2种燃料燃烧颗粒物致突变性及其联合作用

              作者：闫洪涛，刘君卓，孔祥环，刘红，温天佑，金晓滨，尹学钧，潘小川

【关键词】  液化石油气；煤；燃烧产物；Ames试验；联合作用

　　摘要： 目的  比较液化石油气(LPG)燃烧颗粒物和蜂窝煤燃烧颗粒物的致突变性以及二者的联合作用。方法  采用Ames法，应用鼠伤寒沙门菌突变型菌株TA98及其衍生菌株YG1021和YG1024进行致突变试验研究，并根据致突变试验结果评价其联合作用。结果  2种颗粒物对YG菌株的致突变作用均高于对TA98的作用；LPG燃烧颗粒物比蜂窝煤燃烧颗粒物的致突变作用更强，前者约相当于后者的8倍；二者的联合作用呈相加类型。结论  煤和LPG燃烧颗粒物均具有很强的直接和间接致突变作用，主要致突变作用来源于硝基和胺基多环芳烃，2种颗粒物同时存在可加大致癌风险。

　　关键词： 液化石油气；煤；燃烧产物；Ames试验；联合作用

　　Mutagenicity by combustion particulates from LPG and coal and their joint action 

　　Abstract： Objective  To compare the mutagenicities by combustion particulates from liquefied petroleum gas(LPG)and coal，and to know the model of their joint action.Methods  Ames test was applied.The bacterial strains used were Salmonella typhimurium TA98 and its two derivation strains YG1021 and YG1024.Results  The mutagenicity by LPG combustion particulates was about eight times as high as that by coal.The joint action model of two combustion particulates was additive effect.Conclusion  Both LPG and coal combustion particulates contain strong direct and indirect-acting mutagens，the mutagenicity is mainly induced by nitroarenes and aromatic amines.Concurrence of combustion particulates will increase the risk of carcinogenesis.

　　Key words： liquefied petroleum gas(LPG)；coal；combustion product；Ames test；joint action
   
　　煤和液化石油气(LPG)是我国的主要家用燃料，其燃烧过程中产生的颗粒物是室内外空气污染的重要成分。研究表明：燃煤颗粒物中含有大量硝基多环芳烃类物质，具有强致突变活性，并与宣威女性肺癌高发存在流行病学联系〔1〕。由于LPG燃烧产生的颗粒物和SO2的数量明显低于燃煤，被认为是清洁燃料。然而，早期的Ames试验结果显示，LPG燃烧颗粒物具有直接和间接的致突变活性，其中含有1-硝基芘(NP)和二硝基芘(DNPs)等致突变活性极强的硝基多环芳烃类化合物〔2，3〕，可见LPG清洁而非安全。本文采用Ames试验方法，应用TA98及其2个对硝基和胺基、羟胺基多环芳烃敏感的衍生菌株YG1021(过表达硝基还原酶)和YG1024(过表达乙酰转移酶)〔4，5〕进行试验研究，旨在评价2种颗粒物致突变活性的差异以及二者致突变的联合作用。

　　1  材料与方法

　　11  燃料来源  蜂窝煤和LPG均取自北京市居民的家用燃料。

　　12  样品采集及提取  样品采集在燃烧实验室内进行(约为60m3)，打扫清洁并封闭严密，将炉具置于室中央，点燃燃料一定时间后，用Anderson大流量分级采样器(美国Anderson公司)采集PM10颗粒物。滤膜用49号玻璃纤维膜。将已采集的滤膜置于索氏提取器中，在56℃水浴中用丙酮提取24h，在蒸馏瓶中浓缩，氮气吹干，所得残渣称重后用二甲基亚砜(DMSO)溶解，置-30℃冰箱中保存备用。

　　13  实验方法

　　131  受试菌株及活化系统  鼠伤寒沙门菌突变型菌株TA98和代谢活化系统(S9)(卫生部药品生物制品检定所毒理室)。YG1021和YG1024(日本国立卫生研究所遗传与诱变部Dr Nohmi T赠送)。实验前对3菌株进行5项主要生物学性状鉴定均合格。

