消化酶对卤代苯醌的去除、转化及其毒性变化

《Water Research》：Removal, transformation and toxicity changes of halobenzoquinones by digestive enzymes

【字体：大中小】 时间：2026年02月03日 来源：Water Research 12.4

编辑推荐：

　　卤代苯醌（HBQs）在消化酶作用下的去除、转化及毒性变化机制研究。通过LC-MS/MS和QM/MM模拟发现，肠道消化效率最高（87.1–96.0%），酶诱导极化降低HOMO能级，促进C=O键转化为-CH-OH，并形成共价加合物。结肠类器官实验表明胰蛋白酶降解更有效，显著降低细胞毒性和基因毒性，但未完全消除。为饮用水中HBQs的健康风险评估提供新机制。

刘赫|德修吴|文敏王|肖肖|魏宇李|文龙王|钱媛吴

深圳市生态修复与碳封存重点实验室，微生物应用与风险控制环境保护重点实验室，环境与生态研究所，清华大学深圳国际研究生院，中国深圳518055

摘要

卤代苯醌（HBQs）是一类新兴的未经监管的消毒副产物，具有高毒性和对常规处理的抗性，但其在消化过程中的命运仍不清楚。本研究系统地探讨了消化酶（唾液淀粉酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶）对HBQs的去除、转化及其毒性的变化。模拟消化显著加速了HBQs的去除，其中肠道消化的效果最高（87.1–96.0%）。HBQs在口腔、胃和肠道阶段去除的半衰期（k_obs）分别为0.1247–0.3187 h?1、0.0890–0.1290 h?1和0.3843–0.5869 h?1。在各种HBQs中，2,6-DCBQ对这三种酶的结合亲和力最强，这体现在其更高的结合常数和更多的结合位点上。量子力学/分子力学（QM/MM）模拟显示，酶的作用降低了分子的LUMO能级（E_LUMO），增加了亲电性指数（ω），并扩大了未取代碳和氯取代碳之间的亲电性差距。转化产物分析表明，C=O键被转化为–CH–OH结构，HBQs通过与-SH和-NH₂基团的反应形成了共价加合物。结肠类器官实验显示，胰蛋白酶介导的降解在降低HBQs的细胞毒性方面比半胱氨酸介导的降解有效1.20–2.06倍，在降低遗传毒性方面有效1.14–1.50倍，因为后者产生了较低的氧化应激产物。然而，毒性并未完全消除。这些发现强调了消化酶在HBQs去除、转化和毒性变化中的关键作用，为饮用水污染物的健康风险评估提供了新的见解。

引言

在饮用水处理过程中，消毒副产物（DBPs）不可避免地会产生（Liu等人，2022年）。流行病学研究表明，接触DBPs会增加患结肠癌的风险（Jones等人，2019年；Liu等人，2022年）。迄今为止，已在饮用水中检测到700多种DBPs（Dong等人，2021年），但只有少数受到监管（Wang等人，2024年）。先前的研究显示，受监管的DBPs仅占总毒性的很小一部分（Chuang等人，2019年）。因此，未受监管或未知的DBPs可能带来重大的健康风险。

卤代苯醌（HBQs）首次报道于2010年（Zhao等人，2010年），是一类不受监管且难以通过常规方法处理的DBPs（Wang等人，2015年）。它们的浓度通常从微量到数十纳克/升不等，具体取决于地理位置、水源、季节和人类活动（Huang等人，2024年；Nakai等人，2015年；Wang等人，2024年；Wu等人，2021年），其中2,6-DCBQ的浓度最高可达274.5纳克/升（Zhao等人，2012年），即使煮沸也无法完全将其消除（Wang等人，2024年）。残留的HBQs可能通过饮水进入人体（He等人，2023b），可能导致不良健康影响。HBQs的毒性明显高于大多数受监管的DBPs，在某些情况下甚至高出数千倍（Li等人，2015年）。机制研究表明，包括2,6-DCBQ、2,5-DCBQ和TCBQ在内的HBQs可以与DNA和蛋白质结合（Liu等人，2024年；Nguyen等人，2005年；Tu等人，2022年），并引发细胞内氧化应激（Li等人，2016年；Wang等人，2018a），从而破坏正常的细胞生理功能。体外实验进一步证明，HBQs对结肠细胞具有细胞毒性和遗传毒性（Hung等人，2019年；Procházka等人，2015年），可能导致细胞死亡或基因改变，凸显了它们的潜在结肠毒性。

