苯并芘污染現狀及其生物毒性效應

管融資，吳航利，王 佳，安 鵬，馬萬里，程 棟，雷 忻*

(1.延安大學 生命科學學院；2.延安市生態(tài)恢復重點實驗室，陜西 延安 716000)

多環(huán)芳烴(pycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是指兩個或兩個以上的苯環(huán)以稠環(huán)和非稠環(huán)形式相連接的有機化合物，是環(huán)境中普遍存在的一類有機污染物，其中一些PAHs因其具有強烈的致癌、致畸和致突變性，所以受到高度關注[1]。苯并芘(Benzo(a)pyre，BaP)是多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)中毒性最大的一種強烈致癌物，會對動物內臟和神經系統(tǒng)造成損傷，也可改變正常的細胞周期，損傷DNA，造成細胞癌變[2]。BaP存在于水、土壤、大氣等環(huán)境中，是主要的環(huán)境污染監(jiān)測對象。

1 苯并芘的概念及來源

苯并芘(Benzopyrene，BaP)又稱苯并(a)芘，是由芘和苯稠合而成的一類多環(huán)芳香烴類化合物，主要有1，2-BaP、3，4-BaP、4，5-BaP等[3]，其中3，4-BaP相對穩(wěn)定，分布廣泛。它廣泛存在于水、空氣、土壤、汽車尾氣以及煤、石油等能源物質燃燒所產生的各種煙氣中[4]。研究表明，BaP具有較強的致癌性和較高的檢測靈敏度，是PAHs中的一類典型代表物質，可作為PAHs的指示化合物。BaP是世界上公認的致癌物之一，具有致癌性、致突變性及間接致畸性[5]。BaP通常經飲水和攝食進入人體，隨后被腸道吸收，再通過人體內的血液循環(huán)到達全身的各種組織和器官。研究表明，食品中的BaP有以下幾個來源：(1)熏烤食品：熏煙中含有大量的PAHs，是煙熏食品中的BaP的主要來源，并且BaP常常會伴隨著煙霧在高溫下污染食物。在食品加工過程中，如高溫烘烤或熏制中，脂肪、蛋白質等會發(fā)生裂解反應，再聚合形成BaP[6]。(2)油炸食品：有研究證明，反復使用的植物油會產生BaP。在油炸過程中，食用油會發(fā)生氧化、分解等一系列反應，最終導致其質量下降，而劣質油的化學成分較正常食用油更加不穩(wěn)定，更易形成BaP，在這一過程中溫度的高低對BaP的形成有直接影響[7]。齊穎在其研究中表明，當食用油加熱至270℃以上時，食用油的化學成分將會極大地改變，并且產生的油煙中會攜帶有BaP等物質，長期接觸后可能會誘發(fā)人體內腫瘤的產生和細胞染色體的損害；而油溫不到240℃時，食用油的化學成分改變的少，對人體的損害也較小[8]。(3)油墨污染：油墨中的炭黑含有多種PAHs，其中BaP的含量最高。食品包裝中，通常會在包裝紙上使用油墨打印，而當包裝紙的油墨未干時，炭黑中的PAHs就可通過與食品接觸的方式污染食品[9]。

2 苯并芘污染現狀

2.1 苯并芘對食品的污染

食品的安全問題是普遍存在的一類問題，由食品污染所引起的疾病已成為一類廣泛關注的安全衛(wèi)生問題，食品源頭類疾病發(fā)病率已上升至各種疾病總發(fā)病率的第二位，其中由BaP污染所引起的疾病越來越常見[10]。有研究表明，食品在加工過程中產生的BaP是構成食品污染的主要因素，對食品的安全造成很大的危害[11]。由于BaP對人體健康和生命安全造成了各種嚴重危害，因此世界各國均對食品中BaP的殘留量進行了非常嚴格地限制，制定了BaP的限量標準。

