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双酚类化合物（bisphenols，简称BPs）是一系列由碳或硫原子桥连两个对羟苯基形成的化合物，其结构示意图如图1所示. 这些化合物被广泛应用于聚碳酸酯和环氧树脂的生产，存在于婴儿奶瓶、塑料水瓶、食品储存容器、牙齿填充物、热敏纸和压敏纸、纸币、收据和玩具等物品中. 此外，它们还被用于隐形眼镜、新生儿培养箱和雾化器等医疗设备和医疗保健服务中[1-2]. 通过食用聚碳酸酯容器或涂有环氧树脂的易拉罐容器等包装的食物，人们会面临直接的BPs暴露风险. 其中，双酚A（bisphenol A，简称BPA）是最早生产使用的一种BPs. 自从1938年Dodds等首次报道了BPA对大鼠具有雌激素效应以来[3]，大量研究发现BPA与肥胖、糖尿病、乳腺癌、心血管疾病、肾脏疾病、慢性呼吸道疾病、牙齿发育障碍、行为障碍和生殖障碍等一系列健康问题有关[4-5]. BPA对中枢神经系统、心血管系统、免疫系统、呼吸系统和肾脏系统都有不利影响，而且能穿透胎盘屏障直接影响胎儿[6].
随着人们对BPA毒性的深入了解，多个国家陆续出台了限制或禁止BPA生产和使用的政策. 进而，越来越多的新型BPs被用作BPA的替代品投入生产和使用. 目前，主要的BPA替代品包括双酚F（bisphenol F，BPF）、双酚AF（bisphenol AF，BPAF）、双酚S（bisphenol S，BPS）、双酚B（bisphenol B，BPB）、双酚Z（bisphenol Z，BPZ）、二甲基双酚A（dimethylbisphenol A，DMBPA）等，本文亦将四溴双酚A（tetrabromobisphenol A，TBBPA）与常见BPA替代品一并归入BPs进行讨论分析，具体化学结构见图2. 其中，BPF、BPS和BPAF是聚碳酸酯和环氧树脂制造中最主要的BPA替代品，应用非常广泛[2]. 例如，BPF可用于清漆、衬垫、黏合剂、塑料水管以及牙科密封剂、口腔修复装置、组织替代品和食品包装涂层的生产[7]；BPS可用于环氧胶、罐头涂料、热敏纸的生产，以及染料和鞣剂的添加剂[8]；BPAF被用作氟橡胶、电子和光纤中的交联剂，以及聚酰亚胺、聚碳酸酯和其他特种聚合物的高性能单体等[9-10]. BPs在环境水体、饮用水及生物体中的检出率和浓度也越来越高[2,11]，因此人类面临着日益升高的BPs暴露风险. 需要注意的是，这些BPs也并非完全安全. 例如，BPS具有复杂的内分泌干扰效应，而BPF则存在轻度到中度急性毒性和弱雌激素活性[12-13]. 更值得关注的是，BPs进入人体后会经历一系列生物代谢转化，形成多种代谢产物，产生未知毒性效应，因而对人类生命健康的影响不容小觑[14]. 因此，对新型BPs生物代谢机理开展研究，进一步评估其代谢转化的安全性，有助于减小BPs对人体健康造成的可能危害，寻找最佳BPA替代产品. 本文对BPA及其替代品等BPs的实验和计算代谢研究方法、代谢产物鉴定方法及反应分子机制理论解析等方面的研究进展进行了回顾总结和展望.
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双酚类物质代谢实验研究可分为体内（in vivo）和体外（in vitro）两种，采用的生物系统如表1所示. 体内实验研究最常采用动物模型，直接获得动物或人类的相关代谢信息；体外实验研究常用的生物系统包括微粒体、S9系统等亚细胞和细胞部分，以及各种复杂的组织. 本部分将讨论BPs体内和体外代谢实验研究最常用生物系统的优缺点.
