類固醇雌激素在土壤-植物體系中的遷移轉(zhuǎn)化及其毒理效應(yīng)

陳興財(cái),張豐松,李艷霞,*,姜曉滿,張雪蓮,胡柏楊,童 心,徐 凱

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院,水環(huán)境模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所, 北京 100101 3 北京市土肥工作站, 北京 100029

類固醇雌激素(steroidal estrogens, SEs)主要是由人或動(dòng)物卵巢細(xì)胞等產(chǎn)生的激素類物質(zhì),當(dāng)SEs作為外源性雌激素進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后,可模擬細(xì)胞內(nèi)源性激素作用或是改變其活性,從而影響人和動(dòng)物性分化以及體內(nèi)正常代謝功能,干擾生物正常的生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖等功能,甚至產(chǎn)生致死、致癌和致畸形等作用,具有典型的內(nèi)分泌干擾作用[1]。研究表明,SEs在極低的濃度水平(如1 ng/L)下就會(huì)對(duì)生物體造成危害,對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響特別是對(duì)人和動(dòng)物的生長(zhǎng)、發(fā)育以及種群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有著不可忽視的威脅[2- 3]。

隨著SEs在各種環(huán)境介質(zhì)中被不斷檢出,以及對(duì)SEs的生態(tài)環(huán)境危害認(rèn)識(shí)的深入,其在動(dòng)物體內(nèi)的累積和生物效應(yīng)已被廣泛研究。相比較而言,SEs在植物體內(nèi)遷移、轉(zhuǎn)化及其生物學(xué)效應(yīng)的研究較少。但近年來(lái)逐漸有研究證實(shí)[4- 5],植物體內(nèi)也有SEs的吸收和殘留,尤其是在市售產(chǎn)品中的檢出更是將其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)明朗化。Lu等[4]研究小組在美國(guó)佛羅里達(dá)市場(chǎng)隨機(jī)采購(gòu)了8種水果和蔬菜,其中6種水果和蔬菜均檢出了SEs,濃度水平達(dá)到1.3—2.2 μg/kg。依據(jù)食品添加劑聯(lián)合專家委員會(huì)的推薦值,所檢測(cè)水果和蔬菜中SEs的含量明顯超出了兒童每天可允許攝入量,長(zhǎng)期攝入將對(duì)兒童產(chǎn)生內(nèi)分泌干擾效應(yīng)。盡管Lu的研究沒(méi)有明確所調(diào)查蔬菜和水果中SEs的來(lái)源,但是由此可以推斷,植物吸收了環(huán)境中的SEs,并且在體內(nèi)產(chǎn)生累積。當(dāng)植物體內(nèi)的SEs通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體后,無(wú)疑會(huì)對(duì)人體健康、生長(zhǎng)發(fā)育造成嚴(yán)重的威脅。因此,SEs的植物體吸收累積及其相關(guān)影響機(jī)制值得關(guān)注并引起重視。許多研究還表明,進(jìn)入植物體內(nèi)的SEs還會(huì)干擾植物體內(nèi)激素的合成及轉(zhuǎn)化,從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[6- 8]。SEs對(duì)植物生長(zhǎng),尤其是農(nóng)田作物生長(zhǎng)的影響,不僅會(huì)直接影響作物對(duì)SEs的吸收累積效應(yīng),還會(huì)間接影響農(nóng)作物的收成,從而影響農(nóng)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)收益。因此,研究SEs在土壤-植物體系中的遷移轉(zhuǎn)化及其毒理效應(yīng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)SEs在植物體內(nèi)具有檢出殘留的現(xiàn)狀問(wèn)題,綜述了植物對(duì)SEs的吸收累積、遷移轉(zhuǎn)化、代謝降解過(guò)程,分析了影響這些過(guò)程發(fā)生的主要因素,并且綜述了SEs對(duì)不同植物生長(zhǎng)發(fā)育影響及受SEs脅迫下植物抗氧化機(jī)制的變化。在此基礎(chǔ)上對(duì)未來(lái)研究進(jìn)行了展望,以期為充分認(rèn)識(shí)SEs向植物體的遷移累積過(guò)程及因此帶來(lái)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 土壤-植物體系中SEs的遷移轉(zhuǎn)化特征

