微塑料对畜禽健康的影响及微生物介导的降解策略

Effects of microplastics on the health of livestock and poultry and strategies of microbial-mediated degradation

摘要

目的 微塑料污染问题已成为全球环境与食品安全领域的重大威胁，为探索高效降解微生物的筛选与复合菌系构建。 方法 本文系统综述了微塑料的主要来源与理化特性，深入分析其对畜禽消化、免疫、生殖、代谢及神经系统的多重损伤机制。同时重点探讨微生物介导的微塑料降解策略，包括昆虫和动物肠道以及环境中高效降解微生物的筛选与复合菌系构建。 结果 目前微生物降解技术仍面临毒理学数据不足、降解效率评价标准不统一等问题。 结论 未来需建立标准化评价模型，挖掘高效降解菌株与关键酶系，以推动绿色降解技术发展。

Abstract

[Objectves]The problem of pollution caused by microplastics (MPs) has become a major threat to the global environment and food security,in order to screen of microorganisms with high degradation efficiency and construction of composite microbial strain. Methods This article systematically reviewed the main sources and physicochemical properties of microplastics, and deeply analyzed the mechanisms of multiple damage caused by MPs on the digestion, immunity, reproduction, metabolism, and nervous system of livestock and poultry. The focus was on studying the strategies of microbial-mediated degradation of MPs including the screening of microorganisms with efficient degradation in the intestinal tracts of insects and animals and in the environment, and the construction of composite microbial systems. Results At present, microbial-mediated degradation technology still faces problems including insufficient toxicological data and inconsistent criteria for evaluating the efficiency of degradation. Conclusions In the future, it is urgent to establish standardized models of evaluation and mine microbial strains with efficient degradation and key enzyme systems to promote the development of green technology for decomposing MPs.

关键词

微塑料 / 微生物降解 / 畜禽健康 / 食品安全

Key words

microplastics / microbial-mediated degradation / health of livestock and poultry / food safety

微塑料（microplastics，MPs，粒径＜5 mm）对生态系统与生物健康已构成长效威胁。最新研究表明，微塑料可作为污染物载体，吸附抗生素抗性基因和重金属，通过农田还田、食物链传递等多路径进入生物体，并在大脑、肝脏等组织中富集，诱发神经、免疫等多系统健康风险^[1]。畜牧业作为农业生态系统与人类食物链的关键纽带，其生产环境（饲料、饮水、土壤等）普遍存在微塑料污染。畜禽作为生态系统的重要组成部分，其健康状况直接影响食品安全和农业可持续发展。畜禽摄入微塑料后，不仅影响自身健康，还可能通过肉、蛋、奶等畜产品进入人体，构成新的食品安全隐患。因此，系统评估畜牧系统中微塑料污染现状，揭示其对畜禽健康的深层影响，并探索高效、内源性、环境友好型降解途径，是当前环境科学、动物医学与食品安全等交叉领域亟需关注和解决的前沿科学问题。

全球每年因微塑料污染造成的经济损失巨大。当前微塑料降解研究已成为产业研究热点，逐步形成了生物降解、光催化降解、酶促降解等多条技术路线，但仍面临多重技术难题，如降低光催化材料成本、提升微生物菌株的环境适应性、优化酶制剂的储存稳定性等。本文系统综述微塑料对动物健康的多重损伤机制，重点分析微生物介导的微塑料降解策略，探索高效降解微生物的筛选与复合菌系构建，旨在减少畜牧业中微塑料污染的可行途径，助力农业可持续发展。

1 微塑料的来源与理化特性

1.1 来源分析

微塑料主要包括聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）、聚苯乙烯（polystyrene，PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）与聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）等，粒径小于5 mm。畜禽养殖环境中微塑料的主要来源如下：

