多環(huán)芳烴污染對水生藥用植物品質(zhì)的影響△

王新勝，吳啟南

(南京中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 210046)

國家自然科學(xué)基金項目(81073002)，江蘇高等學(xué)?！爸兴庂Y源化學(xué)研究”優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊(2011)，江蘇省六大人才高峰項目(2010)，江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXZZ12-0625)

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吳啟南，E-mail：qnlxw@yahoo.com.cn

多環(huán)芳烴污染對水生藥用植物品質(zhì)的影響△

王新勝，吳啟南*

(南京中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 210046)

研究多環(huán)芳烴(PAHs)的來源，分析PAHs分布及在水生藥用植物中的分布特點，綜述PAHs三個代謝途徑，總結(jié)PAHs對水生藥用植物生理生化影響。最后指出了目前存在問題和未來研究方向。

多環(huán)芳烴；水生藥用植物；生理生化；品質(zhì)

多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，簡稱PAHs)是指分子中含有兩個或兩個以上苯環(huán)以線狀、角狀或簇狀排列的稠環(huán)型化合物，包括萘、蒽、菲和芘等150余種化合物[1]。現(xiàn)代藥理研究表明其中15種PAHs具有致癌性，因此引起世界各國的重視。美國環(huán)境保護局把萘、菲、芘、苯并(g,h,i)芘等16種PAHs列為優(yōu)先控制污染物，中國把萘、熒蒽、苯并(g,h,i)芘等7種PAHs列入環(huán)境污染的黑名單中。PAHs的熔點和沸點較高，具有疏水性，辛醇-水分配系數(shù)高，會強烈地分配到非水相中，吸附于顆粒物上，土壤和沉積物為其主要的環(huán)境歸宿[2-3]。

水生植物(Hydrophyte)是指那些在它生命里全部或大部分的時間都是生活在水中，并且能夠順利的繁殖下一代的植物。目前，水生植物常被用來凈化水質(zhì)，同時也能除去沉積物中持久有機污染物[4-5]。水生植物能夠吸收、降解或固化PAHs。由于PAHs化學(xué)穩(wěn)定性，可進入生態(tài)系統(tǒng)，進而影響到人體健康。PAHs能影響水生藥用植物次生代謝產(chǎn)物積累，表現(xiàn)出藥材品質(zhì)改變，從而影響臨床療效。與陸生植物相比，關(guān)于水生植物與PAHs關(guān)系研究較少[6]，而對水生藥用植物品質(zhì)影響的研究更少。

1 多環(huán)芳烴的來源

多環(huán)芳烴是一類典型的持久性有機污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)，它在環(huán)境中廣泛存在。PAHs的來源可分為人為來源和天然來源兩種。大氣環(huán)境中大部分PAHs是由人類生活和生產(chǎn)活動過程中燃料的不完全燃燒產(chǎn)生的。環(huán)境中多環(huán)芳烴的天然來源主要由微生物和高等植物(如煙草、胡蘿卜等)合成，此外，火山活動、森林、草原火災(zāi)也會產(chǎn)生一些多環(huán)芳烴。但環(huán)境中的多環(huán)芳烴多由人為污染造成。

1.1 熱解源

煤、石油和木材及有機高分子化合物的不完全燃燒或是在還原條件下經(jīng)熱分解而生成的。如焦化煤氣、有機化工、石油工業(yè)、煉鋼煉鐵等工業(yè)所排放的“三廢”中含有相當多的PAHs，其中尤以焦化廠污染最嚴重。此外，還有交通運輸業(yè)中飛機、汽車的廢氣，日常生活中煤爐排放的廢氣，吸煙產(chǎn)生的煙霧，以及生活垃圾被填埋處理后所產(chǎn)生的高濃度有機廢水中都含有PAHs[7]。

