多毛類動物對多環(huán)芳烴的毒性響應(yīng)及代謝研究進(jìn)展

蔡富才,李艷楠,趙歡,楊大佐,陳雪,周一兵

(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點實驗室,遼寧大連116023)

多毛類動物對多環(huán)芳烴的毒性響應(yīng)及代謝研究進(jìn)展

蔡富才,李艷楠,趙歡,楊大佐,陳雪,周一兵

(大連海洋大學(xué)遼寧省海洋生物資源恢復(fù)與生境修復(fù)重點實驗室,遼寧大連116023)

多環(huán)芳烴可富集在水生生物體內(nèi),進(jìn)而通過食物鏈的放大作用危害人類,多毛類動物是已知能夠蓄積大量多環(huán)芳烴的物種,有關(guān)多毛類動物解毒代謝酶與抗氧化酶的活性及其基因表達(dá)水平作為多環(huán)芳烴監(jiān)測指標(biāo)的研究已有大量報道,但有關(guān)多毛類動物如何代謝蓄積在體內(nèi)多環(huán)芳烴的基礎(chǔ)理論研究目前尚處于初步階段。本研究中,綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)多毛類動物對多環(huán)芳烴的毒性響應(yīng)及代謝研究,多毛類動物對多環(huán)芳烴的代謝類似于脊椎動物,分為兩個階段,參與第一階段代謝的酶主要是細(xì)胞色素P450酶家族,而尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶和磺基轉(zhuǎn)移酶被認(rèn)為是第二階段代謝過程中起主導(dǎo)作用的酶類,針對目前研究中存在的問題,提出今后應(yīng)加強(qiáng)多毛類動物對復(fù)合多環(huán)芳烴以及低劑量多環(huán)芳烴長期暴露的毒性響應(yīng)研究,同時增強(qiáng)對不同多環(huán)芳烴的代謝研究。

多毛類動物;多環(huán)芳烴;毒性響應(yīng);代謝

多環(huán)芳烴 (polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是海洋環(huán)境中主要的有機(jī)污染物之一。目前,海洋環(huán)境中PAHs的主要來源包括大氣沉降物,石油及石油產(chǎn)品的溢出和滲流,以及工業(yè)和家庭生活污水的排放[1-2]。多環(huán)芳烴是一類含有兩個或兩個以上芳烴 (苯)環(huán)的碳?xì)浠衔?該類物質(zhì)具有高辛醇-水分配系數(shù)的特點,隨著苯環(huán)數(shù)量的增加,脂溶性增強(qiáng),其具有很強(qiáng)的親脂特性,極易吸附于有機(jī)顆粒物上,進(jìn)而蓄積在沉積質(zhì)和有機(jī)體中[3]。有研究發(fā)現(xiàn),PAHs可以在藻類、軟體動物和魚類等多種水生生物體中富集,并沿食物鏈呈現(xiàn)逐級放大[4-6],進(jìn)而對人類和生態(tài)系統(tǒng)造成潛在的危害[7]。因此,對海洋環(huán)境中PAHs進(jìn)行早期監(jiān)測及對污染生境的修復(fù)刻不容緩。多毛類動物在海洋沉積物中的分布十分廣泛,是海洋底棲動物的優(yōu)勢物種,可占海洋沉積物中生物量的40%[8]。

多毛類動物具有不易長距離遷移的特點,這使其極易通過直接接觸和主動攝食接觸到沉積質(zhì)中的污染物。此外,多毛類動物是多種經(jīng)濟(jì)魚蝦的餌料,可作為重要的載體將沉積質(zhì)中的污染物通過食物鏈傳遞并放大,進(jìn)而對高營養(yǎng)級生物產(chǎn)生潛在的危害。近年來,多毛類動物的特殊生態(tài)習(xí)性已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,多毛類動物作為標(biāo)準(zhǔn)測定生物在海洋沉積質(zhì)污染評價中得到廣泛應(yīng)用[9]。另外,據(jù)報道,一些種類的多毛類動物對重金屬、合成有機(jī)物、石油烴等持久性污染物具有較強(qiáng)的耐受和超富集作用[10-12],其可通過生物轉(zhuǎn)化的多個代謝途徑來維持機(jī)體對PAHs較高的生物可利用性[13],因此,部分種類的多毛類動物可作為近岸污染沉積質(zhì)生境修復(fù)的物種加以利用。本研究中就目前多毛類動物對PAHs的毒性響應(yīng)及其代謝機(jī)制的相關(guān)研究進(jìn)行了綜述,并對其未來研究方向進(jìn)行了展望。

