一種新型環(huán)境污染物——二甲雙胍*

郭鈺涵 王溫喬 陳易開 孫津歌 馬 旭 王 珅 任秋婷 楊允文 楊 琳

（天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

二甲雙胍（metformin）源自歐洲傳統(tǒng)草藥Galega officinalis[1]，是一種親水性雙胍類物質(zhì)。目前，二甲雙胍作為Ⅱ型糖尿病臨床治療的口服降糖藥物，已有60 余年的歷史，單用或與其他藥物聯(lián)合降糖[2]，副作用少，降糖效果好。隨著人們生活水平的提高，糖尿病的患病率也隨之增加，二甲雙胍逐漸成為世界范圍內(nèi)最大的處方類降糖藥物。當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍還具有減肥[3]、抗腫瘤[4]和延長(zhǎng)壽命[5]等作用，因此得到更加廣泛的臨床應(yīng)用。

二甲雙胍具有低的辛醇-水分配系數(shù)（Kow）[6]，幾乎不能被人體代謝分解[7]、經(jīng)尿液和糞便排出體外。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，污水、地表水、地下水、飲用水及土壤中均有二甲雙胍的蹤跡[8]。由于全世界糖尿病發(fā)病率急劇增加、患者地域分布廣泛，二甲雙胍的治療劑量較大，每人每天可達(dá)2 g，且不經(jīng)代謝直接排出體外，使得二甲雙胍成為釋放到環(huán)境中濃度較高的藥物污染物[9]。廣泛分布在環(huán)境中的二甲雙胍對(duì)動(dòng)、植物生長(zhǎng)發(fā)育、人體健康是否會(huì)造成威脅？每年使用二甲雙胍治療的人群中約（4～10）/10 萬(wàn)的患者可發(fā)生乳酸性酸中毒，雖然比較罕見(jiàn)，而且與二甲雙胍的治療劑量大小相關(guān)，但若對(duì)于可能暴露于二甲雙胍環(huán)境污染的正常人群而言，是值得關(guān)注的潛在危險(xiǎn)因素[10]?？蒲腥藛T已發(fā)現(xiàn)，環(huán)境中的二甲雙胍對(duì)魚類的生長(zhǎng)發(fā)育有不利影響[11]。二甲雙胍作為一種新型水土環(huán)境污染物，值得高度關(guān)注。

1 二甲雙胍的危害性

1.1 二甲雙胍對(duì)植物的影響 近年有研究表明，二甲雙胍會(huì)對(duì)一些常見(jiàn)農(nóng)作物，例如，大麥、小麥、胡蘿卜具有負(fù)面作用[12]，尤其對(duì)胡蘿卜的影響顯著。Cummings 等[13]在2018年評(píng)估了二甲雙胍對(duì)小球藻光合作用的影響，發(fā)現(xiàn)小球藻的非光化學(xué)猝滅（NPQ）值隨時(shí)間增加，電子傳輸速率減慢，利用光能能力減弱。也有報(bào)道，二甲雙胍能抑制水生植物浮萍的生長(zhǎng)[14]。

1.2 二甲雙胍對(duì)動(dòng)物的危害 2015年有研究者發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍引起雄性黑頭呆魚（Pimephales promelas）的卵黃蛋白原（vitellogenin，VTG）基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)增加[15]。卵黃蛋白原及其卵黃蛋白廣泛存在于鳥類、魚類、甲殼類等卵生動(dòng)物中，調(diào)節(jié)其胚胎發(fā)育和幼體發(fā)育?？蒲腥藛T以青鳉（Oryzias latipes）為實(shí)驗(yàn)材料，用不同濃度的二甲雙胍進(jìn)行處理[16]，發(fā)現(xiàn)用40 μg/L 的二甲雙胍處理4 周后，雄魚VTG 轉(zhuǎn)錄上調(diào)，而雌魚VTG2、Erα、ERβ1、ERβ2 的表達(dá)水平有降低趨勢(shì)。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，二甲雙胍可能導(dǎo)致雄魚雌性化，雌魚生殖系統(tǒng)失活。此外，二甲雙胍還會(huì)增加雄魚的活性氧（ROS）含量，并降低谷胱甘肽（GSH）水平，增加雌魚的過(guò)氧化氫酶活性，即二甲雙胍會(huì)導(dǎo)致青鳉的氧化應(yīng)激并破壞其內(nèi)分泌系統(tǒng)。二甲雙胍還能降低小鼠促性腺激素釋放激素的釋放，其可能影響哺乳動(dòng)物的生殖系統(tǒng)。