1.1 植物對(duì)SEs的吸收累積和遷移

SEs主要包括天然類固醇激素和人工合成類固醇激素。其中,天然雌激素包括雌酮(E1)、17α-雌二醇(17α-E2)、17β-雌二醇(17β-E2)及雌三醇(E3),人工合成類固醇激素主要有17α-乙炔雌二醇(EE2)和炔雌醇醚(MeEE2)等,表1為以上幾種雌激素的理化性質(zhì)[9- 11],可以看出,SEs為一類難溶于水、不易揮發(fā)并且親脂性較強(qiáng)的有機(jī)物。與SEs性質(zhì)相近的有機(jī)污染物,如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯等的相關(guān)研究早已表明,植物的吸收、累積及代謝在污染物的環(huán)境行為中具有重要影響作用[12]。近年來(lái),植物在SEs環(huán)境行為中的作用也逐漸被證實(shí)。Card等[13]將玉米幼苗培養(yǎng)在含有17β-E2、E1及兩種合成激素的溶液中發(fā)現(xiàn),22天后溶液中相應(yīng)激素的濃度下降,而在玉米的根部有對(duì)應(yīng)激素的檢出,其中17β-E2濃度達(dá)到0.19 μmol/L。蘿卜的水培實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),其體內(nèi)有相應(yīng)17β-E2的檢出,并且當(dāng)培養(yǎng)液17β-E2濃度由10 μg/L增加至100 μg/L時(shí),檢出濃度會(huì)隨之增加[14]。另外,種植在施用污水污泥土壤中的小麥體內(nèi)檢出了EE2,并且其濃度亦隨著污泥中EE2濃度的增加而增加[15]。以上研究說(shuō)明,無(wú)論是土壤還是水溶液中的SEs均會(huì)被植物所吸收,且具有一定的濃度效應(yīng)。同時(shí)也說(shuō)明,植物在SEs的環(huán)境歸趨中具有重要作用,可能是環(huán)境SEs的重要“匯”之一,進(jìn)而成為SEs流向生物體的重要“源”。因此,植物對(duì)SEs累積所導(dǎo)致的健康風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)引起足夠的關(guān)注。

表1 幾種典型SEs的物化特性[9- 11]

植物對(duì)污染物的吸收主要通過(guò)其根系組織進(jìn)行。植物吸收土壤中有機(jī)污染物可分為兩個(gè)過(guò)程,第一個(gè)過(guò)程是有機(jī)污染物從土壤中解吸進(jìn)入到土壤溶液中,之后通過(guò)在溶液中擴(kuò)散與植物根系接觸,進(jìn)而吸附于根系表面；第二個(gè)過(guò)程是附著于根系表面的有機(jī)污染物通過(guò)質(zhì)外體或者共質(zhì)體途徑,依次經(jīng)過(guò)表皮、皮層、內(nèi)皮層和維管組織到達(dá)根系內(nèi)部組織中[16- 17]。SEs被植物根系吸收后,會(huì)向植物的其他部分繼續(xù)傳輸和轉(zhuǎn)運(yùn)。Adeel等[6]通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)研究生菜對(duì)17β-E2和EE2的吸收轉(zhuǎn)運(yùn),在生菜根部和地上部分均有目標(biāo)SEs的檢出。多個(gè)室內(nèi)栽培實(shí)驗(yàn)研究也在其他植物,如玉米、小麥、蘿卜等的根部和葉部中同時(shí)檢測(cè)到不同程度的目標(biāo)SEs[13- 15]。SEs是一類不易揮發(fā)的有機(jī)化合物,以氣態(tài)的形式被地上部分所吸收的可能性較小,因此,地上部分中的SEs應(yīng)主要由植物根部吸收后傳輸而來(lái)。另外,植物種類不同SEs在植物體的遷移累積會(huì)有所差異。Zheng等[18]向培養(yǎng)溶液同時(shí)添加E1、17β-E2和EE2后,將生菜和番茄置于相同條件下進(jìn)行培養(yǎng),結(jié)果顯示,生菜植株的根部和地上部分可檢出3種SEs,并且根部濃度約為地上部分的兩倍；而番茄只在根部檢測(cè)到3種SEs,其莖部、葉部以及果實(shí)中均檢測(cè)不到任何SEs的存在。說(shuō)明生菜中目標(biāo)SEs的遷移量和根部的累積量比番茄的大,并且吸收的SEs主要累積在蔬菜的根部,但是研究者并未明確SEs在兩種蔬菜中遷移性差異的原因。目前由于此方面的研究較少,相關(guān)機(jī)理仍有待進(jìn)一步的研究。

