菲對(duì)水生動(dòng)物生殖毒性的研究進(jìn)展

譚 婷，潘鵬濤，吳航利，楊超超，楊 娜，王 佳，雷 忻*

(1.延安大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；2.延安市生態(tài)恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 延安 716000)

隨著石油化工產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，多環(huán)芳烴污染狀況有加劇的趨勢(shì)將直接影響著動(dòng)物的生殖發(fā)育和種族繁衍。菲(PHE)作為一種常見的多環(huán)芳烴類污染物，可通過食物、空氣和皮膚等進(jìn)入動(dòng)物體，對(duì)動(dòng)物有一定的致癌致敏性。PHE可通過地表徑流等方式進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，通過食物鏈逐級(jí)放大效應(yīng)，使得動(dòng)物體內(nèi)富集較高濃度的PHE。PHE作為性激素類化合物在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)揮作用，危害細(xì)胞、組織和器官，威脅生物個(gè)體甚至種群。本文就目前PHE污染現(xiàn)狀、對(duì)動(dòng)物的生殖毒性及其主要作用機(jī)制進(jìn)行綜述和展望，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)菲的生殖毒性和菲污染狀況的防治和改善提供理論基礎(chǔ)。

1 菲的概述

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一類穩(wěn)定存在于自然生態(tài)環(huán)境中的污染物，原油和精煉石油也存在著較大比例的PAHs，這也是PAHs來源的主力軍，PAHs的高持久性促使其成為水體環(huán)境中廣泛存在的有毒污染物。PHE是自然環(huán)境中多環(huán)芳烴的一員，它的來源主要?dú)w于石油污染、碳?xì)浠衔锶毖趸虻脱跞紵蜔峤猓鼘?duì)有機(jī)溶劑親和度較高，不易溶于水，主要在人工合成有機(jī)染料等工業(yè)過程中會(huì)大量使用，由于其低溶解度和親脂性對(duì)生物降解具有抵抗力，可以很容易地在水生動(dòng)物組織中進(jìn)行生物累積。

PHE作為自然環(huán)境中的污染物，是人類活動(dòng)導(dǎo)致水環(huán)境中含量最豐富的多環(huán)芳烴之一。分布范圍寬廣，在水域、土壤和部分動(dòng)物體等范圍中都具有很高的化學(xué)檢出率，城市集水區(qū)周圍的PHE含量非常高，且它們的水平正在增加[1]。PHE主要通過水徑流、大氣沉積和石油泄漏輸入到水環(huán)境中，據(jù)調(diào)查，目前在我國(guó)大部分區(qū)域性河流和水體下游流域中都可發(fā)現(xiàn)含有大量污染物PHE。例如：福建九龍江下游流域表層水體中PHE平均含量約為160～1370 ng/L[2]，閩江表層水體中PHE平均含量為1700 ng/L[3]，珠江澳門水域表層水體中PHE平均含量為101.1 ng/L[4]，廈門西港表層水體中PHE平均含量約為367 ng/L[5]，渭河干支流表層水體中測(cè)定得出PHE平均含量為238～7313 ng/L[6]。在國(guó)外報(bào)道了美國(guó)新澤西州表層水體中PHE平均含量分別達(dá)80～800 ng/L[7]，尼日利亞水域表層水體中PHE平均含量為146 ng/L[8]。廢水中PHE及其相關(guān)代謝產(chǎn)物的富集會(huì)對(duì)水生動(dòng)物產(chǎn)生有害影響，因此PHE的相關(guān)毒性受到了廣泛的研究關(guān)注，且PHE具有生物積累性[9]，在自然環(huán)境中不斷積累可對(duì)動(dòng)物造成一定傷害，鑒于其持久性和高毒性，PHE對(duì)水生動(dòng)物生殖的毒性影響值得高度關(guān)注。