1）饲料及包装材料。这是最直接的污染途径。在饲料的生产、运输和储存过程中，使用的塑料包装袋、容器等因磨损或破损会产生塑料碎片，直接混入饲料中^[2]。饲料袋的尼龙内膜是禽肉中尼龙微塑料的主要来源，这揭示了饲料封装工艺是引入污染的关键环节^[3]。此外，用于水产养殖的饲料也被检测出含有微塑料，其中丙烯酸类聚合物较为常见，尺寸多集中在100~1 000 μm^[4]。

2）农业生产活动。现代农业大量使用塑料制品，如农用地膜、温室大棚薄膜、灌溉管道等。这些塑料制品老化、脆化后形成的碎片，可通过土壤、农田径流等途径污染水源和饲料作物^[2,5]。农药的使用也可能伴随微塑料的释放。

3）污水和污泥施用。污水处理厂被认为是环境中微塑料的重要“源”和“汇”，其出水中仍含有一定浓度的微塑料。若使用处理后的污水进行灌溉，或将富含微塑料的污水污泥作为肥料施用于农田，将直接导致土壤和作物的微塑料污染^[5]。

4）畜禽粪便循环利用。畜禽摄入的微塑料大部分会随粪便排出。这些粪便若未经妥善处理直接排放，会污染水体；若被制成有机肥施用于农田，则会将微塑料重新引入土壤生态系统，形成污染循环。研究发现,1 kg有机肥中的微塑料丰度可高达895个^[6]，而在施用有机肥的农田中，1 kg土壤中微塑料含量可达数万个^[5]。

1.2 理化特性

微塑料尺寸范围广，形态多样（碎片状、纤维状、颗粒状），主要由PE、PP、PS、PET等合成聚合物构成。微塑料易吸附有机污染物、重金属及生物大分子，微塑料的亲疏水性影响其对有机污染物的吸附，疏水性越强，对疏水性有机污染物的吸附能力越强。同时，其比表面积与吸附能力紧密相关，比表面积越大，吸附能力也就越强。此外，光照、氧气、温度、pH值等环境因素也会导致微塑料老化和性质改变^[7]，如密度增大、粒径变小、疏水性降低、粗糙度增加、结晶度下降等，进而影响其环境行为和生物累积。

2 微塑料对畜禽健康的损伤机制

2.1 消化系统障碍

微塑料能与肠道微生物相互作用，破坏肠道屏障，干扰其正常代谢功能，引发组织损伤与菌群失调，影响营养物质的消化和吸收^[8-10]；微塑料还可在畜禽消化道内形成物理阻塞，降低饲料消化率，例如，PET微塑料会降低牛对混合干草里中性纤维素（neutral detergent fiber，NDF）和粗蛋白（crude protein，CP）的降解能力，导致瘤胃麻痹、消化不良和鼓肠等并发症^[8]。

2.2 免疫系统紊乱

微塑料可通过肝肠轴影响肝脏的免疫反应，导致脂质代谢紊乱和细胞凋亡。此外，其还可通过影响免疫细胞的分化和功能，激活炎症反应，导致免疫系统紊乱，降低畜禽的免疫力^[9-10]。

2.3 生殖系统损伤

研究表明，微塑料暴露可导致鱼类和哺乳动物的生殖能力下降^[11]。微塑料可通过影响生殖细胞的发育和功能，降低畜禽的繁殖力^[10]，例如降低生殖细胞质量、减少精子数量和形态异常增加。此外，微塑料还可能通过影响内分泌系统，干扰动物的生殖激素水平，从而影响繁殖^[12]。

2.4 氧化应激与代谢障碍

研究发现，微塑料暴露可导致鸡的线粒体动力学破坏，引发抗氧化系统失衡^[10]，引发氧化应激，导致细胞损伤和代谢紊乱。微塑料还可通过影响脂肪酸代谢和胆汁酸代谢，引发氧化应激和诱导铁死亡，导致肝脏细胞凋亡和脂质代谢紊乱^[9-10]，导致肝脏损伤^[11]。此外，微塑料可增大肾脏的代谢压力，导致肾功能异常^[10]。

