多环芳烃污染对水生药用植物品质的影响△

王新胜，吴启南

(南京中医药大学 药学院，江苏 南京 210046)

国家自然科学基金项目(81073002)，江苏高等学校“中药资源化学研究”优秀科技创新团队(2011)，江苏省六大人才高峰项目(2010)，江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXZZ12-0625)

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吴启南，E-mail：qnlxw@yahoo.com.cn

多环芳烃污染对水生药用植物品质的影响△

王新胜，吴启南*

(南京中医药大学 药学院，江苏 南京 210046)

研究多环芳烃(PAHs)的来源，分析PAHs分布及在水生药用植物中的分布特点，综述PAHs三个代谢途径，总结PAHs对水生药用植物生理生化影响。最后指出了目前存在问题和未来研究方向。

多环芳烃；水生药用植物；生理生化；品质

多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，简称PAHs)是指分子中含有两个或两个以上苯环以线状、角状或簇状排列的稠环型化合物，包括萘、蒽、菲和芘等150余种化合物[1]。现代药理研究表明其中15种PAHs具有致癌性，因此引起世界各国的重视。美国环境保护局把萘、菲、芘、苯并(g,h,i)芘等16种PAHs列为优先控制污染物，中国把萘、荧蒽、苯并(g,h,i)芘等7种PAHs列入环境污染的黑名单中。PAHs的熔点和沸点较高，具有疏水性，辛醇-水分配系数高，会强烈地分配到非水相中，吸附于颗粒物上，土壤和沉积物为其主要的环境归宿[2-3]。

水生植物(Hydrophyte)是指那些在它生命里全部或大部分的时间都是生活在水中，并且能够顺利的繁殖下一代的植物。目前，水生植物常被用来净化水质，同时也能除去沉积物中持久有机污染物[4-5]。水生植物能够吸收、降解或固化PAHs。由于PAHs化学稳定性，可进入生态系统，进而影响到人体健康。PAHs能影响水生药用植物次生代谢产物积累，表现出药材品质改变，从而影响临床疗效。与陆生植物相比，关于水生植物与PAHs关系研究较少[6]，而对水生药用植物品质影响的研究更少。

1 多环芳烃的来源

多环芳烃是一类典型的持久性有机污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)，它在环境中广泛存在。PAHs的来源可分为人为来源和天然来源两种。大气环境中大部分PAHs是由人类生活和生产活动过程中燃料的不完全燃烧产生的。环境中多环芳烃的天然来源主要由微生物和高等植物(如烟草、胡萝卜等)合成，此外，火山活动、森林、草原火灾也会产生一些多环芳烃。但环境中的多环芳烃多由人为污染造成。

1.1 热解源

煤、石油和木材及有机高分子化合物的不完全燃烧或是在还原条件下经热分解而生成的。如焦化煤气、有机化工、石油工业、炼钢炼铁等工业所排放的“三废”中含有相当多的PAHs，其中尤以焦化厂污染最严重。此外，还有交通运输业中飞机、汽车的废气，日常生活中煤炉排放的废气，吸烟产生的烟雾，以及生活垃圾被填埋处理后所产生的高浓度有机废水中都含有PAHs[7]。

1.2 石油类源

原油在开采、运输、生产和使用过程中的泄漏及排污。原油中含有很高的PAHs，不同类型和来源的油中每一种PAHs化合物的相对含量不同，在不同的精炼石油产品中PAHs含量也不相同。开采过程中设备的泄漏、各种设备的加油、换油、清洗、以及废油的回收、转运、保管等环节的管理缺陷而出现的油类流失，操作工人将废油布、废油棉纱随意乱扔、乱丢、废油、废乳化油任意倾倒等行为，使得原油中的PAHs进入环境进而威胁人类的健康和生存。据估计，石油化工厂每年向全世界的海洋释放200 000 t的石油制品和原油[8]，同时精炼废液也大量排入河流、湖泊等淡水水体中。

2 多环芳烃的分布特点

PAHs在自然环境中广泛存在，无论在空气、水体、土壤、沉积物或生物中都能发现它们的踪迹[9]。

2.1 空气

据报道，全球每年向大气中排放的PAHs有几十万吨，以气相或颗粒相在大气中存在，并且在大气中稳定迁移而不被分解[10]。但95%的PAHs是吸附在小于7 μm的颗粒物中，其中60%～70%集中在1.1 μm以下的颗粒物中。气态PAHs通过水生植物(挺水植物、浮水植物)的叶片等部位被吸收，颗粒相PAHs则以干湿沉降在植物表面，部分扩散入植物内部[7-8]。PAHs在水生植物中的含量与植物含脂率具有显著的正相关关系，含脂率高的植物组织中PAHs含量也高；与PAHs组分的辛醇-水分配系数(Kow)以及辛醇-大气分配系数(Koa)具有显著的负相关关系，即较小lgKow与lgKoa的低分子量PAHs组分在植物暴露的水与空气环境介质的含量较高，从而造成这些PAHs组分在挺水植物组织含量也较高[6]。