1.2 植物對(duì)SEs的轉(zhuǎn)化

植物體對(duì)SEs的吸收和其他有機(jī)污染物類似[19],不但有對(duì)母體化合物的吸收累積,同時(shí)也會(huì)對(duì)SEs產(chǎn)生代謝或者降解轉(zhuǎn)化作用。有研究發(fā)現(xiàn),由藻類或浮萍組成人工污水處理系統(tǒng)中,水生植物的存在促使E1和E2之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化[20]。Card等[21]研究也證實(shí),玉米幼苗會(huì)使培養(yǎng)液中的E1和17β-E2相互轉(zhuǎn)化,沒(méi)有玉米幼苗的培養(yǎng)液中原有的E1或17β-E2濃度基本不變。分析認(rèn)為可能是植物酶對(duì)SEs產(chǎn)生了氧化還原作用。另外,該研究通過(guò)玉米共生微生物的提取實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在含微生物的提取液中E1和17β-E2也會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,說(shuō)明SEs的轉(zhuǎn)化還可能與微生物的氧化還原作用相關(guān)。相似的轉(zhuǎn)化作用也可能存在于植物體內(nèi)[6]。研究者將生菜培育在不同濃度的17β-E2營(yíng)養(yǎng)液中,植物體內(nèi)可檢出17β-E2、E1甚至是17α-E2,差異在于高濃度(>2000 μg/L)條件下,生菜根部中可檢測(cè)出17β-E2、E1和17α-E2,而在低濃度(<150 μg/L)條件下,只有17β-E2和E1的檢出,說(shuō)明了植物體內(nèi)SEs的轉(zhuǎn)化還與SEs的濃度相關(guān),但是具體的代謝轉(zhuǎn)化機(jī)制未知。

由此可見(jiàn),植物可引起植物體內(nèi)外的SEs發(fā)生相互轉(zhuǎn)化,可能既涉及植物活動(dòng),又與微生物活動(dòng)相關(guān),甚至還受SEs濃度的影響,但是仍缺乏機(jī)理性的研究及證明。此外,17β-E2的雌激素效應(yīng)相對(duì)值約為E1的40倍,17β-E2向E1的轉(zhuǎn)化可看作是雌激素效應(yīng)鈍化的過(guò)程,反之,則為增強(qiáng)的過(guò)程。因此,在評(píng)價(jià)SEs植物吸收后可能導(dǎo)致的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)時(shí),需要考慮植物體對(duì)SEs相互轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響。

1.3 植物對(duì)SEs的代謝降解

SEs被植物吸收的過(guò)程中還會(huì)發(fā)生降解,目前研究認(rèn)為主要是植物對(duì)SEs的酶解作用。Sakurai等[22]以瓊脂為培養(yǎng)基種植三葉草,瓊脂中E1和17β-E2的濃度會(huì)在1個(gè)月內(nèi)快速下降,而未種植三葉草的瓊脂中E1和17β-E2的濃度幾乎不變。研究認(rèn)為,除了三葉草對(duì)E1和17β-E2的吸收外,植物根系分泌了能夠降解這兩種激素的酶。研究者[23]提取了玉米根、種子、葉中的酶,之后向3種酶提取液中加入E1或17β-E2,17β-E2會(huì)被快速去除,E1可被還原生成17β-E2,進(jìn)一步證實(shí)植物分泌的酶對(duì)雌激素具有降解轉(zhuǎn)化作用。Li等[24]采用相同的提取方法提取蘿卜根部和葉部中的酶,添加17β-E2和E1后也發(fā)現(xiàn),兩種雌激素會(huì)在根部和葉部的酶提取液中發(fā)生降解,并且根部的酶提取液中兩種雌激素的降解速率明顯大于葉部的酶提取液,研究者認(rèn)為這可能與提取酶的種類、數(shù)量以及這些酶在不同蘿卜組織中的代謝活性有關(guān)。以上研究表明,植物中存在能轉(zhuǎn)化和降解SEs的酶,但是由于存在的酶種類較多及作用過(guò)程繁雜,往往導(dǎo)致難以明確起主要作用的酶。然而,也有部分研究已證實(shí)植物辣根分泌的過(guò)氧化物酶能夠去除水中E1、17β-E2、E3及EE2,并已經(jīng)在水污染治理中展開(kāi)應(yīng)用研究[25]。