2.5 行为与神经毒性

微塑料可能对动物的行为和神经系统产生影响。研究发现，微塑料暴露可导致动物的运动活性降低、焦虑指数增加以及在遇到潜在捕食者时的风险评估能力下降^[10]。此外，微塑料还可能通过影响神经递质的合成和释放，干扰动物的神经功能^[11]。

3 微生物介导的微塑料降解策略

微生物降解塑料的能力已在多种环境中被证实^[13]。细菌、真菌能够分泌多种酶（如酯酶、角质酶、漆酶等）来攻击塑料聚合物链，将其断裂成小分子，并最终矿化为CO₂和H₂O。昆虫（如黄粉虫等）的肠道微生物甚至能高效降解PE和PS等传统上认为极难降解的塑料^[14]。

3.1 肠道降解微生物

1）昆虫。多种昆虫及其肠道微生物在微塑料降解领域展现出显著潜力，其降解机制主要依赖于微生物分泌的酶类及与宿主的协同作用。如：鞘翅目昆虫中的黄粉虫，其肠道微生物可降解PE、PS等^[15]，其中微杆菌可特异性降解PS^[16]；大麦虫肠道微生物可降解聚烯烃类塑料（如PE、PP、PS、PVC等），其在摄食塑料后，肠道菌群中蛋白酶分泌显著增加^[17]；黑粉虫与黄粉虫类似，可降解PE、PS等^[15]。鳞翅目昆虫中的大蜡螟肠道微生物可高效降解高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）、PE、PS^[16]；印度谷螟肠道微生物可降解PE、PET^[18]；双翅目昆虫中的黑水虻幼虫肠道微生物可降解PE、PS^[19]。

2）动物肠道。反刍动物瘤胃是研究微塑料生物降解的“理想模型”。这个巨大的厌氧发酵室拥有高度多样化和高密度的微生物群落（细菌、古菌、真菌、原虫），可以相互协同。研究表明，从反刍动物肠道分离的微生物能够以降解塑料为碳源或能源^[20]。更直接的证据是，在体外模拟的瘤胃液环境中，多种生物可降解塑料（如PHA、PBSA等）和合成聚酯（如PET、PBAT、PEF等）都表现出明显降解^[21-22]。例如，PHA在瘤胃消化道中的每日降解率可达7.84%^[21]。这证明了瘤胃微生物群落作为一个整体，拥有强大的聚酯水解能力。

猪、鸡等单胃动物的肠道微生物虽然不如反刍动物复杂，但也参与多种营养物质的消化与转化，并具备降解某些毒素的能力^[23]。例如，华中农业大学研究团队从猪粪中筛选到1株能够耐受50 ℃且高效降解聚乙烯微塑料的微生物——苍白空气芽孢杆菌M^[24]。此外，有研究人员从采集的6个人类粪便样品中筛选到4株具有PE降解活性的菌种和3株具有PP降解活性的菌种^[25]。

3.2 自然环境降解微生物

自然环境中具有降解微塑料能力的微生物种类繁多，主要包括细菌、真菌和部分藻类。这些微生物通过分泌多种酶（如水解酶、酯酶、脂肪酶、氧化酶等）来降解塑料大分子，将其分解为小分子或单体，最终实现矿化或转化为其他高价值中间产物^[15]。