2.2 水

水体中的PAHs主要来来源于大气沉降、雨水冲刷及污水排放等途径，以溶于水、呈乳化状态和吸附在悬浮性固体颗粒物上等方式存在。PAHs中萘含有2个苯环分子，其水溶性强，其溶解度达32 mg·L-1。世界许多国家和城市主要地表水体中都有PAHs分布；就我国而言，水体中PAHs污染严重[11-13]。

2.3 土壤和沉积物

土壤中的PAHs主要来源于大气沉降、污水灌溉。PAHs具有强烈的疏水性和亲脂性，难溶水，易吸附在悬浮的颗粒物上，最后在水底环境中沉积，因其化学稳定性，可以在沉积物中存在很长时间并积累到较高的浓度[14]。一些水生植物在生长过程中能吸附、降解或富集沉积物中的PAHs，莎草和灯芯草能除去沉积物中的PAHs，而这两种植物的生长几乎没有受到影响[5]，说明这两种植物能修复沉积物PAHs的污染。

3 多环芳烃的代谢

PAHs的代谢除了与其自身的化学结构和水溶性有关，还与外界因素有关，如植物类型、微生物种类等。目前，PAHs代谢机制主要有三种：一是植物直接吸收PAHs，并将其转运或转化为非毒性代谢物；二是植物释放促进PAHs降解的生物酶；三是植物与根际微生物的联合降解代谢作用[15]。

3.1 植物对PAHs的直接吸收作用

植物对PAHs的直接吸收后，将其转运或转化为非毒性代谢物。PAHs在植物体内发生的最重要的生化反应是羟基化，微粒体单氧化酶可使单环和多环芳烃转化为羟基化合物，进一步氧化生成苯醌，转化为非毒性代谢产物[18]。目前，国内外研究显示PAHs的代谢经过此途径的较少[16-17]。

3.2 植物释放生物酶促进PAHs降解代谢

植物主要是通过根系释放生物酶到土壤或沉积物中，增强土壤中生物酶活性，而释放的生物酶也直接或促进PAHs降解代谢。实验表明，植物根系分泌的多酚氧化酶、脱氢酶等可以降解PAHs。黑麦草、苜蓿增强土壤中多酚氧化酶和脱氢酶的活性，可以提高两种植物对PAHs的降解率，多酚氧化酶是一种复合酶，能把PAHs氧化成苯醌[19]。许超等[20]和丁克强等[21]研究表明土壤中多酚氧化酶的活性增强，黑麦草能加快苯并[α]芘和菲的降解。

3.3 植物与根际微生物对PAHs的联合降解代谢作用

PAHs代谢的主要途径是植物与根际微生物联合作用，植物根系代谢活动为微生物提供了适宜的环境，一方面，植物根系的巨大表面积为微生物提供了寄宿之处，是植物根际微生物数量明显多于周围土壤；另一方面，植物向根系输入氧气和释放根系分泌物，其中的分泌物可促进微生物的生长、繁殖和代谢[22]。植物根系分泌物中的一些化合物如类黄酮、酚类和萜类等，能以与联苯相同的方式作为微生物生长基质，促进微生物对PAHs的代谢[23]。大量研究表明，此途径的代谢过程中有几种共同的中间代谢产物，即邻苯二酚或取代邻苯二酚，然后通过1,2-双加氧酶催化的临裂途径或2,3-双加氧酶催化的间裂途径裂解开环，进入三羧酸循环，并进一步氧化开环彻底代谢为二氧化碳和水。目前，研究较多的是萘和菲的代谢途径[24]。而四环及以上的PAHs的代谢途径是当前研究的热点[25-26]。