1 多毛類動物對PAHs的毒性響應(yīng)

細(xì)胞色素 P450酶系 (cytochromeP450, CYP450)是生物體中最重要的Ⅰ相代謝酶,參與很多內(nèi)源及外源有機(jī)物質(zhì)的代謝。CYP450家族較為龐大,包括 CYP1、CYP2、CYP3、CYP4等家族。其中CYP1、CYP2、CYP3家族主要參與外源性物質(zhì)的代謝;CYP4家族除參與一些外源性有毒物質(zhì)代謝外,還參與一些與生理功能有關(guān)的物質(zhì)合成,如脂肪酸、膽固醇等;CYP4以后的家族主要參與內(nèi)源性物質(zhì)的代謝,如雌激素等[14-17]。迄今為止,在不同種類生物中發(fā)現(xiàn)的CYP450基因大約有12 456種[18]。生物體進(jìn)行外源有機(jī)污染物代謝,除通過CYP450酶進(jìn)行解毒外,還可通過氧化還原途徑進(jìn)行解毒。已有研究表明,PAHs進(jìn)入生物體后會被CYP450酶氧化代謝,形成親水性中間產(chǎn)物,這些中間代謝物會與以Ⅱ相代謝酶谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶 (Glutathione-s-transferase,GST)為代表的內(nèi)源性分子結(jié)合,轉(zhuǎn)化為低毒代謝產(chǎn)物排出體外。在這一過程中亦會形成大量活性氧物質(zhì),這些物質(zhì)會被包括超氧化物歧化酶 (Superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶 (Catalase,CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶 (Glutathione peroxidase,GSHPX)等抗氧化防御酶所清除[19]。生物體內(nèi)解毒代謝及抗氧化成分會因污染脅迫的存在而改變[20]。近年來,有關(guān)多毛類動物對PAHs毒性響應(yīng)的相關(guān)研究已有大量報道,主要集中在其解毒代謝酶與抗氧化酶方面。

1.1 解毒代謝酶

多毛類動物暴露于PAHs中,其CYP450酶首先會被誘導(dǎo),從而使其活性升高。McElroy[21]研究發(fā)現(xiàn),綠沙蠶 Nereis virens暴露于苯并芘 [benzo (a)pyrene,B(a)P]后,其消化道內(nèi)微粒體中的CYP450活性與其他酶相比顯著升高。Lee等[22]研究發(fā)現(xiàn),沙蠶 Nereis diversicolor暴露于濃度為10 μg/L的B(a)P下6 d后,其CYP450活性可增加3 倍;小頭蟲Capitella sp.Ⅰ在3～6周后也被檢測到體內(nèi)CYP450活性顯著升高。Forbes等[23]在研究小頭蟲Capitella sp.Ⅰ對熒蒽的代謝后亦發(fā)現(xiàn),與空白對照組相比,其體內(nèi)CYP450活性被顯著誘導(dǎo)。相比于 CYP450酶活性的毒性響應(yīng)研究,有關(guān)CYP450基因的毒性響應(yīng)研究已有大量報道。多毛類動物暴露于PAHs中,其CYP450基因表達(dá)會出現(xiàn)相應(yīng)的誘導(dǎo)變化。多毛類動物CYP450基因的表達(dá)量被發(fā)現(xiàn)與PAHs間存在明顯的 “劑量-效應(yīng)”和 “時間-效應(yīng)”關(guān)系,且低濃度PAHs的暴露可引起 CYP450基因表達(dá)顯著上調(diào),多毛類動物CYP450基因?qū)AHs的暴露具有很強(qiáng)的敏感性。Rewitz等[24]首次從綠沙蠶腸組織中克隆到CYP4BB1和CYP342A1兩個cDNA序列,并使用Northern Bloting分析發(fā)現(xiàn),B(a)P可誘導(dǎo)綠沙蠶CYP342A1基因表達(dá)顯著上調(diào)。Chen等[25]研究了在不同濃度 (0.2、0.8、2.0 mg/L)石油烴暴露下雙齒圍沙蠶Perinereis aibuhitensis CYP4基因表達(dá)的變化規(guī)律,結(jié)果表明,CYP4表達(dá)量隨暴露時間的延長呈上升趨勢,且與誘導(dǎo)濃度成正比,各濃度組暴露至第14天時,CYP4基因表達(dá)量均達(dá)到最高水平,分別為對照組的7.67、11.53、19.06倍,并與對照組有極顯著性差異。趙歡等[26]研究了不同濃度B(a)P(5、50 μg/L)對雙齒圍沙蠶CYP4基因表達(dá)的影響,結(jié)果顯示,雙齒圍沙蠶CYP4基因表達(dá)與B(a)P誘導(dǎo)濃度和暴露時間呈正相關(guān),且隨著誘導(dǎo)濃度的增加和暴露時間的延長,表達(dá)量逐步上調(diào)。

