可吸入顆粒中金屬元素對DNA的氧化性損傷

劉彥飛 ，邵龍義，于倩，李光巖，許丹，宋曉焱

(1.黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱，150027；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京，100083；3.華北水利水電學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州，450011)

大氣顆粒物對人體健康具有毒性作用[1-2]，普遍認(rèn)為其毒性是過渡金屬與其催化氧化生成的有機(jī)、無機(jī)自由基(ROS)及人體應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的活性氧(ROS)[3-5]之間對核物質(zhì)所產(chǎn)生的氧化損傷和水解損傷[6]。PM10樣品中提取的Fe的NO3-和SO42-鹽類成分能夠?qū)ι抽T氏菌產(chǎn)生誘變[7]，且起作用的是Fe2+[8]，Cu2+，Cr3+等也能夠被氧化為高價態(tài)的金屬元素，他們在活性氧作用下使DNA發(fā)生脂質(zhì)氧化[1,9-11]，從而引發(fā)DNA的損傷[12-13]。目前，對顆粒物中過渡金屬的毒性研究主要集中在單一元素上，如顆粒物中的元素V與急性肺炎之間、元素Ni與蛋白質(zhì)的滲出性之間的具有相關(guān)性[2]，水溶性Zn可以對DNA產(chǎn)生氧化損傷[13]、且與城市心臟病的發(fā)病率之間具有相關(guān)性[14]等，而且所關(guān)注的大多為人為源元素[15]。通常，水溶性Zn2+的毒性明顯小于水溶性的Fe，Cu和Ni等[16]，但另外的實驗結(jié)果表明，細(xì)胞中的Zn的濃度增加或降低，均可導(dǎo)致Cr6+對DNA的氧化損傷能力的變化[17]。這表明，顆粒物中的金屬元素之間可能會產(chǎn)生某種協(xié)同損傷作用[18]。另外，顆粒物中存在著一定量的稀土元素，具有遺傳毒性[19]，但其在顆粒物中所起到的毒性作用還不清楚。本文作者采用等離子質(zhì)譜(ICP-MS)測定了PM10和PM2.5全樣和水溶樣中58種元素，采用質(zhì)粒DNA評價法評價了樣品的生物活性，并采用SPSS軟件分析PM樣品的生物活性(本文指顆粒物對于生物物質(zhì)——質(zhì)粒DNA產(chǎn)生的損傷效應(yīng))與樣品中金屬離子之間的關(guān)系，以判斷顆粒物中的主要相關(guān)性元素及其作用行為。

1 材料與方法

1.1 采樣及制樣

設(shè)置3個采樣點(diǎn)：市區(qū)采樣點(diǎn)設(shè)置在市區(qū)內(nèi)的黑龍江科技學(xué)院嵩山校區(qū)主樓5樓頂；近郊區(qū)采樣點(diǎn)設(shè)置在松花江北岸黑龍江科技學(xué)院江畔賓館5樓頂；背景點(diǎn)設(shè)在哈爾濱市第二水源地。采用Negretti切割器，流量為100 L/min；濾膜為纖維膜，連續(xù)采集20～30 d，然后將濾膜置于硅膠干燥器中，得質(zhì)量恒定后，小心剝離膜表面的顆粒層。

準(zhǔn)確稱取一定量的顆粒樣品約4 mg，裝入10 mL離心管中，同時加入HPLC級H2O配制成顆粒物濃度為1 mg/mL，并置于旋渦振蕩器上緩慢振蕩6 h。然后，將振蕩后的樣品分為4份。第1份用于顆粒物全樣質(zhì)粒DNA實驗；第2份經(jīng)過高速離心(13 000 r/min)60 min后吸取上清液，用于顆粒物水溶樣質(zhì)粒DNA實驗；第3份也經(jīng)過60 min高速離心后，吸取上清液用于顆粒物中水溶組分的ICP-MS實驗；第4份做全樣的ICP-MS實驗。