　　132  操作方法  采用平板掺入法。实验剂量组由250μg/皿起始，以半量递减。同时设自发回变组(DMSO对照组)和阳性对照组，直接致突变试验的阳性对照物为4-硝基喹啉(4-NQO)，05μg/皿。间接致突变试验的阳性对照物为二氨基蒽(2AA)，1μg/皿，2种阳性对照物(美国Sigma公司)。每个实验剂量组每次试验均作3个平行样，并重复试验1次。2次独立的实验结果相近，每个剂量组的6个平行样有较好的平行关系。当实验组回变菌落数大于自发回变数的2倍时，判定为致突变作用阳性。即该剂量为受试物致突变作用的阈剂量。

　　133  联合作用的实验设计和评价方法  根据Ames试验的特点，设计了这种联合作用的实验方案和评价方法，即在实验采用半量递减(或递增)的剂量设计前提下，将2个阈下剂量受试物相加进行实验，观察实验效应，如结果仍为阴性，则判为单独作用类型；如结果为阳性，当结果与阈剂量的结果相近时，判为相加作用；当结果大于阈剂量的高一级剂量的结果时，判为相乘作用。将2个阈剂量的受试物相加进行实验，如出现阴性结果时，则判为拮抗作用。

　　2  结果

　　21  蜂窝煤燃烧颗粒物致突变实验(表1)  由表1看出，蜂窝煤燃烧颗粒物的丙酮提取物对3个菌株都具有直接(-S9)和间接致突变作用(+S9)，并且均呈明显的剂量-反应关系。实验的阈剂量YG1021最低，YG1024次之，TA98最高。表明颗粒物中硝基多环芳烃的致突变活性最强，胺基、羟胺基多环芳烃的致突变活性次之，其他种类的致变物只占致突变活性较小的比重。表1  蜂窝煤燃烧颗粒物Ames试验结果（略）注：* 致突变作用阳性；**阳性对照，-S时采用4-NQO，05μg/皿；+S时采用2AA，lμg/皿

　　22  LPG燃烧颗粒物的致突变实验(表2)  由表2看出，LPG燃烧颗粒物的丙酮提取物对于这3个菌株都具有直接致突变作用(-S9)和间接致突变作用(+S9)。且呈剂量-反应关系。其中，对YG1021的直接致突变作用最强，其次是对YG1021的间接致突变作用以及YG1024的直接和间接致突变作用。而对TA98的直接和间接致突变作用相对较弱。表明LPG燃烧颗粒物中硝基多环芳烃是主要致突变物。表2  LPG燃烧颗粒物Ames试验结果（略）　注：*致变作用阳性；**阳性对照，-S时采用4-NQO，05μg/皿；+S时采用2AA，lμg/皿

　　23  2种颗粒物致突变活性比较(表3)  比较致突变活性的强弱可以用阈剂量作为衡量指标，阈剂量越低，表明致突变活性越强。比较蜂窝煤和LPG燃烧颗粒物致突变活性的阈剂量，除YG1021在+S时，LPG的致突变活性的阈剂量是蜂窝煤的4倍以外，其他均为8倍。故可认为，LPG对3个菌株的直接和间接致突变活性的阈剂量都大致相当于蜂窝煤的8倍。表3  2种燃料燃烧颗粒物致突变阈剂量比较（略）　表4  2种燃料燃烧颗粒物致突变联合作用（略）注：*致突变作用阳性

　　24  2种燃料燃烧颗粒物致突变联合作用(表4) 

　　由表4看出，将蜂窝煤和LPG各自的阈下剂量分别单独进行Ames试验时，3个菌株的-S9和+S9的结果均为阴性。但是，将2种燃料燃烧颗粒物的阈下剂量合并进行Ames试验时，对3个菌株的-S9和+S9均出现了阳性结果，其回变菌落数均接近二者的单独试验时阈剂量的结果。由于实验剂量分组均是半量递减，也即2个阈下剂量相当于1个阈剂量。因此，当2种颗粒物各自的阈下剂量合并所产生的结果相当于1个阈剂量的结果时，则该联合作用应是相加作用。