4 多环芳烃对水生植物生理生化的影响

水生植物对有机污染物的生理生化响应研究已有较多的报道，但是关于PAHs的研究较少。水生植物对有机污染物胁迫的生理生化响应主要表现在叶绿素、含水量、脯氨酸含量、丙二醛含量、可溶性蛋白和多糖的改变以及SOD、POD和PPO等酶的活性变化。目前研究较多的是四环以下的PAHs对水生植物的生理生化的影响。伊乐藻在菲暴露下，体内的丙二醛和可溶性多糖含量先降低，可溶性蛋白质含量先升高。随着暴露时间的延长，都恢复到和初始值比较接近，这说明伊乐藻对低浓度的菲有很好的抗逆性[4]。微齿眼子菜在菲的胁迫下同样具有较好的抗逆性，菲的暴露没有引起微齿眼子菜的脂质过氧化，可溶性糖含量在暴露实验的40d内比较稳定，可溶性蛋白含量先增大后降低，暴露结束后与初始值比较接近[27]。刘建武等[28]研究了五种水生植物对萘的生理生化响应，结果表明随着萘浓度增加，叶绿素含量降低，水葫芦和水花生的POD活性逐渐升高，浮萍、紫萍和细叶满江红的酶活性随萘浓度增加先升高后降低。马丽等[29]以松前水稻为试验材料，研究了几种浓度萘污染土壤对松前水稻生长和生理生化指标的影响，以及植物成熟期时土壤中萘的残留。结果表明萘浓度低于20mg·kg-1时促进幼苗茎径、茎长、株高的生长，高浓度对其生长有显著的抑制作用；萘胁迫对水稻叶片游离脯氨酸和蛋白质代谢均有一定的影响，且影响程度以苗期最为明显，其次是分蘖期和拔节期；水稻幼苗阶段萘的高浓度组MDA累积量极显著高于对照，水稻幼苗阶段受到膜脂过氧化影响较为显著，分蘖期次之；拔节期水稻开始新生器官，抗性较弱，萘胁迫产生的过氧化作用超过了水稻的承受范围，使SOD活性显著降低；在试验所设萘浓度范围内，水稻各生长期叶片叶绿素和光合作用速率均呈不同的变化趋势，但是变化幅度均不超过对照的，说明萘胁迫对松前水稻的光合作用没有显著影响，水稻对萘胁迫有一定的耐受性。

对于水生药用植物来说，次生代谢产物是其发挥临床疗效的物质基础。而植物的次生代谢产物是植物在长期进化中与环境相互作用的结果，次生代谢产物在植物提高自身保护和生存竞争能力、协调与环境关系上充当着重要的角色，其产生和变化比初生代谢产物与环境有着更强的相关性和对应性[30-31]。许多研究者仅仅分析水生植物在PAHs污染下的初生代谢过程的生理生化变化，而未研究次生代谢产物对PAHs的响应。植物次生代谢产物改变影响药材的品质，而环境改变一定会影响次生代谢产物的改变，因此，在研究水生植物生理生化变化的同时，也应该研究植物次生代谢产物的变化，分析药材品质。

5 研究展望

当前PAHs来源、分布研究较为清楚，但在水生植物中的分布研究很少。代谢途径仅仅是根际微生物与植物相互作用中的萘、菲、芘等研究较为清楚，而四环以上的PAHs代谢研究较少。水生植物在污水治理中有广泛的应用，在此过程中水生植物有可能随环境的改变而发生变异，表现为形态学改变、生理生化指标的变化、次生代谢产物的累积或减少及遗传多样性的变化等等。水生药用植物是一类特殊环境下的中药资源，在疾病的防治、治疗过程中有广泛的应用，是中医药的宝贵财富。外界环境的改变对水生药用植物的品质有很大的影响。PAHs作为一类持久性有机污染物，对水生药用植物品质形成有一定的影响。今后研究应在PAHs在植物体内吸收、积累、降解途径及其与植物次生代谢关系上加强，应用同位素标记技术等研究PAHs是否参与植物次生代谢产物积累和形成，以及药材品质变化。本课题组初步研究表明，PAHs对三棱的生理生化指标有较大影响。但PAHs对三棱次生代谢产物的影响及其分子机制有待进一步深入研究。

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EffectsofPolycyclicAromaticHydrocarbonsPollutionontheQualityofMedicalHydrophyte

WANG Xin-sheng, WU Qi-nan

(PharmaceuticalCollege,NanjingUniversityofChineseMedicine,Nanjing210046,China)

The source of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) was studied and the distribution and characteristics of PAHs in aquatic medicinal plants were analyzed. Three metabolic pathways of PAHs were reviewed and the effects of PAHs pollution on physiological index of medical hydrophyte were summarized. Finally, the existed problems and future research direction of PAHs on medical hydrophyte were discussed.

Polycyclic aromatic hydrocarbons; Medical hydrophyte; Physiological index; Quality

2012-07-25)