1.2 ICP-MS和質(zhì)粒DNA分析

將制備好的用于ICP-MS水溶樣和全樣樣品各1 mL分別加入0.5 mL銠(50×10-9)標(biāo)準(zhǔn)溶液和5 mL(2%，體積分?jǐn)?shù))稀硝酸溶液，然后進(jìn)行ICP-MS(PerkinElmer Elan 5000)分析，檢測22個樣品中的58種微量元素。

依據(jù)質(zhì)粒DNA評價法[18]，對配制不同劑量(質(zhì)量濃度，μg/mL)的顆粒物樣品的全樣和水溶樣對質(zhì)粒DNA( μX174-RF)進(jìn)行損傷實驗，并通過凝膠電泳和紫外成像系統(tǒng)(SynopticsLtd, Cambridge, UK)、Syngene-Genetools程序統(tǒng)計樣品對質(zhì)粒DNA損傷率，最后應(yīng)用線性回歸的方法獲取樣品的TD40值(TD40值為造成40%的DNA損傷所需的顆粒劑量，TD40值越小，顆粒物的生物活性越高)。

2 結(jié)果

2.1 PM10和PM2.5水溶樣和全樣對質(zhì)粒DNA的損傷

使用質(zhì)粒DNA評價法研究了哈爾濱市區(qū)和郊區(qū)、背景點(diǎn)采集的PM10和PM2.5樣品的水溶樣和全樣的生物活性，樣品信息見表1，經(jīng)線性回歸分析獲得的樣品TD40值見表2和表3。

表2和表3表明，PM10和PM2.5水溶樣和全樣對質(zhì)粒DNA都具有活性，而且其損傷的TD40值的變化范圍較大，反映了樣品的時空變化導(dǎo)致其TD40值的變化較大；最小值為67.9 μg/mL，最大值為1 570 μg/mL，且大多數(shù)樣品的全樣較水溶樣具有更強(qiáng)的損傷能力(TD40值較小)，但也有部分樣品的損傷能力正好相反。這表明，PM的生物活性主要與其來源和性質(zhì)有關(guān)。

表1 樣品信息Table1 Sample information

表2 哈爾濱市市區(qū)、郊區(qū)和清潔對照點(diǎn)采集的大氣顆粒物水溶樣對質(zhì)粒DNA的損傷Table2 Quantification of oxidative DNA damage induced by soluble fraction of airborne PM samples collected in Harbin urban area, a suburban sites and a clean air area TD40/(μg·mL-1)

表3 哈爾濱市市區(qū)、郊區(qū)和清潔對照點(diǎn)采集的大氣顆粒物全樣對質(zhì)粒DNA的損傷Table3 Quantification of oxidative DNA damage induced by airborne PM whole samples collected in Harbin urban area, a suburban sites and a clean air area TD40/(μg·mL-1)

2.2 PM10和PM2.5中微量元素的富集因子分析

采用雙重歸一化的富集因子法方法，判斷元素在大氣顆粒物中的富集程度和來源[20]。其富集因子F為：

式中：(Xi/XR)顆粒物為即顆粒物中待考元素i與參比元素R的相對濃度；為地地中相應(yīng)元素i(中國土壤元素含平均值)和R的平均豐度求得的相對濃度，參比元素R為Al[21]。當(dāng)某種元素的F值大于10時，該元素被富集與人為污染源有關(guān)[22]。經(jīng)實測PM中58種元素含量及對計算結(jié)果統(tǒng)計，不同地區(qū)和季節(jié)所采集的PM樣品中，Pb，Sb，Zn，Cd，Sn，Tl，Te，Bi，V，As，Ag，In，Mo，Cu，Ga，Cr，W等17種元素的富集因子平均值大于10，即這些顆粒主要來自人為污染。

