管融資，吳航利，王 佳，安 鵬，馬萬里，程 棟，雷 忻*

(1.延安大學 生命科學學院；2.延安市生態(tài)恢復重點實驗室，陜西 延安 716000)

多環(huán)芳烴(pycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是指兩個或兩個以上的苯環(huán)以稠環(huán)和非稠環(huán)形式相連接的有機化合物，是環(huán)境中普遍存在的一類有機污染物，其中一些PAHs因其具有強烈的致癌、致畸和致突變性，所以受到高度關(guān)注[1]。苯并芘(Benzo(a)pyre，BaP)是多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons,PAHs)中毒性最大的一種強烈致癌物，會對動物內(nèi)臟和神經(jīng)系統(tǒng)造成損傷，也可改變正常的細胞周期，損傷DNA，造成細胞癌變[2]。BaP存在于水、土壤、大氣等環(huán)境中，是主要的環(huán)境污染監(jiān)測對象。

1 苯并芘的概念及來源

苯并芘(Benzopyrene，BaP)又稱苯并(a)芘，是由芘和苯稠合而成的一類多環(huán)芳香烴類化合物，主要有1，2-BaP、3，4-BaP、4，5-BaP等[3]，其中3，4-BaP相對穩(wěn)定，分布廣泛。它廣泛存在于水、空氣、土壤、汽車尾氣以及煤、石油等能源物質(zhì)燃燒所產(chǎn)生的各種煙氣中[4]。研究表明，BaP具有較強的致癌性和較高的檢測靈敏度，是PAHs中的一類典型代表物質(zhì)，可作為PAHs的指示化合物。BaP是世界上公認的致癌物之一，具有致癌性、致突變性及間接致畸性[5]。BaP通常經(jīng)飲水和攝食進入人體，隨后被腸道吸收，再通過人體內(nèi)的血液循環(huán)到達全身的各種組織和器官。研究表明，食品中的BaP有以下幾個來源：(1)熏烤食品：熏煙中含有大量的PAHs，是煙熏食品中的BaP的主要來源，并且BaP常常會伴隨著煙霧在高溫下污染食物。在食品加工過程中，如高溫烘烤或熏制中，脂肪、蛋白質(zhì)等會發(fā)生裂解反應，再聚合形成BaP[6]。(2)油炸食品：有研究證明，反復使用的植物油會產(chǎn)生BaP。在油炸過程中，食用油會發(fā)生氧化、分解等一系列反應，最終導致其質(zhì)量下降，而劣質(zhì)油的化學成分較正常食用油更加不穩(wěn)定，更易形成BaP，在這一過程中溫度的高低對BaP的形成有直接影響[7]。齊穎在其研究中表明，當食用油加熱至270℃以上時，食用油的化學成分將會極大地改變，并且產(chǎn)生的油煙中會攜帶有BaP等物質(zhì)，長期接觸后可能會誘發(fā)人體內(nèi)腫瘤的產(chǎn)生和細胞染色體的損害；而油溫不到240℃時，食用油的化學成分改變的少，對人體的損害也較小[8]。(3)油墨污染：油墨中的炭黑含有多種PAHs，其中BaP的含量最高。食品包裝中，通常會在包裝紙上使用油墨打印，而當包裝紙的油墨未干時，炭黑中的PAHs就可通過與食品接觸的方式污染食品[9]。

2 苯并芘污染現(xiàn)狀

2.1 苯并芘對食品的污染

食品的安全問題是普遍存在的一類問題，由食品污染所引起的疾病已成為一類廣泛關(guān)注的安全衛(wèi)生問題，食品源頭類疾病發(fā)病率已上升至各種疾病總發(fā)病率的第二位，其中由BaP污染所引起的疾病越來越常見[10]。有研究表明，食品在加工過程中產(chǎn)生的BaP是構(gòu)成食品污染的主要因素，對食品的安全造成很大的危害[11]。由于BaP對人體健康和生命安全造成了各種嚴重危害，因此世界各國均對食品中BaP的殘留量進行了非常嚴格地限制，制定了BaP的限量標準。