1）细菌。细菌是降解微塑料的主要微生物之一，已报道的具有降解能力的细菌种类如下：假单胞菌属（Pseudomonas）如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）和荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens），能够降解PE、PS、PVC等塑料^[26]。假单胞菌属需控制pH（中性环境更优）和温度（中温30 ℃左右）^[26]。芽孢杆菌属（Bacillus）如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、短芽孢杆菌（Brevibacillus sp.）和蜡状芽孢杆菌（Bacillus cereus），能够降解PE、PET等塑料^[27]。例如，2024年报道的Bacillus cereus strain SHBF2能够同时降解PE、PP和PS微塑料^[28]。芽孢杆菌属在中温条件（30~37 ℃）最适，部分菌株（如枯草芽孢杆菌）依赖脂肪酶和水解酶^[27]。红球菌属（Rhodococcus）如红球菌（Rhodococcus opacus）和赤红球菌（Rhodococcus ruber），它们能够降解PE、PS等塑料^[26]；黄杆菌属（Flavobacterium）如黄杆菌（Flavobacterium sp.），能够降解PE等塑料^[15]。此外肠杆菌属（Enterobacter）如柠檬酸杆菌（Citrobacter sp.）和肠杆菌（Enterobacter sp.），同样能够降解PE等塑料^[17]。红球菌属多见于土壤和海洋环境，具体参数（如pH、温度等）证据较少，多用于复合菌系中。其他细菌如食烷菌属（Alcanivorax）、放线菌属（Actinomycetes）等，也具有一定的降解能力^[15]。

2）真菌。真菌在降解微塑料方面也表现出强大的能力，尤其是丝状真菌，其通过分泌胞外酶和生物表面活性剂来降解塑料。常见的具有降解能力的真菌有以下几类：曲霉属（Aspergillus）如黑曲霉（Aspergillus niger）、塔宾曲霉（Aspergillus tubingensis）和泡盛曲霉（Aspergillus awamori），能够降解PET、聚氨酯（PU）等塑料^[15]。曲霉属最适温度为30 ℃，部分菌株在28~37 ℃活跃^[27]，偏好酸性环境。青霉菌属（Penicillium）如简青霉（Penicillium simplicissimum），能够降解PE等塑料^[15]。青霉菌属最适25~30 ℃，部分菌株在28 ℃ 时活性最高^[27]，中性至弱碱性（pH 7.0~8.0）时酶活性最强^[15]。木霉属（Trichoderma）如哈茨木霉（Trichoderma harzianum），能够降解PE等塑料^[26]。木霉属最适温度为28~30 ℃，高温（＞40 ℃）会失活^[27]，pH适应范围广（pH 5~8），但中性环境更优^[15]。其他真菌如链格孢菌（Alternaria alternata）和子囊菌（Ascomycetes）等，也具有一定的降解能力^[15]。

3）藻类。虽然藻类在降解微塑料方面的研究相对较少，但已有研究表明某些微藻能够通过光合作用和分泌胞外酶来降解塑料。例如，二形栅藻（Nannochloris sp.）能够通过分泌胞外多糖来降解PE^[29]。

4）微生物菌群与生物膜。除了单一菌株，微生物菌群和生物膜在降解微塑料方面也表现出显著优势。例如，多种细菌组成的菌群对PE的降解效果比单一菌株更明显，降解率可达50%以上^[15]。此外，微生物在塑料表面形成生物膜，通过分泌胞外酶和生物表面活性剂来加速塑料的降解^[30]。

3.3 复合菌系构建与应用

研究还发现，通过构建复合菌系可以显著提高降解效率。例如，江西农业大学的研究团队构建了1组由真菌与细菌组成的高效降解复合菌系，其降解效率高达0.936 7 mg/d，远高于现有研究水平^[31]。这些复合菌系不仅能够提高降解效率，还能通过代谢产物的协同作用，增强对塑料的降解能力。

4 结语与展望

微塑料污染对畜禽健康和食品安全构成威胁，其通过饲料及水源进入畜禽体内，诱发多系统损伤，并可能沿食物链危及人类健康。当前微生物降解技术虽取得一定进展，但仍面临毒理学数据匮乏、降解效率评价不统一、关键酶与动力学参数缺失等瓶颈。此外，微生物降解产物的毒性水平也需要进一步研究，以确保其在环境中的安全性。

