环境皮质激素的危害与环境行为

王　鸿，潘　秋，王静花，平夏婷，邵燕燕，吴祺豪，赵美蓉，陈　苏

(1.浙江工业大学 药学院, 浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014)



环境皮质激素的危害与环境行为

王鸿1，潘秋1，王静花2，平夏婷1，邵燕燕1，吴祺豪1，赵美蓉2，陈苏1

(1.浙江工业大学 药学院, 浙江 杭州 310014；2.浙江工业大学 生物与环境工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：内分泌干扰物相对稳定的物理化学性质使其能够长期微量存在于环境中并在生物体内发生聚集进而产生严重的生理效应，从而成为研究的热点.随着研究的广泛开展，环境皮质激素作为一类重要的内分泌干扰物逐渐引起人们的关注.环境皮质激素主要来源于动物尿粪排放以及城市污水处理厂的污水排放.研究结果表明：环境中皮质激素的连续暴露导致某些地区鱼类的免疫系统及生殖发育受到抑制和影响，主要表现为白细胞数量下降，卵黄蛋白原产量降低等.综述了环境皮质激素的暴露危害、来源及在不同环境中的质量浓度和分布，并就环境皮质激素的研究前景作出了展望.

关键词：环境皮质激素；来源；环境行为；危害

内分泌干扰物(Endocrine disrupting chemicals, EDCs)是指能够模拟或者拮抗类固醇激素的活性、干扰生物体内分泌系统的正常机能，从而影响生物体的健康，导致人类和野生动物生殖系统障碍和各种疾病的一些人工和天然化合物[1].美国国家环保局(USEPA)于1998年8 月公布了包括二噁英、多氯联苯类、金属有机物以及农药等67 类内分泌干扰物，其中农药类有44 种，几乎占三分之二[2].而环境激素作为一种典型的内分泌干扰物，在过去的20 年里，其内分泌干扰效应的研究主要集中在雌激素和雄激素[3].近年来，人们逐渐发现不与生殖直接相关的皮质激素也具有一定的生态毒性.研究表明：环境中皮质激素的暴露会引起骨质疏松症、发育不全、肥胖、二型糖尿病、心血管疾病以及自身免疫疾病[4].

1环境皮质激素的种类与性质

环境皮质激素根据来源分为天然皮质激素和合成皮质激素，根据功能分为盐皮质激素和糖皮质激素.糖皮质激素主要调节机体能量代谢、免疫功能及应激反应，盐皮质激素主要负责调节机体的渗透压[5].天然皮质激素包括皮质醇(Cortisol)、皮质酮(Cortisone)和醛固酮(Aldosterone)等，皮质醇是生物体内肾上腺皮质分泌的主要皮质激素，也是检测生物体压力的重要指标[6].合成的皮质激素主要有地塞米松(Dexamethasone)、强的松( Prednisone)和氢化泼尼松(Prednisolone)等，它们被广泛用于关节炎、结肠炎、哮喘、支气管炎、皮疹以及过敏或者鼻炎眼炎等炎症的治疗[7].皮质激素参与调节糖、蛋白质和脂肪的代谢及渗透压的平衡，因此近乎影响到生物体所有生理过程[6].

皮质激素结构式为

环境皮质激素属于类固醇激素，是典型的甾体类化合物.环境皮质激素与其他类固醇激素的区别主要体现在C17的侧链不同，环境皮质激素的C17β和C21侧链被羟基化，C20侧链被酮化.为使合成的皮质激素性质更稳定、激素效应更强烈，人们将△1,2去羟基化，C16羟基化或甲基化以及C6或C9卤化[8].根据物化性质列于表1，环境皮质激素在水中的溶解度显著高于天然雌激素和雄激素的溶解度(13～32 mg/L)[3, 9]，易溶于甲醇等有机溶剂，辛醇水分配系数logKow范围1.27～5.07，可吸附于土壤、污泥等固相基质中.

表1　几种主要皮质激素的物化性质

2环境皮质激素的危害

环境皮质激素通过干扰生物体内分泌系统影响水生生物和哺乳动物的生殖发育生长，主要表现为细胞内相应激素受体质量浓度异于常值、产卵能力下降、卵黄蛋白原质量浓度降低以及胚胎发育畸形等.Milla等认为皮质激素能够刺激硬骨鱼生殖腺的发育及性激素的生成，是硬骨鱼生殖过程中的重要调节因子[10].长时间暴露于500 μg/L地塞米松的水体中，黑头呆鱼(Fathead minnows)的胚胎在发育过程中出现鳃盖畸形的现象，成鱼则表现为产卵率及体内雌二醇质量浓度降低[11]；John等用二丙酸倍氯米松(Beclomethasone dipropionate)以3种不同的质量浓度(范围为1 ng/L～1 μg/L)评价对黑头呆鱼的内分泌干扰，结果表明鱼体血浆葡萄糖质量浓度升高、血液中白细胞数量减少、雌鱼的卵黄蛋白原的生成受到抑制并表现出雄性化趋势[12].