2.2 苯并芘對水體的污染

由于BaP的特性，我國在生活用水標準、地面水環(huán)境質(zhì)量標準和污水綜合排放標準等都明確規(guī)定了BaP的限值，可由此來監(jiān)控BaP在水體中的污染水平和作為風險表征[12]。BaP可吸附在大氣中的顆粒上，而這些顆粒又通過沉降作用和降水沖洗作用污染地面水，也可隨著工業(yè)廢水和生活污水的排放，造成BaP水體污染。由于BaP很難發(fā)生生物降解，隨著水體中BaP的積累在不斷增多，生物積累作用使BaP的積蓄隨水生生物的生長發(fā)育而不斷增多，隨后通過生物性遷移作用和生物放大作用，逐漸擴大污染范圍，最終危害水生生態(tài)系統(tǒng)和人類健康。據(jù)研究表明，在人口密集、工業(yè)發(fā)達的長三角和珠三角地區(qū)中，BaP對水體的污染程度要顯著高于其它地區(qū)，太湖中的BaP污染程度要稍重于長江和遼河，BaP在海洋中的含量明顯高于淡水湖中的含量[13]。

2.3 苯并芘對氣體的污染

隨著工業(yè)廢氣和汽車尾氣的大量排放，導致BaP通過這些氣體的排放從而擴散到空氣中。BaP釋放到大氣中后，與空氣微粒結(jié)合形成氣溶膠，一旦被人體吸入后，就會由呼吸道進入肺部，并經(jīng)肺進入血液循環(huán)，最終導致肺癌等一系列呼吸系統(tǒng)疾病。環(huán)境中3，4-BaP主要來自煤、石油、機動車尾氣和煙草。由于3，4-BaP的化學性質(zhì)相對穩(wěn)定，在環(huán)境中廣泛存在，并且與其他PAHs化合物的含量具有一定相關(guān)性，因此我國把3，4-BaP作為大氣致病物質(zhì)的代表和環(huán)境污染主要監(jiān)測指標之一[14]。有研究表明，肺癌的高發(fā)病率與居住環(huán)境內(nèi)空氣中的BaP的污染密切相關(guān)，長期暴露在燃燒煙煤的室內(nèi)，居民患肺癌風險會顯著增加，并且BaP的濃度與肺癌死亡率之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系[15]。

3 苯并芘的生物毒性效應

3.1 苯并芘的氧化應激作用

芳香族化合物受體(aryl hydrocarbon receptor，AhR)是一種配體激活轉(zhuǎn)錄因子[16]。AhR在細胞質(zhì)中與BaP結(jié)合后，會轉(zhuǎn)入細胞核內(nèi)，與芳香族化合物受體核轉(zhuǎn)運蛋白(Ah receptor nuclear translocator protein，ARNT)結(jié)合形成異二聚體，結(jié)合在下游靶基因上，而這種激活會引起所對應基因如細胞色素P4501A1/P4501B1等的異常表達，從而對細胞產(chǎn)生毒性作用[17]。鄒曉萍等人研究表明，BaP直接誘導人胎盤滋養(yǎng)細胞AhR以及ARNT基因表達，激活AhR信號轉(zhuǎn)導通路，抑制胎盤滋養(yǎng)細胞增殖和誘導細胞凋亡，從而影響胎盤形成及功能，導致停育、流產(chǎn)等不良結(jié)果[18]。研究表明，BaP會通過CYP1A1或CYP1A2、細胞色素P450還原酶(cytochrome P450 reductase，CYP450R)的代謝，產(chǎn)生活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，從而引起機體氧化應激反應。過量的ROS會對DNA和蛋白質(zhì)等產(chǎn)生有害影響。Firns等研究發(fā)現(xiàn)，香煙煙霧中的BaP會增加ROS的內(nèi)源性產(chǎn)生和外源性暴露，促進氧化應激，對生殖系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響[19]。Sobinoff等研究發(fā)現(xiàn)，暴露在BaP中可導致成年瑞士小鼠卵母細胞功能異常，降低精子與卵細胞結(jié)合，這種現(xiàn)象與線粒體中ROS的量增加有關(guān)[20]。

