多溴聯苯醚與四溴雙酚A 的生物代謝研究進展

沈夢楠，高士祥

1.松遼流域水環境教育部重點實驗室，吉林建筑大學，吉林 長春 130118

2.污染控制與資源化研究國家重點實驗室，南京大學，江蘇 南京 210046

溴代阻燃劑(brominated flame retardants，BFRs)廣泛用于電子、電器、化工、建材、紡織等領域［1-2］。由于溴代阻燃劑具有良好的阻燃效果，短時期內很難找到合適的替代品，因此在世界范圍內仍被大量使用。目前，主要生產使用的2 種溴代阻燃劑包括添加型(如多溴聯苯醚，polybrominated diphenyl ethers，PBDEs)和 反 應 型(如 四 溴 雙 酚 A，tetrabromobisphenol A，TBBPA)。

國內外學者對生物體內PBDEs 污染狀況的研究發現，陸生生物、水生生物、鳥類以及人類體內都存在PBDEs 的同系物［1］。隨著研究的深入，在生物體內不僅檢測出PBDEs 的同系物，其衍生產物如羥基化多溴聯苯醚(OH-PBDEs)和甲氧基化多溴聯苯(MeO-PBDEs)也被大量檢測出來。但是對于其來源以及PBDEs 進入生物體內后的代謝途徑目前還沒有定論。

近年來，對PBDEs 在生物體內的代謝產物研究為生物體內的甲氧基、羥基化合物的來源提供了重要依據。生物體內的OH-PBDEs 可能有2 種來源:由母體PBDEs 在生物體中代謝形成，然后富集在生物體內;也可能來自于釋放到環境中的PBDEs 在自然界中轉化后富集在生物體內。有研究者［3］推測OH-PBDEs 和MeO-PBDEs 在海洋生物體內有共同的來源和代謝途徑。早期利用同位素示蹤法的研究［4］認為，生物體內的MeO-BDEs 可能是從環境中累積而來，E. L. Teuten［5］等通過同位素示蹤法分析了椽鯨體內2 種MeO-PBDEs(6-MeO-BDE-47 和2-MeO-BDE-68)的來源，證實這2 種在水生生物體內廣泛存在的化合物是在自然界產生后累積到生物體內的。而MeO-BDEs 被生物體富集后，也可能進一步代謝轉化為OH-PBDEs。

目前關于TBBPA 在生物體內的代謝研究相對較少，大多還集中在對生物體內TBBPA 濃度的檢測方面。TBBPA 在生物體內的代謝途徑和關鍵的代謝酶也還沒有確定。大部分有關歐洲地區生物體和人體內TBBPA 濃度的報道［6］顯示，TBBPA 濃度比較低或低于檢測限。人體血液中TBBPA 的平均濃度在ng/g(以脂質量計，全文同)級［7］。Y. Ashizuka等［8］在日本3 個地區魚體中檢測到的TBBPA 濃度為0.01 ～0.11 ng/g。He M. J. 等［9］在中國南方某電子廢棄物處理廠附近采集的生物樣品中發現，幾種鳥類體內的TBBPA 平均濃度為28 ～173 ng/g，魚體中的TBBPA 平均濃度為1.14 ng/g。C. Thomsen等［10］檢測了1977—1999年挪威地區0 ～60 歲人群血液樣本中的TBBPA 濃度，并分為5 個不同年齡段檢測。結果顯示:1977—1981年間人群血液樣品中沒有檢出TBBPA，但1986—1999年TBBPA 濃度略有增長，平均濃度為0.34 ～0.71 ng/g;與其他年齡段相比，0 ～4 歲年齡組血液樣本中TBBPA 濃度最高。目前我國鮮見人體內TBBPA 的相關報道。

污染物進入生物體后的生物轉化、代謝途徑與其對生物體的毒性有密切關系，因此也一直是研究者關注的焦點。外源性物質在生物體內代謝的研究主要集中在體內原位代謝和利用體外模擬方式進行代謝2 個方面。筆者基于這2 種研究方法，綜述了PBDEs 和TBBPA 在生物體內發生的脫溴還原代謝和氧化代謝機制、代謝途徑及代謝中可能涉及的代謝酶，提出今后進一步深入開展PBDEs 和TBBPA生物積累和代謝研究的方向。