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模式动物是研究外源性物质在生物体内不利影响的一种重要研究体系. 通常采用诸如啮齿动物、斑马鱼、果蝇和线虫等动物模型，通过分析受试动物体内BPs水平随时间变化情况、代谢产物鉴定等，直接获得动物或人类体内相关的代谢历程信息[15]. 然而，这一实验方法也存在着一定的局限性. 例如，由于人类生理机能、代谢酶亚型和代谢过程与动物模型不完全相同，难以将动物模型的研究结果直接外推应用到人类身上. 此外，使用哺乳动物等模式生物的实验会涉及到伦理和道德问题. 另外，体内实验研究会消耗巨大的物质和时间资源，不适用于大批量物质的代谢研究.
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（1）人肝微粒体
人肝微粒体（human liver microsomes，简称HLMs）因为具有成本相对较低、商业可获得性较高以及易于制备处理等优点，是研究外源性物质代谢最常用的工具[16]. HLMs是对人源肝脏组织匀浆采用差速离心方法制备而成，其中富含Ⅰ相细胞色素P450酶（cytochrome P450，简称CYP450）和Ⅱ相尿苷二磷酸葡糖醛酸转移酶（uridine-diphosphate-glucuronosyl transferases，简称UGTs）. 在其对外源物质代谢孵育过程中需要补充所需的酶辅因子，如补充磷酸腺苷二磷酸酯（the reduced form of nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，简称NADPH）可以激活CYP450. HLMs包含了所有的CYP450亚型，例如HLMs中已知57种CYP450亚型，可较为真实地还原动物肝脏体系，开展BPs体外代谢实验研究；然而使用HLMs难以判断具体哪种CYP450亚型对代谢反应起到主导作用.
（2）肝S9系统
肝S9系统是一种亚细胞体系，由肝脏匀浆在7400 r·min−1转速的离心机中离心分离得到. 该组分含有包括硫酸转移酶（sulfotransferases，简称SULTs）和羧酸酯酶（carboxylesterases，简称CES）等的细胞质酶以及包括CYP450和UGT等的微粒体酶，可以提供更全面的代谢信息，对研究外源物质的生物代谢具有重要意义. 与肝微粒体相比，S9系统所涉及的代谢过程更加复杂，可以通过添加各种辅酶因子激活其Ⅰ相和Ⅱ相代谢功能，如添加尿苷二磷酸葡萄糖酸（uridine diphosphate gluconic acid，简称UDPGA）可激活UGT，添加3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸（3′-phosphoadenosine-5′-phosphosulfate，简称PAPS）可激活SULTs，添加乙酰辅酶A（acetyl coenzyme A，简称CoA）则可激活乙酰转移酶（acetyltransferase，简称AT）. 然而，与HLMs相比，S9系统包含的CYP450活性通常较低，当分析设备的灵敏度较低时，会限制它们在某些体外实验代谢研究中的应用.
（3）重组酶
使用肝脏的分离部分进行代谢孵育实验，可以有效评估外源物质代谢程度，并鉴定在体内可能生成的代谢产物. 然而，由于HLMs、S9系统或其他肝细胞分离物中均含有多种酶，难以确定具体哪些酶参与了代谢. CYP450重组酶是通过基因工程和细胞工程技术，将某个CYP450亚型cDNA序列整合至异源表达载体上并转入异源表达系统内，利用异源宿主大量表达，再经分离纯化制备而成的[17]. 因此，使用单个重组酶可以确定具体参与代谢外源性物质的酶亚型，并能够表征反应速率. 虽然重组酶技术可以消除由于体内组分的复杂性而引入的误差，然而由于它们是在异源系统中表达的，存在一定程度的变异和不确定性，这可能导致其在代谢方面的准确性受到影响. 此外，重组酶需要耗费大量的时间和资源进行表达和纯化，同样难以适用于大量外源性物质的高通量筛查.
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常见的体外代谢实验研究流程包括将BPs与混合的CYP450（如HLMs和S9系统）或特定的CYP450（如重组酶）以及辅因子NADPH共同孵育，经一定时间后测量代谢产物. 体内代谢实验研究方法则主要包括用含BPs食物饲喂实验动物，喂养一段时间后获取生物样品并检测代谢产物. 其中，液相色谱-质谱联用技术（liquid chromatography-mass spectrometry，简称LC-MS）是目前最为常用的体外代谢产物检测与分析方法[18]. 在LC-MS中，最为关键的信息是与分子量相关的分子离子峰，最常见的是正离子模式下的M+1峰和负离子模式下的M-1峰. 基于所执行的质谱检测类型，可以进行一系列基于质谱的实验来表征代谢产物，包括MS/MS、MSn、MSe、中性损失等. 通过分析质谱数据，还可以直接推断一些代谢物的结构，例如芳香环增加15.99个质量单位，则表明形成了羟基化代谢产物. 此外，通过分析代谢产物的谱图数据，可以基于常见的分子碎片数据对代谢产物进行推断. 然而，过度依赖常见碎片经验可能导致重要代谢产物的遗漏.
