農(nóng)田離子型新興有機(jī)污染物的作物吸收、分布和轉(zhuǎn)化機(jī)制研究進(jìn)展

姜彥岐,黃 健,石傲傲,徐凱然,任俊明,倪卓彪,2,3,阿 丹,林慶祺,2,3①,仇榮亮,2,3,5 (.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣州 廣東 5062;2.廣東省農(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理與環(huán)境安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 廣東 5062;3.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室,廣州 廣東 5062;.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院/ 廣東省普通高校農(nóng)業(yè)產(chǎn)地污染綜合防治工程技術(shù)研究中心,廣州 廣東 50225;5.中山大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣州 廣東 50006)

隨著社會(huì)城市化、工業(yè)化發(fā)展及農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn),種類(lèi)繁多且數(shù)量巨大的新興化學(xué)品被釋放到環(huán)境中。新興化學(xué)品大規(guī)模的生產(chǎn)使用及長(zhǎng)期監(jiān)管體系不健全,導(dǎo)致我國(guó)面臨著嚴(yán)峻的新污染物污染問(wèn)題。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中強(qiáng)調(diào)要深入打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn),建立健全環(huán)境治理體系,尤其要重視新污染物治理。新污染物是指由人類(lèi)活動(dòng)造成的、目前已明確存在但尚未納入管理或者現(xiàn)有法律法規(guī)管理措施不足以有效防控其風(fēng)險(xiǎn)、在生產(chǎn)建設(shè)或者其他活動(dòng)中產(chǎn)生、在生態(tài)環(huán)境中廣泛賦存的所有污染物[1]。目前,國(guó)際上關(guān)注的新興有機(jī)污染物種類(lèi)主要包括環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(environmental endocrine disruptors,EEDs)、全氟及多氟烷基化合物(per- and polyfluoroalkyl substances,PFASs)、藥物與個(gè)人護(hù)理品(pharmaceuticals and personal care products,PPCPs)及抗生素等[2]。大量報(bào)道已證實(shí),新興有機(jī)污染物(emerging organic pollutants,EOPs)會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不可忽視的威脅。例如,某些PPCPs會(huì)導(dǎo)致溪流中水生生物神經(jīng)系統(tǒng)紊亂,晝夜節(jié)律失調(diào)[3],明顯抑制斑馬魚(yú)胚胎神經(jīng)-肌肉生理結(jié)構(gòu),甚至?xí)?dǎo)致不可逆發(fā)育側(cè)彎或胚胎死亡[4]。接觸PFASs會(huì)導(dǎo)致一系列人體健康問(wèn)題,包括肝腎受損、免疫毒性、內(nèi)分泌干擾和致癌影響[5-8]。某些短鏈PFASs可以對(duì)人體干細(xì)胞(HL7702)產(chǎn)生很強(qiáng)的細(xì)胞毒性,還可能會(huì)導(dǎo)致生殖和發(fā)育異常[7]。同時(shí),部分EOPs環(huán)境持久性較強(qiáng),擴(kuò)散分布廣泛,具有長(zhǎng)期、潛在和隱蔽的環(huán)境危害[1]。值得注意的是,部分離子型新興有機(jī)污染物(ionic emerging organic pollutants,IEOPs)含有一個(gè)或多個(gè)可電離官能團(tuán)(如—COOH、—SO3H、—NH2和—OH等),在不同環(huán)境條件(如pH的改變)下其官能團(tuán)可以發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化,因而改變其存在形態(tài)[9]。根據(jù)IEOPs所帶電荷的電性,可分為陽(yáng)離子型、陰離子型和兩性離子型。一般來(lái)說(shuō),IEOPs揮發(fā)性較弱,極性強(qiáng),具有較好的水環(huán)境遷移能力,因此其環(huán)境行為比傳統(tǒng)非離子型有機(jī)污染物更復(fù)雜。

