苯并芘污染现状及其生物毒性效应

管融资，吴航利，王 佳，安 鹏，马万里，程 栋，雷 忻*

(1.延安大学 生命科学学院；2.延安市生态恢复重点实验室，陕西 延安 716000)

多环芳烃(pycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是指两个或两个以上的苯环以稠环和非稠环形式相连接的有机化合物，是环境中普遍存在的一类有机污染物，其中一些PAHs因其具有强烈的致癌、致畸和致突变性，所以受到高度关注[1]。苯并芘(Benzo(a)pyre，BaP)是多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)中毒性最大的一种强烈致癌物，会对动物内脏和神经系统造成损伤，也可改变正常的细胞周期，损伤DNA，造成细胞癌变[2]。BaP存在于水、土壤、大气等环境中，是主要的环境污染监测对象。

1 苯并芘的概念及来源

苯并芘(Benzopyrene，BaP)又称苯并(a)芘，是由芘和苯稠合而成的一类多环芳香烃类化合物，主要有1，2-BaP、3，4-BaP、4，5-BaP等[3]，其中3，4-BaP相对稳定，分布广泛。它广泛存在于水、空气、土壤、汽车尾气以及煤、石油等能源物质燃烧所产生的各种烟气中[4]。研究表明，BaP具有较强的致癌性和较高的检测灵敏度，是PAHs中的一类典型代表物质，可作为PAHs的指示化合物。BaP是世界上公认的致癌物之一，具有致癌性、致突变性及间接致畸性[5]。BaP通常经饮水和摄食进入人体，随后被肠道吸收，再通过人体内的血液循环到达全身的各种组织和器官。研究表明，食品中的BaP有以下几个来源：(1)熏烤食品：熏烟中含有大量的PAHs，是烟熏食品中的BaP的主要来源，并且BaP常常会伴随着烟雾在高温下污染食物。在食品加工过程中，如高温烘烤或熏制中，脂肪、蛋白质等会发生裂解反应，再聚合形成BaP[6]。(2)油炸食品：有研究证明，反复使用的植物油会产生BaP。在油炸过程中，食用油会发生氧化、分解等一系列反应，最终导致其质量下降，而劣质油的化学成分较正常食用油更加不稳定，更易形成BaP，在这一过程中温度的高低对BaP的形成有直接影响[7]。齐颖在其研究中表明，当食用油加热至270℃以上时，食用油的化学成分将会极大地改变，并且产生的油烟中会携带有BaP等物质，长期接触后可能会诱发人体内肿瘤的产生和细胞染色体的损害；而油温不到240℃时，食用油的化学成分改变的少，对人体的损害也较小[8]。(3)油墨污染：油墨中的炭黑含有多种PAHs，其中BaP的含量最高。食品包装中，通常会在包装纸上使用油墨打印，而当包装纸的油墨未干时，炭黑中的PAHs就可通过与食品接触的方式污染食品[9]。

2 苯并芘污染现状

2.1 苯并芘对食品的污染

食品的安全问题是普遍存在的一类问题，由食品污染所引起的疾病已成为一类广泛关注的安全卫生问题，食品源头类疾病发病率已上升至各种疾病总发病率的第二位，其中由BaP污染所引起的疾病越来越常见[10]。有研究表明，食品在加工过程中产生的BaP是构成食品污染的主要因素，对食品的安全造成很大的危害[11]。由于BaP对人体健康和生命安全造成了各种严重危害，因此世界各国均对食品中BaP的残留量进行了非常严格地限制，制定了BaP的限量标准。

2.2 苯并芘对水体的污染

由于BaP的特性，我国在生活用水标准、地面水环境质量标准和污水综合排放标准等都明确规定了BaP的限值，可由此来监控BaP在水体中的污染水平和作为风险表征[12]。BaP可吸附在大气中的颗粒上，而这些颗粒又通过沉降作用和降水冲洗作用污染地面水，也可随着工业废水和生活污水的排放，造成BaP水体污染。由于BaP很难发生生物降解，随着水体中BaP的积累在不断增多，生物积累作用使BaP的积蓄随水生生物的生长发育而不断增多，随后通过生物性迁移作用和生物放大作用，逐渐扩大污染范围，最终危害水生生态系统和人类健康。据研究表明，在人口密集、工业发达的长三角和珠三角地区中，BaP对水体的污染程度要显著高于其它地区，太湖中的BaP污染程度要稍重于长江和辽河，BaP在海洋中的含量明显高于淡水湖中的含量[13]。

2.3 苯并芘对气体的污染

随着工业废气和汽车尾气的大量排放，导致BaP通过这些气体的排放从而扩散到空气中。BaP释放到大气中后，与空气微粒结合形成气溶胶，一旦被人体吸入后，就会由呼吸道进入肺部，并经肺进入血液循环，最终导致肺癌等一系列呼吸系统疾病。环境中3，4-BaP主要来自煤、石油、机动车尾气和烟草。由于3，4-BaP的化学性质相对稳定，在环境中广泛存在，并且与其他PAHs化合物的含量具有一定相关性，因此我国把3，4-BaP作为大气致病物质的代表和环境污染主要监测指标之一[14]。有研究表明，肺癌的高发病率与居住环境内空气中的BaP的污染密切相关，长期暴露在燃烧烟煤的室内，居民患肺癌风险会显著增加，并且BaP的浓度与肺癌死亡率之间呈现明显的正相关关系[15]。