　　3  讨论

　　本研究显示，蜂窝煤和LPG燃烧颗粒物对YG菌株的致突变活性均高于TA98，表明2种燃料颗粒物中均含有致突变活性更强的硝基、胺基、羟胺基多环芳烃，且在致突变活性中起主要作用〔6，7〕。比较2种燃烧颗粒物的阈剂量，LPG燃烧颗粒物大约相当于煤的8倍。根据彭瑞玲等人〔8〕的报道，按照普通家庭的燃料使用量估计，蜂窝煤每天燃烧产生的PM10约为4476mg/d，LPG约为276mg/d，前者是后者的16倍。结合本实验结果可以算出，LPG燃烧2d所产生的致突变物就相当于蜂窝煤燃烧ld的量。可见，LPG燃烧产物的致突变性是不可忽视的。联合作用是复杂的生物学效应，关于Ames试验的联合作用，目前还没有标准的评价方法。本研究根据Ames试验的特点，设计了这种新的联合作用的实验方案和评价方法(见实验方法部分)。经本研究证实该方法适用于Ames试验联合作用的评价，其优点是：无需另设判断标准，没有烦琐的数学，应用十分方便。缺点是仅限于按半量递减(或递加)剂量设计的实验。应用该设计方法，本研究得出2种燃料燃烧颗粒物的联合作用呈相加作用类型的结论。一般认为，当化学物质的结构相近、性质相似、靶器官相同或毒作用机制相同时，其生物学效应往往呈相加作用〔9〕。本研究单独作用的实验结果显示，2种颗粒物中均含有硝基、胺基、羟胺基多环芳烃类致突变物，且在致突变作用中均占重要地位，这些化学物有相近的化学结构和代谢方式及DNA损伤机制〔10〕。因此，应该支持相加作用的结论。

　　〔1〕  Granville CA，Hanley NM，Mumford JL，et al.Mutation spectra of smoky coal combustion emissions in Salmonella reflect the TP53 and KRAS mutations in lung tumors from smoky coal-exposed individuals［J］.Mutat Res，2003,525(1-2)：77-83.

　　〔2〕  Tokiwa H，Nakagawa R，Horikawa K.Mutagenic/carcinogenic agents in indoor pollutants；the dinitropyrences generated by kerosene heaters and fuel gas and liquefied petroleum gas burners［J］.Mutat Res，1985，157(1)：39-47.

　　〔3〕  尹学钧，李永顺，刘君卓，等.北京市家用液化石油气燃烧颗粒物致突变活性研究［J］.环境与健康杂志，1990,7(2)：49-53.

　　〔4〕  Watanabe M，Ishidate M Jr,Nohmi T.A sensitive method for the detection of mutagenic nitroarenes：construction of nitroreductase-overproducing derivatives of Salmonella typhimurium strains TA98 and TA 100［J］.Mutat Res，1989,216(4)：211-220.

　　〔5〕  Watanabe M，Ishidate M Jr,Nohmi T.Sensitive method for the detection of mutagenic nitroarenes and aromatic amines：new derivatives of Salmonella typhimurium tester strains possessing elevated O-acetyltransferase levels［J］.Mutat Res,1990，234(5)：337-348.

　　〔6〕  Taga R Tang N，Hattori T，et al.Direct-acting mutagenicity of extracts of coal burning-derived particulates and contribution of nitropolycyclic aromatic hydrocarbons［J］.Mutat Res，2005,581(1-2)：91-95.

　　〔7〕  Watanabe T，Hasei T,Takahashi T,et al.Detection of a novel mutagen，3,6-dinitrobenzo〔e〕pyrene，as a major contaminant in surface soil in Osaka and Aichi Prefectures，Japan［J］.Chem Res Toxicol，2005,18(2)：283-289.

　　〔8〕  彭瑞玲，刘君卓，潘小川，等.3种民用燃料的燃烧颗粒物的含量及其粒径组成［J］.环境与健康杂志，2005，22(1)：13-15.

　　〔9〕  姜允申.化学物联合作用的新进展［J］.化工劳动保护，2001，22(10)：362-364.

　　〔10〕  Cho BP.Dynamic conformational heterogeneities of carcinogen-DNA adducts and their mutagenic relevance［J］.J Environ Sci Health C Environ Carcinog Ecotoxicol Rev,2004，22(2)：57-90