2.3 PM10和PM2.5水溶樣TD40值與樣品微量元素之間的回歸分析

利用SPSS.11軟件對各樣品的TD40值與其所含58種微量元素之間進(jìn)行多元線性分析，得出回歸方程(2)和(3)：

式中：TS和TW為水溶樣和全樣的TD40值；M為常量；K為系數(shù)；b為質(zhì)量摩爾濃度，μmol/g。

除了Y為第Ⅲ副族元素外，式(2)方程中其他相關(guān)性元素都是鑭系元素，且均為稀土元素；與方程(2)相比，方程(3)中的相關(guān)元素明顯增多，其中Cs，In，Cd為主、副族元素，其他均為過渡金屬元素(包括稀土)。表4和表5所示分別為哈爾濱市PM樣品水溶樣和全樣回歸方程中相關(guān)性元素的ICP-MS實測值。根據(jù)其富集因子可知，除了Pb，W，Cd，In 4種元素為人來源外，其余均為自然源。由此可見，全樣品中的生物活性元素可來源于人為源和自然源，而且涵蓋了過渡金屬、堿金屬或其他主族類，但稀土金屬對顆粒物的生物活性影響顯著。

表4 哈爾濱市可吸入顆粒物中5種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table4 Mass fraction of five elements in PM samples collected in Harbin μg/g

表5 哈爾濱市可吸入顆粒物全樣中13種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table5 Mass fraction of thirteen elements in whole PM samples collected in Harbin μg/g

經(jīng)方差分析與檢驗，水溶樣TD40值與La，Y，Lu，Ho，Sm之間、全樣TD40值與Cs，La，Tb，Ni，Mn，Yb，Er，Pb，W，Tm，Cd，In，Gd之間有直線關(guān)系。水溶樣中，TD40與元素Y正相關(guān)，即隨著元素Y濃度的增加，顆粒的生物活性將降低，而在對損傷質(zhì)粒DNA的作用行為上，Y拮抗La，Lu，Ho，Sm的損傷作用；在全樣中，TD40與全樣中元素Cs，La，Mn，Pb，Tm，Gd濃度呈正相關(guān)，與元素Tb，Ni，Yb，Er，W，Cd，In濃度負(fù)相關(guān)，在損傷行為上，元素Cs，La，Mn，Pb，Tm，Gd協(xié)同拮抗元素Tb，Ni，Yb，Er，W，Cd，In的損傷行為。

3 討論

3.1 可吸入顆粒TD40回歸值的誤差分析

應(yīng)用ICP-MS測試數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)和(3)，可回歸計算出水溶樣和全樣對DNA損傷的TD40值及其與實測值間的相對誤差，結(jié)果見表6。從表6可知：在PM全樣中，除了16號樣品的回歸值與實測值間的相對誤差較大外，其他樣品的相對誤差都較小，表現(xiàn)出較好的擬合效果；而在PM水溶樣中，回歸值與實測值相對誤差較全樣的大。但從總體上看，樣品的實測值和回歸值計算值相差不大，表明回歸方程的計算結(jié)果比較可信。

3.2 金屬元素對質(zhì)粒DNA損傷能力分析

金屬元素對質(zhì)粒DNA損傷，主要是以八面體水合離子對DNA的脫氧核糖糖環(huán)、堿基進(jìn)行攫氫氧化和直接進(jìn)攻磷酸二酯鍵引起DNA的水解2種形式進(jìn)行的。

一般地，單價態(tài)金屬陽離子優(yōu)先與核酸的磷酸基配位，但作用位置選擇性不強(qiáng)，而二價陽離子與磷酸基和堿基都能配位，特別是過渡金屬有d軌道，可與DNA 堿基直接鍵合。在生理酸堿度和一定H2O2濃度下，F(xiàn)e2+，V4+，Cr3+，Cu2+，Co2+，Ni2+，Pb2+，Cd2+等均能對8-羥基脫氧嘌呤的產(chǎn)生損傷，而且Fe2+產(chǎn)生羥基自由基能力遠(yuǎn)大于其他金屬的能力[23]；過渡金屬與DNA之間形成八面體金屬配合物，并使DNA堿基產(chǎn)生氧化和斷裂[24]。過渡金屬還易以插入的方式或靜電結(jié)合的方式與DNA的含O基團(tuán)結(jié)合，特別是稀土離子具有更小的離子半徑、較高的電荷及離子勢，其結(jié)合和損傷能力更強(qiáng)。