前人研究多關(guān)注地表水體及再生水中IEOPs污染狀況,近年來(lái)土壤環(huán)境,尤其是對(duì)農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)的研究逐漸受到重視[10]。再生水灌溉、污泥農(nóng)用以及農(nóng)用化學(xué)品的使用是IEOPs進(jìn)入農(nóng)田的主要途徑。據(jù)報(bào)道,農(nóng)田土壤及作物器官中全氟辛烷磺酸鹽(perfluorooctane sulfonate,PFOS)和全氟辛酸(perfluorooctanoic acid,PFOA)等典型PFASs及其新興替代物,抗生素(四環(huán)素類(lèi)、磺胺類(lèi)、喹諾酮類(lèi))及多種藥物成分等PPCPs可被廣泛檢出(表1[11-22])。進(jìn)入農(nóng)田環(huán)境中的IEOPs經(jīng)過(guò)吸附-解吸及淋濾等過(guò)程后,部分被作物吸收,并隨食物鏈傳遞對(duì)人體產(chǎn)生潛在威脅[23-25]。研究人員對(duì)我國(guó)常熟和太倉(cāng)地區(qū)氟化物工業(yè)園區(qū)周邊農(nóng)田14種蔬菜和6種水果進(jìn)行調(diào)查,總PFASs檢出濃度分別為0.3～11.5 μg·kg-1和0.1～6.0 μg·kg-1,其中,該區(qū)域番茄中PFASs含量遠(yuǎn)高于歐洲食品安全局推薦的攝入限值[17]。因此,深入了解作物對(duì)IEOPs的吸收累積過(guò)程及機(jī)制,對(duì)明確IEOPs在農(nóng)田-作物系統(tǒng)中的歸趨具有重要意義。該文將基于該領(lǐng)域相關(guān)的最新研究進(jìn)展,以檢出率較高、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較大的PFASs〔除氟調(diào)醇(fluorotelomer alcohols,FTOHs)外〕、PPCPs等IEOPs為代表,系統(tǒng)總結(jié)農(nóng)田中IEOPs的作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)、累積分布以及體內(nèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程的機(jī)理及影響因素,并對(duì)該領(lǐng)域的未來(lái)研究方向進(jìn)行展望。

表1 部分國(guó)家或地區(qū)農(nóng)田土壤及作物中離子型新興有機(jī)污染物(IEOPs)濃度分布[11-22]Table 1 Concentrations of ionic emerging organic pollutants in farmland soils and crops of some countries and regions

1 離子型新興有機(jī)污染物的作物吸收、分布與轉(zhuǎn)化機(jī)理

1.1 作物根系對(duì)離子型新興有機(jī)污染物的吸收過(guò)程及機(jī)理

農(nóng)田土壤中IEOPs主要通過(guò)根系被作物吸收,并可轉(zhuǎn)移至地上部和食用部位。PAN等[26]設(shè)置兩種濃度抗生素加污土培試驗(yàn),驗(yàn)證了生菜、蘿卜和番茄的抗生素吸收現(xiàn)象,測(cè)得作物組織中濃度最高的是恩諾沙星(2.4～10.3 μg·kg-1)和氯霉素(0.76～1.85 μg·kg-1)。研究者通過(guò)市政污泥添加試驗(yàn),證實(shí)胡蘿卜、蘿卜和馬鈴薯塊莖均可以吸收PFASs,推測(cè)胡蘿卜的食用部位是吸收養(yǎng)分、水分的肉質(zhì)根組織,具有較高的PFASs吸收潛力[27-28]。作物根系吸收IEOPs后,可以將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)移至莖葉等營(yíng)養(yǎng)器官,并累積于繁殖器官中。

一般認(rèn)為,污染物從根表徑向遷移至維管組織主要有質(zhì)外體和共質(zhì)體兩種途徑(圖1)。質(zhì)外體途徑指污染物通過(guò)細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙等非胞質(zhì)空間移動(dòng);而共質(zhì)體途徑則指污染物借助胞間連絲完成胞質(zhì)間的傳遞。研究表明,疏水性IEOPs主要通過(guò)質(zhì)外體途徑向維管組織移動(dòng),而親水性IEOPs則利用共質(zhì)體途徑發(fā)生遷移[29]。然而,由于木質(zhì)素及栓質(zhì)沉積在初生細(xì)胞壁和胞間層形成凱氏帶,通過(guò)質(zhì)外體空間遷移的水和溶質(zhì)需要轉(zhuǎn)為共質(zhì)體方式[30],即必須至少跨越一層磷脂雙分子層,才可以遷移至維管組織繼而向上轉(zhuǎn)運(yùn)[31]。

