黃藝：新型土壤污染物——環(huán)烷酸類物質污染狀況以及環(huán)境危害
全球石油需求量的不斷增長促使石油工業(yè)飛速發(fā)展，隨之而來的則是全球石油污染的不斷加劇，以及石油開采區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境的嚴重破壞。大量的石油在勘探、開采、運輸和加工過程中發(fā)生泄漏，包含了烷烴類、芳烴類、揮發(fā)性有機污染物、極性物質和重金屬等對環(huán)境具有極大危害的污染物進入到環(huán)境中，使石油污染成為全球性環(huán)境問題。
在眾多石油污染物中，多環(huán)芳烴(polycyclicaromatichydrocarbons，PAHs)因具有致癌、致畸和致突變的“三致”效應，以及內分泌干擾效應，獲得了研究者、管理者和公眾的廣泛關注。隨著環(huán)境研究和分析技術水平的提升，發(fā)現石油污染物中導致嚴重生態(tài)毒性及人體健康危害的污染成分遠不只多環(huán)芳烴類物質。根據我們的最新研究，環(huán)烷酸類物質(naphthenicacids，NAs)就具有極大的生態(tài)毒性(Wangetal.,2015a;2015b;2015c)。
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圖1環(huán)烷酸類物質分子結構示意圖
環(huán)烷酸類物質是一種環(huán)烷基直鏈羧酸，其分子結構中一般含有一個或多個飽和環(huán)，可用通用分子式CnH2n+ZO2來表示(圖1)。環(huán)烷酸類物質化學性質穩(wěn)定，具有低揮發(fā)性，其穩(wěn)定性和不揮發(fā)性隨分子量增大而增強。環(huán)烷酸類物質分子結構中同時存在烷基憎水基團和羧基親水基團，因而具有表面活性劑的特性。由于其結構中羧基的存在，環(huán)烷酸類物質可溶于中性或堿性的水體中，在酸性環(huán)境中為非水溶性物質，可能具有生物積累和放大效應。
環(huán)烷酸類物質在我國土壤環(huán)境中的污染水平
環(huán)烷酸類物質是石油中的的自然成分，其在石油中所占比例約為2%。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，大量的環(huán)烷酸類物質伴隨石油工業(yè)廢水排放進入到地表水和地下水中(Rossetal.,2012)。北京大學黃藝老師課題組在研究我國主要產油區(qū)石油污染土壤時發(fā)現，污染土壤中環(huán)烷酸類物質的濃度為2.29-132.91mg/kg，其濃度水平是相同采樣點的多環(huán)芳烴類物質的10倍多(圖2)。
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圖2主要產油區(qū)土壤中多環(huán)芳烴和環(huán)烷酸類物質相對濃度
環(huán)烷酸類物質生態(tài)毒性
土壤中環(huán)烷酸類物質具有很強的生態(tài)毒性效應。根據黃藝課題組的研究，蚯蚓暴露在較高濃度的環(huán)烷酸環(huán)境時，會引起回避行為和出血等癥狀。暴露時間過長時，會導致蚯蚓直接死亡(圖3)。
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圖3蚯蚓急性損傷圖
環(huán)烷酸類物質除可造成急性致死毒性外，低濃度長時間暴露(與現實環(huán)境相似)也會對生物產生多種健康危害，包括發(fā)育毒性、免疫毒性、器官損傷等。根據黃藝課題組的研究，環(huán)烷酸類物質能夠誘導蚯蚓體內產生過量活性氧自由基(ROS)，影響蚯蚓體內抗氧化酶系統(tǒng)和谷胱甘肽系統(tǒng)的正常運行，造成蚯蚓脂質過氧化，并造成DNA斷裂(圖4)。
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圖4環(huán)烷酸類物質產生的氧化損傷
該課題組在對環(huán)烷酸類物質結構特征進行研究時發(fā)現，含芳香環(huán)的環(huán)烷酸類物質的分子結構與環(huán)境雌激素的分子結構非常相似，進一步利用重組酵母細胞研究其雌激素受體結合的特征時發(fā)現，環(huán)烷酸能選擇性的與雌激素受體結合，是一種雌激素受體激動劑，且具有一定抗雄激素作用，是一種弱雄激素受體拮抗劑;課題組利用人體腎上腺皮脂瘤細胞系研究環(huán)烷酸類物質對類固醇激素合成的影響時發(fā)現，環(huán)烷酸類物質能夠影響類固醇激素合成過程中關鍵酶的基因表達，從而使雌二醇的合成量增加，降低睪酮的合成，證明了其雌激素特性。進一步使用斑馬魚胚胎作為受試對象，發(fā)現環(huán)烷酸類物質能夠使斑馬魚幼體產生脊柱畸形等發(fā)育畸變(圖5)，并通過測定受試斑馬魚幼體中雌激素受體基因、卵黃蛋白源基因等內分泌相關基因的表達水平，進一步證明環(huán)烷酸類物質具有內分泌干擾活性。
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圖5.環(huán)烷酸類物質誘導斑馬魚幼體產生發(fā)育畸形
目前我國對于土壤石油污染的研究雖然不少，但對于這種來自于石油污染的新型污染物的關注并不多。作為在污染土壤中濃度比多環(huán)芳烴濃度高10倍，具有高生態(tài)毒性效應的污染物，環(huán)烷酸類物質并沒有進入國家的土壤污染控制清單。在當前石油依然是主要能源物質，環(huán)境中石油污染物還會不斷積累的情況下，需要加強環(huán)烷酸類物質的研究，對于該污染物在環(huán)境中的遷移轉化特征、環(huán)境基準和標準、人體健康影響等問題，進行系統(tǒng)深入的研究，為國家土壤污染控制的管理策略，提供科學依據。
作者介紹：
1983年本科畢業(yè)于中南林科大學后，1992年至1997年先后在英國和德國學習獲得碩士和博士學位。1998年至今，先后在北京大學城市與環(huán)境學院以及環(huán)境科學與工程學院，從事科研和教學工作。獲得國家重大水專項、環(huán)保部公益項目、國家自然科學基金以及國家科技部863、973項目的支持，從事環(huán)境生態(tài)學和環(huán)境生物技術領域的研究工作，已在SCI收錄雜志上發(fā)表論文20余篇，國內核心刊物上發(fā)表論文70余篇。同時，作為聯合國環(huán)境署《全球環(huán)境展望》和國家環(huán)保部《生物多樣性公約》的核心專家，參與國際環(huán)境公約談判和國家履約行動的技術支持。
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