多环芳烃环境行为及生态毒理效应

多环芳烃 环境行为及生态毒理效应
目 录
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
物理化学特性 生态毒理效应 生物标记物 微生物降解机制
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
化学结构
多环芳烃：一类具有两个及两个以上苯环结构以线状、角状 或簇状方式排列的碳氢化合物 稠环型多环芳烃：相邻苯环至少有两个共用的碳原子 萘、蒽、菲、芘等 非稠环型多环芳烃：相邻苯环之间以一个碳原子方式相连 联苯、三联苯等
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-biodegradation mechanism
奈的降解
恶臭假单胞菌Pseudomonas putida G7 83 kb的NAH7质粒： Nah1：位于质粒上游，编码降解 奈至水杨酸所需酶：ABC DEF Nah2：位于质粒下游，编码降解 水杨至酸丙酮酸、乙醛和 二氧化碳酶：GHIJKLM nahR：位于质粒上下游之间，编 码的蛋白用于调控nah1与 nah2的表达
DNA损伤
PAHs代谢产物的氧自由基攻击 氧化损伤： DNA生物 大分子，造成DNA的氧 化。 随着分子生物学技术的不断发展,更为可靠灵敏的方法被用 于检测PAH-DNA加合物。PAHs-DNA加合物是一种有效的生物标志 物, 与环境暴露多环芳烃化合物有着密切相关。
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-biomarker 二、通过细胞色素P450酶系变化来标志PAHs影响情况
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
致癌效应及其机理
K区理论：
PAHs致癌活性中存在K区和L区，K 区越活泼, L区越不活泼, 则致癌性越强。 代谢产物存在湾区环氧化物,易形成稳定的苄基 碳鎓离子结构，即碳正离子亲电试剂进而进攻 DNA分子等亲核试剂。 致癌性能的必要和充分的结构是存在着两个活 性区域，两个亲电碳原子的最优致癌距离与 DNA 双螺旋股间负性中心的距离相接近。
细胞色素P450酶系是生物体代谢外来异物的主要加氧酶。大部分多环芳烃 对细胞色素P4501A2和1B1有抑制作用, 而P4501A1、1A 2和1B1是代谢多环芳 烃的主要作用酶。 CYP1A1是CYP450超家族的一员, 它主要存在于胎盘中, 呈诱导性表达。胎 盘中的CYPIA 1能将具有潜在毒性、致癌性、致突变性的外源性物质如多环芳烃 氧化成活性产物, 导致组织细胞发生突变、癌变。在正常情况下, CYPIA l在胎盘 中的含量和活性极低，但在暴露于多环芳烃类似物的环境下，会激活胎盘细胞中 的芳烃受体结合, 可使CYP1A1的表达水平大大提高 P450是生物体内一类重要的酶系，在指示外来物质对生物体的影响评价上具 有重要的地位，具有很大的潜能。但是其作为生物标记物也存在很大的缺陷。P450 很容易受到其他环境因素的干扰，使得结果的可靠性降低；同时由于实验条件的差 异、实验方法的不同，P450酶系的纯度等会对试验结果产生一定干扰, 从而使得试 验结果间的可比性差。
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-biomarker 三、通过检测尿液中1-羟基芘变化来标志PAHs影响情况
1-羟基芘是芘在生物体内的代谢产物，因芘是PAHs的一个主要成分， 其进入生物体的途径和其他PAHs相同，检测生物体尿液中1-羟基芘的浓度 可以特异性的反应生物接触PAHs的情况。尿中1-羟基芘与人体接触PAHs剂 量有明显的剂量-效应关系，与空气中芘和苯并(a)芘呈良好的正相关，因 此可利用其作为多环芳烃的生物监测指。 Jongeneelen于1985提出用1-羟基芘作为人体暴露PAHs 环境下的生物标 志物，近年来这方面的研究更多。段小丽等采集并分析了100名不吸烟成人 24h呼吸的空气样品和尿液样品,建立了人尿中1-羟基芘(1-OH-Py)浓度与苯并 (a)芘(BaP)、芘(Py)等14种多环芳烃(PAHs)呼吸暴露浓度的定量关系。
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
物理化学特性 生态毒理效应 生物标记物 微生物降解机制
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
致癌效应及其机理
多环芳烃是一类致癌性极强的污染物，常以苯并α 芘为其致癌性代表。 多环芳烃对人体和动物的中枢神经、血液作用很强，尤其是带烷基侧链的 PAHs对粘膜的刺激性及麻醉性极强。 大气中的多环芳烃主要是以气体和附着于颗粒物表面的形式存在，易经 呼吸道而进入人体，而对人体产生各种危害。 肺是多环芳烃的主要作用靶器官。在世界范围内，肺癌仍然是导致死亡 的主要原因之一。多环芳烃也可以诱导其他多种癌症，长期接触PAHs，可诱 导皮肤癌、白血病、膀胱癌等。长期食用烟熏食品，可诱发胃和食道癌变， 长期处于烟弥漫的环境，可诱发鼻咽癌。