①吸收過(guò)程;②跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程;③轉(zhuǎn)化過(guò)程。IEOPs·OH指IEOPs發(fā)生親水基團(tuán)修飾(如加羥基);IEOPs-SG、IEOPs-O-Glc和IEOPs-O-Glc-Mal指IEOPs與細(xì)胞內(nèi)源物質(zhì)結(jié)合(如氨基酸、多肽等)。CyP450為細(xì)胞色素P450酶;MTs為丙二?；D(zhuǎn)移酶;GST為谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶。圖1 作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)化離子型新興有機(jī)污染物(IEOPs)的過(guò)程機(jī)制Fig.1 Absorption, transport, and transformation of ionic emerging organic pollutants (IEOPs) by plants

作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)IEOPs與化合物的理化性質(zhì)(疏水性、相對(duì)分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)等)和作物生理(組成成分、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、調(diào)控基因等)密切相關(guān)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為有機(jī)污染物的疏水性(即辛醇-水分配系數(shù),Kow)是影響作物吸收最重要的因素之一。由于辛醇-水分配體系與作物體內(nèi)脂細(xì)胞膜-胞質(zhì)溶膠體系對(duì)有機(jī)物的分配模型相似,故而研究人員普遍利用Kow來(lái)代替脂質(zhì)-水分配系數(shù)(Klip)以表征有機(jī)污染物在脂相和水相之間的分配行為[32]。有研究[33]指出,作物根部有機(jī)污染物的富集系數(shù)(root concentration factor,RCF,即污染物在根中與土壤或溶液中濃度之比)與污染物的Kow呈線性關(guān)系。然而,由于部分IEOPs存在離子形態(tài),導(dǎo)致它們的吸收行為與非離子型有所不同。IEOPs的電離能力也影響作物的吸收積累狀況,例如,利用懸浮培養(yǎng)細(xì)胞試驗(yàn)驗(yàn)證了弱酸性除草劑苯達(dá)松的體內(nèi)積累[34]。帶電分子可能降低作物吸收潛力,這是因?yàn)殡婋x可能降低它們滲透細(xì)胞膜的能力。因此,研究人員提出使用pH依賴(lài)型辛醇-水分配系數(shù)(logDow,即根據(jù)電離基團(tuán)對(duì)Kow依賴(lài)性分布的影響經(jīng)校正后的參數(shù))來(lái)評(píng)估離子化的IEOPs在作物中的吸收情況[31]。該系數(shù)與化合物的酸堿解離常數(shù)(pKa)及介質(zhì)環(huán)境pH值有密切關(guān)系。WU等[35]比較了8種蔬菜中19種PPCPs累積狀況,堿性和中性PPCPs吸收量高于酸性PPCPs。然而,僅僅通過(guò)疏水性大小(如Kow、Dow)不足以評(píng)估IEOPs遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力[25,36-37]。LIPINSKI等[38]基于IEOPs分子特性,如相對(duì)分子質(zhì)量(relative molecular mass,RMM)、logKow、氫鍵供體數(shù)(H-bond donors,即分子中帶有的—OH和—NH總數(shù))及氫鍵受體數(shù)(H-bond acceptors,即分子中帶有的N和O原子總數(shù)),提出作物吸收有機(jī)污染物的“規(guī)則5”(Rule of 5),指當(dāng)一種有機(jī)物RMM >500,logKow>5,氫鍵受體數(shù)>10,或氫鍵供體數(shù)>5時(shí),作物吸收該有機(jī)物的能力較弱。KUMAR等[39]基于“規(guī)則5”進(jìn)一步細(xì)分提出“規(guī)則3”(Rule of 3)和“規(guī)則3～5”(Rule of 3～5)。“規(guī)則3”是指當(dāng)有機(jī)物RMM <300,logKow<3,氫鍵受體數(shù)<6或氫鍵供體數(shù)<3時(shí),作物吸收該物質(zhì)的能力較強(qiáng)。而“規(guī)則3～5”則指當(dāng)有機(jī)物RMM為300～500,logKow為3～5,氫鍵受體數(shù)為6～10,氫鍵供體數(shù)為3～5時(shí),作物可以中等程度地吸收該類(lèi)物質(zhì)。該原則為優(yōu)化作物吸收IEOPs的機(jī)理模型提供了理論基礎(chǔ),然而作物吸收IEOPs的實(shí)際狀況并非僅取決于化合物性質(zhì)。

