苯并芘的毒性作用及作用机理的研究

苯并芘的毒性作用及作用机理的研究摘要：综述了国内外苯并芘的研究进展，介绍了苯并芘的来源、性质，阐述了苯并芘的检测方法及毒害作用，还有苯并芘毒性作用机理。从苯并芘对人类的健康，尤其是在人们接触最多的食物方面，提出了防止苯并芘的污染的措施。关键词：苯并芘，致癌，多环芳烃，检测方法，作用机理癌症是当前最引人关注的疾病之一。其诱因可分为内因与外因，而外因(即环境因子)所占比例尤为重大，有人估计所有癌症中有75%～90%系环境因子所致。而在各种环境因子中化学致癌物又占了大多数，其中常见的有多环芳烃(PAHs)、亚硝胺、霉菌素等。在总数达1000多种的致癌物中，PAHs占了1/3以上，其中致癌性最强，分布最广，为人们研究最多的1种多环芳烃当属苯并〔a〕芘(BaP)[1,2]。1苯并芘的主要来源1.1食物中的来源苯并芘离人类生活并不遥远，常在高温、长时间烹调的食物中产生。新鲜油脂不含多环芳烃，但长时间油炸后含量会迅猛上升。碳火烤肉、熏制鱼肉中苯并芘含量非常高，炒菜锅过火的高温也会促进其产生[3]。目前，我国对常见食物中苯并芘的限量标准为：肉制品、粮食的食品卫生标准为5微克/千克以下，植物油为10微克/千克以下，熏烤动物性食品为5微克/千克以下。但在实际生活中，烹烤肉制品时苯并芘的含量却经常超过这个标准。早在1964年，《科学》杂志上就报道了炭火烤牛排中的多环芳烃，其中苯并芘的含量为8微克/千克。不光是牛排，北京烤鸭也难以和苯并芘撇开关系[4]。2011年4月，《食品化学》杂志刊登了一篇关于北京烤鸭的论文，论文测定了挂炉烤鸭、电热制作的烤鸭以及闷炉烤鸭三种方法制作的烤鸭中苯并芘的含量。结果发现，用挂炉方式烤出的烤鸭，其表皮中苯并芘的含量达8.7微克/千克，瘦肉中苯并芘的含量低于1微克/千克，而用其他两种方式制作的烤鸭表皮和瘦肉中苯并芘含量均低于1微克/千克。1.2空气中的来源苯并芘也是一种空气污染物，它就存在于我们呼吸的空气中。工业活动中煤炭、石油等的不完全燃烧会产生多环芳烃苯并芘，并排入大气，进而沉积在植物的叶片表面或者沉积在土壤中被植物根系吸收代谢，最后聚积在植物内，包括我们吃的蔬菜和粮食[5]。2009年东莞市环境保护监测站等单位对从本市选取的蔬菜样品中的16种多环芳烃进行了分析，结果表明东莞市蔬菜中16种多环芳烃的平均含量达656.3微克/千克(植物体内多环芳烃背景值一般为10～20微克/千克)，其中苯并芘的平均含量高达7.20微克/千克。目前，我国对苯并芘的限量标准为：空气质量(室内外)日平均浓度0.01微克/立方米以下。2002年，对北京市不同地区在不同季节大气中16种多环芳烃进行了探讨，选取的地点包括石景山、前门、农展馆、十三陵等地区。结果发现在一年中，冬季有机污染物浓度大约为春季或夏季的10倍左右，夏季有机污染程度最低；冬季大气中多环芳烃苯并芘均超过国家标准，其中，农展馆地区超标2.5倍，前门地区超标5倍，石景山地区超标7.5倍。这些有机污染物主要来源于煤的不完全燃烧，也有相当部分来源于汽车尾气排放。除了空气，一些有机物，如石墨、沥青、石蜡油等也可能含有苯并芘，这也会使我们的食物受到污染[6]。比如，一些食品包装中可能会含有石墨、石蜡油，这些物质会污染食品；我国一些地方的农民将粮食、油料作物晒在用煤焦沥青铺的马路上，沥青中的苯并芘物质就可能附着在粮食上。2苯并芘的性质及种类2.1理化性质苯并芘[benzopyrene,简称B(a)P]，是一种由5个苯环构成的多环芳烃，其分子式为C20H12，分子量为252130，常温下为无色至淡黄色针状晶体(纯品)，性质稳定，沸点310～312℃，熔点178℃，不溶于水，微溶于乙醇、甲醇，溶于苯、甲苯、二甲苯、氯仿、乙醚、丙酮等有机溶剂中。日光和荧光都使其发生光氧化作用，臭氧也可使其氧化。