过量的氮盐会导致蔬菜中形成硝基化和硝酰胺化的卡马西平衍生物：识别方法、形成机制及潜在风险

《Journal of Environmental Sciences》：Excessive nitrogen salts induce the formation of nitrosated and nitrated carbamazepine products in vegetables: Identification, mechanisms, and risks

氮肥过量导致蔬菜中卡马西平硝化/亚硝化反应及毒性增强机制研究，发现硝酸盐和亚硝酸盐通过增强CBZ吸收并促进活性氮物种（NO·和NO?·）生成，引发有机硝基/亚硝基代谢物（如TP285）的毒性增加278.5倍，其毒性机制与α-淀粉酶结合能力提升相关。

　　

Zelian Yu|Xiangxiang Li|Kai Zheng|Yina Guan|Feifei Lei|Chunguang Liu

山东大学环境科学与工程学院，山东环境过程与健康重点实验室，中国青岛266237

摘要

尽管氮肥被广泛使用，新兴污染物也日益增多，但关于常见药物和个人护理产品（如卡马西平（CBZ）在蔬菜中形成硝化产物的机制及其相关的健康风险仍知之甚少。本研究发现，亚硝酸盐和硝酸盐均可增强CBZ的吸收和转化，并产生活性氮物种，从而通过亲电取代反应在植物体内生成更具毒性的有机硝化产物和硝化产物。通过Q-TOF-MS分析鉴定出五种硝化或亚硝化产物，其中最毒的产物毒性是母体的约278.5倍。这种增强的毒性通过分子模拟和细胞活力测定得到了验证。此外，植物中NO•和NO₂•的生成归因于三种潜在途径：过氧化物酶-超氧化物歧化酶系统的催化作用、光合色素的介导以及氧化应激的诱导。

引言

氮对植物的生长发育至关重要（Zhang等人，2021年），并在应对外部环境压力（包括药物和个人护理产品（PPCPs）污染）中发挥作用（Choi等人，2023年）。然而，目前大多数农田中氮肥的施用量超过了标准，尤其是在水培和土壤基温室农业系统中（Dong和Lin，2020年；Iammarino和Taranto，2014年）。这种过量的氮肥施用不仅破坏了土壤微生物的氮循环（Sun等人，2021年），还通过渗入地下水导致环境污染。此外，它还会引起植物组织的氧化应激和代谢紊乱（Qin等人，2022年）。此外，研究表明，食物中的亚硝酸盐，尤其是来自叶类蔬菜的亚硝酸盐，约占膳食亚硝酸盐总摄入量的41%（Srour等人，2023年）。

研究表明，亚硝酸盐和硝酸盐是生成NO•和NO₂•的重要前体。NO•和NO₂•对酚类污染物的亲电取代反应会导致更毒性的硝化产物的形成。具体而言，亚硝酸盐（NO₂?）可以通过酶促和非酶促途径直接还原为NO·，而硝酸盐（NO₃?）必须先被硝酸盐还原酶还原为亚硝酸盐，然后再转化为NO·和其他活性氮物种。例如，苯酚的硝化和硝化会产生更具毒性的硝基酚和硝基苯酚（Vione等人，2004年）。同样，磺胺甲噁唑、阿替洛尔等的硝化和硝化产物也表现出增强的毒理学效应，包括致癌、致畸和致突变特性（Majewsky等人，2014年；Osorio等人，2016年）。鉴于这些产物带来的重大生态和环境风险，迫切需要评估氮肥对植物中PPCPs（如卡马西平（CBZ）代谢转化的影响，以及它们生成硝化产物的过程。

CBZ是一种含有环丙胺基团和二苯甲酰结构的苯胺衍生物，是典型的PPCPs（Chen等人，2023年）。由于其稳定的化学结构、抗降解性和广泛的应用，CBZ经常在地表水、地下水和废水中被检测到（Li等人，2020年；Nason等人，2019年）。当用处理过的废水或地表水进行灌溉时，CBZ可被植物轻易吸收和转运（Li等人，2020年；Nason等人，2019年）。在植物体内，CBZ通过受植物内分泌系统等因素影响的过程进行代谢和转化（Soko?owski等人，2024年）。研究表明，CBZ可以在红薯、胡萝卜、番茄和黄瓜等植物中代谢为活性代谢物，如10,11-环氧-CBZ（EP-CBZ）和10,11-二氢-10,11-二羟基-CBZ（DiOH-CBZ）（Goldstein等人，2014年；Riemenschneider等人，2016年），这些代谢物在叶片中含量丰富（Dordio等人，2011年）。近年来，在多种蔬菜物种中检测到了CBZ和其他土壤污染物的各种代谢物（Bo等人，2019年；Lee等人，2022年）。在活性氮物种（RNS）的存在下，这些代谢物可能形成更具毒性的硝化产物和硝化产物，尤其是在过量施用氮的情况下。然而，这一领域的研究仍相对不足。此外，在各种水处理过程中也检测到了许多硝化和硝化产物（Rayaroth等人，2022年、2024年、2025年），这突显了进一步研究的必要性。

本研究的目标如下：（1）探讨过量氮盐（亚硝酸盐和硝酸盐）对植物中CBZ硝化产物和硝化产物形成的影响；（2）探究这些产物在植物体内形成的机制和途径；（3）评估这些产物的分子毒性和细胞毒性。本研究使用广泛种植的Brassica campestris L.作为植物模型，CBZ作为模型污染物来解答上述问题。

化学试剂

卡马西平（>99.0%）和HPLC级甲醇（>99.0%）购自Macklin（北京，中国）。过氧化氢（H₂O₂，30%）、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、氯化钠和氯化钾（分析级）购自Sinopharm（上海，中国）。硝酸钾和亚硝酸钾（分析级）购自Aladdin（上海，中国）。Hoagland营养液购自Phygene（上海，中国）。超纯水...

CBZ在植物中的吸收、积累和转化

如图1a所示，与对照组相比，暴露于硝酸盐的植物CBZ吸收量显著增加。实验结果表明，硝酸盐处理组中植物对CBZ的吸收量约为对照组的2.20倍，这表明硝酸盐在增强CBZ吸收方面起着关键作用。这种增加的吸收意味着植物体内的积累和转化过程也得到了增强。

结论

过量施用硝酸盐和亚硝酸盐会增强Brassica campestris L.对CBZ的吸收，并通过NO•和NO₂•促进有毒硝化产物和硝化产物的形成。硝酸盐衍生物TP285对鱼类的急性毒性比母体化合物高278.5倍，并且它与α-淀粉酶的结合能力更强，导致蛋白质毒性增加。这些产物在添加硝酸盐后对小鼠肝细胞的毒性也更高。

未引用的参考文献

Iammarino, 2014, Liu, 2014

CRediT作者贡献声明

Zelian Yu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据管理，概念构思。Xiangxiang Li：撰写 – 初稿，软件使用，方法学。Kai Zheng：方法学。Yina Guan：方法学。Feifei Lei：方法学。Chunguang Liu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，资源准备。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：42577500和42377428）、山东省自然科学基金（编号：ZR2023YQ031）以及山东大学公共技术平台仪器改进基金（编号：ts20230108）的支持。

我们感谢山东微生物技术国家重点实验室生命与环境科学核心设施的Xiangmei Ren和Guannan Lin在测试分析方面的协助。