根系脂質(zhì)和蛋白質(zhì)含量等作物組成成分,在用于評(píng)估作物吸收IEOPs時(shí)也具有重要作用[40],且該生理因素具有明顯的種間差異。WEN等[41]通過(guò)比較7種土培作物(紫花苜蓿、生菜、玉米、綠豆、蘿卜、黑麥草、大豆)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)含量對(duì)PFOA和PFOS吸收量的影響,發(fā)現(xiàn)根系對(duì)兩種污染物的RCF與根系蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān),與脂質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān),這可能是由于脂質(zhì)與污染物競(jìng)爭(zhēng)蛋白質(zhì)的吸附位點(diǎn)所致。但最近的研究卻發(fā)現(xiàn)8種植物根系脂質(zhì)含量與PFOA和PFOS累積量呈正相關(guān)[42]?？紤]到IEOPs種類(lèi)繁多,可能具有親水、親脂或親蛋白等多種特性,因此,它們與作物的不同組成成分之間的關(guān)系仍有待深入挖掘。

早期對(duì)于IEOPs作物吸收過(guò)程的研究,主要針對(duì)化合物的物理化學(xué)性質(zhì)差異展開(kāi)[43],然而,對(duì)于吸收過(guò)程中的跨膜機(jī)制探討仍較少。LIMMER等[44]發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于哺乳動(dòng)物系統(tǒng)的藥物跨膜遷移體系可以應(yīng)用于作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)IEOPs的過(guò)程。近年來(lái),不少研究已證實(shí)某些PFASs、氨基糖苷類(lèi)抗生素、二甲雙胍等IEOPs的跨膜吸收過(guò)程涉及蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)[28,45-52]。目前,學(xué)界多利用能量代謝抑制劑和水/離子通道阻斷劑等來(lái)研究相關(guān)機(jī)制。KONG等[53]添加能量代謝抑制劑和水通道阻斷劑后,發(fā)現(xiàn)苜蓿吸收土霉素是需要耗能的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)過(guò)程,且可能與細(xì)胞膜上的水通道蛋白無(wú)關(guān)。MENG等[54]使用能量代謝抑制劑證實(shí)菜心對(duì)環(huán)丙沙星的吸收是主動(dòng)過(guò)程。WEN等[50]通過(guò)水通道和陰離子通道阻斷劑以及能量代謝抑制劑試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)PFOS的吸收主要是水通道和陰離子通道等蛋白載體參與的被動(dòng)過(guò)程,而PFOA則是陰離子通道參與并依賴(lài)能量代謝的主動(dòng)過(guò)程。YU等[55]指出,蛋白介導(dǎo)的蒸騰作用以及質(zhì)膜上的通道蛋白在PFOS低累積作物吸收轉(zhuǎn)運(yùn)PFOS過(guò)程中起到重要作用。該研究者進(jìn)一步使用PyMOL分子圖形系統(tǒng),構(gòu)建了擬南芥陰離子通道蛋白SLAC1和菠菜水通道蛋白SoPIP2;1空間結(jié)構(gòu),并根據(jù)PFOS和PFOA分子大小證實(shí)了這些污染物具有通過(guò)陰離子/水通道的理論可能[56-59]。目前關(guān)注的IEOPs多為陰離子型,而對(duì)陽(yáng)離子型IEOPs的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理研究相對(duì)較少。CUI等[52]通過(guò)抑制有機(jī)陽(yáng)離子轉(zhuǎn)運(yùn)體(organic cation transporters,OCTs)活性后,發(fā)現(xiàn)寬葉香蒲根系對(duì)陽(yáng)離子藥物成分二甲雙胍的吸收量降低超過(guò)70%。

