N-亞硝基二甲胺(NDMA)的環境過程和毒理效應

古楠，劉永東，鐘儒剛

北京工業大學生命科學與生物工程學院，北京100124

2008年，全世界共有760萬人死于癌癥;據估計，到2030年，每年死于癌癥的人數將達到約1 310萬［1］。具體到中國，2008年癌癥死亡人數300萬;專家預計，2020年死亡人數將超過400萬［2］。癌癥已經成為威脅人類健康的“第一殺手”，長期以來，大量科學工作者一直在致力于攻克癌癥，其中從癌癥的成因上尋找攻克的方法是一條不可缺少的途徑。世界衛生組織(WHO)指出，人類癌癥80% ～90%由環境因素導致，其中80%以上與化學致癌物有關。化學致癌物主要包括植物毒素、多環芳烴、霉菌毒素、熱解素和N-亞硝基類化合物(NNC)等［3-9］。在已被研究報導的300多種N-亞硝基化合物中，約90%具有致癌活性，其中，N-亞硝基二甲胺(NDMA)是N-亞硝基化合物中結構最簡單而致癌性、誘變性與致畸性最強的物質之一［10-11］。

1 N-亞硝基二甲胺的基本性質

N-亞硝基二甲胺是二烷基亞硝胺類物質中最簡單的一種，分子式為C2H6N2O。圖1為NDMA的分子結構。

圖1 NDM A分子結構Fig．1 Molecular structure of NDMA

據報道，NDMA可誘發各種受試動物產生腫瘤，致癌性要遠遠超過三氯甲烷。近年來，在飲用水處理廠和污水處理廠的消毒過程中，它作為一種消毒副產物出現，從而引起了人們的高度關注。NDMA的物理和化學性質為:室溫下液態，黃色無味，熔點-25℃，沸點 154℃，密度 1．0059 g·mL-1，蒸汽壓359．9883 Pa(20℃)，亨利常數 0．2016 Pa·m3·moL-1(37℃)，辛醇-水分配系數(logKow)-0．57，易溶于水、二氯甲烷、醇和醚等。

2 N-亞硝基二甲胺的來源

NDMA廣泛存在于工業產品中，例如燃料、潤滑油、煙草、除草劑、殺蟲劑、橡膠制品以及一些由氨基吡啉構成的藥物。另外，在食物的加工、儲存以及運輸等過程中也會產生NDMA。除了食物本身存在的NDMA外，當食物中存在二級胺時，人類攝入后在體內會生成NDMA。雖然，NDMA的形成機理已有較全面的研究，但是在人體內的形成量還沒有充分的研究。

3 N-亞硝基二甲胺的存在形式

NDMA廣泛存在于飲料、食物、煙草煙霧、橡膠制品(甚至包括嬰兒奶瓶)中，所以啤酒廠、清潔劑廠、殺蟲劑廠、制革廠、橡膠輪胎廠、魚類及食品加工廠、染料廠和化妝品制造廠等均是NDMA的潛在釋放源。

1962 年，van Rheenen［12］在乳牛的糞便中發現了形成NDMA的前體物質DMA(二甲胺)，他認為該物質是通過農業徑流進入地表水，而后隨著飲水的攝入進入到乳牛的消化系統中的。1974年，Ayanaba等［13］發現，如果污泥中存在硝酸鹽或者亞硝酸鹽，就會與原本存在于污泥中的烷基胺通過生物或化學的作用直接轉化成NDMA，所以當下水道的污泥與富含硝酸鹽或者亞硝酸鹽的土壤接觸時就可能產生 NDMA。1978 年，Pancholy［14］指出，農業或家用殺蟲劑在制造和運輸的過程中都會形成NDMA，而這種有害物質會隨著殺蟲劑在農業、醫院以及家庭中的使用而進入到環境當中。1980年，Goff等［15］在燃燒柴油的汽車尾氣中也發現了NDMA。1989年，美國毒物與疾病登記署(The Agency for Toxic Substances and Disease Registry，ATSDR)［16］提出，如果在工業生產過程中使用到硝酸鹽或者亞硝酸鹽和胺，且在pH值比較適宜的情況下就會產生NDMA這種副產物;例如，當烷基胺(主要是二甲胺和三甲胺)與氮氧化物、亞硝酸或亞硝酸鹽接觸時，就有可能反應生成NDMA。

NDMA眾多的來源導致了它在空氣、水、土壤中的廣泛存在，但是NDMA最主要的排放形式還是隨給水和污水排出。早在1994年，人們就發現在飲用水的處理過程中會形成NDMA。2003年，Richardson［17］指出，當水中存在含氮有機物時，用氯化法或者氯胺法進行消毒處理就會產生NDMA這種消毒副產物。飲用水廠中NDMA的形成與工業污染地下水源、陰離子樹脂的使用及氯化消毒有關。污水處理廠中NDMA的主要來源有工業污染、排污管道中除草劑的使用、生活污水以及污水處理廠二級出水氯化消毒等。

