生物体中多溴联苯醚(PBDEs)的分布及毒性效应

徐奔拓,吴明红,徐刚

(上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

生物体中多溴联苯醚(PBDEs)的分布及毒性效应

徐奔拓,吴明红,徐刚

(上海大学环境与化学工程学院,上海 200444)

多溴联苯醚(polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)作为阻燃剂广泛存在于人们的生活环境中,因其存在污染问题成为当前环境科学领域研究的一大热点.通过分析近年来多溴联苯醚在生物体中的分布情况和甲状腺毒性、神经系统毒性、肝脏毒性、生殖发育毒性、免疫毒性等效应,阐述了多溴联苯醚的毒性机理.目的是为多溴联苯醚对生物体造成的影响提供切实可靠的理论支持,引起人们对此类阻燃剂的关注与重视.

多溴联苯醚;阻燃剂;毒性效应

自溴代阻燃剂(brominated flame retardants,BFRs)第一次在瑞典的环境样品中被检测出[1]之后,BFRs的来源、环境分布和行为以及环境影响引起了众多研究者的兴趣.2002年,第一个对此进行综述的是De Wit[2],之后许多研究人员对BFRs进行了较全面的调查分析和综述[2-12].

多溴联苯醚(polybrominated diphenyl ethers,PBDEs)是一类溴代芳香族化合物,化学通式为C12H(0～9)Br(1～10)O,化学结构式如图1所示.根据溴原子取代数量和位置不同,可以将PBDEs分为10个同系组,共209种同系物[13].室温下PBDEs的蒸汽压较低,水中溶解度较小,易溶于有机溶剂.PBDEs的化学结构稳定,难降解,因此在食物链中容易造成富集污染,对顶端生物危害较大.已有研究表明:PBDEs在环境介质中普遍存在,如河流、水体沉积物、大气、灰尘和土壤等;同时,暴露在环境中的生物也可以通过多种方式摄入PBDEs,主要包括呼吸道直接吸入、口腔食入和皮肤接触摄入.3种具有典型商业用途的PBDEs的工业品分别为五溴联苯醚(pentabromodiphenyl ethers,PeBDEs)、八溴联苯醚(octabromodiphenyl ethers, OcBDEs)和十溴联苯醚(decabromodiphenyl ethers,DeBDEs),每一种工业品都包含不同的同系物,并具有不同的毒性效应.本工作针对PBDEs在生物体内的分布情况,探讨PBDEs对生物体的毒性效应,主要包括甲状腺毒性、神经系统毒性、生殖发育毒性、肝脏毒性和免疫毒性,并阐述了各种毒性效应的致毒机理,补充和完善了PBDEs对于生物体的影响机制.

图1 PBDEs的化学结构式Fig.1 Chemical structure of PBDEs

1 多溴联苯醚的分布

1.1 环境介质

PBDEs在大气中普遍存在.De Wit[2]报道了中国台湾地区和日本、美国等大气中PBDEs的含量水平.1993—1994年日本在城市大气粉尘中检测到低浓度PBDEs的存在,其中以BDE-209最多[11].Hoh等[14]测定了美国芝加哥地区2002—2003年大气中PBDEs的含量.陈来国等[15]报道了2004年广州市大气中PBDEs的含量,研究结果表明广州市大气中PBDEs的污染不容忽视.金军等[16]对北京市春季大气中PBDEs的水平和分布进行研究,测得PBDEs的质量浓度为31～1 049 pg/m3,BDE-209的质量浓度为8～1 016 pg/m3.沉积物是自然界中的“汇”,环境中的持久性有机污染物(persistent organic pollutants,POPs)普遍蓄积在沉积物中,因此检测沉积物中的PBDEs含量成为衡量当地该类物质污染水平的重要依据之一.Hassanin等[17]研究了欧洲土壤中PBDEs的污染情况及其在土壤中分布的影响因素,并测得挪威和英国林地以及草地土壤样品中PBDEs的质量比为0.11～12.00µg/kg.Yun等[18]对美国密歇根泛洪平原土壤及河流沉积物中的PBDEs污染状况进行调查,发现所检测的10种PBDEs的总质量比为0.02～55.10µg/kg,污染主要以BDE-209为主.另外,裴镜澄[19]测得上海市不同功能区的PBDEs质量比为1.03～112.50 ng/g.