鑒于多毛類動物CYP450基因?qū)AHs的敏感性,除可利用多毛類動物為PAHs的監(jiān)測提供依據(jù)外,還可為探究多毛類動物對PAHs的代謝分子機(jī)制提供一定參考。研究發(fā)現(xiàn),PAHs可誘導(dǎo)多個CYP450基因同時出現(xiàn)表達(dá)上調(diào),多毛類動物對PAHs的代謝可能是由多個CYP450基因共同參與解毒代謝的過程。J?gensen等[27]研究發(fā)現(xiàn),芘可同時誘導(dǎo)綠沙蠶CYP4BB1和CYP342A1兩個基因表達(dá)上調(diào)。王振[28]在研究多齒圍沙蠶對B(a)P的毒性響應(yīng)時發(fā)現(xiàn),暴露于低濃度B(a)P (2.5 μg/L)中的多齒圍沙蠶 CYP2u、CYP3A和CYP4A基因表達(dá)均出現(xiàn)顯著性升高,而暴露于高濃度 B(a)P(50 μg/L)的 CYP2u、CYP3A和CYP4A基因表達(dá)均出現(xiàn)顯著性下降,其CYP4B基因表達(dá)在不同濃度B(a)P誘導(dǎo)下均無明顯變化,由此推測,CYP4B基因可能不參與CYP450酶的解毒效應(yīng)。Zheng等[29]從多齒圍沙蠶體內(nèi)克隆出CYP4BB2、CYP423A1和CYP424A1 3個序列全長,并探究了B(a)P暴露與這3個基因表達(dá)的相關(guān)性,結(jié)果表明,1.28 μg/L B(a)P會顯著誘導(dǎo)多齒圍沙蠶CYP4BB2、CYP423A1和CYP424A1基因的表達(dá),當(dāng)暴露至第4天時,與對照組相比,各基因轉(zhuǎn)錄水平分別上調(diào)了5.9、5.3和12.3倍。研究還發(fā)現(xiàn),多毛類動物CYP450基因會因PAHs種類不同而出現(xiàn)選擇性表達(dá),不同CYP450基因可能參與不同PAHs的代謝。Li等[30]在小頭蟲Capitella sp.Ⅰ中克隆獲得CYP4AT1和CYP331A1兩個基因序列全長,不同PAHs誘導(dǎo)下兩個基因的表達(dá)變化存在顯著性差異,不同濃度3-甲基膽蒽 (3-methylcholanthrene,3-MC)均可誘導(dǎo)CYP4AT1基因表達(dá),其表達(dá)量是空白對照組的2～9倍,但不可誘導(dǎo)CYP331A1基因表達(dá),而不同濃度的B(a)P和熒蒽可誘導(dǎo)CYP331A1基因表達(dá),其表達(dá)量是空白對照組的2～3倍。由此推測,CYP4AT1基因可能在3-MC代謝中起重要作用,而CYP331A1基因可能在B(a)P和熒蒽代謝中起重要作用。Won等[31]從多齒圍沙蠶體內(nèi)克隆出 CYP431A1、CYP432A1和CYP4DU1 3個基因,并發(fā)現(xiàn) B(a)P暴露時, CYP431A1基因表達(dá)顯著上調(diào),而 CYP432A1和CYP4DU1基因表達(dá)均未出現(xiàn)顯著上調(diào);而原油暴露時,CYP431A1基因未出現(xiàn)顯著的轉(zhuǎn)錄上調(diào), CYP432A1和CYP4DU1基因均出現(xiàn)顯著上調(diào)。由此推測,CYP431A1基因可能在B(a)P代謝中起重要作用,而CYP432A1和CYP4DU1基因可能在原油代謝中起重要作用。

