一種新型環境污染物——二甲雙胍*

郭鈺涵 王溫喬 陳易開 孫津歌 馬 旭 王 珅 任秋婷 楊允文 楊 琳

（天津師范大學生命科學學院，天津市動植物抗性重點實驗室 天津 300387）

二甲雙胍（metformin）源自歐洲傳統草藥Galega officinalis[1]，是一種親水性雙胍類物質。目前，二甲雙胍作為Ⅱ型糖尿病臨床治療的口服降糖藥物，已有60 余年的歷史，單用或與其他藥物聯合降糖[2]，副作用少，降糖效果好。隨著人們生活水平的提高，糖尿病的患病率也隨之增加，二甲雙胍逐漸成為世界范圍內最大的處方類降糖藥物。當前研究發現，二甲雙胍還具有減肥[3]、抗腫瘤[4]和延長壽命[5]等作用，因此得到更加廣泛的臨床應用。

二甲雙胍具有低的辛醇-水分配系數（Kow）[6]，幾乎不能被人體代謝分解[7]、經尿液和糞便排出體外。經檢測發現，污水、地表水、地下水、飲用水及土壤中均有二甲雙胍的蹤跡[8]。由于全世界糖尿病發病率急劇增加、患者地域分布廣泛，二甲雙胍的治療劑量較大，每人每天可達2 g，且不經代謝直接排出體外，使得二甲雙胍成為釋放到環境中濃度較高的藥物污染物[9]。廣泛分布在環境中的二甲雙胍對動、植物生長發育、人體健康是否會造成威脅？每年使用二甲雙胍治療的人群中約（4～10）/10 萬的患者可發生乳酸性酸中毒，雖然比較罕見，而且與二甲雙胍的治療劑量大小相關，但若對于可能暴露于二甲雙胍環境污染的正常人群而言，是值得關注的潛在危險因素[10]。科研人員已發現，環境中的二甲雙胍對魚類的生長發育有不利影響[11]。二甲雙胍作為一種新型水土環境污染物，值得高度關注。

1 二甲雙胍的危害性

1.1 二甲雙胍對植物的影響 近年有研究表明，二甲雙胍會對一些常見農作物，例如，大麥、小麥、胡蘿卜具有負面作用[12]，尤其對胡蘿卜的影響顯著。Cummings 等[13]在2018年評估了二甲雙胍對小球藻光合作用的影響，發現小球藻的非光化學猝滅（NPQ）值隨時間增加，電子傳輸速率減慢，利用光能能力減弱。也有報道，二甲雙胍能抑制水生植物浮萍的生長[14]。

1.2 二甲雙胍對動物的危害 2015年有研究者發現，二甲雙胍引起雄性黑頭呆魚（Pimephales promelas）的卵黃蛋白原（vitellogenin，VTG）基因轉錄表達增加[15]。卵黃蛋白原及其卵黃蛋白廣泛存在于鳥類、魚類、甲殼類等卵生動物中，調節其胚胎發育和幼體發育。科研人員以青鳉（Oryzias latipes）為實驗材料，用不同濃度的二甲雙胍進行處理[16]，發現用40 μg/L 的二甲雙胍處理4 周后，雄魚VTG 轉錄上調，而雌魚VTG2、Erα、ERβ1、ERβ2 的表達水平有降低趨勢。這些實驗數據表明，二甲雙胍可能導致雄魚雌性化，雌魚生殖系統失活。此外，二甲雙胍還會增加雄魚的活性氧（ROS）含量，并降低谷胱甘肽（GSH）水平，增加雌魚的過氧化氫酶活性，即二甲雙胍會導致青鳉的氧化應激并破壞其內分泌系統。二甲雙胍還能降低小鼠促性腺激素釋放激素的釋放，其可能影響哺乳動物的生殖系統。

另有研究發現，青鳉在幼年階段就能吸收水中的二甲雙胍[17]。暴露于二甲雙胍的幼魚，其體內2 種重要的脂肪酸（硬脂酸和棕櫚酸）含量明顯增高，導致其體型減小；脯氨酸的豐度顯著下降，花生四烯酸含量顯著增加，從而影響幼體生長。同時，也有報道表明，環境中的二甲雙胍會在斑馬魚的組織中積累，主要是肝臟、腸道和鰓部并影響其基因表達[18]。

Jacob 等[19]將褐鱒（Salmo trutta）的胚分別暴露于0 μg/L、1 μg/L、10 μg/L、100 μg/L 和1 000 μg/L二甲雙胍后，發現幼體的死亡率、胚胎發育、體長、肝組織完整性、應激蛋白水平和游泳行為均未受影響。但暴露于7℃、10 μg/L 和11℃、100 μg/L 二甲雙胍的魚群中細菌分布發生了變化，變形桿菌增加，放線菌門和厚壁菌門減少。這些腸道微生物組的變化很可能會引起致病因子和氣體代謝基因的表達增加，進而對免疫系統產生間接影響。

1.3 二甲雙胍對人體的危害 二甲雙胍常見的副作用主要是厭食、惡心、腹部不適和腹瀉等，罕見的副作用包括乳酸性酸中毒[20]。二甲雙胍在水環境中的污染分布，意味著它可能被正常人體吸收，吸收量多少、血藥濃度多高、產生何種影響等問題值得深入研究。