1.2 生物体

1981年,瑞典的梭鱼、鳗鲡和海鳟中首次发现了PBDEs的存在[1],之后在海鱼、贻贝中也检测到PBDEs[20],接着在越来越多的生物体甚至人体中都检测到了PBDEs的存在.生物体中PBDEs的质量比如表1所示.由表1可知,鱼类、贝类和哺乳类等生物体中都可以检测到不同浓度的PBDEs[21-28].另外,从采集的生物样品中可以发现:PBDEs在生物幼体中的富集含量比较高,例如早期斑马鱼、鲟鱼鱼卵[21-22];而成熟的生物,例如北极熊、雄性貂等,体内的PBDEs含量较低[24-25].对人体而言,PBDEs主要富集在人体的血液中[28-30].生育时的脐带血和婴儿粪便中都有一定量的累积[26-27].哺乳期的女性母乳中也检测到了PBDEs的存在[26].综上所述,PBDEs在生物体内广泛存在,而且在生物生殖期、哺乳期母体和幼体中含量较高.

表1 多种生物体中的PBDEs质量比Table 1 Mass fraction of PBDEs in some organisms

2 多溴联苯醚的生物毒性效应

2.1 甲状腺毒性

甲状腺激素(thyroid hormone,TH)是一种促进组织分化、生长和成熟的激素,它在生物体内的含量与机体的许多细胞、组织和器官的生理生化机能密不可分.TH包括T3(3,3＇,5-三碘甲状腺原氨酸)和T4(3,3＇,5,5＇-四碘甲状腺原氨酸).PBDEs会导致生物体的甲状腺毒性,主要包括甲状腺激素水平降低和甲状腺细胞形态结构改变[31].PBDEs的致毒机理是由于羟基化的PBDEs与甲状腺激素T3和T4有相似的化学结构(见图2),从而导致PBDEs对TH转运、代谢产生影响,并抑制TH的激活,阻碍TH与相关受体结合.PBDEs的羟基及甲氧基代谢产物在动物的血液、脂肪组织、肝脏及人类组织中均能检测到[30].

刘早玲等[31]研究了BDE-47对小鼠的甲状腺毒性作用,将小鼠分为阴性对照组和低、中、高BDE-47染毒小鼠,连续4 d腹腔注射,并采用电化学发光免疫法测定小鼠的总T3,T4和促甲状腺激素.该研究结果显示:与阴性对照组相比,染毒小组小鼠T4水平降低(P＜0.01),中、高剂量染毒小组T3水平降低.该研究还用荧光定量法测定了小鼠肝脏一系列酶的信使核糖核酸(messenger ribonucleic acid,mRNA)表达,发现染毒小组mRNA表达均高于对照组.这一现象说明BDE-47改变了甲状腺的信号传递机制,扰乱了大脑中甲状腺激素的响应途径. Hallgren等[32]通过类似实验,也得到相同结论.因此,PBDEs对甲状腺的毒性效应通常发生在注射剂量相对较低的情况下.

图2 PBDEs羟基代谢物与甲状腺激素T4的化学结构Fig.2Chemical structures of HO-PBDEs and thyroxine T4

2.2 神经系统毒性

PBDEs的神经毒性作用主要包括神经内分泌激素、信号转导通路、神经递质受体、神经系统发育关键蛋白、神经细胞凋亡.

神经内分泌激素主要包括甲状腺激素和血管升压素,其中血管升压素又称抗利尿激素,是由下丘脑的视上核和室旁核的神经细胞分泌的9肽激素,经下丘脑-垂体束到达神经垂体后叶后释放出来的.血管升压素的主要作用是提高远曲小管和集合管对水的通透性,促进水的吸收,因此是尿液浓缩和稀释的关键性调节激素.此外,血管升压素还能增强内髓部集合管对尿素的通透性.已有研究发现,BDE-47能促进大鼠嗜铬细胞瘤细胞(PC-12)的囊泡释放抗利尿激素[33].