除Ⅰ相解毒酶CYP450酶外,多毛類動物的Ⅱ相解毒酶GST酶對PAHs的毒性響應(yīng)也已有報道。多毛類動物的GST酶活性及基因表達(dá)水平對PAHs的暴露具有很好的指示作用。王振[28]發(fā)現(xiàn),不同濃度B(a)P(2.5、50.0 μg/L)均會引起多齒圍沙蠶GST活性出現(xiàn)上升。Catalano等[32]研究了0.1 mg/L和0.5 mg/L的B(a)P暴露下沙蠶Hediste diversicolor GST酶活性的變化,亦發(fā)現(xiàn)不同濃度B (a)P均會引起GST酶活性上升。Bouraoui等[33]、Banni等[34]先后研究了100 μg/L B(a)P暴露下沙蠶H.diversicolor GST酶活性的變化,并分別于第12、24、36、48 h測定了其活性,發(fā)現(xiàn)GST酶活性與暴露時間呈正相關(guān),且隨暴露時間的延長酶活性逐步升高。Won等[31]研究發(fā)現(xiàn),多齒圍沙蠶暴露于原油時,其GST-omega和GST-sigma基因表達(dá)均顯著上調(diào)。

1.2 抗氧化酶

多毛類動物體內(nèi)抗氧化酶對PAHs的毒性響應(yīng)也已有大量報道。研究發(fā)現(xiàn),多毛類動物抗氧化酶活性與PAHs間亦存在明顯的 “劑量-效應(yīng)”和“時間-效應(yīng)”關(guān)系,各種抗氧化酶的活性變化均對PAHs的暴露具有較好的指示作用。Pérez等[35]比較了蛤蜊Scrobicularia plana和沙蠶N.diversicolor抗氧化酶對不同濃度PAHs的毒性響應(yīng),發(fā)現(xiàn)兩者體內(nèi)CAT、GSH-PX酶均出現(xiàn)不同程度的毒性響應(yīng)變化。孫福紅等[36]研究發(fā)現(xiàn),沙蠶 N.diversicolor暴露于110 μg/L的石油烴5 d后,其體內(nèi)SOD酶活性顯著低于對照組。Catalano等[32]研究了0.1、0.5 mg/L的B(a)P暴露下沙蠶H.diversicolor CAT、GSH-PX酶活性的變化,發(fā)現(xiàn)這兩種抗氧化酶活性均出現(xiàn)顯著性誘導(dǎo)。王振[28]在研究B(a)P脅迫下多齒圍沙蠶抗氧化酶活性變化時發(fā)現(xiàn),低濃度B (a)P(2.5 μg/L)暴露下,多齒圍沙蠶 SOD、CAT、GSH-PX活性被顯著性誘導(dǎo),而GSH活性則受到顯著性抑制;高濃度B(a)P(50 μg/L)暴露下,SOD、CAT、GSH-PX活性被顯著性誘導(dǎo), 而GSH同樣被顯著性抑制。趙歡等[26]在研究 B (a)P對雙齒圍沙蠶抗氧化酶活性影響時發(fā)現(xiàn),在低濃度B(a)P(5 μg/L)暴露下,SOD、CAT和GSH-PX活性均隨B(a)P誘導(dǎo)時間的延長而逐步升高;在高濃度B(a)P(50 μg/L)暴露下,SOD酶活性隨 B(a)P濃度的增加出現(xiàn)抑制,CAT和GSH-PX酶活性則與B(a)P濃度呈正相關(guān)。王麗麗等[37]在研究 B(a)P脅迫對雙齒圍沙蠶 SOD、CAT活性影響時亦發(fā)現(xiàn),SOD、CAT酶活性與PAHs間存在明顯的 “劑量-效應(yīng)”關(guān)系。多毛類動物抗氧化酶基因?qū)AHs的毒性響應(yīng)也有所報道,Won等[31]將多齒圍沙蠶暴露于原油時發(fā)現(xiàn), 其Cu/Zn-SOD、Mn-SOD和CAT基因表達(dá)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)錄上調(diào),并由此表明,多齒圍沙蠶體內(nèi)SOD和CAT基因的表達(dá)水平可作為海洋溢油監(jiān)測的重要生物指標(biāo)。