1.2 石油類源

原油在開采、運輸、生產(chǎn)和使用過程中的泄漏及排污。原油中含有很高的PAHs，不同類型和來源的油中每一種PAHs化合物的相對含量不同，在不同的精煉石油產(chǎn)品中PAHs含量也不相同。開采過程中設(shè)備的泄漏、各種設(shè)備的加油、換油、清洗、以及廢油的回收、轉(zhuǎn)運、保管等環(huán)節(jié)的管理缺陷而出現(xiàn)的油類流失，操作工人將廢油布、廢油棉紗隨意亂扔、亂丟、廢油、廢乳化油任意傾倒等行為，使得原油中的PAHs進入環(huán)境進而威脅人類的健康和生存。據(jù)估計，石油化工廠每年向全世界的海洋釋放200 000 t的石油制品和原油[8]，同時精煉廢液也大量排入河流、湖泊等淡水水體中。

2 多環(huán)芳烴的分布特點

PAHs在自然環(huán)境中廣泛存在，無論在空氣、水體、土壤、沉積物或生物中都能發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡[9]。

2.1 空氣

據(jù)報道，全球每年向大氣中排放的PAHs有幾十萬噸，以氣相或顆粒相在大氣中存在，并且在大氣中穩(wěn)定遷移而不被分解[10]。但95%的PAHs是吸附在小于7 μm的顆粒物中，其中60%～70%集中在1.1 μm以下的顆粒物中。氣態(tài)PAHs通過水生植物(挺水植物、浮水植物)的葉片等部位被吸收，顆粒相PAHs則以干濕沉降在植物表面，部分擴散入植物內(nèi)部[7-8]。PAHs在水生植物中的含量與植物含脂率具有顯著的正相關(guān)關(guān)系，含脂率高的植物組織中PAHs含量也高；與PAHs組分的辛醇-水分配系數(shù)(Kow)以及辛醇-大氣分配系數(shù)(Koa)具有顯著的負相關(guān)關(guān)系，即較小lgKow與lgKoa的低分子量PAHs組分在植物暴露的水與空氣環(huán)境介質(zhì)的含量較高，從而造成這些PAHs組分在挺水植物組織含量也較高[6]。

2.2 水

水體中的PAHs主要來來源于大氣沉降、雨水沖刷及污水排放等途徑，以溶于水、呈乳化狀態(tài)和吸附在懸浮性固體顆粒物上等方式存在。PAHs中萘含有2個苯環(huán)分子，其水溶性強，其溶解度達32 mg·L-1。世界許多國家和城市主要地表水體中都有PAHs分布；就我國而言，水體中PAHs污染嚴重[11-13]。

2.3 土壤和沉積物

土壤中的PAHs主要來源于大氣沉降、污水灌溉。PAHs具有強烈的疏水性和親脂性，難溶水，易吸附在懸浮的顆粒物上，最后在水底環(huán)境中沉積，因其化學(xué)穩(wěn)定性，可以在沉積物中存在很長時間并積累到較高的濃度[14]。一些水生植物在生長過程中能吸附、降解或富集沉積物中的PAHs，莎草和燈芯草能除去沉積物中的PAHs，而這兩種植物的生長幾乎沒有受到影響[5]，說明這兩種植物能修復(fù)沉積物PAHs的污染。

3 多環(huán)芳烴的代謝

PAHs的代謝除了與其自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)和水溶性有關(guān)，還與外界因素有關(guān)，如植物類型、微生物種類等。目前，PAHs代謝機制主要有三種：一是植物直接吸收PAHs，并將其轉(zhuǎn)運或轉(zhuǎn)化為非毒性代謝物；二是植物釋放促進PAHs降解的生物酶；三是植物與根際微生物的聯(lián)合降解代謝作用[15]。

3.1 植物對PAHs的直接吸收作用

植物對PAHs的直接吸收后，將其轉(zhuǎn)運或轉(zhuǎn)化為非毒性代謝物。PAHs在植物體內(nèi)發(fā)生的最重要的生化反應(yīng)是羥基化，微粒體單氧化酶可使單環(huán)和多環(huán)芳烴轉(zhuǎn)化為羥基化合物，進一步氧化生成苯醌，轉(zhuǎn)化為非毒性代謝產(chǎn)物[18]。目前，國內(nèi)外研究顯示PAHs的代謝經(jīng)過此途徑的較少[16-17]。