植物對(duì)SEs的降解與根系周圍微生物類型及其酶的活性相關(guān)。Lloret等[26]發(fā)現(xiàn)嗜熱毀絲菌能分泌降解E1和17β-E2的漆酶,當(dāng)漆酶的初始活性為500 U/L時(shí),E1的去除率可達(dá)95%,17β-E2幾乎被完全降解。Auriol等[27]探究變色栓菌分泌的漆酶對(duì)SEs降解效率實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),漆酶活性為20000 U/L時(shí),濃度分別為0.4 μmol/L的E1、17β-E2、E3和EE2在1 h 內(nèi)會(huì)被完全降解。另外,栓菌屬和血紅密孔菌也能夠分泌降解EE2的漆酶,活性為800 U/L的漆酶8 h內(nèi)能夠降解80%的EE2[28]?？梢?jiàn),多種微生物均能分泌降解SEs的漆酶,并且具有較好的降解效果。由于這些酶的特異性較低,還可同時(shí)降解多種共存的SEs,但是降解效率與酶的活性以及SEs的濃度相關(guān)。目前,許多研究已經(jīng)把酶的催化降解作為處理削減污水中SEs含量以及其他具有內(nèi)分泌干擾作用污染物的重要手段之一,并且獲得了較好處理效果,具有去除效率高、降解速率快、二次污染小等特點(diǎn)[29- 30],具有廣闊的應(yīng)用前景,可為今后降低土壤中SEs污染風(fēng)險(xiǎn)提供思路。

2 土壤-植物體系中SEs遷移轉(zhuǎn)化的影響因素

植物對(duì)土壤有機(jī)污染物的吸收可看作是由土壤、土壤液相、植物有機(jī)組分和植物液相之間一系列局部分配的過(guò)程,這些分配過(guò)程并存且相互影響,最終決定污染物向植物的遷移轉(zhuǎn)化行為。因此,SEs由土壤吸附-解吸至被植物吸收這一過(guò)程可能受土壤類型、SEs性質(zhì)和植物組成等多種因素共同作用。

2.1 SEs自身理化性質(zhì)與其遷移轉(zhuǎn)化的關(guān)系

目前關(guān)于有機(jī)污染物的植物吸收研究已表明,有機(jī)污染物的脂溶性是影響其植物吸收累積程度的重要因素。Briggs等[31]早期研究大麥對(duì)18種不同有機(jī)污染物的吸收能力與污染物脂溶性的關(guān)系時(shí),發(fā)現(xiàn)污染物的生物富集系數(shù)與其lgKow值呈顯著正相關(guān)。Namiki等[32]研究了12種理化性質(zhì)差異較大的有機(jī)化合物在16種植物上的吸收行為,也得到類似結(jié)果,基本上植物吸收土壤中有機(jī)化合物與其lgKow值為正相關(guān)關(guān)系,即化合物的親脂性越強(qiáng),植物對(duì)其的吸收累積程度越大。SEs的植物吸收也有類似的規(guī)律,如生菜對(duì)E1、17β-E2和EE2等脂溶性較強(qiáng)的化合物的吸收累積大于脂溶性較弱的咖啡因,并且3種SEs中脂溶性最大的EE2植物累積量最大[33]。因此,SEs作為一類親脂性較強(qiáng)的化合物不僅容易被植物所吸收,其吸收程度還可能隨疏水性的增強(qiáng)而增大。

SEs脂溶性還會(huì)影響其由根部向地上部分的遷移。有研究指出[17],當(dāng)污染物lgKow>3.5時(shí),過(guò)高的疏水性會(huì)導(dǎo)致污染物難以通過(guò)維管組織發(fā)生遷移,因而污染物更容易在根部發(fā)生累積。土壤施用含有EE2的污水污泥后,其所種植小麥根部EE2含量是葉片中的兩倍[15]。水培實(shí)驗(yàn)中,胡蘿卜幼苗根系中17β-E2的濃度是葉片中的1.1—1.7倍[14]。說(shuō)明了SEs的強(qiáng)疏水性阻礙了其在植物體內(nèi)的遷移。此外,Card等[13]將玉米培養(yǎng)在只含有E1、17β-E2、玉米赤霉醇 (α-ZAL)或玉米赤霉酮 (ZAN)的4種激素的溶液中,玉米根部和葉部中均能檢測(cè)到相應(yīng)激素的存在,但是在玉米葉片中只檢測(cè)出還原態(tài)激素17β-E2和α-ZAL,而還原態(tài)的17β-E2和α-ZAL以及氧化態(tài)的E1和ZAN在根部均被檢出,研究者認(rèn)為氧化態(tài)激素難以遷移到地上部分,或是在葉片部分中只發(fā)生還原反應(yīng)。說(shuō)明,SEs在植物中的遷移也可能與其氧化還原形態(tài)相關(guān)。