2.2 苯并芘對水體的污染

由于BaP的特性，我國在生活用水標準、地面水環(huán)境質量標準和污水綜合排放標準等都明確規(guī)定了BaP的限值，可由此來監(jiān)控BaP在水體中的污染水平和作為風險表征[12]。BaP可吸附在大氣中的顆粒上，而這些顆粒又通過沉降作用和降水沖洗作用污染地面水，也可隨著工業(yè)廢水和生活污水的排放，造成BaP水體污染。由于BaP很難發(fā)生生物降解，隨著水體中BaP的積累在不斷增多，生物積累作用使BaP的積蓄隨水生生物的生長發(fā)育而不斷增多，隨后通過生物性遷移作用和生物放大作用，逐漸擴大污染范圍，最終危害水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。據研究表明，在人口密集、工業(yè)發(fā)達的長三角和珠三角地區(qū)中，BaP對水體的污染程度要顯著高于其它地區(qū)，太湖中的BaP污染程度要稍重于長江和遼河，BaP在海洋中的含量明顯高于淡水湖中的含量[13]。

2.3 苯并芘對氣體的污染

隨著工業(yè)廢氣和汽車尾氣的大量排放，導致BaP通過這些氣體的排放從而擴散到空氣中。BaP釋放到大氣中后，與空氣微粒結合形成氣溶膠，一旦被人體吸入后，就會由呼吸道進入肺部，并經肺進入血液循環(huán)，最終導致肺癌等一系列呼吸系統(tǒng)疾病。環(huán)境中3，4-BaP主要來自煤、石油、機動車尾氣和煙草。由于3，4-BaP的化學性質相對穩(wěn)定，在環(huán)境中廣泛存在，并且與其他PAHs化合物的含量具有一定相關性，因此我國把3，4-BaP作為大氣致病物質的代表和環(huán)境污染主要監(jiān)測指標之一[14]。有研究表明，肺癌的高發(fā)病率與居住環(huán)境內空氣中的BaP的污染密切相關，長期暴露在燃燒煙煤的室內，居民患肺癌風險會顯著增加，并且BaP的濃度與肺癌死亡率之間呈現明顯的正相關關系[15]。

3 苯并芘的生物毒性效應

3.1 苯并芘的氧化應激作用

芳香族化合物受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)是一種配體激活轉錄因子[16]。AhR在細胞質中與BaP結合后，會轉入細胞核內，與芳香族化合物受體核轉運蛋白(Ah receptor nuclear translocator protein，ARNT)結合形成異二聚體，結合在下游靶基因上，而這種激活會引起所對應基因如細胞色素P4501A1/P4501B1等的異常表達，從而對細胞產生毒性作用[17]。鄒曉萍等人研究表明，BaP直接誘導人胎盤滋養(yǎng)細胞AhR以及ARNT基因表達，激活AhR信號轉導通路，抑制胎盤滋養(yǎng)細胞增殖和誘導細胞凋亡，從而影響胎盤形成及功能，導致停育、流產等不良結果[18]。研究表明，BaP會通過CYP1A1或CYP1A2、細胞色素P450還原酶(cytochrome P450 reductase，CYP450R)的代謝，產生活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，從而引起機體氧化應激反應。過量的ROS會對DNA和蛋白質等產生有害影響。Firns等研究發(fā)現，香煙煙霧中的BaP會增加ROS的內源性產生和外源性暴露，促進氧化應激，對生殖系統(tǒng)產生不良影響[19]。Sobinoff等研究發(fā)現，暴露在BaP中可導致成年瑞士小鼠卵母細胞功能異常，降低精子與卵細胞結合，這種現象與線粒體中ROS的量增加有關[20]。

自由基是一種生物代謝產物，具有較強的化學反應活性和氧化性，可攻擊核酸、蛋白質、脂質等生物大分子，導致其結構和功能的異常。BaP在代謝轉化過程中會產生出多種活性極高的親電子中間產物，并參與機體氧化應激反應，使得機體氧自由基的產生增多，一旦自由基數量超出細胞的清除能力，細胞結構將會遭到破壞，從而造成細胞的損傷[21]。陳劍杰等研究表明，暴露于低濃度的BaP中會使鯉魚體內自由基的生成與消除失衡，提高BaP的濃度會使鯉魚體內自由基持續(xù)積累，加重細胞損傷，導致鯉魚的免疫機能逐漸耗竭，酶水平降低，最終影響整個免疫系統(tǒng)[22]。劉宇紅等研究表明，BaP在體內的代謝活化與自由基的產生增加、氧化應激以及細胞第二信號傳導網絡的異常運行有關[23]。梁婧等研究表明，BaP染毒會加劇大鼠胚胎組織內的氧化活動，誘導胚胎的生殖毒性作用[24]。