4 N-亞硝基二甲胺的暴露途徑

4．1 外 源

4．1．1 從水中攝入

1990年，在針對加拿大安大略湖地區污水處理廠排水的調查中［18］，39份樣本中有27份被檢出含有 NDMA，濃度最高的為 0．22 μg·L-1。

另外，1990—1998年，從安大略湖地區的101個水處理廠取390份未處理的地表水樣本［19］，37個工廠的樣本中都檢測出了 NDMA(＞0．001μg·L-1)，平均濃度為1．27 ×10-3μg·L-1，最高濃度是8．00 ×10-3μg·L-1。

2001年，美國加利福尼亞衛生服務部(California Department of Health Services ，DHS)［20］調查了該州飲用水系統中NDMA的含量，在20份使用氯胺消毒后的飲用水樣本中，有3份樣本的NDMA濃度都超過了0．01μg·L-1，而所有使用氯氣作為消毒劑的8份樣品中，NDMA 的濃度都低于0．005 μg·L-1。

2009年，加拿大調查了33個水處理工廠，其中3個工廠的NDMA濃度比較低，但是每個工廠出廠水和供水系統中都含有NDMA，濃度范圍為1～2 ng·L-1，且這3個工廠都以氯胺作為二級消毒劑［21］。

目前，飲用水中的NDMA一般是在水處理過程中形成的，水源水中NDMA的含量很少。消毒劑類型和濃度、消毒接觸時間、前體物的種類和濃度、pH、溫度和濁度等是水中影響NDMA生成的主要因素［22-23］。通常NDMA的形成與氯胺消毒是否作為飲用水的二級消毒劑有關，亞硝胺類物質主要都是在這一過程中產生的，且在供水系統中還會繼續產生亞硝胺類物質。

4．1．2 從空氣中攝入

1990年，在加拿大安大略省的工業和城鎮地區，通過對5個城市采集的7份空氣樣本的檢測發現［18］，其中NDMA的濃度均低于檢測限，濃度范圍為0．0034 ～0．0046 μg·m-3。而在化學產品生產設備的周圍空氣中采集的41份樣品中，NDMA的濃度最高為0．230 μg·m-3，其中有20 份樣品的 NDMA 濃度高于檢測限，且越靠近生產設備NDMA的濃度越高。

美國的一些現有數據表明，吸煙所產生的煙霧會導致室內空氣中NDMA濃度提高，最高可達0．24μg·m-3;而使用同樣的方法，在無吸煙者住所的室內空氣中均未檢出 NDMA(檢出限為0．003 μg·m-3)［24］。

4．1．3 從食物中攝入

當食物中的硝酸鹽和亞硝酸鹽隨著食物進入胃，與胃酸反應就會生成含有亞硝基的化合物，隨即與胺類物質反應生成NDMA。

4．1．4 從消費品中攝入

很多個人護理用品以及化妝品中都含有NDMA，例如洗發露、護發素、染發劑、沐浴露、面霜、精油和洗面奶等，這是由于亞硝酸鹽或氮氧化物等亞硝化基團與大量應用在這些消費品中的胺類物質發生了反應。

橡膠制品與人體皮膚的接觸是另一個人體暴露于NDMA的途徑，因為在橡膠硫化的過程中使用了二烴基作為催化劑和穩定劑。另外，在醫用產品中也能檢測到NDMA(例如橡膠奶嘴)。

煙草中的天然成分在腌制和發酵過程中發生的亞硝化反應會形成3種類型N-亞硝基類化合物:揮發的、不揮發的以及煙草中特有的N-亞硝胺類物質。另外，香煙的燃燒會使其中的揮發性N-亞硝胺類物質發生熱解反應，這其中就包括NDMA。而這一過程產生NDMA的量取決于煙草的物理化學性質，例如有機氮的含量、硝酸鹽是否存在等。此外，煙草中的尼古丁是一種很特殊的NDMA前體物質。

4．2 內 源

現在已經有證據證明，即使是痕量的胺和酰胺在人和動物體內也可以經過亞硝化作用生成亞硝胺類物質。例如，胃內有一類含有硝酸鹽還原酶的細菌，當胃酸缺乏時，胃液pH值大于5時此類細菌有高度活性，利于將硝酸鹽轉化成亞硝酸鹽，進而與胺類結合成亞硝胺。亞硝胺類物質在各個器官形成的量的多少由很多因素所決定，例如不同種類胺的親核性、底物的濃度、pH等。

5 N-亞硝基二甲胺的動力學和代謝

5．1 吸 收

雖然關于人體對NDMA的吸收沒有定量的研究數據，但是對于實驗生物的研究表明，超過90%經口攝入的NDMA都會非常快地被腸道下部所吸收［25］。另外，Spiegelhalder等［26］的研究表明，給大鼠皮下注射含有350μg的NDMA溶液，隨后在尿液中檢測出的含量僅為注射量的0．03%。