綜上所述,多毛類動物解毒代謝及抗氧化酶對PAHs具有很強(qiáng)的敏感性,其體內(nèi)CYP450、GST、SOD、CAT等酶的活性及基因的分子表達(dá)水平已作為對海洋環(huán)境中 PAHs進(jìn)行監(jiān)測的重要生物指標(biāo)[38]。

1.3 毒性響應(yīng)機(jī)制

研究發(fā)現(xiàn),PAHs進(jìn)入生物體內(nèi)可通過芳香烴受體 (aryl hydrocarbon receptor,AHR)介導(dǎo)調(diào)控通路對機(jī)體產(chǎn)生毒性效應(yīng)。對脊椎動物AHR基因結(jié)構(gòu)和基本功能的研究表明,AHR通道在其對PAHs毒性效應(yīng)的調(diào)控中發(fā)揮著重要作用[39]。在脊椎動物中AHR主要介導(dǎo)CYP1A1和CYP1A2基因的誘導(dǎo),其配體包括多鹵代芳烴類和PAHs,如二惡英、B(a)P等。AHR在未與配體結(jié)合前與熱休克蛋白90(heat shock protein 90,HSP90)、AHR相互作用蛋白 (ahr lnteracting protein,AlP)和其他蛋白結(jié)合,當(dāng)PAHs等誘導(dǎo)劑進(jìn)入胞質(zhì)后先與AHR結(jié)合,使AHR構(gòu)象發(fā)生改變并與HSP90或AIP解離,結(jié)合了配體的AHR再與芳香烴受體核轉(zhuǎn)運因子 (ahreceptor nuclear translocator,ARNT)形成異二聚體,異二聚體進(jìn)入細(xì)胞核與CYP1A1增強(qiáng)子結(jié)合,AHR羧基端的轉(zhuǎn)錄激活域與其他轉(zhuǎn)錄因子形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物,啟動CYP1A1 mRNA的表達(dá)[40](圖1)。

AHR通道在無脊椎動物中也已得到認(rèn)證。Du 等[41]在研究馬氏珠母貝Pinctada martensii對芘的毒性響應(yīng)時發(fā)現(xiàn),馬氏珠母貝體內(nèi)存在AHR且能與芘結(jié)合,從而誘導(dǎo)其體內(nèi)CYP4基因表達(dá),但目前尚未發(fā)現(xiàn)多毛類動物體內(nèi)含有AHR同源物, J?rgensen等[13]認(rèn)為,多毛類動物可能是由其體內(nèi)其他核受體與PAHs相結(jié)合,進(jìn)而調(diào)控CYP轉(zhuǎn)錄,合成CYP酶參與PAHs第一階段的代謝 (圖2)。

圖1 AHR通道的調(diào)控機(jī)制[42]Fig.1 Regulation mechanism of AHR pathway[42]

圖2 多環(huán)芳烴生物轉(zhuǎn)化和消除過程[13]Fig.2 Processes that participate in the biotransformation and elimination of PAHs[13]

2 海洋多毛類對PAHs的代謝

與無脊椎動物相比,有關(guān)脊椎動物對PAHs的代謝過程研究比較全面和透徹[43]。有機(jī)物質(zhì)在脊椎動物體內(nèi)的代謝主要分為兩個階段:Ⅰ相代謝和Ⅱ相代謝,最后代謝產(chǎn)物 (polycyclic aromatic hydrocarbons metabolite,PAHm)經(jīng)膜轉(zhuǎn)運蛋白排除細(xì)胞外。首先,在Ⅰ相代謝酶 (細(xì)胞色素 P450 酶)的作用下,外源物質(zhì)通過氧化、還原和水解等作用,在其分子上引入一官能團(tuán) (如羥基、硝基和羧基等);其次,在Ⅱ相代謝酶 [如GST、葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶 (glucuronyltransferase,GT)、磺基轉(zhuǎn)移酶 (sulfotransferase,ST)和N-乙?；D(zhuǎn)移酶 (n-acetyltransferase,NAT)以及各種甲基轉(zhuǎn)移酶 (methyltransferase,MT)等]的作用下,該官能團(tuán)與生物內(nèi)源性的水溶分子結(jié)合 (如谷胱甘肽、葡萄糖醛酸等),以提高有機(jī)物質(zhì)的極性,易于排出體外;最后,Ⅰ相和Ⅱ相的PAHm經(jīng)由一類存在于細(xì)胞膜上依賴膜轉(zhuǎn)運蛋白排出細(xì)胞外 [圖3, 以B(a)P的代謝為例]。研究表明,多毛類動物對PAHs的代謝過程基本類似于脊椎動物對PAHs的兩個階段代謝過程[44-45]。

