蔬菜中双酚类化合物的体内硝化机制及其在细胞和亚细胞水平的风险评估

为解决农业过量施氮导致的双酚类污染物在植物体内转化为毒性更强的氮化衍生物问题，研究人员以双酚F（BPF）为模型化合物，结合LC-MS/MS和转录组分析，揭示了植物亚细胞结构（尤其是叶绿体）中NO•和NO2 •介导的硝化机制，证实其衍生物毒性显著高于母体化合物。该研究为农业氮肥合理使用和蔬菜安全监测提供了科学依据。

　　

现代农业中氮肥的过量使用已成为全球性环境问题。中国农田氮肥用量自1980年以来增长了两倍，占全球总量的三分之一。这种过度施用不仅导致温室气体排放和地下水硝酸盐污染，还可能通过光化学反应促进有毒含氮有机物的生成。更令人担忧的是，作为双酚A替代品的双酚F（BPF）在蔬菜和水体中被广泛检出，其浓度在日本多摩川高达2850 ng/L，中国珠江达1110 ng/L。此前研究发现植物能将双酚类污染物溴化为毒性更强的衍生物，但关于其在活性氮物种（RNS）作用下的转化机制，尤其是可食用植物中的含氮有机物形成，仍存在重大知识空白。

为解答这一科学问题，山东大学的研究团队以油菜（Brassica campestris L.）为模型植物，通过设置不同硝酸盐浓度（0、35和105 mg/L NO₃
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）和300 μg/L BPF的暴露实验，结合亚细胞分离技术、转录组分析和计算毒理学评估，系统研究了BPF在植物亚细胞结构中的转化规律及其毒性效应。研究成果发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上，揭示了叶绿体作为硝化反应核心场域的特殊机制。

研究采用四大关键技术：1）亚细胞分级离心分离细胞壁（T1）、叶绿体（T2）、线粒体（T3）和胞质（T4）；2）液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）鉴定6种BPF衍生的含氮化合物；3）转录组测序（Nova Seq X Plus平台）解析基因表达谱；4）小鼠原代肝细胞模型评估转化产物毒性。

研究结果

3.1 BPF衍生含氮化合物的鉴定与分布
在105 mg/L硝酸盐暴露下，叶绿体中含氮化合物含量是对照组的3.92倍，显著高于线粒体（2.32倍）。LC-MS/MS鉴定出TP183、TP261等6种衍生物，其中TP427（C₂₆
H₂₁
O₅
N）和TP304（C₁₄
H₁₂
O₆
N₂
）毒性最强，其鱼类急性毒性LC50值（0.034 mg/L）比BPF高74倍。量子化学计算显示，C11、C2等位点最易发生亲电取代反应。

3.2 叶绿体特异性硝化机制
叶绿体中NO•浓度（834.14 nmol/g FW）是线粒体的2.1倍。转录组分析发现，与对照组相比，BPF+NO₃
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组有2980个基因上调，光合系统相关通路显著富集。抑制剂实验证实，ATP酶抑制剂使NO•生成减少23.7%，光电子抑制剂（DCMU）和HO•清除剂（DMSO）分别降低13.3%和10.9%，表明叶绿体通过光合电子传递链和羟基自由基协同驱动RNS生成。

3.3 抗氧化系统的调控作用
叶绿体中超氧化物歧化酶（SOD）活性是胞质的3.4倍，还原型谷胱甘肽（GSH）含量达3.2倍，形成独特的氧化还原微环境。相关性分析显示，GSH与NO•浓度呈强正相关（r=0.93），而过氧化物酶（POD）在线粒体中与NO•相关性更高（r=0.86），揭示不同细胞器通过抗氧化网络协同调控RNS稳态。

3.4 转化产物的毒性跃升
ECOSAR软件预测TP427对水蚤的慢性毒性（0.011 mg/L）是BPF的414倍。小鼠肝细胞实验证实，高硝酸盐组细胞存活率显著下降，且0.5 g叶片提取物毒性高于0.2 g组，呈现剂量依赖性。值得注意的是，含硝基的衍生物毒性普遍高于亚硝基化合物，而羧基的存在可降低毒性。

结论与意义
该研究首次阐明植物叶绿体通过光合作用-抗氧化系统偶联机制，将环境硝酸盐转化为NO•和NO₂
•，进而催化BPF硝化为高毒性衍生物。这一发现不仅解释了农产品中双酚类污染物毒性增强的分子基础，更警示农业氮肥过量使用可能通过"硝酸盐-污染物"协同作用放大生态风险。研究建立的亚细胞分辨分析方法为评估污染物在生物体内的精准转化提供了新范式，而TP427等高风险衍生物的识别则为食品安全标准修订提供了关键靶标。未来需重点关注叶绿体介导的污染物硝化通路在农作物中的普适性，以及这些转化产物通过食物链传递对人体健康的潜在影响。