2 菲的生殖毒性

2.1 菲對(duì)水生動(dòng)物生殖細(xì)胞發(fā)育的影響

PHE作為一種動(dòng)物性激素類似物可造成動(dòng)物雌雄配子數(shù)量減少，阻礙動(dòng)物正常生殖和發(fā)育。動(dòng)物受到PHE的污染后可引起動(dòng)物生殖腺指數(shù)和生殖能力顯著性下降，具體表現(xiàn)為動(dòng)物性腺組織生長(zhǎng)受到阻礙，導(dǎo)致發(fā)育不成熟，精巢內(nèi)沒有或只有若干成熟精子，精巢的小葉內(nèi)多是次級(jí)精母細(xì)胞[10]；而雌性動(dòng)物卵巢壁變厚，生殖腔變大，卵子成熟程度低。在接觸PHE的動(dòng)物中，腺泡結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重影響：卵母細(xì)胞的早期發(fā)育階段不再靠近腺泡壁，而是在腺泡腔中擴(kuò)散，腺泡壁可見纖維化及兩層上皮擴(kuò)張，核動(dòng)力源的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，腺泡中發(fā)現(xiàn)退化的前卵母細(xì)胞聚集，性腺中發(fā)現(xiàn)了較少的卵黃原性卵母細(xì)胞，并在腺泡中發(fā)現(xiàn)脂褐素為不規(guī)則形狀和不均勻結(jié)構(gòu)的藍(lán)色顆粒，大量脂褐素分布在腺泡的細(xì)胞外間隙和核動(dòng)力源內(nèi)部[11]。此外，在腺泡壁的上皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)脂褐素，并與腺泡外的免疫細(xì)胞，即所謂的體腔細(xì)胞結(jié)合。在性腺中均發(fā)現(xiàn)卵原細(xì)胞、卵黃原性和卵黃原性卵母細(xì)胞以及成熟卵子，并發(fā)現(xiàn)了聚集在腺泡中已退化的卵黃前體卵母細(xì)胞，觀察到性腺腺泡結(jié)構(gòu)的紊亂，主要是由于退化的卵母細(xì)胞聚集的結(jié)果[12]。在形態(tài)上，與發(fā)育后期相比，它們的特點(diǎn)是生發(fā)泡大，核質(zhì)比高，體積小。卵黃發(fā)生前卵母細(xì)胞的生長(zhǎng)和成熟受到抑制，而對(duì)成熟卵子無(wú)明顯影響[13]。精子運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)史和受孕率受到的影響與PHE污染程度之間有著緊密聯(lián)系，它促使生殖細(xì)胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，如動(dòng)物體內(nèi)分泌生殖相關(guān)激素變化，動(dòng)物自身繁殖效率降低，動(dòng)物生殖相關(guān)細(xì)胞發(fā)育過程中產(chǎn)生阻礙等[14]。PHE可在很大比例上損傷生殖配子活性，并可降低雌雄配子結(jié)合率，提高畸形發(fā)生幾率[15]，PHE的暴露會(huì)影響動(dòng)物生殖細(xì)胞，進(jìn)而影響動(dòng)物生殖發(fā)育。

2.2 菲對(duì)水生動(dòng)物性腺組織及內(nèi)分泌的影響

PHE作為動(dòng)物生存環(huán)境中的化學(xué)污染物，對(duì)動(dòng)物生殖腺相對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)和功能造成一定損傷。使用含PHE的食物對(duì)魚類進(jìn)行慢性生殖毒性實(shí)驗(yàn)，來檢測(cè)和觀察食用含PHE的食物對(duì)魚類生殖結(jié)構(gòu)卵巢發(fā)育的影響[16]。PHE可直接抑制由卵巢分泌類固醇生成的相關(guān)雌激素從而影響酶系統(tǒng)，進(jìn)一步破壞動(dòng)物體內(nèi)與生殖結(jié)構(gòu)密切相關(guān)激素的原有動(dòng)態(tài)平衡[17，18]。從另一角度說，PHE作為一種環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，對(duì)動(dòng)物正常生殖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能造成嚴(yán)重影響，在PHE的作用下顯著地抑制精巢和卵巢中的17β-雌二醇水平[19]。在水生動(dòng)物中，睪酮、17β-雌二醇等類固醇激素在性腺發(fā)育過程中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用，它們的變化會(huì)導(dǎo)致魚類生殖系統(tǒng)發(fā)育階段分子水平上的生理和生化上的變化，從而最終影響魚類的生殖功能。腦垂體性腺軸的紊亂，包括降低血清中促性腺激素釋放激素(GNRH)濃度并且減少性腺中激素的生物合成，是降低激素含量的原因，腦垂體性腺軸的紊亂首先表現(xiàn)于GNRH的表達(dá)受到干擾[20]。GNRH影響動(dòng)物體內(nèi)性激素的變化需要通過促性腺激素(GTH)作為中間樞紐，在此過程中具有復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制，不僅會(huì)受外界有害物質(zhì)的刺激，也會(huì)受到動(dòng)物體內(nèi)其他激素和控制因子的調(diào)節(jié)[21]?；诂F(xiàn)有的研究，PHE對(duì)性激素的毒性效應(yīng)響應(yīng)到組織層次上的結(jié)果就是性腺發(fā)育受到抑制，在對(duì)褐菖鮋組織切片觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn)PHE對(duì)性腺組織生殖腺和一些附屬器官發(fā)育不完全或遲滯作用[22]。PHE干擾動(dòng)物體內(nèi)生殖腺正常分泌性激素和黏液，使動(dòng)物生殖系統(tǒng)功能受到損害，進(jìn)而影響身體其他系統(tǒng)功能，對(duì)動(dòng)物后代繁衍和種族延續(xù)造成損害[23-25]。環(huán)境內(nèi)分泌干擾物在動(dòng)物生殖受阻過程中起到了很大促進(jìn)作用，還可導(dǎo)致動(dòng)物機(jī)體產(chǎn)生一些相應(yīng)并發(fā)癥[26]。