圖3 苯并芘代謝途徑[46]Fig.3 Benzo(a)pyrene metabolic pathways[46]

2.1 多毛類動物對PAHs的Ⅰ相代謝

目前,在探究多毛類動物對PAHs的代謝過程中,首先能夠判斷PAHm的含量和單氧酶的活性,因此,大多數(shù)研究主要先通過測定代謝過程中上述二者數(shù)據(jù),并以此來確定PAHm和參與代謝的相關(guān)酶類,從而推測多毛類對PAHs的代謝過程。大量研究已證實,CYP450酶是多毛類動物對PAHs的第一階段代謝過程中起主導(dǎo)作用的酶[21-23]。在探究多毛類動物對PAHs代謝的Ⅰ相PAHm過程中,有關(guān)PAHm含量的數(shù)據(jù)表明,多毛類動物對PAHs的代謝能力存在物種特異性差異。Palmqvist 等[47]在研究熒蒽暴露下小頭蟲Capitella sp.Ⅰ體內(nèi)蓄積情況時發(fā)現(xiàn),其體內(nèi)蓄積的熒蒽約有18%轉(zhuǎn)化為I相親水性PAHm;Bach等[48]研究表明,當(dāng)小頭蟲Capitella sp.Ⅰ暴露于30 μg/g熒蒽15 d后,其體內(nèi)蓄積的熒蒽約有20%轉(zhuǎn)化為Ⅰ相親水性PAHm。相比之下,與其親緣關(guān)系最近的Capitella sp.S體內(nèi)蓄積熒蒽僅有約3%轉(zhuǎn)化為Ⅰ相親水性PAHm。上述結(jié)果表明,同一屬不同多毛類物種對熒蒽的代謝能力存在差異。

Rust等[49]比較了B(a)P暴露下,6種多毛類下體內(nèi)B(a)P的轉(zhuǎn)化率,結(jié)果顯示,暴露7 d后, Spio setosa、Nereis succinea、N.virens、Nephys incise、Cirriformia grandis和Clymenella torquata對B(a)P轉(zhuǎn)化率分別為92%、85%、72%、27%、14%和6%,這表明不同多毛類物種對體內(nèi)蓄積的B(a)P的代謝能力存在較大差異。McElroy等[50]研究了3羥基-苯并芘 [3-hydroxy-benzo(a)pyrene,3HB(a)P]暴露下4種多毛類N.succinea、Pectinaria gouldii、Haploscolopolous sp.和Capitella sp.Ⅰ的轉(zhuǎn)化率,發(fā)現(xiàn)它們對3H-B(a)P的生物轉(zhuǎn)化率依次為96%、7%、38%和42%,表明不同多毛類物種體內(nèi)蓄積3H-B(a)P的代謝能力也存在較大差異。

研究表明,多毛類動物對PAHs的代謝能力存在較大的物種差異性,目前對這種物種特異性差異尚未有明確研究。Driscoll等[51]研究了3種多毛類動物L(fēng)eitoscoloplos fragilis、N.diversicolor、Scolecolepides viridis對PAHs的代謝后發(fā)現(xiàn),多毛類動物對PAHs的代謝過程中,物種特異性差異不僅體現(xiàn)在對PAHs的代謝能力上,也體現(xiàn)在代謝活動中對CYP450酶活性的誘導(dǎo)上。J?rgensen等[45]認(rèn)為,代謝的第一階段通常是整個代謝過程中起限制作用的過程,CYP450酶是代謝第一階段中的關(guān)鍵酶,其活性變化的差異可能引起不同多毛類動物對PAHs的代謝能力存在差異。