2.2生化性质BaP进入机体后，除少部分以原形随粪便排出体外，其余大部分经肝、肺细胞微粒体中的混合功能氧化酶激活而转化为数十种代谢产物，其中转化为羟基化合物或醌类化合物是解毒反应；而转化为环氧化物者，特别是转化成7，8-环氧化物，再代谢转化产生7，8-二氢二羟基-9，10-环氧化苯并（a）芘（benzo[a]pyrene-trans-7，8-diol-9，10-epo-xide，BPDE）。在BaP代谢转化过程中及其产生的最终产物通过不同作用方式与途径对人体健康产生不利影响。2.3常见种类主要有1，2-苯并芘、3，4-苯并芘、4，5-苯并芘等十多种多环芳香烃。其中1，2-苯并芘最初由煤焦油中分离出来，为深黄色晶体，熔点179～179.13℃。煤、石油、褐煤、页岩等燃烧或蒸馏时，都能产生1，2-苯并芘，被煤烟污染的空气和吸烟产生的烟雾中也可以检查出1，2-苯并芘1，2-苯并芘有强烈的致癌作用。3，4-苯并芘是由5个苯环构成的多环芳烃，是1993年第一次由沥青中分离出来的一种致癌烃。环境中3，4-苯并芘主要来源于工业生产和生活中煤炭、石油和天然气燃烧产生的废气，机动车辆排出的废气，加工橡胶、熏制食品以及纸烟与烟草的烟气等。大气中致癌物质有3，4-苯并芘、二苯并芘等十多种多环芳香烃。由于3，4-苯并芘较为稳定，在环境中广泛存在，并与其他多环芳烃化合物的含量有一定相关性，而且它对多种动物器官都有致癌作用。所以，都把3，4-苯并芘作为大气致癌物质的代表。随着城市大气污染的增加，呼吸道癌症发病率、肺癌死亡率显著增加。3，4-苯并芘是一种很强的环境致癌物，可诱发皮肤、肺和消化道癌症，是环境污染主要监测项目之一。4，5-苯并芘是1，2-苯并芘的同分异构体，没有致癌作用。3苯并芘的检测方法由于苯并芘来源广泛，其危害性又比较大，目前，国内外关于苯并芘的检测方法多种多样，但其主要采用荧光分析法、高效液相色谱法、联用技术及免疫学检测法等，以下是对常用检测方法的分析介绍。3.1荧光分析法该方法具有检测限低、灵敏度高、选择性好等优点，常用于痕量分析，是目前国际上公认的比较准确的方法。GB/T5750.8－2006[7]规定用纸层析－荧光分光光度法测定生活饮用水及其水源水中苯并芘，先将样品用有机溶液或皂化提取，再液－液分配或色谱净化，然后在乙酰化滤纸上分离苯并芘，由于其在紫外灯照射下呈现紫色荧光，将分离后有苯并芘的滤纸剪下，使用溶剂浸泡，最后用荧光分光光度计测荧光强度与标准比较定量。该法的最低检测质量为0.07ng，若取500mL水样测定，该法最低检测质量浓度为1.4ng/L。Garcia－Falcon等[8]利用二阶导数－同步荧光法检测高脂肪食品中的苯并芘，当回收率为85%～95%时，该方法的检出限为0.05μg/kg。相比国标规定的方法，同步荧光技术能克服散射光干扰、改善光谱重叠，对图谱进行导数处理也能很好地消除背景干扰和组分间峰的重叠，这些技术使荧光分析法得到了更好的应用。3.2高效液相色谱法高效液相色谱法是目前应用范围最广的色谱分析法，首先选取合适的液体作为流动相，采用高压输液系统，将流动相泵入装有固定相的色谱柱，在柱内各成分被分离，再进入检测器进行检测，从而实现对试样的分析[9]。杨琳等[10]采用高效液相色谱法测定植物油中的苯并芘，用乙腈饱和正己烷除去植物油中大部分油脂，再用正己烷饱和乙腈数次提取苯并芘，采用AgilentC18色谱柱，流动相为乙腈∶水(90∶10)，流速为1.0mL/min，柱温为35℃，进样量为10μL，激发波长为384nm，发射波长为406nm，用外标法峰面积定量，在4.0～80.0ng/mL浓度范围内峰面积与浓度线性关系良好，当回收率为92.7%～98.2%时，最低检测限为2μg/kg。目前，我国检测动植物油中苯并芘主要采用GB/T22509－2008(3)[11]中规定的反相高效液相色谱法，但该法存在操作繁琐、回收率不稳定、对试剂和人员要求较高等问题，而本法主要通过对样品前处理进行研究和比较，确立前处理条件，运用高效液相色谱分离，利用荧光检测器进行检测，建立一种便捷、准确的检测植物油中苯并芘含量的方法。