最新的一些研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)調(diào)控IEOPs跨膜吸收的相關(guān)基因。YU等[60]利用PFOS高、低累積型生菜品種研究PFOS吸收累積差異的內(nèi)在機(jī)制,在發(fā)現(xiàn)PFOS吸收是一個(gè)載體介導(dǎo)的被動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了負(fù)責(zé)調(diào)控水通道的PIPs(PIP1-1和PIP2-2)、快/慢速陰離子通道的ALMTs(ALMT10和ALMT13)和SLAHs等基因的表達(dá)情況,首次證實(shí)水通道與快速陰離子通道基因參與了調(diào)控PFOS的吸收過(guò)程。FAN等[61]通過(guò)擬南芥PFOA暴露試驗(yàn)比較分析根部及地上部的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征,發(fā)現(xiàn)擬南芥地上部及根部ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette transporters)、藥物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和替代活性跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等12個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相關(guān)基因均發(fā)生顯著上調(diào),表明擬南芥可能通過(guò)調(diào)控這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白參與PFOA吸收。然而,針對(duì)其他類(lèi)型IEOPs的作物吸收調(diào)控基因及轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白研究仍有待進(jìn)一步深入。

1.2 離子型新興有機(jī)污染物的作物累積分布機(jī)理

作物根系吸收IEOPs后,可以將其轉(zhuǎn)移至地上部及可食用部分,沿食物鏈對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。BLAINE等[28]通過(guò)溫室土培試驗(yàn)驗(yàn)證了多種作物的PFASs遷移累積現(xiàn)象,研究發(fā)現(xiàn)芹菜莖部中總PFASs濃度可達(dá)39.3～817.3 μg·kg-1,生菜葉片中檢出全氟丁酸、全氟戊酸濃度高達(dá)266和236 μg·kg-1,番茄果實(shí)中全氟丁酸、全氟戊酸濃度分別達(dá)56和211 μg·kg-1[46]。LIU等[12]對(duì)大型氟化工園區(qū)周邊農(nóng)田作物PFASs含量進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果表明,玉米籽粒中檢出濃度為58.8 μg·kg-1,小麥籽粒中檢出濃度高達(dá)480 μg·kg-1。該研究中,除了傳統(tǒng)長(zhǎng)碳鏈全氟化合物PFOA被檢出外,多種新興全氟化合物替代物(如短鏈全氟羧酸)正逐漸成為作物籽粒中PFASs主要富集類(lèi)型。

IEOPs的理化性質(zhì)(相對(duì)分子質(zhì)量和logKow)影響著其在作物根、莖和葉中的遷移與累積分布。研究者利用水稻對(duì)3種農(nóng)藥的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及亞細(xì)胞分布規(guī)律進(jìn)行研究,結(jié)果表明新煙堿類(lèi)(logKow為0.66～0.8)主要集中在葉片中,三唑類(lèi)(logKow為3.72～4.4)主要集中在根部[62]。IEOPs的相對(duì)分子質(zhì)量和logKow對(duì)其在作物根、莖和葉中的富集程度及莖葉轉(zhuǎn)移過(guò)程具有重要影響。同時(shí),IEOPs的分子結(jié)構(gòu)(如鏈長(zhǎng))也被證實(shí)是影響其在植物組織中分布的關(guān)鍵因素。PFASs的碳鏈越長(zhǎng),其logKow越大,水培作物根系富集PFASs的能力越強(qiáng),但往地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)則越弱[63]。KRIPPNER等[64]為探明C4～C10的10種PFASs在玉米中累積分布規(guī)律,通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)玉米地上部?jī)A向累積C4～C7的短碳鏈PFASs,而碳鏈較長(zhǎng)的PFASs則較多截留在根部?？傮w來(lái)說(shuō),與小麥相比,玉米秸稈部位傾向于富集短碳鏈PFASs,而對(duì)于C8的PFASs,小麥秸稈累積能力則更強(qiáng)。XU等[65]的研究同樣驗(yàn)證了此結(jié)論,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈PFASs(≥C8)在生菜根部積累量更大,而短鏈PFASs(≤C7)則優(yōu)先向地上部遷移。