5．2 分布和排泄

NDMA一旦被人體吸收，它的代謝產物就可以在人體中廣泛分布，并且可以通過母乳傳遞給下一代。當給懷孕的嚙齒類動物注射N-亞硝胺類物質時，其胎兒的體內也會含有該物質及其代謝物。藥物代謝動力學研究表明，對多種實驗室生物靜脈注射NDMA，會很快通過新陳代謝進入肝臟以及肝臟周邊的器官，而其代謝物會通過尿液或者二氧化碳排出體外。

5．3 代 謝

關于人體內NDMA代謝的定量數據目前尚未完善，不同的物種對于NDMA的代謝程度不同，但是有實驗數據表明，人體對于NDMA的代謝和實驗室生物差異不大。

6 N-亞硝基二甲胺的毒性

目前，國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer，IARC)將N-亞硝胺類物質列為人類致癌物;其中，NDMA為2A類，該類物質對人類致癌性證據有限但實驗動物致癌性證據充足。

6．1 短期毒性

急性毒性實驗主要測定半數致死量(濃度)，觀察急性中毒表現，通常為小鼠或大鼠采用經口、吸入或經皮染毒途徑，確定毒作用方式、中毒反應，并為亞急性和慢性毒性實驗的觀察指標及劑量分組提供參考。

1978年，IARC［27］向大鼠和小鼠的腹腔中灌入NDMA，對大鼠的半致死量為43 mg·kg-1，對小鼠的半致死量為20mg·kg-1。在其他實驗室生物實驗中，當NDMA的劑量為30～60 mg·kg-1時，可對肝(肝中毒)、腎(腫瘤)以及睪丸(輸精上皮組織壞死)產生影響［28-31］;同時NDMA的吸入毒性也很高，大鼠4 h半致死量為240mg·m-3，小鼠 4 h 半致死量為 176 mg·m-3［16］。另外，表 1給出了在其他一些文獻中的哺乳動物在不同的實驗條件下攝入NDMA的實驗數據，在這些實驗條件下，NDMA均表現出不同程度的肝毒性。

6．2 慢性毒性及致癌性

在所有的實驗室生物實驗中，NDMA均表現出致癌性。雖然很多研究都受限于現有的標準(例如小群體、單一劑量水平、有限的組織病理學的檢驗方法等)，但是哺乳動物(例如大鼠、小鼠、倉鼠等)通過口服、吸入或者氣管滴注NDMA而導致癌癥的研究已經很全面了。表2給出了一些相關的實驗數據。另外，對懷孕的大鼠進行腹膜內注射、對懷孕的小鼠進行胃管注入NDMA都會增加其后代患肝臟或者腎臟腫瘤的頻率。

下面這個實驗由于所用受試生物的數量之多和實驗濃度的范圍之廣被認為是對NDMA最全面的定量風險評估［32-33］，這給人們研究NDMA的暴露-反應關系提供了更詳細的數據。該實驗的受試生物為大鼠，分為15個劑量組和1個對照組，每個劑量組包含60只公鼠和60只母鼠，每天喂食含有NDMA的飲用水;公鼠每天喂食 NDMA 的含量為0．001 ～0．697 mg·kg-1，母鼠每天喂食NDMA 的含量為0．002 ～1．224 mg·kg-1;對照組包含120只公鼠和120只母鼠，每天喂食不含NDMA的飲用水。大鼠的存活時間隨著NDMA劑量的增加而減少，暴露于最高劑量(1．224 mg·kg-1)下的大鼠存活不到1 年，低劑量(0．001 mg·kg-1)下最高可活3．5 年。在低劑量NDMA的作用下，患肝臟腫瘤的大鼠的數量與劑量率成正比，且沒有臨界值。

除了哺乳動物，水生生物也是評價化學品毒性效應的重要受試生物。表3給出了NDMA對一些水生生物的慢性毒性實驗值。

表1 不同實驗條件下NDMA對8種哺乳動物的短期毒性Table 1 Short-term toxicities of NDMA to eightmammals under different experimental conditions

表2 NDMA對哺乳動物的致癌性Table 2 Carcinogenicity of NDMA tomammals

表3 NDMA對水生生物的慢性毒性Table 3 Chronic toxicity of NDMA to aquatic organisms

7 結語

由上所述，可見NDMA對各種動物的毒性研究工作開展得較為深入，但仍然有許多問題亟待解決。(1)鑒于NDMA來源多且分布廣泛，我國應在空氣質量標準、水質標準以及食品中污染物限量等標準中制定出具體的限定值;(2)同時還應制定出更加有效且經濟環保的方法以減少環境中的NDMA，減少人體對其攝入，如利用NDMA對紫外光的敏感性使其在水源水、供水系統以及飲用水中降解，或以兩種或多種金屬耦合作為催化劑降低其在飲用水中的含量;減少食品和消費品中相關NDMA前體如亞硝酸鹽的使用，或是適當添加一些保護性的抑制劑等;(3)目前對飲用水、空氣、食物等外源中所含有的NDMA的資料有限，暴露人群和有害效應資料的缺乏，只有不斷補充這些數據，開展NDMA對于人體暴露的研究與評估，才能為完善我國NDMA的各項標準奠定科學的基礎。

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