然而，关于HBQs在人体内的消化命运的研究有限，而这直接影响其通过口服摄入后到达结肠的生物可利用部分。人体消化道是一个化学环境复杂的场所，含有多种营养物质、消化酶和极端的pH条件；其中酶是外来物质消化、代谢和吸收的关键调节因子（Brodkorb等人，2019年；Yin等人，2023年）。已有研究表明，消化酶可以转化外源性化合物，包括金属/纳米材料和有机污染物，从而改变它们对结肠的生物可利用性和毒性（Abdelkhaliq等人，2020年；Wu等人，2018年；Yin等人，2023年）。尽管一些内源性分子（如氨基酸（Du等人，2017年；Zhong等人，2022年）、谷胱甘肽（Liu等人，2024年；Wang等人，2018b）和二硫苏糖醇（Kot和Olech，2011年）可以通过亲核反应转化HBQs，但消化酶在HBQs去除和毒性转化中的作用尚未得到研究。这一知识空白限制了我们对HBQs在胃肠道中的命运及其对结肠组织生物利用性的理解。

本研究重点关注了在消化酶存在下HBQs的去除效率、转化途径和毒性变化，包括2,6-DCBQ、2,5-DCBQ和TCBQ。选择这三种HBQs是因为它们在环境中的普遍存在（Huang等人，2024年；Nakai等人，2015年；Wang等人，2024年；Wu等人，2021年；Zhao等人，2012年）以及高毒性特征（Li等人，2016年；Liu等人，2024年；Nguyen等人，2005年；Tu等人，2022年；Wang等人，2018a），同时考虑了它们的卤化程度和取代模式差异，从而为结构-反应性分析提供了有价值的信息。具体目标包括：（i）使用液相色谱-质谱/质谱（LC-MS/MS）评估HBQs与唾液淀粉酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶的去除和反应动力学；（ii）通过荧光淬灭实验和量子力学/分子力学（QM/MM）模拟研究酶与HBQs的相互作用；（iii）使用三重四极杆飞行时间质谱系统（LC-QTOF-MS）阐明酶介导的转化途径；（iv）通过结肠类器官实验研究氧化应激、细胞毒性和遗传毒性的变化。这些结果共同揭示了消化酶如何控制口服摄入的HBQs的去除和毒性转化，为饮用水中HBQs的健康风险评估提供了新的机制基础和实用框架。

化学物质和试剂

分析级2,6-二氯-1,4-苯醌（2,6-DCBQ）、2,5-二氯-1,4-苯醌（2,5-DCBQ）和四氯-1,4-苯醌（TCBQ）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。消化酶（包括唾液淀粉酶、胃蛋白酶和胰蛋白酶）也来自Sigma-Aldrich，分别代表口腔、胃和肠道的消化酶。甲醇和甲酸（Optima LC/MS级）购自Fisher Scientific

HBQs的去除率

研究了不同模拟消化阶段下HBQs的去除率。半胱氨酸是一种最具亲核性的游离氨基酸，已知能迅速与HBQs反应（Du等人，2017年），在每个阶段中其浓度与酶的浓度相同，以比较小分子氨基酸与大分子消化酶的反应性。以6小时反应为例（图S2），观察到半胱氨酸与消化酶对HBQs的反应性存在显著差异。

结论

本研究首次系统地评估了消化酶介导的新兴HBQs的降解、转化和解毒过程。

(1)
模拟消化促进了HBQs的去除，去除率范围为20.3%~96.0%，其中肠道消化的效果优于胃消化和口腔消化。
(2)
2,6-DCBQ表现出一致的反应性...

数据可用性

数据可应要求通过Schr?dinger Maestro平台提供。

CRediT作者贡献声明

刘赫：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，研究，数据管理。德修吴：验证，正式分析，数据管理。文敏王：验证，正式分析，数据管理。肖肖：验证，正式分析，数据管理。魏宇李：验证，正式分析，数据管理。文龙王：监督，项目管理，方法学。钱媛吴：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理。