理論上,中性態(tài)的有機(jī)污染物比離子態(tài)更容易被植物吸收,這是因?yàn)橹参锝M織細(xì)胞的膜電位為負(fù)電位,會(huì)與離子態(tài)的有機(jī)污染物產(chǎn)生靜電斥力,從而阻礙植物根系對(duì)離子態(tài)的有機(jī)污染物的吸收[33]。因此,SEs的pKa也會(huì)影響其植物的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。研究表明,大多數(shù)類固醇激素的pKa值大于10(表1),一般情況下土壤中SEs以中性分子的形式存在,有利于SEs向植物根系遷移；但是,當(dāng)環(huán)境中pH值大于10時(shí),SEs可能以負(fù)離子形式存在,植物對(duì)其吸收會(huì)受到抑制。

除了親脂性和電荷形態(tài)以外,有機(jī)污染物的分子量大小也可影響植物對(duì)其吸收累積,因?yàn)槲廴疚锓肿恿康拇笮∨c其膜滲透性相關(guān)。研究表明,分子量為200—500 g/mol的化合物通過(guò)細(xì)胞膜會(huì)出現(xiàn)明顯的篩分效應(yīng)[34],即隨著分子量的增大,其膜滲透性會(huì)逐漸下降,當(dāng)化合物分子量大于1000 g/mol時(shí)會(huì)難以透過(guò)細(xì)胞膜[35]。環(huán)境中的SEs具有游離態(tài)和結(jié)合態(tài),二者可相互轉(zhuǎn)化,即游離態(tài)雌激素可通過(guò)與硫酸根或葡萄糖苷酸發(fā)生酯化作用而生成結(jié)合態(tài),結(jié)合態(tài)雌激素則可水解生成自由態(tài)[36]。由于官能團(tuán)的取代,結(jié)合態(tài)雌激素通常比游離態(tài)雌激素具有更大的分子量。因此,當(dāng)環(huán)境中的SEs由游離態(tài)向結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí),可能會(huì)因?yàn)榉肿恿康脑龃蠖档推淠B透性,進(jìn)而減少其向植物的遷移。

2.2 土壤性質(zhì)對(duì)SEs植物吸收的影響

目前,有關(guān)SEs植物吸收累積研究大多基于室內(nèi)水培實(shí)驗(yàn),對(duì)于其在土壤-土壤-植物體系的相關(guān)機(jī)理研究相對(duì)有限。相比于水溶液基質(zhì),土壤體系包含有機(jī)質(zhì)、礦物及各種微生物,會(huì)對(duì)SEs產(chǎn)生吸附、降解、轉(zhuǎn)化等作用,使得SEs向植物的遷移過(guò)程復(fù)雜化。Sakurai等[22]比較了在種植三葉草的不同培養(yǎng)基中E1和E2的耗散速率,結(jié)果顯示,SEs在土壤中殘留時(shí)間大于瓊脂培養(yǎng)基。分析認(rèn)為,可能是土壤對(duì)SEs產(chǎn)生了不可逆的吸附降低了植物對(duì)SEs的吸收,從而降低了SEs的耗散。Card等[23]研究也指出,由于土壤對(duì)SEs的吸附,使得植物在水培實(shí)驗(yàn)中的SEs吸收速率大于自然土壤中的吸收速率,并認(rèn)為前者可代表植物在實(shí)際土壤環(huán)境中對(duì)SEs最大吸收限值。以上研究也進(jìn)一步說(shuō)明,水培實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果不能完全反映SEs在土壤-土壤-植物體系中實(shí)際遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。

土壤中有機(jī)污染物的植物吸收累積程度通常以污染物在植物組織中濃度與其在土壤中濃度的比值,即生物富集系數(shù)(BCF)來(lái)表示,BCF值越大,表明植物組織中污染物的累積量越高。不同類型土壤中,植物對(duì)SEs的BCF一般具有較大差別。現(xiàn)有研究顯示[15],EE2在3種土壤中小麥根系BCF值依次為砂土>壤土>壤砂土,而3種土壤最大的區(qū)別在于有機(jī)質(zhì)含量的不同為壤砂土(4.4%)>壤土(1.8%)>砂土(0%),說(shuō)明植物對(duì)土壤中SEs吸收累積程度與土壤有機(jī)質(zhì)含量相關(guān)。油豆角土培實(shí)驗(yàn)中也得到類似結(jié)論,砂土中EE2的油豆角根系BCF值約為含有機(jī)質(zhì)土壤中的40倍[37]。土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)植物吸收SEs影響主要來(lái)源于其對(duì)SEs的吸附作用,有機(jī)質(zhì)含量越大,吸附作用越強(qiáng),土壤中植物可利用的SEs也就越低。除了有機(jī)質(zhì)含量,土壤礦物組成、類型、粘粒含量及其粒徑大小均會(huì)影響土壤對(duì)SEs的吸附[38- 39],進(jìn)而可能影響植物對(duì)SEs吸收,但目前仍缺乏相關(guān)的機(jī)理性研究及證明。此外,Li等[40]研究包括E1和17β-E2在內(nèi)的15種藥物在土-水-植物體系中的分布特征時(shí),發(fā)現(xiàn)植物對(duì)污染物的吸收不僅受其在土壤固相與液相吸附分配作用的影響,還與污染物的生物降解作用相關(guān),說(shuō)明SEs的植物吸收過(guò)程也受土壤微生物的影響。這是因?yàn)橥寥牢⑸飳?duì)SEs的降解作用會(huì)直接降低土壤SEs的含量,從而減少SEs由土壤向植物遷移。而且,在植物存在條件下,其根系分泌物還可成為土壤微生物的有效碳源[41- 42],促進(jìn)微生物的活性,進(jìn)而會(huì)加速SEs的降解。綜上可知,土壤性質(zhì)對(duì)植物吸收土壤中的SEs具有重要影響,SEs在土壤-植物中遷移轉(zhuǎn)化行為顯得更為復(fù)雜,亟待且有必要開(kāi)展進(jìn)一步的相關(guān)機(jī)理研究。