3.3气质联用气相色谱(Gaschromatography，GC)具有极强的分离能力，而质谱(MassSpectrometry，MS)具有极高的灵敏性，对未知物有独特的定性能力，将GC和MS通过接口连接起来，彼此扬长避短，GC将混合物分离成单组分后再进入MS进行分析检测，从而能够快速简便的实现对复杂化合物的分离和检测[12]。赵乐等[13]用气质联用法测定卷烟侧流烟气中苯并芘，该法使用配有鱼尾罩的侧流吸烟机抽吸卷烟，以甲醇洗脱附着的苯并芘，再在N2保护下加热洗脱液至80℃挥发净其中的甲醇，然后加入捕集了侧流烟气总粒相物的玻璃纤维滤片，采用环己烷超声萃取苯并芘，萃取液苯并芘浓度采用气质联用仪测定，当回收率为96.58%～103.32%时，检测限为1.64ng/cig，精确度为2.97%，相比GB/T21130－2007[14]规定采用气质联用仪定量测定卷烟烟气总粒相物中苯并芘的含量，该法简化了样品的前处理，省略了净化、浓缩等步骤，同时保证了较高的精确度和灵敏度，缩短了实验时间。3.4酶联免疫吸附法ELISA检测法是免疫学检测的重要方法，其原理是将抗原或抗体吸附在固相载体的表面，再将其与酶标记的二抗结合，根据加入底物的颜色反应来判定实验结果[15]。邓安平[16]通过对苯并芘的6、7和10位进行五种不同的化学修饰，使其末端带有活性基团羧基，再分别与牛血清白蛋白偶联，偶合物作为免疫原对BALB/c小鼠进行免疫，将接受免疫的小鼠的脾细胞与肿瘤细胞融合，融合细胞在培养液中培养，用间接ELISA对培养液中的抗体进行筛选和质量鉴定，共筛选出14种与苯并芘有特异性反应的单克隆抗体，再经单克隆抗体的筛选和实验条件的优化，建立了灵敏度高和选择性好的测定苯并芘的ELISA分析法，实现了对苯并芘的快速检测。3.5其它方法除上述方法外，还有一些检测苯并芘的其他方法，如肖海波[17]研究利用新型核壳纳米粒子作为表面增强拉曼光谱(SERS)基底检测苯并芘，是一种适用于现场的快速检测技术，通过制备简便、高灵敏度的新型SERS基底，实现了苯并芘等有毒有害物质在低浓度时的不定性以及半定量检测，此方法可以检测出的最低浓度达到10－8mol/L。还有报道称研发出了国内首台苯并芘在线检测仪，填补了国内外技术空白，达到了苯并芘检测技术的新高峰[18]。不同的检测方法各有其优缺点，以上的方法都具备较高的灵敏度，但荧光法分析复杂混合物时易出现光谱重叠、难以分辨的问题，同步荧光、倒数荧光虽然可提高分辨率，但能分辨的个数也很有限；气质联用法能够准确的鉴别复杂未知物，但其对所分析物质的操作温度有较高的要求；高效液相色谱法对高沸点、大分子、强极性、热稳定性化合物的分离分析效果尤为显著，但其分析时间长且浪费试剂；ELISA检测法和SEＲS基底检测均属于快速检测，且用样少，但SEＲS基底检测时易受光学系统参数等因素的影响，产生误差，而ELISA检测特异性很高，且易于自动化操作，非常适合推广应用。4苯并芘的危害B(a)P对人的健康有巨大危害，它主要是通过食物或饮水进入机体，在肠道被吸收，进入血后很快分布于全身。乳腺和脂肪组织可蓄积B(a)P。B(a)P对眼睛、皮肤有刺激作用，是致癌物和诱变剂，有胚胎毒性。动物实验发现，经口摄入B(a)P可通过胎盘进入胎仔体内，引起毒性及致癌作用。B(a)P主要经过肝脏、胆道从粪便排出体外[19]。4.1致癌性目前已经检查出的400多种主要致癌物中，一半以上是属于多环芳烃类化合物。其中，苯并芘是一种强致癌物，它不仅是多环芳烃类中毒性最大的一种(其毒性超过黄曲霉毒素)，而且也是所占比例较大的一种，约占全部环境中致癌多环芳烃类化合物的20%。研究证实，B(a)P在整个代谢过程中产生的多数中间产物无致癌性，仅有少数能转化成终致癌物。B(a)P为前致癌物，在体内经代谢转化后可转化为终致癌物。根据哺乳动物的诱癌实验，对小鼠皮肤涂抹或皮下注射多环芳香烃，通常只是在给药部位局部引起肿瘤。1933年，英国学者从煤焦油中分离出苯并芘