Mathilakath等采用腹部填埋法，按50 mg/kg的比例用皮质醇暴露虹鳟鱼(Rainbow trout)5 d，结果表明鱼体血压阈值发生改变、血浆中皮质醇质量浓度和葡萄糖质量浓度及肝糖原质量浓度显著增高[6].Qverli的研究也指出皮质醇暴露的虹鳟鱼与未经处理的同种个体相比在相同生活状态下处于弱势地位[13].

从研究结果可以看出：当暴露于一定量的皮质激素中，水生生物的形态学指标、生殖发育系统及内分泌系统受到了严重影响.环境皮质激素不仅对生物体的免疫系统产生抑制，并且对机体的血糖异生有诱导作用.但是实验室的暴露毒理学实验目标物为单一物质，因而不能完全反应实际环境介质中皮质激素产生的生物学效应.Kortenkamp等研究表明：同一类内分泌干扰物之间(雌激素之间)能强化联合作用，但环境皮质激素是否会与介质中其他物质联合产生生物学效应，这一点仍缺乏实验研究.许多研究表明：雌激素可以诱发卵黄蛋白原，雄激素可以减少卵黄蛋白原，而对于环境皮质激素的研究中，卵黄蛋白原的生成既有增强也有减弱，这些研究结果表明环境皮质激素可能会与环境雌激素及雄激素存在一定的协同效应.

3环境皮质激素的来源及其暴露特征

3.1环境皮质激素的主要来源

环境中皮质激素的来源主要是人类和脊椎动物的排泄及合成皮质激素药物的使用和排放.因此，汇集人类生活污水的城市污水处理厂，畜禽及水产养殖场是环境皮质激素的污染源.

作为世界范围内使用最为频繁的处方药[14]，皮质激素用来治疗多种炎症和免疫疾病.而糖皮质激素的低生物吸收率导致其有50%～90%经由尿液及粪便排出[15].这些药物残留一部分进入污水处理厂，另一部分直接深入土壤从并在土壤中发生大范围累积迁移.但污水处理厂并不能将残留药物完全去除，有报道指出污水处理厂出水中的药物残留高达90%[16]，它们最终以水溶、无活性的葡萄糖苷酸或硫酸盐的络合物通过污水厂出水进入水生环境.但是这些络合物可经化学变化重新生成活性物质[14].研究表明：糖皮质激素的代谢可能产生具有雄性激素或者其他具内分泌活性的物质[17]，这些化合物长期低剂量的进入环境，逐渐在环境中发生累积，进而形成高质量浓度或长时期低剂量暴露[12].

3.2不同地区和介质中环境皮质激素的暴露特征

近年来一些国家和地区陆续在环境中检出皮质激素，且大多存在于城市污水及河水等水生环境中.中国开展了环境中糖皮质激素的检测研究，发现在污水处理厂进出口水及悬浮物中均有糖皮质激素的残留；日本和法国也证实了污水中此类化合物的存在.Chang等采用LC-MS/MS在北京污水处理厂进出水中检测了6种皮质激素，其中污水厂进水中皮质醇和皮质酮的质量浓度分别高达120，86 ng/L，河水中这两种激素也被检出，其中皮质醇质量浓度为0.11～20 ng/L，皮质酮质量浓度为0.55～28 ng/L[7, 18].在Adrian等所调查的瑞士某地区水环境样品中，倍他米松(Betamethasone)和地塞米松在医院废水中的总质量浓度达到1 720 ng/L，在城市污水处理厂进水和出水中的质量浓度分别为106，10 ng/L，在河水中的质量浓度达到8～13 ng/L；强的松和氢化泼尼松在医院废水中的质量浓度达到1 221 ng/L，废水处理厂中的质量浓度为336 ng/L，河水中的质量浓度为10～12 ng/L[19].Sander等采用Calux生物检测法检测出工厂污水、医院污水和废水处理厂出水皮质激素质量浓度分别达到(243±32)，(96±13)，(38±13) ng/L地塞米松当量[14].Petra等采用HPLC-MS/MS检测捷克和瑞士某污水处理厂出水中皮质醇质量浓度分别为26，29 ng/L，倍他米松质量浓度分别为15，14 ng/L,捷克调查的河水中倍他米松质量浓度12 ng/L[4].石中全等采集重庆某地区医院、养猪场、城市废水厂废水、街道地表水及江水，采用固相萃取-高效液相色谱法检测其地塞米松质量浓度，结果表明医院、废水厂处理前后的废水、养猪场的废水、医院旁的街道地表水中含有一定质量浓度的地塞米松，以养猪场废水池的废水中质量浓度最高，其次为专科医院处理前的废水[20]，如表2所示.