污染物亞細(xì)胞分布是不同作物品種累積和轉(zhuǎn)運(yùn)有機(jī)污染物的重要因素,作物可以通過(guò)自身的組織結(jié)構(gòu)影響污染物在其體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程,利用吸附、阻隔等方式,削減外源污染物對(duì)作物生理生化進(jìn)程的影響。細(xì)胞壁是阻止IEOPs進(jìn)入作物體內(nèi)的重要屏障,參與了作物的初步解毒過(guò)程。果膠、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等成分組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通過(guò)直接吸附限制IEOPs跨膜運(yùn)輸,減少或阻止IEOPs對(duì)原生質(zhì)體的毒害[66]。然而,并非所有外源化合物都能被細(xì)胞壁阻隔。WANG等[67]通過(guò)研究4種新煙堿農(nóng)藥在白菜體內(nèi)亞細(xì)胞分布規(guī)律發(fā)現(xiàn),低親脂性農(nóng)藥噻蟲(chóng)嗪更容易累積在作物細(xì)胞可溶性組分中,中等親脂性農(nóng)藥螺旋霉素則主要分布在細(xì)胞壁和可溶性成分中,而高度親脂性農(nóng)藥阿維菌素則主要分布于細(xì)胞壁和細(xì)胞器中。IEOPs的亞細(xì)胞分布規(guī)律在屬間、種間存在差異。在生菜吸收累積PFOA的研究中,低累積生菜品種主要將PFOA富集在細(xì)胞壁及葉綠體中,而高累積品種則更多富集在細(xì)胞膜及液泡等脂膜中[60]。

分子成像是指在組織、細(xì)胞及亞細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物分子空間分布的原位成像手段,可以更為詳備地了解有機(jī)污染物及其代謝產(chǎn)物的空間分布特征及時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。其中,質(zhì)譜成像技術(shù)(mass spectrometry imaging,MSI)通過(guò)產(chǎn)生任意指定質(zhì)荷比化合物的二維離子密度圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)生物組織切片中化合物組成、相對(duì)豐度及空間分布情況的原位表征[68]。最近,WANG等[69]利用解吸電噴霧電離質(zhì)譜(desorption electrospray ionization mass spectrometry,DESI-MS)和透射電子顯微鏡結(jié)合X射線能譜(transmission electron microscopy equipped with energy-dispersive spectroscopy,TEM-EDS)觀察了兩種典型PFASs在不同濕地植物根組織和細(xì)胞中的分布,結(jié)果顯示PFOS和PFOA在美人蕉、再力花、風(fēng)車(chē)草和蘆葦根的表皮、皮層和維管束中有分布。其中,在美人蕉和風(fēng)車(chē)草皮層中的PFOS和PFOA主要通過(guò)質(zhì)外體途徑,更多更快地將PFOS和PFOA運(yùn)輸至維管束,并分布于植物皮層細(xì)胞的線粒體及高爾基體等多種細(xì)胞器中。質(zhì)譜成像技術(shù)可為后續(xù)深入了解作物體內(nèi)IEOPs的空間定位及脅迫代謝效應(yīng)提供新的技術(shù)手段。