一般認(rèn)為，稀土金屬都有遺傳毒性[25-27]。低濃度的釔等離子可以強(qiáng)烈抑制人體紅細(xì)胞膜過氧化作用，高濃度時具有明顯的促進(jìn)作用[28]。釔和鐠的氯化物均可使淋巴細(xì)胞DNA受損[29]。Y能夠?qū)Υ笫竽X組織和外周血淋巴DNA產(chǎn)生損傷[30-31]，在高濃度喂養(yǎng)下，子代小鼠腦、內(nèi)臟組織中的Cu，Cd，Pb含量沒有變化，而其組腦組織中稀土Y含量、脾臟中Se含量卻顯著增加，肝、腎中Se也有略有增加趨勢；低濃度喂養(yǎng)時，腦組織中Cu，Cd，Pb含量無明顯變化、而脾臟中Se的含量顯著增加，表明稀土釔可進(jìn)入幼鼠腦組織中、稀土的長期攝入不會增加Cd和Pb等有害元素的攝入和吸收，而且稀土元素Y的抗氧化性可能與增加Se的吸收有關(guān)[32]。因此，Y雖然具有一定的遺傳毒性，但Y與DNA結(jié)合后，可能一定程度上抑制了其他元素與DNA的結(jié)合和斷裂作用，從而在PM水溶樣(低濃度)中的作用行為表現(xiàn)為拮抗。

表6 哈爾濱市可吸入顆粒DNA氧化損傷TD40回歸值的相對誤差Table6 Relative error study on regression value of inhalable particles DNA oxidative damage TD40 in Harbin

對于其他鑭系金屬，低濃度的Ce(No3)3能夠?qū)NA產(chǎn)生損傷[33]；低劑量氯化鈥染毒時，不能使小鼠肝臟細(xì)胞DNA凋亡(apoptosi)，高劑量染毒時，小鼠肝臟細(xì)胞凝膠電泳有彌散性拖尾現(xiàn)象[34]；對大鼠進(jìn)行鑭暴露，子代大鼠腦組織發(fā)生脂質(zhì)過氧化損傷[35]；Ce(Ⅲ)和 Nd(Ⅲ)對脾臟細(xì)胞氧化損傷和毒性作用超過Ce(Ⅲ)和La(Ⅲ)[36]，這表明稀土元素之間具有協(xié)同損傷作用。在本研究中，水溶樣和全樣中La的作用正常相反，在低濃度(水溶樣)時為表現(xiàn)為損傷作用，而在高濃度(全溶樣)時表現(xiàn)為拮抗作用，進(jìn)一步研究結(jié)果表明，由于競爭結(jié)合作用，各種金屬的作用行為與其濃度作用范圍有關(guān)。

4 結(jié)論

(1)受時空變化影響，哈爾濱市PM10和PM2.5的生物活性變化較大，其TD40值最小為67.9 μg/mL，最大為1 570 μg/mL；PM的生物活性主要與其來源和性質(zhì)有關(guān)。

(2)PM10和PM2.5水溶樣和全樣的TD40值與樣品中部分微量元素之間具有線性關(guān)系，水溶樣中元素Y拮抗La，Lu，Ho，Sm的協(xié)同損傷作用。全樣中元素Cs，La，Mn，Pb，Tm，Gd協(xié)同拮抗Tb，Ni，Yb，Er，W，Cd，In的協(xié)同損傷作用。

(3)過渡金屬、堿金屬或其他主族金屬元素都具有較強(qiáng)的生物活性作用，其中稀土元素對顆粒物的生物活性具有顯著影響，而且不同金屬的作用行為與其濃度有關(guān)。

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