二甲雙胍并不適合于所有的糖尿病患者，腎功能受損會導致二甲雙胍清除不良，肝功能受損會導致乳酸鹽清除不良和乳酸產生增加。所以，腎或肝功能不全，充血性心力衰竭的人和老年人長期攝入二甲雙胍可能引起相關的并發癥，概率雖小，但值得重視[21]。

此外，飲用水源中的二甲雙胍會與水消毒劑次氯酸鹽發生反應，生成具有潛在毒性的氯化副產物Y（C4H6ClN5）和C（C4H6ClN3），且隨著二甲雙胍濃度的增高，Y 和C 的含量也會增加。檢測大量水樣后發現，自來水中廣泛存在副產物C，其最高檢出劑量可達9.7 ng/L。用Y 和C 處理人肝癌HepG2 細胞，均能誘導明顯的細胞死亡。與砷進行比較后發現，在相同劑量下，2 種氯化副產物對HepG2細胞的毒性與砷相似，甚至更高[22]。這表明水體中二甲雙胍的污染在一定程度上威脅人類健康。

有報道稱，植物在夏季迅速生長時，二甲雙胍會被轉運并積累在油脂組織中，特別是油菜（Brassica napus）和蕪菁（Brassica rapa），植株相對于土壤的生物富集因子（BCF）甚至可達到20，比大麥和小麥谷物高出40～60 倍，導致此現象的原因可能是夏季較高的蒸騰速率提高某些轉運蛋白活性，從而促進植株對水和溶解物質的吸收[6,23-24]。我國是油料作物種植大國，大豆、花生、芝麻、油菜等均是重要的油料作物，二甲雙胍富集在種子中是否會通過農產品進入人體是值得關注的食品安全問題。

1.4 二甲雙胍轉化產物胍基脲（GUU）的潛在危害 目前研究證實，二甲雙胍釋放到環境中后，胍基脲（C2H6N4O）是其在自然界中唯一已知的持久性降解產物。降解過程主要依靠微生物進行，例如，細菌的雙脫烷基化反應，即在末端氮處去除2 個甲基，該反應具有的高轉化率使得環境積累了大量胍基脲[6,9]。最近有研究表明，日本青鳉在生命早期接受1～100 ng/L 胍基脲暴露28 d 后測試，幼魚的生長受到顯著抑制，且整個生命周期都暴露于低濃度胍基脲的成年青鳉，雖然其生長未受抑制，但體內雌二醇含量有所上升，內分泌系統受到影響[25]。同時，胍基脲作為胞嘧啶類似物，會參與合成人類端粒的i-基序，從而降低此序列的DNA 熱穩定性和pH 穩定性[26]。但目前對胍基脲的報道不多，數據不夠充分，其具體的毒理性質有待進一步研究。

2 二甲雙胍治理新思路

二甲雙胍對水解和光降解表現出高穩定性，自然界的物理、化學作用無法去除二甲雙胍[6]。有報道稱，氧化石墨烯吸附法、氯氧化、臭氧氧化均可高效去除二甲雙胍[27]，但這些方法成本較高且并非適用于所有污水處理廠，有的還會造成二次污染，無法長期有效根治。Mohd 等[28]在2016年測試了粘土與可生物降解的高分子絮凝劑的組合，這種組合物雖去除了所測藥物總量70%的二甲雙胍，但在處理60 min 后，二甲雙胍僅能達到21%的去除率。

因此，科學家嘗試用植物修復的方法進行治理。二甲雙胍在香蒲（Typha orientalisPresl）內的生物富集因子最高可達53.34，實驗表明，香蒲在28 d 內即可吸附水體中77%左右的二甲雙胍，并生成甲基雙胍（MBG）轉化物[29]。與二甲雙胍相比，甲基雙胍能更加迅速地被微生物降解為胍基脲，從而加速二甲雙胍的環境降解速率。后續一系列研究發現，香蒲經奎尼丁處理后，吸收二甲雙胍能力被抑制70%～74%，而奎尼丁是有機陽離子轉運蛋白（OCT）的抑制劑[24]，這說明OCT 在香蒲吸收二甲雙胍中具有重要作用。植物吸收二甲雙胍部分機理的闡明，有助于從基因層面利用基因組工具，提高植株對二甲雙胍的吸收能力。Moogouei等[30]在2018年評估了干旱和半干旱植物對二甲雙胍的吸收，發現向日葵（Helianthus annuus）對二甲雙胍去除率較高，是植物修復的潛在物種。浮萍是一種小型水生植物，經實地考察研究表明，浮萍是當前廢水處理能力最強的植物之一；同時有報道稱，浮萍對重金屬鎘的吸收率最高可達83%[31]。人們或許可利用浮萍對環境中的二甲雙胍進行治理，如果可行，將在很大程度上解決污染問題，這種方法成本低、價值高，值得推廣。

有報道表明，在微生物的作用下，二甲雙胍可發生完全礦化作用轉化為無機鹽，但參與礦化作用的微生物種群尚未鑒定清楚[32]。目前，大多數國家和地區缺乏有效的技術手段從污水處理系統中去除這些污染物[23]，因此，可利用微生物技術，尋找能對二甲雙胍起礦化作用的微生物類群，將這些微生物加入污水處理系統，可極大地提高處理二甲雙胍的能力，為治理二甲雙胍污染提供一種新的途徑。