3 苯并芘的生物毒性效应

3.1 苯并芘的氧化应激作用

芳香族化合物受体(aryl hydrocarbon receptor，AhR)是一种配体激活转录因子[16]。AhR在细胞质中与BaP结合后，会转入细胞核内，与芳香族化合物受体核转运蛋白(Ah receptor nuclear translocator protein，ARNT)结合形成异二聚体，结合在下游靶基因上，而这种激活会引起所对应基因如细胞色素P4501A1/P4501B1等的异常表达，从而对细胞产生毒性作用[17]。邹晓萍等人研究表明，BaP直接诱导人胎盘滋养细胞AhR以及ARNT基因表达，激活AhR信号转导通路，抑制胎盘滋养细胞增殖和诱导细胞凋亡，从而影响胎盘形成及功能，导致停育、流产等不良结果[18]。研究表明，BaP会通过CYP1A1或CYP1A2、细胞色素P450还原酶(cytochrome P450 reductase，CYP450R)的代谢，产生活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，从而引起机体氧化应激反应。过量的ROS会对DNA和蛋白质等产生有害影响。Firns等研究发现，香烟烟雾中的BaP会增加ROS的内源性产生和外源性暴露，促进氧化应激，对生殖系统产生不良影响[19]。Sobinoff等研究发现，暴露在BaP中可导致成年瑞士小鼠卵母细胞功能异常，降低精子与卵细胞结合，这种现象与线粒体中ROS的量增加有关[20]。

自由基是一种生物代谢产物，具有较强的化学反应活性和氧化性，可攻击核酸、蛋白质、脂质等生物大分子，导致其结构和功能的异常。BaP在代谢转化过程中会产生出多种活性极高的亲电子中间产物，并参与机体氧化应激反应，使得机体氧自由基的产生增多，一旦自由基数量超出细胞的清除能力，细胞结构将会遭到破坏，从而造成细胞的损伤[21]。陈剑杰等研究表明，暴露于低浓度的BaP中会使鲤鱼体内自由基的生成与消除失衡，提高BaP的浓度会使鲤鱼体内自由基持续积累，加重细胞损伤，导致鲤鱼的免疫机能逐渐耗竭，酶水平降低，最终影响整个免疫系统[22]。刘宇红等研究表明，BaP在体内的代谢活化与自由基的产生增加、氧化应激以及细胞第二信号传导网络的异常运行有关[23]。梁婧等研究表明，BaP染毒会加剧大鼠胚胎组织内的氧化活动，诱导胚胎的生殖毒性作用[24]。

超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)是机体中一种重要的抗氧化酶，其作用是清除机体中有害的ROS。过氧化氢酶(Catalase，CAT)是催化过氧化氢分解成氧和水的酶，主要在肝脏中存在，具有极高的抗氧化能力。而SOD与CAT活性地降低则表明机体抗氧化能力下降，从而导致ROS对机体的损害加重。BaP引起的氧化应激反应在不同细胞及动物模型中的SOD活性不同。李磊等研究表明，在BaP的暴露初期，生物机体组织发生的氧化应激反应会促使提高SOD、CAT活性，用来清除过量的活性氧自由基，但随着暴露时间延长，BaP所产生的活性氧自由基会逐渐提高，最终超过SOD、CAT的清除能力，过量的活性氧自由基会对脊尾白虾的机体组织造成损伤，同时抑制SOD、CAT活性，肝脏与胰脏的SOD与CAT的活性尽管会在BaP暴露的初期持续增加，但其增加幅度却会逐渐减少，最终会出现下降的趋势[25]。HurD等研究表明，BaP会导致鱼免疫系统的功能紊乱，造成比目鱼巨噬细胞中SOD活性显著减低，最终导致巨噬细胞的死亡，降低整个免疫系统的应答能力[26]。

3.2 苯并芘对细胞周期与DNA的影响

细胞周期中存在两个关键调控点，一个是G1/S转换期，这是DNA复制调控的开始；另一个是位于有丝分裂和细胞分化前的G2/M调控点，这两个时期中，细胞正在发生一些复杂的分子变化，容易受到外部环境的影响[27]。Ian等研究表明，在经过BaP暴露后，处在分裂间期的细胞会快速通过G1期，在S期停滞并积累[28]。BaP可以影响细胞周期，导致细胞周期紊乱，且在不同的细胞中的作用也不同，所以会对细胞产生不同的毒性作用[29]。研究表明，BaP会显著促进人体肺部成纤维细胞、小鼠上皮细胞和人体肺腺癌细胞从G1期向S期的转换[30-31]。细胞周期蛋白依赖激酶(cyclin-dependent kinases,CDK)是细胞周期关卡信号传导通路的靶点，可通过对各种信号传导通路的控制进而对细胞周期产生影响，成视网膜母细胞瘤蛋白(retinoblastoma protein,RB)是一种细胞周期调控蛋白，AhR可通过与其相互作用，产生可抑制CDK介导的RB磷酸化，而BaP可通过AhR通路调控细胞周期素表达，影响DNA的复制，干扰正常细胞周期。BaP还可经过代谢活化后可与鸟嘌呤结合形成DNA加合物，造成细胞损伤，影响DNA复制的正确性，从而加快细胞周期的进程。有研究表明，BaP及其代谢活化物的毒性作用具有多样性，可以通过AhR、ER等受体途径和影响MAPK信号通路等方式改变细胞增殖活性，进而影响细胞周期[32]。