在研究多毛類動物對PAHs的代謝過程中,除對PAHm進(jìn)行定量分析外,進(jìn)行定性分析也是必不可少的,這對探究多毛類動物對PAHs的代謝過程起著至關(guān)重要的作用。然而,一些研究發(fā)現(xiàn), PAHs在多毛類動物體內(nèi)代謝過程中會形成幾個不同的Ⅰ相PAHm,并且每個Ⅰ相PAHm最后會形成不同的Ⅱ相PAHm,要鑒定所有PAHm存在一定難度。McElroy等[50]應(yīng)用高效液相色譜法詳細(xì)研究了B(a)P在多毛類動物N.succinea體內(nèi)的代謝過程,發(fā)現(xiàn)B(a)P在第一階段形成了3種PAHm,分別為7,8-二醇苯并芘、7-羥基苯并芘、1,6 或3,6-二羥基苯并芘。Forbes等[52]通過高效液相色譜法研究發(fā)現(xiàn),熒蒽在小頭蟲Capitella sp.Ⅰ體內(nèi)經(jīng)第一階段代謝后可形成30多個不同的波峰,但只從這些波峰中鑒定出3-羥基熒蒽和8-羥基熒蒽這兩種Ⅰ相 PAHm。Giessing[44,53]、J?rgensen 等[45]研究芘在沙蠶N.diversicolor和 N.virens體內(nèi)的代謝過程中發(fā)現(xiàn),沙蠶對PAHs的Ⅰ相代謝僅形成一種PAHm,即1-羥基芘。相比于前兩個研究,芘在沙蠶體內(nèi)進(jìn)行Ⅰ相代謝僅形成一種中間代謝物,這可能與PAHs分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

2.2 多毛類動物對PAHs的Ⅱ相代謝

目前,多毛類動物對PAHs的第二階段代謝的相關(guān)酶類和PAHm尚未最終確認(rèn)。已有研究表明,糖苷化反應(yīng)可能是無脊椎動物Ⅱ相代謝的重要途徑。與GST酶相比,尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶 (Uridine diphosphoglucuronyltransferase,UDPGT) 和ST酶被認(rèn)為是多毛類動物對PAHs的第二階段代謝過程中起主導(dǎo)作用的酶類。Giessing等[44]證明了在沙蠶N.diversicolor體內(nèi)可形成葡萄糖醛酸結(jié)合物,J?rgensen等[45]發(fā)現(xiàn)與之親緣關(guān)系較近的沙蠶N.virens體內(nèi)也存在葡萄糖醛酸結(jié)合物。在其他的海洋無脊椎動物中 (貝類和甲殼類),糖苷化反應(yīng)被認(rèn)為主要是由UDPGT參與催化的反應(yīng)。另一個重要的Ⅱ相代謝酶ST酶在一些研究中也已經(jīng)被鑒定。Simpson等[54]在對兩種海洋蛤蜊 Meloidogyne arenaria和Protothaca staminea暴露于芘和1-羥基芘中10 d后發(fā)現(xiàn),芘-1-硫酸鹽是其主要的Ⅱ相PAHm。Giessing[44]和 J?rgensen[45]先后對沙蠶N.diversicolor和N.virens體內(nèi)1-羥基芘第二階段PAHm進(jìn)行了研究,還發(fā)現(xiàn)了第二階段的終產(chǎn)物除包括芘-1-葡萄糖醛酸苷、芘-1-葡萄糖苷外,還有芘-1-硫酸鹽存在 (圖4),但與其他已經(jīng)過鑒定的Ⅱ相 PAHm相比,硫酸鹽PAHm一般較少[44-45,53,55]。相比之下,芘-1-葡萄糖醛酸苷是其主要的Ⅱ相PAHm。

圖4 芘在綠沙蠶體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化途徑[45]Fig.4 Proposed biotransformation pathway of pyrene in Nereis virens[45]

3 問題與展望

3.1 毒性響應(yīng)方面

(1)關(guān)于多毛類動物對PAHs的毒性響應(yīng)研究主要集中在單一的PAHs化合物上,而在實際海洋環(huán)境中,PAHs多以復(fù)合物形式存在。Chen等[25]、Won等[31]、孫福紅等[36]進(jìn)行了多毛類動物對石油烴的毒性響應(yīng)研究,這對探究多毛類動物對復(fù)合PAHs污染物的毒性響應(yīng)有一定參考意義,但石油烴中除包括多環(huán)芳烴等主要有機(jī)化合物外,還包括少量其他有機(jī)物,如硫化物、氮化物、環(huán)烷酸類等,這不利于精確評價多毛類動物對復(fù)合PAHs污染物的毒性響應(yīng)。因此,今后應(yīng)加強(qiáng)多毛類動物對復(fù)合PAHs污染物的毒性響應(yīng)研究,這將有助于利用多毛類動物自身的特殊生態(tài)屬性對海洋環(huán)境中PAHs進(jìn)行精確地監(jiān)測。