1.3 離子型新興有機(jī)污染物的作物體內(nèi)轉(zhuǎn)化機(jī)制

學(xué)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為,有機(jī)污染物被作物吸收進(jìn)入細(xì)胞后,可以在不同系列酶的共同作用下進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化過(guò)程涉及3個(gè)階段。第一階段為親水基團(tuán)修飾,即通過(guò)氧化還原、水解及脫烷基反應(yīng)獲得親水性官能團(tuán)(如—COOH、—NH2、—OH等),此階段主要由細(xì)胞色素P450酶(cytochrome P450,CYP450s)、過(guò)氧化物酶等參與。第二階段為內(nèi)源分子結(jié)合,即修飾后產(chǎn)物在酶的作用下,與作物細(xì)胞內(nèi)源分子(如多肽、氨基酸、多糖等)結(jié)合,形成具有二硫鍵、醚鍵等共軛化合物[70]。其中,糖基化共軛產(chǎn)物可以在丙二?；D(zhuǎn)移酶(malonyltransferase,MTS)的介導(dǎo)下與丙二酸反應(yīng),生成丙二?；曹棶a(chǎn)物[71]。第三階段為轉(zhuǎn)化產(chǎn)物區(qū)隔化,即共軛產(chǎn)物被轉(zhuǎn)運(yùn)至非活性部位,水溶性較強(qiáng)的共軛產(chǎn)物借助ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette transporter)運(yùn)輸至液泡內(nèi)部,而較難溶的則外排至細(xì)胞壁中[32]。通過(guò)三相反應(yīng),有機(jī)污染物的極性及反應(yīng)活性有所增強(qiáng),更容易被作物細(xì)胞所代謝。一般有機(jī)污染物毒性會(huì)隨著轉(zhuǎn)化而逐漸減小,但也存在某些有機(jī)污染物的轉(zhuǎn)化中間產(chǎn)物比母體化合物具有更高毒性的現(xiàn)象[72]。

有機(jī)污染物在作物細(xì)胞內(nèi)部的轉(zhuǎn)化步驟復(fù)雜,需要一系列酶的參與。細(xì)胞色素P450-含單加氧酶(cytochrome P450-containing monooxygenases)、過(guò)氧化物酶(peroxidase)和酚氧化酶(phenoloxidases)是有機(jī)污染物代謝研究中受到關(guān)注較多的3種酶。作物體內(nèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程可以影響環(huán)境有機(jī)污染物的持久性或生物積累,特別是那些易受細(xì)胞色素P450酶攻擊的污染物[73]。細(xì)胞色素P450-含單加氧酶是位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)質(zhì)膜上的混合功能氧化酶系,它們?cè)谟袡C(jī)污染物的羥基化過(guò)程中起著重要作用。藥物成分布洛芬在作物組織中經(jīng)過(guò)細(xì)胞色素P450-含單加氧酶氧化,接著被糖基轉(zhuǎn)移酶偶聯(lián),最終分離至液泡或細(xì)胞壁中。雖然布洛芬的4種中間轉(zhuǎn)化產(chǎn)物可以被檢出,但在該實(shí)驗(yàn)中未觀察到明顯的作物毒性[74]。研究者在番茄葉片中分別鑒定出卡馬西平的21種相I和10種相Ⅱ轉(zhuǎn)化產(chǎn)物[75],并提出卡馬西平在作物中的完整代謝轉(zhuǎn)化途徑,該途徑經(jīng)過(guò)環(huán)氧化、水解、羥基化和去氨甲?；纫幌盗写x過(guò)程后,與葡萄糖或半胱氨酸軛合。研究表明,作物可以利用谷胱甘肽(glutathione,GSH)與多種PPCPs結(jié)合進(jìn)行解毒。如藥物成分對(duì)乙酰氨基酚被作物吸收后,可迅速與GSH結(jié)合,在黃瓜根和葉中形成GSH-對(duì)乙酰氨基酚軛合產(chǎn)物[76]。然而值得注意的是,一些代謝產(chǎn)物可能表現(xiàn)出與其母體化合物相似或等效的毒性。例如,卡馬西平的代謝產(chǎn)物10,11-環(huán)氧卡馬西平具有比母體物質(zhì)更大的潛在遺傳毒性[77]。類(lèi)似地,研究者在黑麥草中觀察到FTOHs可以代謝為持久性更高、化學(xué)穩(wěn)定性更強(qiáng)的PFOA[78]。

近年來(lái)有研究指出,過(guò)去被認(rèn)為難以在作物體內(nèi)轉(zhuǎn)化的IEOPs,如全氟烷基次膦酸,可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的全氟烷基膦酸并儲(chǔ)存在作物液泡中[79]。因此,對(duì)于IEOPs的具體代謝過(guò)程和涉及的酶促反應(yīng)仍然有待開(kāi)展深入研究。