1 體內原位代謝研究

體內代謝研究主要利用穩定同位素技術，將用14C 或13C 標記的PBDEs 同系物或TBBPA 利用口服、胃灌等方式注入動物體內，一定時間后檢測PBDEs 和TBBPA 在生物體內的形態和結構變化，從而構建其在生物體內的代謝途徑。

1.1 PBDEs

生物體內擁有十分復雜和龐大的代謝酶系統，這些代謝酶決定了外源性污染物進入生物體后的代謝途徑。研究表明，PBDEs 在不同生物體內的代謝產物主要有還原脫溴產物、羥基化產物和甲氧基化產物，此外還有少量的葡萄糖醛酸化產物及谷胱甘肽衍生產物。目前，關于PBDEs 在生物體內的代謝研究主要集中在還原脫溴途徑、氧化代謝途徑(包括羥基化、甲氧基化途徑)2 個方面。

關于PBDEs 在生物體內代謝速率和半衰期的研究表明，PBDEs 溴原子取代的數目影響了其在生物體內的代謝速率。溴代阻燃劑生產廠和電子產品制造廠工人血液樣本檢測發現，十溴代聯苯醚(BDE 209)的表觀半衰期為15 d，而3 種九溴代聯苯醚(BDE 206、BDE 207 和BDE 208)的半衰期為18 ～39 d，4 種八溴代聯苯醚(octa-1、octa-2、octa-3 和BDE-203)的半衰期為37 ～91 d［11］，BDE 209 的代謝率遠高于其他PBDEs 的同系物。A. M?rck 等［12］用14C 標記的十溴代聯苯醚喂養大鼠，研究其在體內的代謝轉化過程，發現其中90%經由糞便排出，10%由膽汁排出，表明至少有10%的十溴代聯苯醚被吸收。D. F. Staskal 等［13］將BDE 47、BDE 99、BDE 100、BDE 153 通過靜脈注射為小鼠染毒，染毒5 d 后小鼠體內BDE 153 濃度最高，對排泄物中污染物濃度分析發現，BDE 99 在幾種同系物中代謝速度最快。

高溴代聯苯醚在生物體內相對較快的代謝率是由于其或以原型排出體外，或易于發生還原脫溴反應生成低溴代的同系物。H. M. Stapleton 等［14］將BDE 209 通過喂養方式給鯉魚染毒，發現BDE 209雖未在魚體內明顯累積，但卻檢測出7 種五～八溴聯苯醚類化合物，這表明BDE 209 能夠在鯉魚體內發生還原脫溴反應。這種脫溴反應同樣也在老鼠［15］、牛［16］、鳥［17］體內被發現，且主要的代謝產物為BDE 207。H. M. Stapleton 等［18］還發現，BDE 153 和BDE 99 都能夠在鯉魚體內發生還原脫溴反應，生成BDE 154 和BDE 47，且推測腸道是發生該脫溴反應的主要場所。

近年來對PBDEs 在生物體內的氧化代謝過程也相繼有報道。早期的研究對象以大鼠為主，如G.Marsh 等［19］將BDE 47 以口服方式對大鼠進行染毒，在其排泄物中檢測出6 種四溴代OH-BDE 和3種三溴代BDE，并確定了結構。有研究證明，BDE 99 可在大鼠體內代謝生成四溴代OH-BDE［20］，BDE 100 則可在大鼠體內代謝生成五溴代OH-BDE 和四溴代OH-BDE［21］。說明PBDEs 能夠在大鼠體內通過氧化代謝途徑生成羥基化代謝產物。但是，由于體內原位試驗的局限性，對于其關鍵的代謝器官和代謝酶的研究還不明確，且大部分試驗生物都為大鼠，對水生生物的報道較少。C. Munschy 等［22］關于食物暴露染毒試驗證明，PBDEs 能夠在歐洲鰨目魚體內生成羥基化和甲氧基化代謝產物。Cheng J.等［23］采用水體暴露的方式研究了BDE 15 在鯽魚體內的生物累積、分布、排泄及生物轉化的規律，研究表明，鰓和肝臟是BDE 15 的主要富集器官;對BDE 15 暴露后的魚體肝組織及腸內容物進行GC-MS 分析，發現存在一羥基化和二羥基化的二溴聯苯醚。這2 個研究表明，PBDEs 也能夠在淡水魚體內發生氧化反應。