超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)是機體中一種重要的抗氧化酶，其作用是清除機體中有害的ROS。過氧化氫酶(Catalase，CAT)是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，主要在肝臟中存在，具有極高的抗氧化能力。而SOD與CAT活性地降低則表明機體抗氧化能力下降，從而導致ROS對機體的損害加重。BaP引起的氧化應激反應在不同細胞及動物模型中的SOD活性不同。李磊等研究表明，在BaP的暴露初期，生物機體組織發(fā)生的氧化應激反應會促使提高SOD、CAT活性，用來清除過量的活性氧自由基，但隨著暴露時間延長，BaP所產生的活性氧自由基會逐漸提高，最終超過SOD、CAT的清除能力，過量的活性氧自由基會對脊尾白蝦的機體組織造成損傷，同時抑制SOD、CAT活性，肝臟與胰臟的SOD與CAT的活性盡管會在BaP暴露的初期持續(xù)增加，但其增加幅度卻會逐漸減少，最終會出現下降的趨勢[25]。HurD等研究表明，BaP會導致魚免疫系統(tǒng)的功能紊亂，造成比目魚巨噬細胞中SOD活性顯著減低，最終導致巨噬細胞的死亡，降低整個免疫系統(tǒng)的應答能力[26]。

3.2 苯并芘對細胞周期與DNA的影響

細胞周期中存在兩個關鍵調控點，一個是G1/S轉換期，這是DNA復制調控的開始；另一個是位于有絲分裂和細胞分化前的G2/M調控點，這兩個時期中，細胞正在發(fā)生一些復雜的分子變化，容易受到外部環(huán)境的影響[27]。Ian等研究表明，在經過BaP暴露后，處在分裂間期的細胞會快速通過G1期，在S期停滯并積累[28]。BaP可以影響細胞周期，導致細胞周期紊亂，且在不同的細胞中的作用也不同，所以會對細胞產生不同的毒性作用[29]。研究表明，BaP會顯著促進人體肺部成纖維細胞、小鼠上皮細胞和人體肺腺癌細胞從G1期向S期的轉換[30-31]。細胞周期蛋白依賴激酶(cyclin-dependent kinases,CDK)是細胞周期關卡信號傳導通路的靶點，可通過對各種信號傳導通路的控制進而對細胞周期產生影響，成視網膜母細胞瘤蛋白(retinoblastoma protein,RB)是一種細胞周期調控蛋白，AhR可通過與其相互作用，產生可抑制CDK介導的RB磷酸化，而BaP可通過AhR通路調控細胞周期素表達，影響DNA的復制，干擾正常細胞周期。BaP還可經過代謝活化后可與鳥嘌呤結合形成DNA加合物，造成細胞損傷，影響DNA復制的正確性，從而加快細胞周期的進程。有研究表明，BaP及其代謝活化物的毒性作用具有多樣性，可以通過AhR、ER等受體途徑和影響MAPK信號通路等方式改變細胞增殖活性，進而影響細胞周期[32]。