2.3 菲對(duì)水生動(dòng)物胚胎早期發(fā)育的影響

PAHs是空氣、水甚至食物中普遍存在的污染物，人類和動(dòng)物能夠輕易地接觸PHE[27]。近年來，在性腺、腦垂體、外周靜脈血等檢測(cè)到PHE，這預(yù)示動(dòng)物胚胎面臨著PHE的暴露，并通過一些PHE含量檢測(cè)可得到驗(yàn)證[28]。

PHE對(duì)動(dòng)物胚胎早期發(fā)育的影響主要是三方面：一是PHE在胚胎早期發(fā)育過程中阻止器官建立，使其不能活到孵化或分娩時(shí)期；二是PHE在動(dòng)物早期發(fā)育過程中改變或破壞器官功能，使動(dòng)物發(fā)育受損；另外，PHE的一些衍生物在該時(shí)期作用于動(dòng)物多個(gè)器官，影響胚胎發(fā)育。在PHE對(duì)動(dòng)物胚胎早期發(fā)育毒性研究中，發(fā)現(xiàn)在動(dòng)物胚胎發(fā)育兩個(gè)階段中對(duì)PHE污染尤為敏感。第一是在分裂早期，即PHE改變背腹軸的建立，這種破壞結(jié)果是過度背側(cè)化的胚胎不能存活到孵化時(shí)期。第二個(gè)敏感時(shí)期是在心臟發(fā)育過程中，由于心臟易受化學(xué)污染物的影響，尤其是動(dòng)物生存環(huán)境中的PHE污染[29]，心血管系統(tǒng)從大氣中提取氧氣很重要，用于向細(xì)胞線粒體輸送氧氣和調(diào)節(jié)心輸出量以滿足活性組織的代謝需求，所以心臟功能的破壞會(huì)影響動(dòng)物的早期發(fā)育。在魚類和其他脊椎動(dòng)物中，能否正常存活的表現(xiàn)取決于心輸出量的大小，表明污染物對(duì)心臟功能破壞是對(duì)動(dòng)物胚胎的主要威脅，其中PHE導(dǎo)致的胚胎性心力衰竭的發(fā)病過程主要是通過兩個(gè)途徑：第一個(gè)途徑是抑制內(nèi)向整流鉀通道的心臟電位活動(dòng)，第二個(gè)途徑是阻斷心肌細(xì)胞內(nèi)的鈣循環(huán)，切斷相關(guān)的接受受體或血漿鈣泵[30-33]。除了影響心臟相關(guān)功能的發(fā)育外，原油中的多環(huán)芳烴PHE還被證明導(dǎo)致眼睛發(fā)育和功能中重要基因的失調(diào)，以及形態(tài)學(xué)上的失調(diào)即眼睛發(fā)育異常，眼睛發(fā)育相關(guān)基因(晶狀體、珠狀纖維和晶體)受損并引起視網(wǎng)膜細(xì)胞凋亡水平上升和增殖水平下降，最終引發(fā)視覺發(fā)育和功能障礙[34]，接觸PHE導(dǎo)致的嚴(yán)重畸形包括頜骨復(fù)位、骨骼缺損、心包和卵黃囊水腫心臟功能不全[35-38]。這些毒性反應(yīng)是由于動(dòng)物的早期發(fā)育受到PHE污染影響。在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，PHE發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的衍生物可對(duì)胚胎產(chǎn)生危害，這些結(jié)果表明在暴露于3-OHBcP的動(dòng)物胚胎心臟發(fā)育受到損失，胚胎中較多基因受到影響。例如:PHE暴露使得斑馬魚胚胎眼發(fā)育先天性異常，PHE誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和減少細(xì)胞增殖，視網(wǎng)膜對(duì)視覺處理中心尤其是感光細(xì)胞損害較明顯，趨光性反應(yīng)受損[39]，并且動(dòng)物肌肉發(fā)育相關(guān)基因表達(dá)，能量供應(yīng)和應(yīng)激反應(yīng)蛋白在發(fā)育早期發(fā)生顯著變化。PHE可以影響動(dòng)物生長(zhǎng)，誘導(dǎo)DNA損傷，擾亂行為和引起組織病理學(xué)損傷[40]。