1.2 TBBPA

與PBDEs 的研究相似，有關TBBPA 在生物體內的代謝研究也主要集中在大鼠上。U. E.Brady［24］研究表明，TBBPA 的生物吸收性比較差，通過口服染毒的方式對大鼠染毒72 h 后，95%的14CTBBPA 經由糞便排出體外。J. A. Szymanska 等［25］將14C-TBBPA 通過腹腔注射的方式給大鼠染毒，采集糞便和尿液進行研究，發現TBBPA 經由糞便的排泄量達到了51% ～65%，而尿液的排泄量卻小于0.3%。H. Hakk 等［26］的 試 驗 也 發 現92% 的TBBPA 通過糞便排出。染毒方式和染毒濃度對TBBPA 在大鼠體內的代謝沒有較大影響，無論是注射染毒還是口服染毒，TBBPA 的生物可利用性都比較低［27］。TBBPA 在大鼠體內的半衰期小于3 d［24］，在人體內的半衰期約為2.2 d［28］。說明糞便排泄是生物體清除TBBPA 的主要途徑，且TBBPA 在生物體內的清除率要遠高于PBDEs，這也為TBBPA 的生態風險評價提供了一定的依據。

由于TBBPA 在生物體內濃度普遍較低，給其代謝產物的鑒定帶來了一定的難度。因此目前鮮有關于其代謝途徑以及代謝產物的研究。利用大鼠進行TBBPA 染毒試驗，在大鼠的血液中發現了2 種主要的Ⅱ相酶結合代謝產物葡萄糖甘酸-TBBPA 和硫酸鹽-TBBPA，在糞便中發現了1 種脫溴的還原產物以及甲氧基化代謝產物［29］。但是，目前這些代謝產物的來源和產生的途徑還都不明確，可能是在肝臟中代謝生成，通過膽汁排泄到糞便中;也可能是被腸道中的微生物代謝生成。目前鮮有關于TBBPA 在水生生物體內生物轉化和生物累積的報道。WHO 的報道［30］表明，水體中TBBPA 能夠通過鰓被魚體吸收，當染毒的魚被置于清水中時，化合物又能迅速的清除體外。

2 體外模擬代謝研究

由于生物活體環境比較復雜，因此體內原位試驗對外源性污染物的代謝研究有一定的局限性，很難對某一特定的靶器官進行深入的研究。對代謝機理的研究和代謝途徑的構建都有一定的難度，因此體外模擬代謝逐漸應用到了PBDEs 和TBBPA 的代謝研究中。動物組織體外模擬代謝研究可以較好地排除體內因素干擾，直接觀察酶對底物代謝的選擇性，為整體試驗提供可靠的科學依據。

2.1 PBDEs

目前關于PBDEs 的體外模擬代謝系統研究主要以肝微粒體和肝細胞為主，也有部分圍繞腸道微生物群落展開。研究對象包括人體、大鼠、海洋哺乳動物、魚類等。研究發現，在嚙齒動物、海洋哺乳動物、淡水魚和人體的肝臟中，PBDEs 的一些同系物都能發生氧化代謝，且是主要代謝途徑，PBDEs 能夠生成相應的一羥基化、二羥基化和醚鍵斷裂的氧化代謝產物［31-35］。

M. A. McKinney 等［31］利用白鯨肝臟微粒體進行PBDEs 的體外模擬代謝試驗，同時將大鼠作為模式動物進行對比研究。試驗將幾種PBDEs 的同系物在肝微粒體中體外孵育90 min，發現溴取代程度較低的BDE 15、BDE 28 和BDE 47 在白鯨肝微粒體內迅速被代謝，代謝率分別為100%、11% 和5%;在模式動物大鼠肝微粒體內BDE 28、BDE 49、BDE 99 和BDE 154 的代謝率分別為13%、44%、11%和17%。同時還檢出二溴聯苯醚(BDE 15)的羥基化代謝產物，但具體結構未被鑒定。Shen M.［32］等利用提取的鯽魚肝臟微粒體和S9 進行體外代謝試驗時發現，BDE 15 能夠在鯽魚肝臟中發生氧化代謝反應，生成溴酚和一羥基化的二溴聯苯醚。