(2)關(guān)于多毛類動物對PAHs的毒性響應(yīng)研究大多采用短期暴露方式,且設(shè)置的污染物濃度多高于其在實際環(huán)境中的含量,這忽略了污染物低劑量長期暴露作用。目前污染物低劑量長期暴露的研究尚不多見,對此忽略將導(dǎo)致海洋環(huán)境污染風(fēng)險監(jiān)測與評價方法體系存在重大缺陷。因此,今后應(yīng)開展污染物低劑量長期暴露試驗。

(3)目前尚未有研究發(fā)現(xiàn),多毛類動物體內(nèi)含有AHR同源物,多毛類動物對PAHs的毒性響應(yīng)機(jī)制研究仍停留在猜測階段,對此方面的研究可作為今后重要研究方向之一。

3.2 代謝方面

(1)在探究多毛類動物對PAHs的代謝過程中,大多數(shù)研究以芘作為PAHs的代表物,由于芘具有緊湊的分子結(jié)構(gòu),不易被氧化,在生物體內(nèi)第一階段代謝過程中未形成環(huán)氧化物,所以可能忽視了諸如NAT、MT等轉(zhuǎn)移酶在第二階代謝過程中的重要性。因此,今后應(yīng)增加其他PAHs化合物的研究,從而完善多毛類動物對PAHs的代謝研究。

(2)關(guān)于多毛類動物對PAHs的第二階段代謝過程研究相對于第一階段較少,并且有較少可靠數(shù)據(jù)表明,多毛類動物對PAHs的第二階段代謝過程類似于脊椎動物同期。早期有關(guān)研究表明,多毛類動物的第二階段代謝過程甚至與其相近物種不同,而關(guān)于多毛類動物對PAHs的代謝機(jī)制研究仍集中在少數(shù)多毛類物種上。因此,在今后的研究中應(yīng)增加其他多毛類物種,以加強(qiáng)多毛類動物對PAHs的第二階段代謝過程研究,這對完善多毛類動物對PAHs的代謝機(jī)制研究起著至關(guān)重要的作用。

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Toxicity and metabolism of polycyclic aromatic hydrocarbons in polychaetes:a review

CAI Fu-cai,LI Yan-nan,ZHAO Huan,YANG Da-zuo,CHEN Xue,ZHOU Yi-bing

(Key Laboratory of Marine Bio-resources Restoration and Habitat Reparation in Liaoning Province,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

Polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)endanger the health of human beings through the food chain due to accumulation in aquatic organisms.Some polychaetes have been known to accumulate and metabolise certain PAHs.The activity and gene expression level of metabolic enzymes and antioxidant enzymes in polychaetes have been reported as a good indication in PAHs monitoring in water.However,the metabolic mechanism in polychaetes is still unclear.The toxicity and metabolism of PAHs in polychaetes are summarized in the current paper,and the metabolism of PAHs in marine polychaetes was found to be similar to that in vertebrates,which includes two phases.In phase I,cytochrome P450 enzymes play an important role and uridine diphosphoglucuronyl transferase and sulfotransferase enzymes are considered to be the main enzymes in phaseⅡin polychaetes.Since there are some problems in the current research,the toxic effect of compound PAHs and low doses of PAHs in long exposure in polychaetes should be further investigated,especially the metabolism of different PAHs in polychaetes.

polychaete;polycyclic aromatic hydrocarbon;toxic effect;metabolism

X174

A

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2017.01.020

2095-1388(2017)01-0119-08

2016-08-09

蓬萊19-3油田溢油事故海洋生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究項目 (201005018);國家自然科學(xué)基金資助項目 (41306138);國家海洋公益性行業(yè)科研專項 (201305002,201305043)

蔡富才 (1991—),男,碩士研究生。E-mail:caifucai520@126.com

周一兵 (1957—),男,教授。E-mail:ybzhou@dlou.edu.cn