植物中典型手性溴代阻燃剂的生物转化、毒性效应及其对映体选择性分子机制研究

Hexabromocyclododecane (HBCD), dibromo-4-(1,2-dibromoethyl)cyclohexane (TBECH) and 1,2,5,6-tetrabromocyclooctane (TBCO) are additive brominated flame retardants (BFRs). They have diastereoisomers and some of them contain a pair of enantiomers. As emerging chiral persistent organic pollutants, it is necessary to investigate their environmental behaviors at the enantiomer level. In order to study biotransformation, toxicity of chiral BFRs in plants and their enantioselective molecular mechanisms, this project intends to carry out the following researches: 1) Investigating the biotransformation processes, such as debromination, hydroxylation and isomerization of the chiral BFRs in plants under both laboratory and field conditions and clarifying chiral selective biotransformation of the BFRs influenced by plant species and the chemical structure of the compounds; 2) Characterizing the oxidative stress, cytotoxicity and genotoxicity of the chiral BFRs to plants and clearing changes of phytotoxicity of chiral BFRs affected by their biotransformation process and metabolites; 3) Studying the interaction of plant enzymes with chiral BFRs by using in vitro method combined with molecular modeling and identifying the key isozymes mediated degradation and detoxification; and furthermore 4) Analyzing the gene expression profiling of the plant, recognizing the target genes and the feature metabolic pathways through microarray and bioinformatics methods to explore the molecular biology mechanisms of the enantioselective biotransformation and toxicity of chiral BFRs in plants, and to deeply understand their environmental processes and effects.

六溴环十二烷（HBCD）、四溴乙基环己烷（TBECH）和四溴环辛烷（TBCO）为添加型溴代阻燃剂，均存在多种异构体和手性对映体，作为新型的手性持久性有机污染物，有必要从对映体水平研究这三种典型手性溴代阻燃剂的环境行为。本项目为探明植物中手性溴代阻燃剂的生物转化、毒性效应及对映体选择性分子机制，拟联合野外和实验室控制实验研究植物中手性溴代阻燃剂的选择性异构转化、脱溴、羟基化等降解，阐明植物种属、化合物结构差异对其手性生物转化的影响；研究手性溴代阻燃剂对植物的氧化应激、细胞和基因毒性，明确生物转化过程和代谢产物对其植物毒性的贡献；通过体外代谢结合分子模拟研究植物酶与手性溴代阻燃剂的相互作用，确定解毒代谢的关键亚酶；采用基因芯片、生物信息学等研究手性溴代阻燃剂生物转化过程中植物表达谱差异，筛选主要基因，识别特征代谢通路，揭示植物中生物转化和毒性效应选择性分子机制，加深对其环境过程和效应的认识。

手性溴代阻燃剂立体化学结构复杂，其分离分析方法繁琐，异构体和对映体单体的获得困难，从立体异构体水平对其环境行为研究还非常有限。植物作为食物链中重要的生物介质，其生物大分子如：酶的特异性结合和传导会引起手性化合物与植物的特异性相互作用。目前，植物中的手性溴代阻燃剂的生物吸收、转化过程与生物效应及选择性分子机制认识欠缺。本项目以六溴环十二烷（HBCD）和四溴乙基环己烷（TBECH）为研究对象，结合野外采样和室内模拟实验，研究了手性溴代阻燃剂的的生物累积、转化和毒性效应。建立并优化了植物中手性溴代阻燃剂分离分析方法，成功制备了其异构体及对映体单体，发现了电子垃圾、废旧塑料等实际污染场地土壤-植物系统中典型手性溴代阻燃剂的土壤分布和植物累积的选择性，并检测到了转化产物；以玉米为模型植物的实验室暴露实验同样证明了手性溴代阻燃剂在植物中存在对映体和异构体选择性吸收累积和传输的生物过程，且植物中手性溴代阻燃剂发生了脱溴、羟基化以及结合等转化反应，利用同源建模构建了植物酶的三维结构，结合分子对接表征了生物酶与手性溴代阻燃剂的相互作用，解释了手性溴代阻燃剂生物吸收和转化的选择性；进一步的活体和离体降解反应结合分子模拟证明了细胞色素P450酶对植物体中手性溴代阻燃剂转化的关键驱动作用；继而，应用激光扫描共聚焦显微镜（CLSM）原位观测技术，比较了手性溴代阻燃剂立体异构体间的植物毒性差异，采用定量PCR技术分析了植物的抗氧化酶基因的表达，并利用高分辨质谱表征了植物根系分泌物分子组成多样性，从植物个体、基因和分子水平阐述了手性溴代阻燃剂的选择性植物毒性及植物响应的机制。本项目有助于加深对手性溴代阻燃剂环境过程和生物效应的认识。