3 菲影響水生動(dòng)物生殖的干擾作用機(jī)制

3.1 菲對(duì)水生動(dòng)物的遺傳毒性作用機(jī)制

PHE可對(duì)水生動(dòng)物造成兩種類型DNA的損傷，一類是其中間活性代謝產(chǎn)物與動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的DNA通過共價(jià)方式結(jié)合在一起形成加合物[41]。首先PHE本身對(duì)電子具有非常強(qiáng)的親和性[42]，可以和體內(nèi)的其他生物大分子諸如DNA分子結(jié)構(gòu)中的脫氧腺嘌呤及位于脫氧鳥嘌呤外環(huán)上的氨基以共價(jià)的方式結(jié)合而形成PHE-DNA加合物[43]；另一類DNA損傷是PHE在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)時(shí)能形成大量活性氧并造成氧化性DNA損傷[44]。其產(chǎn)生的原因主要是在體內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的大量物質(zhì)，當(dāng)動(dòng)物體內(nèi)無(wú)法及時(shí)進(jìn)行清理時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)與動(dòng)物體內(nèi)的生物大分子發(fā)生氧化反應(yīng)作用，對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生生殖毒性效應(yīng)[45]。一方面PHE在動(dòng)物體內(nèi)代謝時(shí)所產(chǎn)生的中間活性產(chǎn)物本就可作為自由基代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物能夠通過共價(jià)的方式聯(lián)合動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的RNA、DNA，從而直接產(chǎn)生RNA加合物以及DNA加合物[46]，同時(shí)體內(nèi)一些堿基會(huì)對(duì)產(chǎn)生這些加合物的作用位點(diǎn)進(jìn)行切除從而直接使得DNA鏈斷裂[47];另一方面，在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)氧化還原的過程中還能夠產(chǎn)生大量的活性氧自由基，在一定范圍內(nèi)，活性氧自由基能被動(dòng)物體內(nèi)的超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷光甘肽過氧化物酶等一系列抗氧化酶進(jìn)行清除[48]，但當(dāng)它們來不及完全消除活性氧自由基時(shí)，就會(huì)直接造成動(dòng)物體內(nèi)脂質(zhì)過氧化、動(dòng)物細(xì)胞RNA和DNA氧化損傷等不良結(jié)果[49]。

多環(huán)芳烴進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后，經(jīng)過體內(nèi)的環(huán)氧化物水解酶等作用代謝產(chǎn)生活化的醌類物質(zhì)，誘導(dǎo)體內(nèi)活性氧的大量產(chǎn)生，從而引起動(dòng)物細(xì)胞的DNA氧化型損傷[50]。PHE對(duì)水生動(dòng)物細(xì)胞造成DNA損傷，通過對(duì)水生動(dòng)物遺傳毒性來影響其幼體早期生長(zhǎng)發(fā)育，且PHE對(duì)不同的動(dòng)物所造成的DNA損傷也有細(xì)微差異[51]。

3.2 菲影響水生動(dòng)物的生殖內(nèi)分泌作用機(jī)制

PHE能改變激素的生物合成和代謝，模擬天然類固醇，誘導(dǎo)或阻斷生理反應(yīng)并影響生殖或其他內(nèi)分泌過程[52]。PHE會(huì)干擾動(dòng)物體內(nèi)性激素水平的相對(duì)動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而造成動(dòng)物內(nèi)分泌紊亂，對(duì)動(dòng)物造成生殖和發(fā)育毒性[53]。

PHE在動(dòng)物體內(nèi)發(fā)生干擾主要可分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是在混合功能氧化酶系進(jìn)行反應(yīng)，其中PHE進(jìn)行生物轉(zhuǎn)換反應(yīng)，主要是在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行氧化、還原、水解等步驟[54]，在這個(gè)階段形成菲相關(guān)極性基團(tuán)，提高PHE的水溶性，形成第二階段結(jié)合反應(yīng)的條件；接著受到與代謝相關(guān)酶的催化，進(jìn)一步生成相應(yīng)代謝產(chǎn)物，這一過程加強(qiáng)代謝產(chǎn)物的形成并加速向體外排出，同時(shí)氧化還原循環(huán)反應(yīng)在轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生。PHE之所以能導(dǎo)致動(dòng)物中毒的原因是，PHE的化學(xué)結(jié)構(gòu)中具有兩個(gè)特殊的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域，一個(gè)“灣”區(qū)(bay-region)和一個(gè)“K”區(qū)(K-region)，這兩個(gè)特殊的化學(xué)反應(yīng)區(qū)域與菲所產(chǎn)生的生殖毒性效應(yīng)有不可分割的聯(lián)系[55]。

