露在高温下会被释放。先前的研究发现，在微波加热3分钟内，一些DPT可以从一平方厘米的塑料区域释放超过20亿个纳米塑料颗粒。然而，纳米塑料粒径小，容易跨越生物屏障，对靶器官产生毒性作用。因此，即使在暴露停止后，这些毒性作用也可能持续存在。最近的研究表明，塑料产生的MPs可以在接触后2小时到达大脑，造成潜在的健康影响。但需要进一步研究来确定这些影响的持续时间。

3 与中枢神经系统效应相关的肠道微生物失衡和代谢物失调

最近的数据表明，肠道微生物群与中枢神经系统疾病相关。肠道微生物群的变化与情绪压力、焦虑和抑郁之间的直接联系已被证明。在本研究中，与对照组相比，暴露组和暴露后组的肠道菌群组成显示放线菌门和变形菌门的丰度增加，厚壁菌门和拟杆菌门的丰度降低。在女性抑郁症患者中发现放线菌门和变形菌门的丰度增加，之前的研究表明这两个菌门都包括类固醇降解菌。因此，性激素被放线菌和变形菌降解，导致体内类固醇激素浓度降低。低性激素水平可能与抑郁症的发病有关。先前的研究表明，厚壁菌门和拟杆菌门的丰度与睡眠质量呈正相关，它们通过产生丁酸来调节生物的昼夜节律，而睡眠质量与抑郁和焦虑有着密不可分的联系。此外，广泛性焦虑患者厚壁菌门和拟杆菌门的丰度降低。此外，与对照组相比，暴露组的去甲肾上腺素、皮质醇和皮质酮等代谢物水平显著升高。这些激素水平在失眠患者中经常升高。与暴露组相比，暴露后组的色氨酸代谢通路显著富集。色氨酸代谢是影响人类健康和疾病的重要代谢途径之一，与多种神经系统疾病相关，其改变可导致抑郁症。这些作用的机制可能与DPT热暴露导致肠道微生物群紊乱有关，这会导致下丘脑-垂体-肾上腺轴过度激活和氨基酸代谢紊乱。

4炎症中的肠道微生物失衡和代谢物水平失调

在属水平上，本研究发现暴露组和暴露后组中普拉梭菌属和罗氏菌属(Roseburia)的水平降低，Dorea水平升高。普拉梭菌属在人类肠道中含量丰富，是一种重要的产酸细菌。其丰度与几种炎症性疾病相关。Faecalibacterium是一种抗炎细菌，已有研究表明其在克罗恩病患者肠道中的丰度显著降低。罗氏菌属在结肠中产生丁酸盐，通过产生代谢产物来预防肠道炎症和维持能量稳态。此外，在IBD患者中发现罗氏菌属(Roseburia)丰度降低。相反，高水平的Dorea可产生较高水平的气体，从而降低产短链脂肪酸细菌的丰度。大量研究表明，短链脂肪酸是人体肠道中的重要化合物，因为它们具有强大的抗炎特性，可以保护肠道免受病原体和疾病的侵袭。DPT热暴露引起的肠道菌群失调导致3-羟基丁酸等短链脂肪酸减少，并可能导致溃疡性结肠炎、克罗恩病等IBD的发生发展。

5 能量代谢中的肠道微生物失衡和代谢物水平失调

在定植和繁殖过程中，肠道菌群与其宿主共代谢，产生一系列直接或间接影响宿主疾病或健康状态的代谢物。塑料制品释放的塑化剂、微塑料等有害物质会干扰哺乳动物的新陈代谢。这在本研究中得到了证实。本研究的结果表明，DPT热暴露停止后，差异代谢物的数量有减少的趋势，表明DPT热暴露后代谢紊乱状态的恢复具有时间依赖性。此外，在暴露后组中观察到肠道微生物群的一些变化，表明差异代谢物的恢复并非在短时间内完成。本研究发现，在暴露组和暴露后组中，以罗氏菌属为代表的产酸细菌数量减少，而这一肠道微生物群通常会产生高水平的丁酸，而丁酸参与生物体的能量生成。此外，本文还发现葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的能量代谢通路发生了改变。暴露组蔗糖、葡萄糖丙酮酸、烟尿酸和泛酸与对照组比较存在差异。DPT热暴露导致磷酸、环磷酸腺苷、赖氨酸、丙氨酸和缬氨酸等代谢物通路显著富集。能量代谢异常通常与肥胖、动脉粥样硬化、2型糖尿病等代谢性疾病的发生发展相关。癌症通路中代谢物的显著富集也表明DPT热暴露可能通过改变能量代谢导致癌症。

6 优势和局限性

本研究的优势在于直接评估了DPT热暴露，从而避免了从实验动物证据推广到人类的不确定性。此外，暴露组连续1个月摄入相似食物，降低了食物类型对肠道菌群和代谢产物水平的影响。本研究的第一个局限性是由于研究设计的局限性而导致的样本量。其次，与尿液样本相比，血液样本可能是本研究的优先选择。但一方面，尿液样本和粪便样本比血液样本更容易获得，另一方面，在以往的研究中，使用尿液研究环境污染物对人群代谢物的影响同样得到了很好的证明。更重要的是，本研究中暴露组的参与者是参加为期1个月的COVID-19调查的志愿者，很难获得伦理委员会的批准。第三，本研究没有分析DPT释放的塑料颗粒的大小。然而，应当指出的是，这些颗粒中有很大一部分是纳米塑料，具有更大的潜在健康危害。因此，有必要进一步探讨纳米塑料对人体健康的影响。此外，较短的观察期可能妨碍了对DPT热暴露危害的全面分析。DPT热暴露的长期有害影响有待进一步评估。

结论

综上所述，本研究发现，与对照组相比，暴露后组的粪便中MPs水平降低，与暴露组和暴露后组中放线菌门、变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门的丰度变化有关。微生物群和代谢物水平的变化主要与中枢神经系统疾病、能量代谢和炎症相关，表明DPT热暴露对健康有显著负面影响。但仍需进一步的研究来全面分析DPT热暴露对健康的负面影响，并制定和实施预防策略，以降低DPT的健康风险，特别是在我国。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423020848