2.3 植物性質(zhì)對(duì)其吸收累積SEs的影響

植物體主要由水、脂質(zhì)、碳水化合物、蛋白質(zhì)、纖維素等物質(zhì)構(gòu)成,這些物質(zhì)在植物吸收污染物過(guò)程中起著重要作用。Chiou等[43]的研究指出,當(dāng)有機(jī)污染物的lgKow≤1時(shí),根部水分對(duì)植物吸收污染物貢獻(xiàn)為85%；當(dāng)有機(jī)污染物的lgKow=2時(shí),根部水分和脂質(zhì)的作用各占50%；而當(dāng)機(jī)污染物的lgKow≥3時(shí),植物的吸收幾乎來(lái)自于脂質(zhì)對(duì)污染物的分配作用,并且該研究還指出,植物脂質(zhì)含量越高,根系對(duì)污染物的吸收量越大。其他研究也給予了證實(shí),植物脂質(zhì)是植物吸收疏水性有機(jī)污染物的主要作用成分[44]。由表1可知,SEs的lgKow基本大于3,均具有較強(qiáng)的疏水性,因此,植物脂質(zhì)在植物吸收SEs過(guò)程中應(yīng)該起著極為重要的作用。

除了植物脂質(zhì)外,其他組分也可能影響植物對(duì)SEs的吸收。盡管目前SEs在此方面的相關(guān)研究比較有限,但是與其性質(zhì)相近的許多疏水性有機(jī)物已有研究報(bào)道。Li等[45]的研究發(fā)現(xiàn),僅以植物脂質(zhì)預(yù)測(cè)得到的4種疏水性有機(jī)物(林丹、六氯苯、四氯乙烯和三氯乙烯)吸收量要低于實(shí)際吸收量,分析表明這是由于低估植物其他組分貢獻(xiàn)所造成的。Chen等[46]實(shí)驗(yàn)證實(shí)植物中的碳水化合物對(duì)其吸收疏水性有機(jī)物具有重要作用：他們將由小麥細(xì)胞壁分離得到的3種細(xì)胞壁成分分別吸附強(qiáng)疏水性的菲,發(fā)現(xiàn)它們的吸附能力分別與自身的芳香化程度和極性呈明顯的正相關(guān)和負(fù)相關(guān),而通過(guò)表征手段發(fā)現(xiàn)小麥的細(xì)胞壁比根系的其他組分具有更高的芳香化程度和更低的極性,說(shuō)明細(xì)胞壁對(duì)有機(jī)污染物的植物吸收具有重要作用,而細(xì)胞壁的主要成分則為碳水化合物。Zhang等[47]的研究也得到類似結(jié)果,植物的碳水化合物在其吸收多環(huán)芳烴這類疏水性有機(jī)污染物中起主導(dǎo)作用。因此,植物其他組分對(duì)其吸收累積SEs行為的影響也不容忽視,加之不同類型植物之間植物組分含量的差異較大,最終可能導(dǎo)致不同植物對(duì)SEs的吸收產(chǎn)生巨大差異。

3 SEs的植物毒理效應(yīng)

環(huán)境中的SEs不僅會(huì)對(duì)生物體產(chǎn)生干擾效應(yīng),其進(jìn)入植物后也可能會(huì)干擾植物體內(nèi)植物激素的合成和轉(zhuǎn)運(yùn),從而影響植物的發(fā)芽、生長(zhǎng)和酶的活性等。

