新污染物具有來(lái)源廣泛、生物毒性隱蔽、環(huán)境持久性和生物累積性等特征。了解其在環(huán)境中的賦存特征、轉(zhuǎn)化行為和健康效應(yīng)是科學(xué)監(jiān)測(cè)和有效治理新污染物的關(guān)鍵。二甲雙胍因療效好、價(jià)格低、無(wú)毒副作用等優(yōu)勢(shì)已成為治療2型糖尿病的一線藥物，其在多囊卵巢綜合征、癌癥、肥胖、炎癥和衰老等方面也具有良好療效，因此被稱為“神藥”、“萬(wàn)能藥”。值得注意的是，該藥物被攝入后并不能被人體代謝，幾乎100%未經(jīng)修飾地隨著尿液和糞便排出體外，導(dǎo)致其在全球水環(huán)境中廣泛存在。二甲雙胍因其具備導(dǎo)致生物的形貌改變、內(nèi)分泌紊亂和基因異常表達(dá)等毒性效應(yīng)，因此它當(dāng)前被認(rèn)定為一種新污染物。
近日，西湖大學(xué)工學(xué)院鞠峰團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地總結(jié)了二甲雙胍藥物在全球水環(huán)境中的賦存特征、環(huán)境轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物風(fēng)險(xiǎn)，并評(píng)估了其對(duì)水體中人用藥物污染的指示能力。該綜述論文以“Metformin Contamination in Global Waters: Biotic and Abiotic Transformation, Byproduct Generation and Toxicity, and Evaluation as a Pharmaceutical Indicator”為題發(fā)表在環(huán)境領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《Environmental Science & Technology》，博士研究生賀圓珍為第一作者，課題組負(fù)責(zé)人鞠峰特聘研究員為通訊作者，西湖大學(xué)工學(xué)院特聘研究員張巖巖為共同作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)青年基金和西湖教育基金的資助。
二甲雙胍在環(huán)境遷移中會(huì)發(fā)生生物和化學(xué)轉(zhuǎn)化。以往的綜述主要總結(jié)了不同處理方法對(duì)二甲雙胍的去除效率，而忽略了二甲雙胍在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化過(guò)程、產(chǎn)物形成以及轉(zhuǎn)化是否會(huì)降低生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。另外，鑒于人用藥物在水環(huán)境中不斷涌現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行徹底的監(jiān)測(cè)是不現(xiàn)實(shí)的，因此化學(xué)指示劑被提出用于跟蹤藥物的污染。因其滿足生活污水來(lái)源，水環(huán)境中持續(xù)存在和易于分析檢測(cè)等化學(xué)指示劑的特征，二甲雙胍具有作為人用藥物污染指標(biāo)劑的潛力。
為了全面地認(rèn)識(shí)二甲雙胍及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的環(huán)境行為和健康效應(yīng)，并探究其對(duì)水環(huán)境中藥物污染的指示能力，研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)全球水環(huán)境中的二甲雙胍污染進(jìn)行了簡(jiǎn)要概括，隨后系統(tǒng)地總結(jié)了二甲雙胍轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的形成路徑、賦存特征和毒性風(fēng)險(xiǎn)，最后，基于全球數(shù)據(jù)評(píng)估了二甲雙胍在不同水系統(tǒng)中作為藥物污染指示劑的適用性。本綜述豐富了二甲雙胍在全球水環(huán)境中遷移轉(zhuǎn)化的認(rèn)知，并針對(duì)其在環(huán)境行為、轉(zhuǎn)化產(chǎn)物和健康風(fēng)險(xiǎn)等方面提供了未來(lái)研究方向。
圖1. 全球水系統(tǒng)中二甲雙胍的賦存：（A）各種水系統(tǒng)中檢出二甲雙胍的比例及濃度范圍；（B）各大洲檢出二甲雙胍的文章數(shù)量及在水環(huán)境中的平均檢出頻率，括號(hào)內(nèi)數(shù)字代表在各大洲檢出二甲雙胍的國(guó)家數(shù)量。