另有研究發(fā)現(xiàn)，青鳉在幼年階段就能吸收水中的二甲雙胍[17]。暴露于二甲雙胍的幼魚，其體內(nèi)2 種重要的脂肪酸（硬脂酸和棕櫚酸）含量明顯增高，導(dǎo)致其體型減小；脯氨酸的豐度顯著下降，花生四烯酸含量顯著增加，從而影響幼體生長(zhǎng)。同時(shí)，也有報(bào)道表明，環(huán)境中的二甲雙胍會(huì)在斑馬魚的組織中積累，主要是肝臟、腸道和鰓部并影響其基因表達(dá)[18]。

Jacob 等[19]將褐鱒（Salmo trutta）的胚分別暴露于0 μg/L、1 μg/L、10 μg/L、100 μg/L 和1 000 μg/L二甲雙胍后，發(fā)現(xiàn)幼體的死亡率、胚胎發(fā)育、體長(zhǎng)、肝組織完整性、應(yīng)激蛋白水平和游泳行為均未受影響。但暴露于7℃、10 μg/L 和11℃、100 μg/L 二甲雙胍的魚群中細(xì)菌分布發(fā)生了變化，變形桿菌增加，放線菌門和厚壁菌門減少。這些腸道微生物組的變化很可能會(huì)引起致病因子和氣體代謝基因的表達(dá)增加，進(jìn)而對(duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生間接影響。

1.3 二甲雙胍對(duì)人體的危害 二甲雙胍常見(jiàn)的副作用主要是厭食、惡心、腹部不適和腹瀉等，罕見(jiàn)的副作用包括乳酸性酸中毒[20]。二甲雙胍在水環(huán)境中的污染分布，意味著它可能被正常人體吸收，吸收量多少、血藥濃度多高、產(chǎn)生何種影響等問(wèn)題值得深入研究。

二甲雙胍并不適合于所有的糖尿病患者，腎功能受損會(huì)導(dǎo)致二甲雙胍清除不良，肝功能受損會(huì)導(dǎo)致乳酸鹽清除不良和乳酸產(chǎn)生增加。所以，腎或肝功能不全，充血性心力衰竭的人和老年人長(zhǎng)期攝入二甲雙胍可能引起相關(guān)的并發(fā)癥，概率雖小，但值得重視[21]。

此外，飲用水源中的二甲雙胍會(huì)與水消毒劑次氯酸鹽發(fā)生反應(yīng)，生成具有潛在毒性的氯化副產(chǎn)物Y（C4H6ClN5）和C（C4H6ClN3），且隨著二甲雙胍濃度的增高，Y 和C 的含量也會(huì)增加。檢測(cè)大量水樣后發(fā)現(xiàn)，自來(lái)水中廣泛存在副產(chǎn)物C，其最高檢出劑量可達(dá)9.7 ng/L。用Y 和C 處理人肝癌HepG2 細(xì)胞，均能誘導(dǎo)明顯的細(xì)胞死亡。與砷進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，在相同劑量下，2 種氯化副產(chǎn)物對(duì)HepG2細(xì)胞的毒性與砷相似，甚至更高[22]。這表明水體中二甲雙胍的污染在一定程度上威脅人類健康。

有報(bào)道稱，植物在夏季迅速生長(zhǎng)時(shí)，二甲雙胍會(huì)被轉(zhuǎn)運(yùn)并積累在油脂組織中，特別是油菜（Brassica napus）和蕪菁（Brassica rapa），植株相對(duì)于土壤的生物富集因子（BCF）甚至可達(dá)到20，比大麥和小麥谷物高出40～60 倍，導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是夏季較高的蒸騰速率提高某些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白活性，從而促進(jìn)植株對(duì)水和溶解物質(zhì)的吸收[6,23-24]。我國(guó)是油料作物種植大國(guó)，大豆、花生、芝麻、油菜等均是重要的油料作物，二甲雙胍富集在種子中是否會(huì)通過(guò)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入人體是值得關(guān)注的食品安全問(wèn)題。