因此，未来需从四方面推进：一是构建标准化比较毒理学模型，优先建立体外共培养体系（如牛瘤胃上皮细胞与猪空肠上皮细胞联合培养），在统一暴露条件下检测SOD、GSH-Px等氧化应激指标，直接比较不同消化生理类型动物所受危害的差异；二是挖掘瘤胃/单胃/肠微生物组降解潜力，通过宏基因组学、宏转录组学及培养组学技术，系统解析胃肠道微生物群落中PE/PP降解相关基因、酶系及其表达调控网络；三是推进酶工程与合成生物学应用，运用蛋白质工程和合成生物学手段定向改造关键酶，提升其催化活性、稳定性及底物特异性；四是开发工程菌与原位降解技术，构建可定植畜禽肠道的工程益生菌，通过饲料添加实现微塑料原位降解，保障畜禽健康，同时也阻断微塑料通过食物链向人类传播。

微塑料污染已对全球畜牧业构成现实且长远的威胁，其通过污染饲料和水源进入畜禽体内，损害畜禽健康并带来食品安全潜在风险。尽管目前针对PE、PP等顽固性塑料的降解研究尚处起步阶段，关键菌株和酶数据匮乏，但其潜力巨大不容忽视。未来需开展更系统深入的跨学科研究，整合环境科学、动物医学、微生物学和分子生物学等多学科力量，开发绿色、高效的微塑料污染治理技术，为畜牧业可持续发展和全球食品安全提供坚实保障。

参考文献

[1] NIHART A J， GARCIA M A， HAYEK E EL，et al.Bioaccumulation of microplastics in decedent human brains[J].Nature medicine，2025，31(4)：1114-1119.

[2] 杨杰，涂晨，李瑞杰，等.不同类别粪便堆肥中微塑料赋存特征及区域差异[J].生态与农村环境学报，2023，39(5)：576-583.

[3] CHEN J H， CHEN G H， PENG H Q，et al.Microplastic exposure induces muscle growth but reduces meat quality and muscle physiological function in chickens[J/OL].Science of the total environment，2023，882：163305[2025-06-10].

[4] MOHSEN M， LIN J B， LU K L，et al.Microplastic pollution in aquafeed of diverse aquaculture animals[J/OL].Heliyon，2024，10(17)：e37370[2025-06-10].

[5] BRIASSOULIS D.Agricultural plastics as a potential threat to food security，health，and environment through soil pollution by microplastics：problem definition[J/OL].Science of the total environment，2023，892：164533[2025-06-10].

[6] 杨杰，李连祯，周倩，等.土壤环境中微塑料污染：来源、过程及风险[J].土壤学报，2021，58(2)：281-298.

[7] 蒋晖，刘欣，孙姣霞，等.17α-乙炔基雌二醇在微塑料上的吸附和解吸行为[J].中国环境科学，2021，41(5)：2258-2267.

[8] TASSONE S， BARBERA S， KAIHARA H，et al.First evidence of the effects of polyethylene terephthalate microplastics on ruminal degradability and gastro-intestinal digestibility of mixed hay[J/OL].Animals，2024，14(15)：2139[2025-06-10].

[9] YIN K， WANG D X， ZHANG Y，et al.Dose-effect of polystyrene microplastics on digestive toxicity in chickens (Gallus gallus)：multi-omics reveals critical role of gut-liver axis[J].Journal of advanced research，2023，52：3-18.

[10] GUO T T， GENG X R， ZHANG Y，et al.New insights into the spleen injury by mitochondrial dysfunction of chicken under polystyrene microplastics stress[J/OL].Poultry science，2024，103(6)：103674[2025-06-10].

[11] ZOLOTOVA N， KOSYREVA A， DZHALILOVA D，et al.Harmful effects of the microplastic pollution on animal health：a literature review[J/OL].PeerJ，2022，10：e13503[2025-06-10].

[12] 赵乾秀，白宇超，白淼，等.哺乳动物微塑料暴露的毒理机制研究进展[J].预防医学，2023，35(4)：303-306.

[13] YOSHIDA S， HIRAGA K， TAKEHANA T，et al.A bacterium that degrades and assimilates poly(Ethylene terephthalate)[J].Science，2016，351(6278)：1196-1199.