近年來，一些學者對PBDEs 在人體肝臟組織的體外模擬代謝進行了研究，如H. M. Stapleton 等［33］利用人體肝細胞進行PBDEs 體外模擬代謝研究，將10 μmol/L 的BDE 99 和BDE 209 在人肝細胞中(37℃)孵育24 ～72 h 發現，BDE 99 代謝量約為8%，BDE 209 代謝量約為3%，2 種化合物代謝速度都很慢。BDE 99 在人體肝細胞中代謝后生成2，4，5-三溴苯酚及2 種一羥基五溴聯苯醚和1 種四溴代謝產物;而BDE 209 經細胞代謝后沒有出現任何氧化或者還原代謝產物，這可能是因為形成了不可萃取的共價蛋白代謝產物或者染毒暴露時間太短不足以使BDE 209 進入細胞體內進行代謝。說明溴原子的數量影響了多溴聯苯醚的生物可利用性。S. J.Lupton 等［34］利用人肝臟微粒體也進行了相似的體外代謝試驗，將經過14C 標記的BDE 47、BDE 99 和BDE 153 在人肝臟微粒體中孵育2 h，同樣發現溴代程度較低的BDE 47 能被代謝生成二羥基-BDE 47和2，4-二溴苯酚;BDE 99 能夠被氧化代謝生成二羥基-BDE 99、2，4，5-三溴苯酚和1，3-二溴苯;而BDE 153 則不能被代謝。這也再次證明了PBDEs 被氧化代謝的能力與苯環上溴原子取代的數目以及位置都有密切的關系，低溴代的PBDEs 同系物較容易被氧化。

試驗表明，細胞色素CYP450 酶系在PBDEs 的氧化代謝過程起到了重要的催化作用。Cheng S.W.等［35］利用普通大鼠微粒體和經CYP450 酶誘導劑誘導的大鼠微粒體進行PBDEs 體外代謝試驗，發現BDE 15、BDE 28 和BDE 47 能被誘導過的大鼠微粒體代謝生成相應的一羥基化和二羥基化代謝產物;但未誘導的大鼠微粒體中只能檢測到BDE 15的代謝產物，說明CYP450 酶參與了該氧化代謝過程，且酶活性的大小影響了PBDEs 的代謝能力。H.M. Stapleton 等［33］發現經過BDE 99 和BDE 209 染毒后的人肝細胞中的CYP1A2 和CYP3A4 蛋白基因表達上調，推測這2 種亞型可能參與了BDE 99 的代謝過程。Shen M. 等［32］試驗證明，CYP1A 酶在鯽魚肝臟內可能對BDE 15 的氧化代謝起主要作用。上述一些研究中也發現，在PBDEs 的代謝過程中不同物種的肝臟間存在著明顯的種間差異性，哺乳動物對一些PBDEs 同系物的代謝能力強于水生魚類。這些差異可能與關鍵代謝酶的種間差異性有關。

體內原位試驗表明，利用高溴代的PBDEs 染毒后，在生物體內發現了其脫溴產物，說明PBDEs 在生物體內也能夠發生脫溴還原反應。因此還原反應在進行體外代謝模擬試驗時也受到關注。目前，大量的關于PBDEs 發生還原代謝的體外研究報道主要集中在魚類，研究的化合物集中在對BDE 99 的研究。鮮有的對BDE 209 的研究發現，BDE 209 能夠在虹鱒魚和鯉魚肝臟微粒體內發生脫溴反應，生成六溴代、八溴代和九溴代的BDE［36］。

R. T. Benedict 等［37］利用鯉魚腸道微生物群落和肝臟微粒體進行BDE 99 的體外模擬代謝試驗發現，在微生物代謝試驗中沒有發生脫溴過程，但是在肝臟微粒體代謝試驗中發現了脫溴產物BDE 47，同時證明CYP450 酶系并不是參與BDE 99 脫溴轉化為BDE 47 的主要功能酶，由于BDE 99 在結構上與甲狀腺素(T4)相似，作者推測脫碘酶可能在該脫溴過程中起主要催化功能。E. P. Browne 等［38］利用鮭魚肝臟微粒體代謝BDE 99 的試驗中也發現相似的脫溴過程，BDE 99 可以脫去1 個溴原子生成BDE 47 和BDE 49，證明BDE 99 在鯉魚肝臟微粒體內也可以轉化為BDE 47，且在體外孵育過程中加入脫碘酶的抑制劑后，該反應過程被明顯抑制，再次證明脫碘酶很可能參與了脫溴的過程。P. D. Noyes 等［39］根據試驗構建了BDE 99 在鯉魚肝臟中的可能脫溴代謝途徑(圖1):BDE 99 先脫去1 個溴原子生成BDE 66、BDE 47 和BDE 49，BDE 66 和BDE 47 繼續脫去1 個溴原子生成BDE 33 和BDE 28。