尽管一些外源性物质的代谢反应仅涉及简单的羟基化和环氧化代谢，然而外源性物质在CYP450的介导下仍有可能会发生复杂的反应，可导致复杂代谢产物的生成[19]. 例如，（1）再氧化作用；（2）中间体的重排，特别是高自旋状态下发生的重排反应；（3）酶催化反应后反应性代谢物的进一步反应. 在代谢产物的检测中，一方面在生成代谢产物的质谱图之后，可以通过比较疑似代谢物峰的质谱图与母体化合物的质谱图，检查碎片模式，并结合最有可能形成的代谢物结构来表征代谢产物，也可通过生成的代谢产物质谱图中定制软件包进行筛查. 另一方面，也可以在进行基于质谱的检测分析之前，基于对代谢反应化学知识的了解，预判可能发生的代谢反应. 例如，通过MetaSite[20]或SMARTCyp[21]等代谢预测软件，可对CYP450介导外源物质代谢产物进行预筛选. 然而，基于质谱的检测分析技术存在无法确定确切代谢位点的限制，在这种情况下，可以采用代谢物分离后的结构鉴定技术进一步研究，例如核磁共振技术（nuclear magnetic resonance，简称NMR）[22-23].
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理论计算化学是一种通过计算机模拟解决化学问题的方法，力学基础主要源自分子力学和量子力学. 对于具有高度结构可塑性和复杂活性位点的酶蛋白而言[24-25]，基于分子力学的分子动力学模拟等方法在模拟酶的动态过程中扮演着重要角色，可用于确定底物和酶的结合模式[26-30]. 而量子化学方法则可详细描述代谢转化核外电子扮演的角色及其对反应的影响，特别是涉及传统化学键断裂和生成等关键基元反应过程，接下来就其进行详细介绍.
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量子化学是应用量子力学的规律和方法来研究化学问题的一门学科，其研究范围包括分子的结构、性质和相互反应机理等. 量子化学的基本假设是微观粒子或体系的性质完全由状态波函数
Ψ 描述，遵从薛定谔方程（Schrödinger equation）. 因此，量化计算实质就是求解薛定谔方程，以获得原子和分子的核外电子运动情况，并解析分子的空间结构、电荷分布，原子间结合能和结构与性质的关系甚至反应途径（核运动规律）[31]. 但由于多电子体系的哈密顿算符较为复杂，需要引入各种近似方法来求解多电子体系薛定谔方程. 其中，Hartee-Fock（HF）方法是一种基于波函数的量子化学方法，其核心思想是假设多电子体系的波函数可以表示为多个单电子波函数的乘积[32]，可以精确处理小分子. 但随着分子增大，HF计算的复杂性急剧增加，难以处理大分子体系. 此外，HF方法忽略了电子的强关联效应，对分子性质的计算精度有很大影响.相比之下，DFT方法不是基于波函数，而是基于电子密度，而电子密度可以通过实验测量得到[33]. DFT方法考虑了相对论和自旋极化效应的影响，对于重元素和自旋极化强的分子比HF方法有较高精度，在预测分子性质和反应路径方面展现了强大的作用. 譬如2022年Science报道的全氟烷基羧酸在极性非质子化溶剂二甲亚砜与极性质子化溶剂水以体积比8∶1共存的碱性条件下（污染物与氢氧化钠物质的量比是30∶1），能在相对较低温度下通过脱羧作用生成活泼的碳负离子而快速分解乃至最终矿化就充分证实了这一点[34]. 此外，DFT方法计算量小，计算速度相对较快，对于CYP450催化转化污染物这样的体系具有较大优势[35]. 然而，DFT方法中不同的密度泛函对于不同的体系有不同的计算精度，因此选择合适的泛函对于DFT方法的计算结果至关重要. 对于酶催化转化污染物计算研究来说，从简单的局部密度近似方法（local density approximation，简称LDA）到广义梯度近似方法（generalized gradient approximation，简称GGA），以及meta-GGA泛函方法等都有所应用. 