[14] YANG X G， WEN P P， YANG Y F，et al.Corrigendum：plastic biodegradation by in vitro environmental microorganisms and in vivo gut microorganisms of insects[J/OL].Frontiers in microbiology，2024，15：1444678[2025-06-10].

[15] 郭鸿钦，杨凯，崔丽.环境微塑料的微生物降解[J].化学进展，2025，37(1)：112-123.

[16] 师勇强，王琼，董栋，等.新疆棉田微塑料污染现状、影响及治理技术[J].中国棉花，2023，50(9)：27-34.

[17] 李清筱.生物降解微塑料的机制和研究现状[J].食品与发酵工业，2023，49(15)：311-319.

[18] 张彦，窦明，郝松泽，等.中国农田土壤微塑料赋存特征研究进展及展望[J].灌溉排水学报，2024，43(12)：11-20.

[19] DE FILIPPIS F， BONELLI M， BRUNO D，et al.Plastics shape the black soldier fly larvae gut microbiome and select for biodegrading functions[J/OL].Microbiome，2023，11(1)：205[2025-06-10].

[20] EICHINGER J， TRETOLA M， SEIFERT J，et al.Review：interactions between microplastics and the gastrointestinal microbiome[J].Italian journal of animal science，2024，23(1)：1044-1056.

[21] GALYON H， VIBOSTOK S， DUNCAN J，et al.Long-term in situ ruminal degradation of biodegradable polymers in Holstein dairy cattle[J].JDS communications，2023，4(2)：70-74.

[22] QUARTINELLO F， KREMSER K， SCHOEN H，et al.Together is better：the rumen microbial community as biological toolbox for degradation of synthetic polyesters[J/OL].Frontiers in bioengineering and biotechnology，2021，9：684459[2025-06-10].

[23] 汪洋，张晓琳，李爱科.饲料中真菌毒素生物脱毒的研究进展[C]//中国畜牧兽医学会动物营养学分会.第七届中国饲料营养学术研讨会论文集.郑州：中国畜牧兽医学会，2014：70-71.

[24] 徐德全，赖人豪，刘敏，等.耐高温高效降解聚乙烯塑料的苍白空气芽孢杆菌M及应用:CN 116042453 B[P]. 2024-02-02.

[25] JANG Y， NYAMJAV I， KIM H R，et al.Identification of plastic-degrading bacteria in the human gut[J].Science of the total environment，2024，929：172775[2025-06-10].

[26] 干牧凡，张妍，时鹏，等.塑料的微生物降解机理研究进展[J].生态毒理学报，2023，18(6)：140-155.

[27] 金琰，蔡凡凡，王立功，等.生物可降解塑料在不同环境条件下的降解研究进展[J].生物工程学报，2022，38(5)：1784-1808.

[28] HOSSAIN S， AHMAD SHUKRI Z N， WAIHO K，et al.Biodegradation of polyethylene (PE)，polypropylene (PP)，and polystyrene (PS) microplastics by floc-forming bacteria，Bacillus cereus strain SHBF2，isolated from a commercial aquafarm[J].Environmental science and pollution research，2024，31(22)：32225-32245.

[29] 孙文潇，杨帆，侯梦宗，等.环境中的微塑料污染及降解[J].中国塑料，2023，37(11)：117-126.

[30] ZHAI Y J， BAI J H， CHANG P F，et al.Microplastics in terrestrial ecosystem：exploring the menace to the soil-plant-microbe interactions[J/OL].TrAC trends in analytical chemistry，2024，174：117667[2025-06-10].

[31] 李泽霖，徐子航，徐露卉，等.聚乙烯高效降解复合菌系的构建及其降解特性研究[J].江西农业大学学报，2024，46(2)：481-489.

基金资助

国家级大学生创新创业训练项目(202410504108X)

湖北省农业科技创新团队项目(2025-620-000-001-026)