自由基是一種生物代謝產(chǎn)物，具有較強的化學反應活性和氧化性，可攻擊核酸、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子，導致其結(jié)構(gòu)和功能的異常。BaP在代謝轉(zhuǎn)化過程中會產(chǎn)生出多種活性極高的親電子中間產(chǎn)物，并參與機體氧化應激反應，使得機體氧自由基的產(chǎn)生增多，一旦自由基數(shù)量超出細胞的清除能力，細胞結(jié)構(gòu)將會遭到破壞，從而造成細胞的損傷[21]。陳劍杰等研究表明，暴露于低濃度的BaP中會使鯉魚體內(nèi)自由基的生成與消除失衡，提高BaP的濃度會使鯉魚體內(nèi)自由基持續(xù)積累，加重細胞損傷，導致鯉魚的免疫機能逐漸耗竭，酶水平降低，最終影響整個免疫系統(tǒng)[22]。劉宇紅等研究表明，BaP在體內(nèi)的代謝活化與自由基的產(chǎn)生增加、氧化應激以及細胞第二信號傳導網(wǎng)絡的異常運行有關(guān)[23]。梁婧等研究表明，BaP染毒會加劇大鼠胚胎組織內(nèi)的氧化活動，誘導胚胎的生殖毒性作用[24]。

超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase，SOD)是機體中一種重要的抗氧化酶，其作用是清除機體中有害的ROS。過氧化氫酶(Catalase，CAT)是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，主要在肝臟中存在，具有極高的抗氧化能力。而SOD與CAT活性地降低則表明機體抗氧化能力下降，從而導致ROS對機體的損害加重。BaP引起的氧化應激反應在不同細胞及動物模型中的SOD活性不同。李磊等研究表明，在BaP的暴露初期，生物機體組織發(fā)生的氧化應激反應會促使提高SOD、CAT活性，用來清除過量的活性氧自由基，但隨著暴露時間延長，BaP所產(chǎn)生的活性氧自由基會逐漸提高，最終超過SOD、CAT的清除能力，過量的活性氧自由基會對脊尾白蝦的機體組織造成損傷，同時抑制SOD、CAT活性，肝臟與胰臟的SOD與CAT的活性盡管會在BaP暴露的初期持續(xù)增加，但其增加幅度卻會逐漸減少，最終會出現(xiàn)下降的趨勢[25]。HurD等研究表明，BaP會導致魚免疫系統(tǒng)的功能紊亂，造成比目魚巨噬細胞中SOD活性顯著減低，最終導致巨噬細胞的死亡，降低整個免疫系統(tǒng)的應答能力[26]。

3.2 苯并芘對細胞周期與DNA的影響

細胞周期中存在兩個關(guān)鍵調(diào)控點，一個是G1/S轉(zhuǎn)換期，這是DNA復制調(diào)控的開始；另一個是位于有絲分裂和細胞分化前的G2/M調(diào)控點，這兩個時期中，細胞正在發(fā)生一些復雜的分子變化，容易受到外部環(huán)境的影響[27]。Ian等研究表明，在經(jīng)過BaP暴露后，處在分裂間期的細胞會快速通過G1期，在S期停滯并積累[28]。BaP可以影響細胞周期，導致細胞周期紊亂，且在不同的細胞中的作用也不同，所以會對細胞產(chǎn)生不同的毒性作用[29]。研究表明，BaP會顯著促進人體肺部成纖維細胞、小鼠上皮細胞和人體肺腺癌細胞從G1期向S期的轉(zhuǎn)換[30-31]。細胞周期蛋白依賴激酶(cyclin-dependent kinases,CDK)是細胞周期關(guān)卡信號傳導通路的靶點，可通過對各種信號傳導通路的控制進而對細胞周期產(chǎn)生影響，成視網(wǎng)膜母細胞瘤蛋白(retinoblastoma protein,RB)是一種細胞周期調(diào)控蛋白，AhR可通過與其相互作用，產(chǎn)生可抑制CDK介導的RB磷酸化，而BaP可通過AhR通路調(diào)控細胞周期素表達，影響DNA的復制，干擾正常細胞周期。BaP還可經(jīng)過代謝活化后可與鳥嘌呤結(jié)合形成DNA加合物，造成細胞損傷，影響DNA復制的正確性，從而加快細胞周期的進程。有研究表明，BaP及其代謝活化物的毒性作用具有多樣性，可以通過AhR、ER等受體途徑和影響MAPK信號通路等方式改變細胞增殖活性，進而影響細胞周期[32]。