3.1 SEs對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

Bonner等[48]早在20世紀(jì)初就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)E1可刺激體外豌豆胚胎的生長(zhǎng)。之后的進(jìn)一步研究顯示,SEs還可影響植物種子的萌發(fā)。Bowlin等[49]發(fā)現(xiàn),高濃度17β-E2(10 mg/L)處理組中玉米種子的萌發(fā)時(shí)間比不含17β-E2對(duì)照組的種子萌發(fā)時(shí)間延遲12 h。魏瑞成等[14]探究了不同濃度17β-E2對(duì)蘿卜生長(zhǎng)影響,顯示,高濃度的17β-E2(100 μg/L)對(duì)蘿卜種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率具有抑制作用,但是在低濃度(10 μg/L和50 μg/L)條件下對(duì)種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用。

根系是植物周圍環(huán)境交換和吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所,其生長(zhǎng)狀況可影響植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用,繼而影響植物的生長(zhǎng),因此研究常把植物的根長(zhǎng)和莖長(zhǎng)作為衡量SEs對(duì)植物生長(zhǎng)影響的重要生理指標(biāo)。由表2可知,SEs對(duì)不同植物的生長(zhǎng)具有不同影響。例如Brown等[50]通過(guò)土豆水培實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),與不含SEs的對(duì)照組相比,E1、17β-E2或E3的存在會(huì)抑制土豆根系的生長(zhǎng),并且其抑制作用隨著濃度的增大(0.1 mg/L增加至10 mg/L)而增強(qiáng)。其他研究也發(fā)現(xiàn)SEs的存在會(huì)抑制生菜、玉米、番茄等作物的生長(zhǎng),并且不同SEs在相同處理濃度下對(duì)同一植物的抑制作用并無(wú)明顯差別[6,49,51]。然而,部分研究卻發(fā)現(xiàn)SEs能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。17β-E2濃度為10 μg/L時(shí),可促進(jìn)蘿卜的發(fā)芽和根的生長(zhǎng)[14]；當(dāng)其濃度在10-15—10-4mg/L時(shí),可促進(jìn)鷹嘴豆根系的生長(zhǎng)[53]。另外的研究結(jié)果則表明,SEs對(duì)植物生長(zhǎng)的影響呈劑量效應(yīng)關(guān)系,主要表現(xiàn)為在低濃度的刺激效應(yīng),高濃度下的抑制效應(yīng)。Shore等[54]研究表明,高濃度(50—500 μg/L)的E1和17β-E2會(huì)抑制苜蓿的生長(zhǎng),但是低濃度(0.005—0.5 μg/L)的E1和17β-E2則會(huì)促進(jìn)苜蓿的生長(zhǎng)。Upadhyay和Maier實(shí)驗(yàn)也證實(shí),當(dāng)17β-E2的濃度為10 μmol/L時(shí),會(huì)抑制擬南芥的根系生長(zhǎng)以及降低其地上部分的生物量,但是,當(dāng)17β-E2的濃度小于0.1 μmol/L時(shí),則會(huì)出現(xiàn)相反的結(jié)果[55]。此外,還有少量的研究發(fā)現(xiàn)[23,56],SEs的存在對(duì)植物的生長(zhǎng)并無(wú)影響,這可能是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)施用的SEs濃度過(guò)低,未能達(dá)到植物對(duì)SEs的響應(yīng)濃度范圍。

以上研究表明,SEs對(duì)植物生長(zhǎng)具有復(fù)雜的作用機(jī)制,不同SEs之間對(duì)同一植物生長(zhǎng)的影響差別較小,但是不同植物對(duì)同一SEs則具有不同響應(yīng),其原因可能與植物的SEs耐受性、培養(yǎng)條件(培養(yǎng)時(shí)間、溫度、濕度等)及目標(biāo)SEs添加濃度有關(guān)。另外,即使在相同處理?xiàng)l件下,同一植物不同部位對(duì)同一SEs的濃度響應(yīng)也會(huì)不同[52],這可能是因?yàn)橹参锊煌课恢参锩傅姆N類、活性具有一定差別,從而造成其對(duì)SEs響應(yīng)的不同。同時(shí),也說(shuō)明了SEs對(duì)植物生長(zhǎng)的影響還可能與植物酶的種類及活性相關(guān)。SEs對(duì)植物生長(zhǎng)的影響不僅會(huì)直接影響植物對(duì)其的吸收累積能力,還會(huì)間接影響農(nóng)田作物的經(jīng)濟(jì)效益。但是目前關(guān)于SEs對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響機(jī)制尚無(wú)具體定論,仍需進(jìn)一步的深入研究,以期為保證農(nóng)田作物的安全及經(jīng)濟(jì)效益提供理論依據(jù)。