1.4 二甲雙胍轉(zhuǎn)化產(chǎn)物胍基脲（GUU）的潛在危害 目前研究證實(shí)，二甲雙胍釋放到環(huán)境中后，胍基脲（C2H6N4O）是其在自然界中唯一已知的持久性降解產(chǎn)物。降解過(guò)程主要依靠微生物進(jìn)行，例如，細(xì)菌的雙脫烷基化反應(yīng)，即在末端氮處去除2 個(gè)甲基，該反應(yīng)具有的高轉(zhuǎn)化率使得環(huán)境積累了大量胍基脲[6,9]。最近有研究表明，日本青鳉在生命早期接受1～100 ng/L 胍基脲暴露28 d 后測(cè)試，幼魚的生長(zhǎng)受到顯著抑制，且整個(gè)生命周期都暴露于低濃度胍基脲的成年青鳉，雖然其生長(zhǎng)未受抑制，但體內(nèi)雌二醇含量有所上升，內(nèi)分泌系統(tǒng)受到影響[25]。同時(shí)，胍基脲作為胞嘧啶類似物，會(huì)參與合成人類端粒的i-基序，從而降低此序列的DNA 熱穩(wěn)定性和pH 穩(wěn)定性[26]。但目前對(duì)胍基脲的報(bào)道不多，數(shù)據(jù)不夠充分，其具體的毒理性質(zhì)有待進(jìn)一步研究。

2 二甲雙胍治理新思路

二甲雙胍對(duì)水解和光降解表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，自然界的物理、化學(xué)作用無(wú)法去除二甲雙胍[6]。有報(bào)道稱，氧化石墨烯吸附法、氯氧化、臭氧氧化均可高效去除二甲雙胍[27]，但這些方法成本較高且并非適用于所有污水處理廠，有的還會(huì)造成二次污染，無(wú)法長(zhǎng)期有效根治。Mohd 等[28]在2016年測(cè)試了粘土與可生物降解的高分子絮凝劑的組合，這種組合物雖去除了所測(cè)藥物總量70%的二甲雙胍，但在處理60 min 后，二甲雙胍僅能達(dá)到21%的去除率。

因此，科學(xué)家嘗試用植物修復(fù)的方法進(jìn)行治理。二甲雙胍在香蒲（Typha orientalisPresl）內(nèi)的生物富集因子最高可達(dá)53.34，實(shí)驗(yàn)表明，香蒲在28 d 內(nèi)即可吸附水體中77%左右的二甲雙胍，并生成甲基雙胍（MBG）轉(zhuǎn)化物[29]。與二甲雙胍相比，甲基雙胍能更加迅速地被微生物降解為胍基脲，從而加速二甲雙胍的環(huán)境降解速率。后續(xù)一系列研究發(fā)現(xiàn)，香蒲經(jīng)奎尼丁處理后，吸收二甲雙胍能力被抑制70%～74%，而奎尼丁是有機(jī)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（OCT）的抑制劑[24]，這說(shuō)明OCT 在香蒲吸收二甲雙胍中具有重要作用。植物吸收二甲雙胍部分機(jī)理的闡明，有助于從基因?qū)用胬没蚪M工具，提高植株對(duì)二甲雙胍的吸收能力。Moogouei等[30]在2018年評(píng)估了干旱和半干旱植物對(duì)二甲雙胍的吸收，發(fā)現(xiàn)向日葵（Helianthus annuus）對(duì)二甲雙胍去除率較高，是植物修復(fù)的潛在物種。浮萍是一種小型水生植物，經(jīng)實(shí)地考察研究表明，浮萍是當(dāng)前廢水處理能力最強(qiáng)的植物之一；同時(shí)有報(bào)道稱，浮萍對(duì)重金屬鎘的吸收率最高可達(dá)83%[31]。人們或許可利用浮萍對(duì)環(huán)境中的二甲雙胍進(jìn)行治理，如果可行，將在很大程度上解決污染問(wèn)題，這種方法成本低、價(jià)值高，值得推廣。

有報(bào)道表明，在微生物的作用下，二甲雙胍可發(fā)生完全礦化作用轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)鹽，但參與礦化作用的微生物種群尚未鑒定清楚[32]。目前，大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)缺乏有效的技術(shù)手段從污水處理系統(tǒng)中去除這些污染物[23]，因此，可利用微生物技術(shù)，尋找能對(duì)二甲雙胍起礦化作用的微生物類群，將這些微生物加入污水處理系統(tǒng)，可極大地提高處理二甲雙胍的能力，為治理二甲雙胍污染提供一種新的途徑。