BaP在影響細胞周期的同時也會對DNA造成損害，BaP對DNA損害主要有DNA斷裂損傷、形成DNA加合物、堿基突變錯配等途徑[33]。BaP具有一定的遺傳毒性機制，其產(chǎn)生的化學致癌物可通過破壞DNA發(fā)揮其生物學作用。Yasunobu等研究表明，將小鼠暴露在一定濃度的BaP中，其肺部的突變幾率呈線性增加，BaP可顯著改變DNA復制時的堿基對序列[34]。Verhofstad等研究表明，BaP的暴露可造成小鼠睪丸中的DNA大量損傷，從而引起基因的錯誤表達[35]。BaP可通過細胞中的混合功能氧化酶代謝激活，產(chǎn)生環(huán)氧化苯并芘(benzo[a]pyrene diol epoxide，BPDE)。而BPDE可以通過與DNA形成共價鍵結(jié)合，造成DNA損傷和形成突變。Hofmann等研究表明，長期暴露于BaP中，會導致芳香族DNA加合物水平的增加，直腸癌的風險顯著提高[36]。侯海燕等研究表明，隨著BaP暴露程度和時間的提高，血清中BPDE-DNA加合物的濃度也會增高[37]。朱淑萍等研究表明，暴露于低、中、高三種濃度下的BaP組胎鼠外周血中BPDE-DNA加合物濃度均高于對照組，且隨著BaP濃度升高，BPDE-DNA加合物濃度也會逐漸提高[38]。如果無法正確有效地修復DNA損傷，累積的錯誤就可能導致DNA衰老、凋亡或惡性突變。此外，DNA鏈斷裂損傷的發(fā)生與BaP的濃度呈正相關(guān)關(guān)系[39]。

3.3 苯并芘的內(nèi)分泌干擾作用

性激素水平的變化是評價生殖內(nèi)分泌干擾效應的重要指標。卵黃蛋白原(vitellogenin，VTG)是一類復合蛋白，是卵子發(fā)生、卵子成熟以及卵黃合成中必不可少的營養(yǎng)物質(zhì)，是外源雌激素內(nèi)分泌干擾的一種生物標記物[40]。有研究表明，PAHs會影響水生動物的繁殖，會影響雌魚卵巢的發(fā)育和排卵，并且可以降低雌二醇(Estradiol，E2)的水平，BaP作為PAHs中的典型代表，可以通過干擾魚體內(nèi)VTG的合成，從而阻礙魚體性腺的發(fā)育，對魚類的生長和繁殖造成危害[41]。郭勇勇等研究發(fā)現(xiàn)，暴露于高濃度的BaP中雌、雄性稀有鮈鯽肝臟中VTG轉(zhuǎn)錄水平均受到抑制，表明BaP對稀有鮈鯽產(chǎn)生了抗雌激素效應[42]。潘魯青等研究發(fā)現(xiàn)，在高濃度的BaP脅迫下，櫛孔扇貝中雌性貝類睪酮含量下降，雄性睪酮含量升高，性腺指數(shù)減小，表現(xiàn)為明顯的抗雌激素效應[43]。鐘林燕等研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過BaP中暴露8周后，雄性食蚊魚的肝腺指數(shù)和精子數(shù)在不同濃度的BaP暴露下均發(fā)生了不同程度的改變，雌性食蚊魚的性腺和性腺指數(shù)在高濃度BaP的暴露下有不同程度的變化，并對懷胎數(shù)減少有明顯的影響[44]。聶文等研究發(fā)現(xiàn)，BaP的生物學毒性很強，將線蟲暴露于低濃度的BaP中就會檢測到生殖腺細胞凋亡呈現(xiàn)增加的水平，并隨著暴露時間的延長，線蟲生殖腺細胞凋亡會呈現(xiàn)明顯的增加趨勢[45]。徐翰婷研究表明，注射BaP會降低懷孕小鼠血清中雌激素和孕激素水平，影響限速酶mRNA的合成水平，從而擾亂卵巢的正常功能[46]。梁繼仁等研究表明，SD大鼠暴露于BaP可損害其睪丸內(nèi)分泌和外分泌功能，并且會增加精子畸形發(fā)生率，減少每日精子的產(chǎn)生和睪丸的精子活力[47]。

4 展望

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，PAHs的污染日益嚴重，而BaP作為PAHs中的典型代表，在較大程度上反映了PAHs的污染水平。近些年來，研究者們已經(jīng)對BaP的毒性效應進行研究，并取得較大進展，但是有關(guān)BaP氧化應激具體作用機制、BaP的雌激素效應以及內(nèi)分泌干擾的作用機理等問題仍需要進一步深入研究。隨著陜北地區(qū)石油化工工業(yè)的快速崛起，BaP的污染問題也越來越突出，有關(guān)陜北地區(qū)BaP的污染狀況及其生態(tài)毒性效應等問題亟待解決，這些也是值得我們深入研究的領域。