表2 SEs對(duì)不同植物生長(zhǎng)發(fā)育影響

3.2 SEs對(duì)植物抗氧化活性的影響

Adeel等[6]通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn),生菜受到不同濃度(0—10000 μg/L)17β-E2和EE2處理后,其體內(nèi)SOD、POD、CAT、APX四種酶的活性及MDA和H2O2的含量隨著兩種雌激素濃度的增大而明顯增大,而生菜的生長(zhǎng)表現(xiàn)為隨SEs濃度的增大明顯受到抑制,說(shuō)明盡管SEs刺激了生菜的抗氧化活性,但并不足以清除SEs誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS,從而造成了ROS的累積,導(dǎo)致生菜發(fā)生氧化損傷,最終表現(xiàn)為生菜根系生長(zhǎng)受到抑制。蘿卜水培實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),當(dāng)17β-E2大于50 μg/L時(shí),蘿卜體內(nèi)SOD、POD和CAT活性會(huì)受到抑制,MDA的含量也顯著升高,相應(yīng)的蘿卜生理性狀表現(xiàn)為根長(zhǎng)和發(fā)芽率均受到抑制。說(shuō)明一定濃度的SEs會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生脅迫作用,降低植物抗氧化系統(tǒng)活性,造成植物體出現(xiàn)生理功能損傷,影響植物生長(zhǎng)[14]。

4 結(jié)論及展望

SEs普遍存在于環(huán)境介質(zhì)中,具有低劑量、高生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的特性。畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)和污水處理廠是環(huán)境雌激素的主要排放源,大量的畜禽糞便、城市污泥及污水在土地利用的過(guò)程中會(huì)向植物中發(fā)生遷移并發(fā)生累積,不僅會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育,同樣會(huì)對(duì)人和動(dòng)物的健康帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此,全面了解SEs在土壤-植物體系中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理及其對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育影響機(jī)制顯得尤為重要。為此,今后在如下領(lǐng)域開(kāi)展關(guān)于SEs的研究具有重要意義：

(1)目前針對(duì)植物對(duì)SEs的吸收累積過(guò)程及代謝規(guī)律的研究大多基于室內(nèi)水培模擬實(shí)驗(yàn),不能完全反映SEs在實(shí)際土壤-植物體系中的遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程。特別是當(dāng)SEs隨畜禽糞便或城市污水污泥等介質(zhì)進(jìn)入土壤后,必然會(huì)在不同的相態(tài)體系間發(fā)生復(fù)雜的遷移轉(zhuǎn)化行為。因此,開(kāi)展不同源SEs在土-水-生多相態(tài)體系間遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程、影響因素以及相關(guān)作用機(jī)制的研究更有實(shí)際意義,可為掌握SEs的環(huán)境行為、降低SEs的作物累積風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)。

(2)在實(shí)際情況下,由于畜禽糞便、城市污泥及污水等土地利用方式的不同,SEs在環(huán)境中的殘留特征、環(huán)境行為也會(huì)有所差異,并且這些介質(zhì)中除SEs以外往往還會(huì)存在其他多種污染物,最終導(dǎo)致土壤污染總是呈現(xiàn)多樣性,出現(xiàn)復(fù)合污染,使得SEs向植物遷移轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程更為復(fù)雜。因此,建議結(jié)合SEs的來(lái)源,探究不同污染源利用方式對(duì)植物吸收、累積SEs的影響以及復(fù)合污染可能導(dǎo)致的植物累積效應(yīng),以期更為有效地判斷SEs和其他污染物的污染風(fēng)險(xiǎn)及生態(tài)效應(yīng)。

(3)目前國(guó)內(nèi)外缺乏可借鑒的作物體內(nèi)SEs的殘留研究數(shù)據(jù),我國(guó)也尚未開(kāi)展有關(guān)于SEs在農(nóng)作物中的允許檢出量、人體每日允許攝入量等方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究,故而難以評(píng)價(jià)SEs進(jìn)入植物體后帶來(lái)的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。雖然國(guó)外已有明確的人體攝入限值標(biāo)準(zhǔn),但是由于地域氣候條件、SEs污染水平、人口飲食等差異,難以直接采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行健康風(fēng)險(xiǎn)的界定。因此,建議加強(qiáng)土壤及農(nóng)作物體內(nèi)SEs監(jiān)測(cè),為制定SEs農(nóng)作物的檢出及人體攝入標(biāo)準(zhǔn)提供可靠數(shù)據(jù),對(duì)保證農(nóng)產(chǎn)品安全及人體健康具有重要意義。