植物体中多溴联苯醚及其羟基与甲氧基衍生物的转化特征与机制研究

Polybrominated diphenyl ethers (PBDEs) are emerging new persistent organic pollutants (POPs) that are liable to accumulate in the environmental matrices. Moreover, PBDEs in the environment can degrade to other brominated derivatives through the debrominated reductive metabolism and the oxidative metabolism of hydroxylation and methoxylation. However, so far very few studies have dealt with transformation of PBDEs and their derivatives in terrestrial ecosystems. The aim of this research project is to investigate the transformation characteristic and mechanisms of PBDEs and their hydroxylated, methoxylated derivatives (OH-PBDEs and MeO-PBDEs) in plants. Research details include: 1) investigate occurrence and distribution of PBDEs, OH-PBDEs and MeO-PBDEs in plants from the e-waste area; 2) educidate the translocation and transformation characteristic of PBDEs, OH-PBDEs and MeO-PBDEs in plants through hydroponic experiment in laboratory; 3) use molecular-level radiocarbon analysis to discuss the origin of OH-PBDEs and MeO-PBDEs in plants; 4) use molecular biotechnology to elucidate the transformation mechanisms of PBDEs, OH-PBDEs and MeO-PBDEs in plants. The research of this proposal is of significance in elucidating the transformation characteristic and mechanisms of PBDEs and their hydroxylated, methoxylated derivatives in plants, and understanding the behavior of PBDEs and their derivatives in terrestrial ecosystems, as well as providing scientific basis for human health and ecological risk assessment.

多溴联苯醚（PBDEs）是一类重要的新型持久性有机污染物，易在环境中累积，会发生还原和氧化代谢生成毒性更大的低溴代、羟基和甲氧基衍生物。但是目前关于陆生生态系统中PBDEs及其衍生物转化行为的认识非常有限。本项目重点研究植物体中PBDEs及其羟基和甲氧基衍生物的转化特征与机制。通过野外采样与分析，揭示PBDEs及其羟基和甲氧基衍生物在典型电子垃圾拆解地植物中的分布规律；应用14C同位素技术探讨植物体内羟基和甲氧衍生物的来源；通过实验室暴露实验，阐明植物体中PBDEs及其羟基和甲氧基衍生物之间的转化特征；应用分子生物学手段揭示植物体内PBDEs及其羟基和甲氧基衍生物转化的生物机制。本研究核心目的是明确植物体中PBDEs及其羟基与甲氧基衍生物的转化特征与机制，加深对陆生生态系统中PBDEs及其衍生物环境行为的认识，为其生态和健康风险评价提供科学依据。

多溴联苯醚（PBDEs）是一类重要的新型持久性有机污染物，易在土壤、沉积物和生物体等环境介质中累积，会发生还原和氧化代谢生成毒性更大的低溴代、羟基和甲氧基衍生物，给环境和人类健康带来巨大暴露风险。但是目前关于环境介质中PBDEs 及其衍生物代谢转化行为和分子机制的研究非常有限。本项目重点研究植物体中PBDEs 及其羟基和甲氧基衍生物的转化特征与分子机制。首先采集了广东清远龙塘镇土壤和植物样品，揭示了PBDEs 及其羟基和甲氧基衍生物在典型电子垃圾拆解地土壤和植物中的分布特征；在土壤和植物体内共检出41种PBDEs，且首次检出12种MeO-PBDEs和12种OH-PBDEs；临位、间位和对位取代的MeO-PBDEs 和 OH-PBDEs都在土壤和植物体内检测到，且均以邻位取代为主；土壤和植物中MeO-PBDEs总含量均高于OH-PBDEs，但是ΣMeO-PBDEs和ΣOH-PBDEs存在显著正相关性。其次通过实验室水培暴露实验，应用玉米表达谱基因芯片分析了BDE-47、6-OH-BDE47和6-MeO-BDE47暴露下玉米根基因表达的差异，筛选出参与PBDEs 及其羟基和甲氧基衍生物吸收和传输、代谢转化和解毒、胁迫响应以及能量代谢的关键调控基因；差异基因功能富集分析发现分子功能主要涉及催化活性、转运活性和结合能力等7大类，其中参与催化活性的差异基因占50%以上。生物学过程主要涉及代谢、生理过程、细胞过程和应激响应等10大类，且BDE-47对玉米次生代谢影响较大。Pathway富集分析发现BDE-47和6-OH-BDE47影响的玉米pathway较为相似，且BDE-47的影响更为显著；6-MeO-BDE47对代谢通路的影响最小。Pathway富集分析中糖酵解作用影响最为明显，同时与能量代谢相关的pathway氧化磷酸化和TCA循环也发生了变化，我们推测能量代谢方式的转变为代谢转化、解毒等生理活动的顺利进行提供保障。参与核糖体pathway的多个编码核糖体蛋白的基因表达量显著下调，我们推测其与玉米对胁迫应答机制相关。利用分子对接进一步研究筛选的参与污染物代谢转化解毒的CYP72A5、GST31、UGT与化合物的相互作用机制，发现6-OH-BDE47与三者均有最强的结合能力。该研究为深入认识土壤-植物系统PBDEs及其羟基和甲氧基代谢产物的代谢转化行为提供了重要的理论依据。