BaP在影响细胞周期的同时也会对DNA造成损害，BaP对DNA损害主要有DNA断裂损伤、形成DNA加合物、碱基突变错配等途径[33]。BaP具有一定的遗传毒性机制，其产生的化学致癌物可通过破坏DNA发挥其生物学作用。Yasunobu等研究表明，将小鼠暴露在一定浓度的BaP中，其肺部的突变几率呈线性增加，BaP可显著改变DNA复制时的碱基对序列[34]。Verhofstad等研究表明，BaP的暴露可造成小鼠睾丸中的DNA大量损伤，从而引起基因的错误表达[35]。BaP可通过细胞中的混合功能氧化酶代谢激活，产生环氧化苯并芘(benzo[a]pyrene diol epoxide，BPDE)。而BPDE可以通过与DNA形成共价键结合，造成DNA损伤和形成突变。Hofmann等研究表明，长期暴露于BaP中，会导致芳香族DNA加合物水平的增加，直肠癌的风险显著提高[36]。侯海燕等研究表明，随着BaP暴露程度和时间的提高，血清中BPDE-DNA加合物的浓度也会增高[37]。朱淑萍等研究表明，暴露于低、中、高三种浓度下的BaP组胎鼠外周血中BPDE-DNA加合物浓度均高于对照组，且随着BaP浓度升高，BPDE-DNA加合物浓度也会逐渐提高[38]。如果无法正确有效地修复DNA损伤，累积的错误就可能导致DNA衰老、凋亡或恶性突变。此外，DNA链断裂损伤的发生与BaP的浓度呈正相关关系[39]。

3.3 苯并芘的内分泌干扰作用

性激素水平的变化是评价生殖内分泌干扰效应的重要指标。卵黄蛋白原(vitellogenin，VTG)是一类复合蛋白，是卵子发生、卵子成熟以及卵黄合成中必不可少的营养物质，是外源雌激素内分泌干扰的一种生物标记物[40]。有研究表明，PAHs会影响水生动物的繁殖，会影响雌鱼卵巢的发育和排卵，并且可以降低雌二醇(Estradiol，E2)的水平，BaP作为PAHs中的典型代表，可以通过干扰鱼体内VTG的合成，从而阻碍鱼体性腺的发育，对鱼类的生长和繁殖造成危害[41]。郭勇勇等研究发现，暴露于高浓度的BaP中雌、雄性稀有鮈鲫肝脏中VTG转录水平均受到抑制，表明BaP对稀有鮈鲫产生了抗雌激素效应[42]。潘鲁青等研究发现，在高浓度的BaP胁迫下，栉孔扇贝中雌性贝类睾酮含量下降，雄性睾酮含量升高，性腺指数减小，表现为明显的抗雌激素效应[43]。钟林燕等研究发现，经过BaP中暴露8周后，雄性食蚊鱼的肝腺指数和精子数在不同浓度的BaP暴露下均发生了不同程度的改变，雌性食蚊鱼的性腺和性腺指数在高浓度BaP的暴露下有不同程度的变化，并对怀胎数减少有明显的影响[44]。聂文等研究发现，BaP的生物学毒性很强，将线虫暴露于低浓度的BaP中就会检测到生殖腺细胞凋亡呈现增加的水平，并随着暴露时间的延长，线虫生殖腺细胞凋亡会呈现明显的增加趋势[45]。徐翰婷研究表明，注射BaP会降低怀孕小鼠血清中雌激素和孕激素水平，影响限速酶mRNA的合成水平，从而扰乱卵巢的正常功能[46]。梁继仁等研究表明，SD大鼠暴露于BaP可损害其睾丸内分泌和外分泌功能，并且会增加精子畸形发生率，减少每日精子的产生和睾丸的精子活力[47]。

4 展望

随着现代工业的发展，PAHs的污染日益严重，而BaP作为PAHs中的典型代表，在较大程度上反映了PAHs的污染水平。近些年来，研究者们已经对BaP的毒性效应进行研究，并取得较大进展，但是有关BaP氧化应激具体作用机制、BaP的雌激素效应以及内分泌干扰的作用机理等问题仍需要进一步深入研究。随着陕北地区石油化工工业的快速崛起，BaP的污染问题也越来越突出，有关陕北地区BaP的污染状况及其生态毒性效应等问题亟待解决，这些也是值得我们深入研究的领域。