PBDEs能够调节一些信号化学物质,从而改变生物体内的一系列生理活动.例如,PBDEs能够促使脑细胞释放花生四稀酸(arachidonic acid,AA),从而减少AA的含量,同时增加蛋白激酶的迁移,从而扰乱生物脑细胞内信号转导机制[34].

PBDEs能够影响神经递质的传递.例如,多巴胺(C6H3(OH)2-CH2-CH2-NH2)由脑内分泌,可影响一个人的情绪.已有研究表明,PBDEs会引起细胞内多巴胺浓度的增加,在胞浆中造成损伤.另外,五溴联苯醚也能够抑制突触体囊对谷氨酸和γ-氨基丁酸(γ-amimobutyric acid,GABA)的摄取.

PBDEs能够改变生物体大脑皮层中关键蛋白的表达,包括丝切蛋白(cofilin)、β肌动蛋白(β-actin)、微管相关蛋白Tau.例如,BDE-99能够降低脑酸溶性蛋白1(Basp1)、细胞骨架相关蛋白-23(CAP-23)和微管相关蛋白-2(MAP-2)的表达[34].

2.3 肝脏毒性

肝脏是人体内以代谢功能为主的器官,具有去氧化、存储肝糖、分泌性蛋白质合成等作用.肝脏能够通过氧化还原、水解作用以及结合作用等生化反应来代谢体内的非营养物质,譬如药物、毒物或者代谢产物.肝脏的这种生物转化作用被称作“解毒功能”.肝脏中的水溶性物质最终通常以尿液和胆汁两种形式排出,而酯溶性物质则由肝脏的酶系统灭活或者转化为水溶性物质排出,否则就会在体内聚集,从而导致细胞代谢紊乱.

PBDEs是一类疏水亲酯性醚类,水溶性较低,生物富集性强,进入机体后必然选择上述第二种路径.因此,PBDEs的摄入可能会在肝脏中富集,增大肝脏体积,损害肝功能.王兴华[35]通过BDE-209染毒小鼠研究PBDEs对肝脏的影响,发现对比无染毒小鼠组,染毒小鼠血清中谷丙氨酸转移酶(alanine aminotransferase,ALT)和天门冬氨酸氨基转移酶(aspartete aminotransferase,AST)明显升高.已有研究发现,BDE-209染毒后的小鼠甲状腺增生,肝脏体积增大,肾脏玻璃样变性,这表明PBDEs会对肝功能起一定的抑制作用.另外还有研究发现,用含有PeBDEs的饲料喂养大鼠13周后可导致大鼠肝脏和尿中的卟啉含量明显升高.

2.4 生殖发育毒性

已有研究表明,羟基化的PBDEs与雌激素受体和雄激素受体产生拮抗作用,同时还能够与前雌激素、雄性激素和黄体酮等产生拮抗或者竞争作用[36].环境中PBDEs的二级产物,如多溴化二苯对二恶英(polybrominated dibenzop-dioxins,PBDDs)、多溴化二苯并呋喃(polybrominated dibenzofurans,PBDFs)进入生物体后会诱导内分泌系统相关酶的活性,从而影响生物的内分泌系统,因此具有生殖发育毒性.PBDEs同系物对小鼠生殖发育毒性的影响如表2所示.

表2 PBDEs同系物对于小鼠生殖发育毒性的影响Table 2 Effects of reproductive and developmental toxicity by PBDEs congeners in mice

2.5 免疫毒性

生物体内的神经系统、内分泌系统和免疫系统机制复杂,系统之间相互影响、相互调节,共同促进生物体的生长发育和生理机能的调节(见图3).PBDEs会造成生物体神经毒性和甲状腺毒性,免疫系统必然会受到一定的影响.

POPs会对免疫系统造成损害,可直接杀死淋巴细胞或者影响其增殖分化,其间接作用是影响激素平衡.已有研究发现,PBDEs会影响生物体脾和胸腺的结构,抑制免疫系统.研究者通过对染毒小鼠的实验发现,PBDEs染毒后小鼠体内的羊红细胞反应受到抑制,胸腺重量下降,脾细胞数量也下降.