研究發(fā)現(xiàn)，PHE可通過與下丘腦-腦垂體-性腺軸相互作用來有效實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)分泌的干擾[56]。GnRH調(diào)節(jié)垂體促性腺激素的分泌，包括促卵泡激素(FSH)和黃體生成激素(LH)，這些激素運(yùn)輸?shù)叫韵俨⒄T導(dǎo)類固醇生成，產(chǎn)生性類固醇激素[57]。抑制動(dòng)物體內(nèi)生殖相關(guān)激素的正常代謝，造成腦垂體性腺軸的紊亂，如減少性腺中相關(guān)激素生物合成并降低血清中促性腺激素濃度含量是導(dǎo)致生殖相關(guān)激素失衡的原因[58，59]。其次，PHE通過受體介導(dǎo)來影響動(dòng)物生殖。PHE可通過受體和細(xì)胞色素P450酶介導(dǎo)，而且主要是受體介導(dǎo)危害水生動(dòng)物[60]。在大部分動(dòng)物體都存在芳烴受體(AHR)。PHE通過與AHR結(jié)合途徑致毒，PHE與AHR結(jié)合，再與EAHR核轉(zhuǎn)錄因子(ARH nuclear translator)結(jié)合誘導(dǎo)細(xì)胞色素P45101A(CYPlA)基因轉(zhuǎn)譯。PHE誘導(dǎo)P450mRNA迅速上升，蛋白和細(xì)胞色素P450亞酶CYPlA1(EROD)活性增加，從而產(chǎn)生誘導(dǎo)作用[61]。PHE可以作為一種配體進(jìn)入細(xì)胞中，當(dāng)配體PHE和雌激素受體結(jié)合后，會(huì)使原結(jié)合于受體上蛋白解離下來，而結(jié)合了配體PHE的雌激素受體發(fā)生構(gòu)象變化，進(jìn)一步調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)分泌或與其他蛋白作用，從而影響動(dòng)物機(jī)體原有的激素動(dòng)態(tài)平衡[62]。由于PHE特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)，使得自身相對(duì)于分子量較大的多環(huán)芳烴類物質(zhì)，更易進(jìn)入水體，被水生動(dòng)物利用[63]。PHE在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行氧化還原循環(huán)等反應(yīng)過程中，通過這些反應(yīng)影響動(dòng)物體內(nèi)生殖相關(guān)激素的分泌，即干擾內(nèi)分泌影響動(dòng)物的正常繁殖，同時(shí)通過對(duì)激素的控制來影響水生動(dòng)物胚胎的早期發(fā)育。

4 展望

隨著區(qū)域性河流和水體的污染日趨嚴(yán)重，目前大部分對(duì)于PHE的研究都是有關(guān)PHE對(duì)動(dòng)物的急性毒性方面，而PHE對(duì)動(dòng)物生殖毒性的研究是較為少見。雖然已有部分研究針對(duì)PHE對(duì)水生動(dòng)物的生殖毒性，但其具體的機(jī)制還有待于深入研究和總結(jié)；對(duì)于PHE本身的性質(zhì)已經(jīng)非常清晰，但對(duì)于其與其他生物因子共同作用在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的聯(lián)合毒性效應(yīng)還比較模糊，在未來應(yīng)該與多學(xué)科相互結(jié)合，利用發(fā)達(dá)的分子技術(shù)從分子和基因水平對(duì)PHE對(duì)水生動(dòng)物的影響來進(jìn)行研究，并且如何從更深層次、更豐富的角度去揭示菲對(duì)水生動(dòng)物的生殖毒性效應(yīng)及其作用機(jī)制是需要我們進(jìn)一步探討的熱點(diǎn)。

PHE可對(duì)水生動(dòng)物造成嚴(yán)重生殖毒性，在其污染治理方面也受到廣泛的關(guān)注。通過現(xiàn)有文獻(xiàn)可得[64]，有一系列修復(fù)措施，物理修復(fù)如添加抗毒害的一些必需元素，微生物修復(fù)如利用一些外源細(xì)菌進(jìn)行修復(fù)，分子技術(shù)修復(fù)等。未來我們應(yīng)該將各個(gè)學(xué)科綜合利用，從污染源頭、過程到修復(fù)從分子、細(xì)胞、組織和整體層次對(duì)PHE的污染防治方面進(jìn)行全面研究。