BaP在影響細胞周期的同時也會對DNA造成損害，BaP對DNA損害主要有DNA斷裂損傷、形成DNA加合物、堿基突變錯配等途徑[33]。BaP具有一定的遺傳毒性機制，其產生的化學致癌物可通過破壞DNA發(fā)揮其生物學作用。Yasunobu等研究表明，將小鼠暴露在一定濃度的BaP中，其肺部的突變幾率呈線性增加，BaP可顯著改變DNA復制時的堿基對序列[34]。Verhofstad等研究表明，BaP的暴露可造成小鼠睪丸中的DNA大量損傷，從而引起基因的錯誤表達[35]。BaP可通過細胞中的混合功能氧化酶代謝激活，產生環(huán)氧化苯并芘(benzo[a]pyrene diol epoxide，BPDE)。而BPDE可以通過與DNA形成共價鍵結合，造成DNA損傷和形成突變。Hofmann等研究表明，長期暴露于BaP中，會導致芳香族DNA加合物水平的增加，直腸癌的風險顯著提高[36]。侯海燕等研究表明，隨著BaP暴露程度和時間的提高，血清中BPDE-DNA加合物的濃度也會增高[37]。朱淑萍等研究表明，暴露于低、中、高三種濃度下的BaP組胎鼠外周血中BPDE-DNA加合物濃度均高于對照組，且隨著BaP濃度升高，BPDE-DNA加合物濃度也會逐漸提高[38]。如果無法正確有效地修復DNA損傷，累積的錯誤就可能導致DNA衰老、凋亡或惡性突變。此外，DNA鏈斷裂損傷的發(fā)生與BaP的濃度呈正相關關系[39]。

3.3 苯并芘的內分泌干擾作用

性激素水平的變化是評價生殖內分泌干擾效應的重要指標。卵黃蛋白原(vitellogenin，VTG)是一類復合蛋白，是卵子發(fā)生、卵子成熟以及卵黃合成中必不可少的營養(yǎng)物質，是外源雌激素內分泌干擾的一種生物標記物[40]。有研究表明，PAHs會影響水生動物的繁殖，會影響雌魚卵巢的發(fā)育和排卵，并且可以降低雌二醇(Estradiol，E2)的水平，BaP作為PAHs中的典型代表，可以通過干擾魚體內VTG的合成，從而阻礙魚體性腺的發(fā)育，對魚類的生長和繁殖造成危害[41]。郭勇勇等研究發(fā)現，暴露于高濃度的BaP中雌、雄性稀有鮈鯽肝臟中VTG轉錄水平均受到抑制，表明BaP對稀有鮈鯽產生了抗雌激素效應[42]。潘魯青等研究發(fā)現，在高濃度的BaP脅迫下，櫛孔扇貝中雌性貝類睪酮含量下降，雄性睪酮含量升高，性腺指數減小，表現為明顯的抗雌激素效應[43]。鐘林燕等研究發(fā)現，經過BaP中暴露8周后，雄性食蚊魚的肝腺指數和精子數在不同濃度的BaP暴露下均發(fā)生了不同程度的改變，雌性食蚊魚的性腺和性腺指數在高濃度BaP的暴露下有不同程度的變化，并對懷胎數減少有明顯的影響[44]。聶文等研究發(fā)現，BaP的生物學毒性很強，將線蟲暴露于低濃度的BaP中就會檢測到生殖腺細胞凋亡呈現增加的水平，并隨著暴露時間的延長，線蟲生殖腺細胞凋亡會呈現明顯的增加趨勢[45]。徐翰婷研究表明，注射BaP會降低懷孕小鼠血清中雌激素和孕激素水平，影響限速酶mRNA的合成水平，從而擾亂卵巢的正常功能[46]。梁繼仁等研究表明，SD大鼠暴露于BaP可損害其睪丸內分泌和外分泌功能，并且會增加精子畸形發(fā)生率，減少每日精子的產生和睪丸的精子活力[47]。

4 展望

隨著現代工業(yè)的發(fā)展，PAHs的污染日益嚴重，而BaP作為PAHs中的典型代表，在較大程度上反映了PAHs的污染水平。近些年來，研究者們已經對BaP的毒性效應進行研究，并取得較大進展，但是有關BaP氧化應激具體作用機制、BaP的雌激素效應以及內分泌干擾的作用機理等問題仍需要進一步深入研究。隨著陜北地區(qū)石油化工工業(yè)的快速崛起，BaP的污染問題也越來越突出，有關陜北地區(qū)BaP的污染狀況及其生態(tài)毒性效應等問題亟待解決，這些也是值得我們深入研究的領域。