全球數(shù)據(jù)分析表明，二甲雙胍已在全球91個(gè)國(guó)家的污水、地表水、雨水、地下水和飲用水中檢出，濃度從0.2 ng/L到1.18 mg/L（圖1），且濃度水平隨二甲雙胍的消費(fèi)量還在不斷攀升；還發(fā)現(xiàn)其在全球水系的分布格局受社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，尤其是在中等收入國(guó)家污染程度顯著高于低收入和高收入國(guó)家。鑒于當(dāng)前二甲雙胍的研究大多集中在中國(guó)、美國(guó)和德國(guó)，建議未來(lái)應(yīng)對(duì)中等收入國(guó)家和前期研究較少區(qū)域加大監(jiān)測(cè)與研究力度。
圖2. 二甲雙胍在污水生物反應(yīng)器（A）、高級(jí)氧化過(guò)程（B）、自然水體（C）和氯化消毒過(guò)程（D）中的降解轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物形成過(guò)程。
二甲雙胍在水環(huán)境中可通過(guò)微生物降解、高級(jí)氧化、自然衰減、氯化消毒等生物和非生物途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化（圖2），但這些過(guò)程無(wú)法將二甲雙胍完全去除（1%-97%）和礦化（<20%），目前已有32種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物被鑒定。課題組前期研究表明，部分轉(zhuǎn)化產(chǎn)物已在污水和地表水體中檢出或有響應(yīng)信號(hào)（He et al., 2022），且生物體測(cè)試和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明這些產(chǎn)物的毒性和健康風(fēng)險(xiǎn)都較二甲雙胍顯著增強(qiáng)（Zhang et al., 2021; He et al., 2022）。但因大部分轉(zhuǎn)化產(chǎn)物缺乏可用于定量的化學(xué)品，其環(huán)境濃度、生物體毒性、聯(lián)合毒性及長(zhǎng)期暴露風(fēng)險(xiǎn)還有待進(jìn)一步探究。
圖3. 二甲雙胍或咖啡因與污水廠進(jìn)水（A和B）和地表水（C和D）中剩余藥物濃度總和（∑Phs）的相關(guān)性分析。統(tǒng)計(jì)分析的樣品數(shù)量：進(jìn)水69個(gè)、污水廠出水38個(gè)、雨水50個(gè)、地表水817個(gè)。
基于當(dāng)前全球污水廠進(jìn)水、污水廠出水、雨水、地表水的監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)分析與論證（圖3），提出二甲雙胍可作為區(qū)域和國(guó)家范圍內(nèi)水環(huán)境中人用藥物污染的可靠指標(biāo)，其指示能力可替代或優(yōu)于咖啡因、三氯蔗糖和卡馬西平等傳統(tǒng)指示劑；還提出可基于二甲雙胍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)人用藥物的污染水平。
課題組前期研究已發(fā)表相關(guān)論文：
He YZ, Ju F* et al. 2022. Prevalence, production, and ecotoxicity of chlorination-derived metformin byproducts in Chinese urban water systems. Science of The Total Environment, 816, 151665.
Zhang RS#, He YZ#, Yao LX#, Ju F*, Wu LF* et al. 2021. Metformin chlorination byproducts in drinking water exhibit marked toxicities of a potential health concern. Environment International, 146, 106244. (# equal contribution)
總 結(jié)
本綜述從環(huán)境轉(zhuǎn)化和產(chǎn)物形成的角度拓展了對(duì)二甲雙胍的環(huán)境行為和毒性效應(yīng)的認(rèn)知。同時(shí)通過(guò)對(duì)全球數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，論證了這一糖尿病藥物對(duì)人用藥物污染的可靠指示能力，可用于預(yù)測(cè)水環(huán)境中未監(jiān)測(cè)人用藥物的污染狀況。另外，隨著二甲雙胍污染程度的不斷增強(qiáng)和其環(huán)境轉(zhuǎn)化風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)期暴露，為保障飲用水安全及生態(tài)和人類健康，本文從環(huán)境監(jiān)測(cè)、去除轉(zhuǎn)化、產(chǎn)物鑒定、毒性效應(yīng)、健康風(fēng)險(xiǎn)和藥物污染指示等方面提出了二甲雙胍作為環(huán)境新污染物的未來(lái)研究方向。
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