圖1 BDE 99 在鯉魚微粒體中可能的脫溴代謝途徑［39］Fig.1 Proposed in vitro biotransformation pathway of BDE 99 in carp microsomes

上述研究表明，與人體和哺乳動物相比肝臟同樣是PBDEs 在魚體內代謝的主要場所，但肝臟對PBDEs 代謝能力差異比較大，BDE 99 在試驗用2 種魚類中都沒有發生氧化反應。BDE 209 和BDE 99都能夠發生還原脫溴反應，生成低溴代PBDEs 同系物，且該脫溴反應可能與脫碘酶有關。但是BDE 99經脫溴反應后生成的低溴代PBDEs 同系物的后續代謝途徑還不清楚，是否繼續發生脫溴反應，還是發生了氧化代謝目前還沒有研究報道，值得持續關注。

2.2 TBBPA

目前關于TBBPA 的體外模擬代謝試驗研究較少，雖然不同研究者報道的結果有一定差異，但是發現無論是在大鼠、人體還是魚體肝臟微粒體中TBBPA 都能發生氧化代謝反應，生成碳十字架斷鍵產物和TBBPA 的聚合物。D. Zalko 等［40］利用大鼠及人肝臟微粒體和肝臟S9 代謝14C-TBBPA，檢測到多種氧化代謝產物，包括碳十字架斷鍵產物2，6-二溴-4-異丙基酚和TBBPA 的聚合產物di-TBBPA，并推測這些代謝產物是由CYP450 酶系催化反應生成的。除氧化產物外，2 種Ⅱ相反應產物，葡萄糖醛酸-TPPBA 和2，6-二溴-4-異丙基酚的谷胱甘肽結合產物也在S9 的代謝試驗中被檢測到。Shen M.等［32］利用鯽魚肝臟微粒體和肝臟S9 代謝TBBPA試驗也發現，TBBPA 發生氧化代謝反應，生成2，6-二溴-4-異丙基酚和TBBPA 的二聚物，并且推測CYP3A4 和CYP1A 都有可能參與催化代謝過程。與在大鼠和人肝臟試驗結果不同，在鯽魚肝臟試驗中沒有發現Ⅱ相酶催化反應的代謝產物，這也表明TBBPA 在生物體內的代謝有一定的種間差異性。

3 結論與展望

綜上所述，通過體內和體外試驗相結合的方法，現已基本探明PBDEs 的一些同系物和TBBPA 在嚙齒動物、魚類、海洋哺乳動物和人體內的主要代謝產物，包括加羥基、脫溴以及聚合等反應過程。PBDEs和TBBPA 在生物體內的還原代謝途徑差異不大，主要為還原脫溴反應。然而二者的氧化代謝途徑差異較大，PBDEs 的主要氧化代謝反應為苯環上羥基化和甲氧基化，而TBBPA 的氧化反應則主要是碳十字架氧化斷鍵和聚合反應。2 種化合物代謝途徑的差異可能與連接苯環的醚健與碳十字架的差異有關。目前的研究發現了TBBPA 的Ⅱ相酶代謝產物，還沒有發現PBDEs 同系物的Ⅱ相代謝產物，其原因值得進一步研究。從二者在生物體內的半衰期看，TBBPA 的半衰期較短，基本為幾天，而PBDEs 的半衰期則長達幾十天;從參與代謝的關鍵酶看，CYP450 酶是參與二者代謝的主要氧化酶，而肝臟Ⅱ相代謝酶在PBDEs 和TBBPA 的代謝過程中是否具有關鍵作用還不十分清楚，值得繼續探索。目前對PBDEs 和TBBPA 代謝產物的定量分析還比較少，應開展這方面的研究，從而構建其體外代謝動力學模型，利用理論計算與體外模擬試驗相結合的手段，在分子水平上闡明代謝過程機理。

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