3.2 植物釋放生物酶促進PAHs降解代謝

植物主要是通過根系釋放生物酶到土壤或沉積物中，增強土壤中生物酶活性，而釋放的生物酶也直接或促進PAHs降解代謝。實驗表明，植物根系分泌的多酚氧化酶、脫氫酶等可以降解PAHs。黑麥草、苜蓿增強土壤中多酚氧化酶和脫氫酶的活性，可以提高兩種植物對PAHs的降解率，多酚氧化酶是一種復(fù)合酶，能把PAHs氧化成苯醌[19]。許超等[20]和丁克強等[21]研究表明土壤中多酚氧化酶的活性增強，黑麥草能加快苯并[α]芘和菲的降解。

3.3 植物與根際微生物對PAHs的聯(lián)合降解代謝作用

PAHs代謝的主要途徑是植物與根際微生物聯(lián)合作用，植物根系代謝活動為微生物提供了適宜的環(huán)境，一方面，植物根系的巨大表面積為微生物提供了寄宿之處，是植物根際微生物數(shù)量明顯多于周圍土壤；另一方面，植物向根系輸入氧氣和釋放根系分泌物，其中的分泌物可促進微生物的生長、繁殖和代謝[22]。植物根系分泌物中的一些化合物如類黃酮、酚類和萜類等，能以與聯(lián)苯相同的方式作為微生物生長基質(zhì)，促進微生物對PAHs的代謝[23]。大量研究表明，此途徑的代謝過程中有幾種共同的中間代謝產(chǎn)物，即鄰苯二酚或取代鄰苯二酚，然后通過1,2-雙加氧酶催化的臨裂途徑或2,3-雙加氧酶催化的間裂途徑裂解開環(huán)，進入三羧酸循環(huán)，并進一步氧化開環(huán)徹底代謝為二氧化碳和水。目前，研究較多的是萘和菲的代謝途徑[24]。而四環(huán)及以上的PAHs的代謝途徑是當前研究的熱點[25-26]。

4 多環(huán)芳烴對水生植物生理生化的影響

水生植物對有機污染物的生理生化響應(yīng)研究已有較多的報道，但是關(guān)于PAHs的研究較少。水生植物對有機污染物脅迫的生理生化響應(yīng)主要表現(xiàn)在葉綠素、含水量、脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性蛋白和多糖的改變以及SOD、POD和PPO等酶的活性變化。目前研究較多的是四環(huán)以下的PAHs對水生植物的生理生化的影響。伊樂藻在菲暴露下，體內(nèi)的丙二醛和可溶性多糖含量先降低，可溶性蛋白質(zhì)含量先升高。隨著暴露時間的延長，都恢復(fù)到和初始值比較接近，這說明伊樂藻對低濃度的菲有很好的抗逆性[4]。微齒眼子菜在菲的脅迫下同樣具有較好的抗逆性，菲的暴露沒有引起微齒眼子菜的脂質(zhì)過氧化，可溶性糖含量在暴露實驗的40d內(nèi)比較穩(wěn)定，可溶性蛋白含量先增大后降低，暴露結(jié)束后與初始值比較接近[27]。劉建武等[28]研究了五種水生植物對萘的生理生化響應(yīng)，結(jié)果表明隨著萘濃度增加，葉綠素含量降低，水葫蘆和水花生的POD活性逐漸升高，浮萍、紫萍和細葉滿江紅的酶活性隨萘濃度增加先升高后降低。馬麗等[29]以松前水稻為試驗材料，研究了幾種濃度萘污染土壤對松前水稻生長和生理生化指標的影響，以及植物成熟期時土壤中萘的殘留。結(jié)果表明萘濃度低于20mg·kg-1時促進幼苗莖徑、莖長、株高的生長，高濃度對其生長有顯著的抑制作用；萘脅迫對水稻葉片游離脯氨酸和蛋白質(zhì)代謝均有一定的影響，且影響程度以苗期最為明顯，其次是分蘗期和拔節(jié)期；水稻幼苗階段萘的高濃度組MDA累積量極顯著高于對照，水稻幼苗階段受到膜脂過氧化影響較為顯著，分蘗期次之；拔節(jié)期水稻開始新生器官，抗性較弱，萘脅迫產(chǎn)生的過氧化作用超過了水稻的承受范圍，使SOD活性顯著降低；在試驗所設(shè)萘濃度范圍內(nèi)，水稻各生長期葉片葉綠素和光合作用速率均呈不同的變化趨勢，但是變化幅度均不超過對照的，說明萘脅迫對松前水稻的光合作用沒有顯著影響，水稻對萘脅迫有一定的耐受性。