2.6 PBDEs同系物与生物毒性效应

PBDEs的同系物较多,其中研究较多的是BDE-47,BDE-71以及BDE-209,因为它们能够较为明显地引起生物体内的毒性效应.PBDEs同系物的毒性效应如图4所示.由图4可以分析具体毒性效应的来源,更深入地探究PBDEs对生物体造成影响的原因.

图3 神经免疫内分泌网络Fig.3 Network of the nerve immune and endocrine

图4 PBDEs同系物的毒性效应谱图Fig.4 Spectrogram of PBDEs congeners toxic effects

如图4所示,具有甲状腺毒性和神经系统毒性的PBDEs同系物主要为工业五溴联苯醚,其来源有家具、隔音材料和仿木材料.同样,五溴联苯醚也会造成免疫毒性和生殖发育毒性.而十溴联苯醚主要会造成肝脏毒性和生殖发育毒性,其来源有电视机、电脑等电子产品.图4中给出的PBDEs同系物较少,因此需要更多的研究来完善和论证同系物与毒性效应的关系以及来源问题.

3 结束语

BFRs在环境中广泛存在,其中PBDEs是应用最广泛的一种化合物.由于五溴联苯醚、八溴联苯醚和十溴联苯醚在工业中的大量应用,使得它们存在于各种环境介质中,因此会对暴露在其中的生物体造成影响.由于具有疏水亲酯性和难降解性,PBDEs能够在生物链中富集,一旦被生物体摄入,便会产生蓄积.

本工作主要介绍PBDEs的生物体分布和毒性效应.从鱼类到哺乳类的不同组织和器官中都能够检测到PBDEs.PBDEs造成的毒性危害主要包括甲状腺毒性、神经系统毒性、肝脏毒性、生殖发育毒性和免疫毒性.甲状腺激素所在的内分泌系统、神经系统和免疫系统构成神经免疫内分泌网络.PBDEs由于其化学结构和化学特性导致这3个系统调节出现异常,因而造成相应的毒性.肝脏作为生物体内最大的解毒器官,也是有机污染物的富集器官,大量的PBDEs堆积会造成肝细胞体积增大,使肝脏受损.

总体而言,虽然关于PBDEs在生物体内的分布和毒性效应研究的文献比较齐全,而且涉及面比较广泛,但是仍有以下缺陷:首先,因为目前只能研究PBDEs对某些激素造成的影响, 如PBDEs的摄入会造成小鼠体内甲状腺激素下降,而具体的定量浓度,即PBDEs的浓度与甲状腺激素下降之间的关系无法测得,所以无法详细了解PBDEs的变化对生物体毒性危害的程度;其次,各种毒性之间存在关联作用,如PBDEs会造成内分泌激素下降,同时影响内分泌系统和免疫系统,但是否会对神经系统造成影响却是未知,因此研究者在保持单一毒性影响的同时,也需探讨联合毒性,包括是否有拮抗、协同或者相加作用.

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Distribution and toxic effects of polybrominated diphenyl ethers(PBDEs)in organism

XU Bentuo,WU Minghong,XU Gang
(School of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Polybrominated diphenyl ethers(PBDEs)are a kind of fire retardant that exists widely in the living environment.PBDEs become a major focus in the environmental science due to the pollution problem.This paper introduces distribution of PBDEs in organism and toxic effects including thyroid toxicity,nervous system toxicity,hepatotoxicity, reproduction and development of toxicity and immune toxicity.The corresponding toxicity mechanism is discussed,providing practical and reliable theoretical supports of biology effect caused by PBDEs,and drawing the public attention to this kind of fire retardant.

polybrominated diphenyl ether(PBDEs);fire retardant;toxic effect

R 114

A

1007-2861(2017)02-0235-09

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.04.012

2015-04-07

国家自然科学基金资助项目(41430644,11175112,41373098,41273141,41473090)

吴明红(1968—),女,教授,博士生导师,博士,研究方向为污染控制与环境毒理学. E-mail:mhwu@staff.shu.edu.cn