总的看来，在不同地区和介质中最常检出的是皮质激素是皮质醇，主要原因是皮质醇作为重要的天然皮质激素，人类和动物的分泌排泄是其主要来源.而地塞米松是糖皮质醛固酮衍生物中最具潜力的内分泌干扰物，仅美国在2004年地塞米松处方量高达27 000份[21].另外，从表2可以看出畜禽及水厂养殖场的环境皮质激素排放量远大于城市污水处理厂.

4环境皮质激素的行为

4.1环境皮质激素的吸附及迁移

环境皮质激素作为一类亲脂性小分子类固醇激素化合物，隶属于疏水性有机物，挥发性小，易溶于有机溶剂，在水中的溶解度较小而易发生吸附行为.目前，学者对环境皮质激素的环境行为的研究依旧很欠缺，但由于皮质激素隶属于类固醇激素及类固醇分子结构的相似性，因此它们在环境中具有类似的行为规律[22].吸附实验发现：类固醇激素在吸附过程中表现出前期吸附较快，后期缓慢降低的规律.对雌激素吸附的研究认为吸附过程由快变慢的原因可能是水中有机物的作用使雌激素被再次解吸下来[23].类固醇激素与土壤、沉积物间的相互作用机理一般认为：类固醇激素在土壤、沉积物上的吸附、解吸过程是物理吸附和化学吸附的共同作用[24].即环境皮质激素在与沉积物、土壤等固相介质发生接触时，在其表面产生累计和吸附.

表2　不同介质中环境皮质激素的检出

环境介质中的类固醇激素可以随着雨水淋溶或径流等向四周扩散，从而扩大干扰作用范围[25].类固醇激素不只沿水平方向迁移，越来越多的研究结果表明：在深达几米的地下类固醇激素被频繁的检出，地下水中含有类固醇激素的检测结果也屡见报道[26-28].而就环境皮质激素在此方面的研究还未见报道.

4.2环境皮质激素的降解

Chang等研究发现在污水处理过程的有氧处理单元，糖皮质激素的移除率仅有2%～36%，而雄激素和孕激素的移除率均达到90%～100%，这表明环境中糖皮质激素(皮质醇、皮质酮和氢化泼尼松)比其他环境激素更稳定[7].Ying等在研究中发现：皮质激素的移除率明显低于雌激素及抗菌剂的移除率.在相同的高铁酸盐暴露质量浓度下，实验中选定的雌激素及抗菌剂的移除率均超过99%，相比之下在高铁酸盐每分钟的暴露质量浓度分别为(20.2±3.0)，(32.3±5.2)，(44.6±8.5) mg/L时，皮质激素中仅强的松和皮质酮的移除率超过90%[22].

环境皮质激素的降解主要包括生物降解和光降解[29].Joana等研究了在液态反应气中采用多相光催化降解醋酸可的松，最终将其降解为水和二氧化碳，并且没有检测到中间产物产生[30].而有关环境皮质激素生物降解的研究仍未见报道.

目前人们的目光聚焦在性激素的研究上，但对其他类固醇激素尤其是环境皮质激素环境行为的研究非常欠缺.所以应加强此类激素的研究工作.

5结论

污染源的持续排放，致使皮质激素在环境介质中发生残留累计.环境皮质激素在环境中广泛的存在，繁多的污染源，即使质量浓度低仍具有不容忽视的生态风险.因此，需要建立快速、准确的环境皮质激素的检测方法.同时，目前国内外皮质激素在实际环境中的吸附、迁移和降解等环境行为及与其他EDCs和环境中各类活性物质相互作用的机理研究也尤为重要.

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(责任编辑：陈石平)

Impact and behaviors of corticosteroids in environment

WANG Hong1, PAN Qiu1, WANG Jinghua2, PING Xiating1, SHAO Yanyan1,WU Qihao1, ZHAO Meirong2, CHEN Su1

(1.Collage of Pharmaceutica1 Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；2.College of Biological and Environmental Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Endocrine disrupting compounds (EDCs) have been attracted great concerns because of their harmful impacts. As further research progressed, the environmental corticosteroids draw people’s attention. They mainly exist in the incomplete treated drainage of feedlot and wastewater treatment plant. Researches show that they are harmful to the immune system, reproduction and development of fish. The exposure effects, sources and levels of environmental corticosteroids in different environmental matrices were reviewed in this paper. Moreover，the environmental behaviors of corticosteroids such as their sorption, migration, degradation characters were summarized. And the tendency for the future study on the environmental corticosteroids was discussed.

Keywords:environmental corticosteroids; sources; environmental behaviors; impacts

收稿日期：2015-10-10

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(21337005)

作者简介：王鸿(1972—)，女，黑龙江齐齐哈尔人，教授，博士生导师，研究方向为药物化学、天然药物与生物制药，E-mail：hongw@zjut.edu.cn.

中图分类号：X592

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)02-0159-05