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
物理性质
多环芳烃大都是无色或淡黄色的结晶, 个别颜色较深,易溶于苯类芳 香溶剂中；迄今已发现的PAHs约200多种，大多数蒸汽压低，疏水性强， 辛醇-水分配系数高。 大气中多环芳烃主要以气、固两种形式存在，分子量小的2-3环PAHs主 要以气态形式存在，4环PAHs在气态、颗粒态中的分配基本相同，5-7环的 大分子量PAHs则绝大部分以颗粒态形式存在。水体中的多环芳烃可呈三种 状态：吸附在悬浮性固体上、溶解于水、呈乳化状态。
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
物理化学特性
生态毒理效应
生物标记物 微生物降解机制
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-biomarker 一、通过DNA的损伤来标志PAHs影响情况 共价结合：PAHs中间活性代谢产物与DNA 共 价结合形成PAHs-DNA复合物。
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
多环芳烃的光致毒效应
光致毒路径
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
多环芳烃的光致毒效应
自由基消除路径
ห้องสมุดไป่ตู้
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
致癌效应及其机理
所产生的两个空间异构体1和2，是苯并α芘致毒的关键所在，其 中1中的7位上的羟基容易和环氧上的氧原子形成氢键，使水分子易进 攻10位碳原子，进而使其寿命进一步减短，与染色体DNA相互作用的 机会减少，因而异构体2比1更具有致癌性。
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Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
物理化学特性 微生物降解机制 生物标记物
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微生物降解机制
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-biodegradation mechanism
微生物降解机制
微生物具有较强的分解代谢能力以及品种多样化和较高的代谢速率，许多 细菌、真菌、藻类具有降解多环芳烃的能力。微生物降解多环芳烃一般采用以 多环芳烃为唯一的碳源、能源和将多环芳烃与其它有机质进行共代谢这两种方 式。对于土壤中低分子量的3环以下的多环芳烃类化合物，微生物一般采用第1 种代谢方式；对于土壤中4环或多环的多环芳烃一般采用共代谢的方式。 PAH s降解过程实际上是一系列酶促反应过程, 微生物降解PAH s依赖于酶 的活性。真菌产生单加氧酶, 细菌产生双加氧酶。在目前大部分研究的苯环降 解途径是芳香环通过羟基化后经过环的开裂再进一步代谢。在这一降解途径中 存在两个重要的酶，一个是细菌所产生的双加氧酶，催化氧对苯环的进攻，另 一个是邻苯二酚双加氧酶，催化苯环的彻底裂解，生成三羧酸循环中间物。
但多环芳烃属于间接性的致癌物质，进入人体后需经生物体的Ⅰ相进代 谢活化，由混合功能氧化酶催化为毒性更高的代谢中间产物或氧自由基才能 表现出相应的致癌活性。
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
致癌效应及其机理
Bap进入人体后，一部分以原型随粪便排出体外，一部分经肝、肺细胞 线粒体中的混合功能氧化酶激活而部分转化为羟基化合物或醌类者，是一种 解毒反应；转化为环氧化物者特别是转化成7，8-环氧化物，则是一种活化反 应。
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons
化学性质
大多数多环芳烃能够形成遍布整个分子的共轭体系，以降低体系 能量，因而大多数多环芳烃的溶液具有荧光性，大多数多环芳烃在自 然界物理化学性质极其稳定，不易降解，为典型的持久性有机污染物， 具有致癌、致畸、致突变的效应。 多环芳烃发生反应时，与苯环相似，趋向保留它们的共扼环状系， 一般多通过亲电取代反应形成衍生物并代谢为最终致癌物的活泼形式。
致 癌 机 理
湾区理论：
双区理论：
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons-ecotoxicological effects
致癌效应及其机理
湾区理论：
Ⅰ相代谢产物7，8-二羟基-9，10环氧 苯并( a)芘中，以其饱和的苯环为一侧, 并 以与饱和苯环相对的另一苯环为另一侧, 就 构成了一个形如海湾的区域 ，此湾区有助于 10碳形成碳正离子，进而进攻DNA大分子。