饮用水消毒副产物卤代吡咯的胃肠道代谢与毒性效应研究

Halopyrroles, an emerging class of nitrogenous disinfection byproducts, have received more and more attention, due to their significantly higher cytotoxicity and genotoxicity than any of the haloaliphatic and haloaromatic disinfection byproducts previously tested. Epidemiological studies have shown that disinfection byproducts could increase the risk of colon cancer, and the oxidative stress is one of its mechanisms of toxicity. On the other hand, previous studies on colonic toxicity of disinfection byproducts mainly use their standard products, while those studies neglect the gastrointestinal metabolism. The human gastrointestinal tract is an extremely complex environment, including nutrients, digestive enzymes and intestinal flora, which play an important role on metabolism of exogenous substances. Therefore, this project was designed to focus on the gastrointestinal metabolism and oxidative stress effects of halopyrroles. And the effects of digestive enzymes and intestinal flora on metabolic processes of halopyrroles will be studied by building a simulation of the human intestinal microbial ecosystem (SHIME) and combining with chemical analysis and cell tests. The effects of human gastrointestinal metabolism will expound on the oxidative stress effect of halopyrroles, which will provide new method and theoretical basis for the risk assessment of halopyrroles in drinking water.

卤代吡咯作为饮用水一类新型含氮消毒副产物，相较于脂肪族和芳香族消毒副产物具有更高的细胞毒性和遗传毒性，受到越来越多的关注。流行病学研究显示，消毒副产物随着饮水进入人体胃肠道，增加人体患有结肠癌的风险，产生氧化应激效应是其致毒机制之一。另一方面，关于消毒副产物的结肠毒性研究主要采用其标准品直接进行细胞毒性试验，而忽视了人体胃肠道对于消毒副产物代谢转化作用。人体胃肠道是一个极其复杂环境，包括营养物质、消化酶和肠道菌群等，与外源性物质代谢转化密切相关。因此，本项目将围绕卤代吡咯在人体胃肠道代谢转化及其对结肠细胞氧化应激效应，通过构建人类肠道微生物生态系统模拟器并结合化学分析和细胞毒性试验，研究卤代吡咯在人体胃肠道代谢转化路径与其影响因素，以及与肠道菌群的相互作用，并阐明人体胃肠道代谢作用对卤代吡咯的氧化应激的影响机制，为饮用水中卤代吡咯的健康风险评价提供新的方法和理论基础。

消毒副产物（DBPs）具有细胞毒性、基因毒性、致突变性和致癌性等诸多健康危害。卤代吡咯等DBPs会经口摄入暴露于人体胃肠道，对人体健康产生不良影响，但它们在人体肠道中的代谢特征及代谢产物的毒性特征的研究鲜有报道。针对上述科学问题，本项目采用体外两相胃肠模拟系统研究卤代吡咯等不同类别的22种DBPs在胃肠道中的代谢转化特征，并选择5种不同代谢特征的DBPs，应用人体肠道微生物生态系统模拟器（SHIME），解析人体肠道微生物对DBPs代谢的影响和暴露于DBPs后肠道菌群的变化特征，研究了卤代吡路等5种DBPs代谢前后的毒性变化规律，并以人体结直肠癌细胞DLD-1为受试细胞，分别测定DBPs标准品和经SHIME系统代谢后上清液的细胞增殖毒性、氧化损伤毒性和细胞凋亡毒性，结合DBPs暴露后的细胞RNA转录组测序分析，探究其潜在的致毒机理。结果表明：① 5大类22种DBPs在两项胃肠静态模拟系统中表现出差异性的代谢特征，基于其代谢性可分为三类，难代谢类、中等代谢类和易代谢类DBPs；② 2,3,4,5-四溴吡咯、2,3,5-三溴-4-氯吡咯、二氯乙酸、二溴乙酸和氯乙腈经该SHIME系统代谢后，在升结肠阶段均已完全转化，肠道菌群促进其代谢转化，DBPs暴露后，肠道菌群结构和微生物多样性均发生改变，不同类别的DBPs对肠道群落的影响大于同类别物质间产生的改变，卤代吡咯类DBPs对肠道菌群的改变与其他三种DBPs显著不同，卤代吡咯类物质降低了肠道微生物多样性，卤乙酸类物质和氯乙腈增加了肠道微生物多样性；DBPs暴露后，肠道菌群中变形菌门占绝对优势，拟杆菌门和厚壁菌门也是暴露后肠道群落的主要组成；③卤代吡咯等 5种DBPs均具有强烈的细胞毒性，能够诱导细胞氧化应激和凋亡，DBPs在SHIME系统的代谢过程中毒性逐步减弱，在降结肠中各浓度的DBPs代谢后上清液的细胞毒性与对照组相比已无显著差异，表明人体胃肠代谢能够在一定程度上削弱DBPs毒性。研究结果将为人类生活饮用水水质管控标准完善和消毒副产物的健康风险评估提供重要科学依据。