對于水生藥用植物來說，次生代謝產(chǎn)物是其發(fā)揮臨床療效的物質(zhì)基礎(chǔ)。而植物的次生代謝產(chǎn)物是植物在長期進化中與環(huán)境相互作用的結(jié)果，次生代謝產(chǎn)物在植物提高自身保護和生存競爭能力、協(xié)調(diào)與環(huán)境關(guān)系上充當著重要的角色，其產(chǎn)生和變化比初生代謝產(chǎn)物與環(huán)境有著更強的相關(guān)性和對應(yīng)性[30-31]。許多研究者僅僅分析水生植物在PAHs污染下的初生代謝過程的生理生化變化，而未研究次生代謝產(chǎn)物對PAHs的響應(yīng)。植物次生代謝產(chǎn)物改變影響藥材的品質(zhì)，而環(huán)境改變一定會影響次生代謝產(chǎn)物的改變，因此，在研究水生植物生理生化變化的同時，也應(yīng)該研究植物次生代謝產(chǎn)物的變化，分析藥材品質(zhì)。

5 研究展望

當前PAHs來源、分布研究較為清楚，但在水生植物中的分布研究很少。代謝途徑僅僅是根際微生物與植物相互作用中的萘、菲、芘等研究較為清楚，而四環(huán)以上的PAHs代謝研究較少。水生植物在污水治理中有廣泛的應(yīng)用，在此過程中水生植物有可能隨環(huán)境的改變而發(fā)生變異，表現(xiàn)為形態(tài)學(xué)改變、生理生化指標的變化、次生代謝產(chǎn)物的累積或減少及遺傳多樣性的變化等等。水生藥用植物是一類特殊環(huán)境下的中藥資源，在疾病的防治、治療過程中有廣泛的應(yīng)用，是中醫(yī)藥的寶貴財富。外界環(huán)境的改變對水生藥用植物的品質(zhì)有很大的影響。PAHs作為一類持久性有機污染物，對水生藥用植物品質(zhì)形成有一定的影響。今后研究應(yīng)在PAHs在植物體內(nèi)吸收、積累、降解途徑及其與植物次生代謝關(guān)系上加強，應(yīng)用同位素標記技術(shù)等研究PAHs是否參與植物次生代謝產(chǎn)物積累和形成，以及藥材品質(zhì)變化。本課題組初步研究表明，PAHs對三棱的生理生化指標有較大影響。但PAHs對三棱次生代謝產(chǎn)物的影響及其分子機制有待進一步深入研究。

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EffectsofPolycyclicAromaticHydrocarbonsPollutionontheQualityofMedicalHydrophyte

WANG Xin-sheng, WU Qi-nan

(PharmaceuticalCollege,NanjingUniversityofChineseMedicine,Nanjing210046,China)

The source of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) was studied and the distribution and characteristics of PAHs in aquatic medicinal plants were analyzed. Three metabolic pathways of PAHs were reviewed and the effects of PAHs pollution on physiological index of medical hydrophyte were summarized. Finally, the existed problems and future research direction of PAHs on medical hydrophyte were discussed.

Polycyclic aromatic hydrocarbons; Medical hydrophyte; Physiological index; Quality

2012-07-25)