2 結(jié)論與展望

農(nóng)田IEOPs污染狀況日趨嚴(yán)重,不容忽視,目前關(guān)于作物對(duì)IEOPs的吸收累積行為研究尚處于起步階段。作物可通過(guò)根系從土壤中吸收IEOPs,并在蒸騰作用下從根部遷移至莖葉甚至果實(shí)。IEOPs的吸收遷移過(guò)程和累積分布特征與其自身的理化性質(zhì)(疏水性、相對(duì)分子質(zhì)量、分子結(jié)構(gòu)等)、作物品種特性(組成成分、吸收載體類(lèi)型、調(diào)控基因等)有著重要關(guān)系。在作物體內(nèi)的IEOPs也會(huì)在多種酶(細(xì)胞色素P450酶、糖基轉(zhuǎn)移酶等)的介導(dǎo)下,發(fā)生3個(gè)階段的系列轉(zhuǎn)化反應(yīng),實(shí)現(xiàn)污染物的解毒。然而,今后仍存在以下問(wèn)題有待深入探索:

(1)需要加強(qiáng)作物吸收累積IEOPs機(jī)理的研究。以往對(duì)于作物吸收IEOPs的研究大多采用線性回歸方程關(guān)系將logKow、logDow、RMM等污染物理化性質(zhì)參數(shù)與作物吸收能力聯(lián)系起來(lái)。然而,這些關(guān)系可能僅適用于特定的化合物和作物物種之間?！耙?guī)則3”和“規(guī)則5”等概念模型的提出為科學(xué)評(píng)估作物吸收IEOPs能力提供了新的標(biāo)準(zhǔn)。然而,探討作物吸收能力也需要考慮作物品種、轉(zhuǎn)運(yùn)體性質(zhì)及相關(guān)基因等諸多作物生理因素。深入探究作物吸收IEOPs的潛在機(jī)理,尤其是蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)體及相關(guān)基因功能挖掘工作具有重要意義。另外,目前原位觀察IEOPs在作物體內(nèi)動(dòng)態(tài)吸收遷移過(guò)程的工作僅能針對(duì)作物單一器官展開(kāi),有待建立完整了解IEOPs在根-莖-葉-果中動(dòng)態(tài)遷移過(guò)程的技術(shù)體系。

(2)需要繼續(xù)完善預(yù)測(cè)作物吸收累積IEOPs的模型構(gòu)建。當(dāng)前學(xué)界多只通過(guò)logKow、相對(duì)分子質(zhì)量以及作物脂質(zhì)成分等參數(shù)構(gòu)建預(yù)測(cè)模型,然而部分IEOPs的可離子化特性導(dǎo)致其實(shí)際吸收累積程度與模型預(yù)測(cè)結(jié)果相差較大。此外,在實(shí)際作物吸收過(guò)程中,復(fù)雜的土壤-根系界面過(guò)程以及IEOPs在作物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化均會(huì)對(duì)模型預(yù)估結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重干預(yù)。因此,在預(yù)測(cè)模型構(gòu)建過(guò)程中,需納入更多的參數(shù)指標(biāo),同時(shí)結(jié)合更多基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以提高模型的有效性及參考價(jià)值。

(3)需要關(guān)注作物體內(nèi)IEOPs轉(zhuǎn)化機(jī)制的研究。雖然IEOPs等有機(jī)污染物被作物吸收進(jìn)入細(xì)胞后,可以在不同系列酶(細(xì)胞色素P450-含單加氧酶、過(guò)氧化物酶、酚氧化酶)的共同作用下進(jìn)行代謝解毒。然而,某些IEOPs的體內(nèi)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物具有更高的生物毒性,或在特定條件下可以重新轉(zhuǎn)化為原母體化合物,因此其代謝產(chǎn)物行為需進(jìn)一步關(guān)注。此外,對(duì)于某些化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)境持久性較強(qiáng)的IEOPs的體內(nèi)轉(zhuǎn)化解毒過(guò)程及機(jī)制仍有待深入探究。