但在实践中，首选的是混合泛函，如B3LYP泛函. 一般来说，B3LYP在许多特性上表现良好，即使与最近提出的高度参数化的泛函方法如M06系列泛函相比，在各种特性尤其是相对能量和反应势垒方面也表现更为出色. 另一方面，B3LYP可以很好地再现含血红素体系在不同自旋态下的能量，而血红素酶CYP450是非常重要的外源物质Ⅰ相代谢酶，所以B3LYP在BPs生物代谢转化机理计算研究中被广泛应用. 但B3LYP方法已经提出近30年，在准确度和精确度方面有所不足，虽然目前仍占主导地位，但可以期待未来越来越多更先进的密度泛函方法将会被运用于BPs生物代谢机理的理论计算研究中[36]. 此外，大多数DFT方法不包含重要的色散相互作用，因此近年来通过将经验色散效应包含到现有的泛函中（如B3LYP-D）进行补偿，对计算精度已有了巨大改善[37-40].
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过渡态理论（transition state theory，简称TST）是一种广泛用于化学反应动力学速率常数研究的统计力学理论[41]. 其核心假设是化学反应的速率由一个过渡态决定. TST利用势能面（potential energy surface，简称PES）的概念，将连接两个极小值的最小能量路径的最高点与过渡态联系起来. 以CYP450催化反应为例，底物分子首先与酶反应活性中心化合物Ⅰ（compound Ⅰ，简称Cpd Ⅰ）的铁氧基团相互作用形成反应物复合物，底物分子的一些活性位点被催化激活，发生键的断裂和形成，从而发生代谢反应，代谢产物最后从CYP450的活性中心解离. 反应活化能是反应物复合物变化到过渡态对应的激活能，它在Born−Oppenheimer自由能面的鞍点处计算，因为在反应坐标上是一个极大值，所以由一个虚频表征. 从PES上可以探测不同的代谢反应机理，并为每个机理关联反应坐标图. 然而，TST无法处理长距离和非键合电子转移机制，这可以通过Marcus理论解决. 感兴趣的读者可以参考相关文献[42-44].
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量子化学计算的准确性不仅取决于计算方法，还取决于所采用的化学模型. 理想的化学模型应该在考虑计算成本的同时也要考察酶所有关键位点，以便能够准确地模拟酶的催化性能[45-46]. 由于完整的酶蛋白质含有数以万计的原子，无法直接用量子化学方法高效描述. 为了使用DFT等量子化学方法研究代谢机制，通常需要分割出酶的活性位点或者团簇模型，以量子化学方法处理模型中的所有原子. 所选择的活性位点往往是酶参与催化反应的最小区域.
由于BPs在以CYP450为代表的Ⅰ相代谢酶的催化下，会被引入羟基、羧基等极性集团，BPs反应活性增强，易生成高毒性的中间体或产物，是其产生潜在健康风险的主要代谢途径，故接下来以CYP450为例，具体介绍酶的量子化学计算模型. CYP450是一类以铁卟啉结构为催化活性中心的血红素蛋白酶的统称，其活性位点由原卟啉环外接四个甲基、两个乙烯基、两个电离的丙酸基，以及来自半胱氨酸残基的硫醇基和氧基这两个轴向配体组成. 使用DFT方法模拟CYP450的常规做法是采用简缩的活性中间体模型，即Cpd I模型. 简化做法是去除卟啉环连接的基团，同时轴向的氨基酸配体用巯基（—SH），甲基硫酸盐（—SCH3）或者半胱氨酸（—SCys）替代. 对外部酶蛋白环境采用溶剂化模型，如极化连续介质模型（polarizable continuum model，简称PCM）模拟处理.
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本文进行了全面的文献综述，旨在找到描述包括双酚A及其替代化学品（图2）在内的BPs代谢反应过程的研究. 文献搜索包括2023年3月之前发表的所有文章，在PubMed数据库中进行电子搜索. 用于识别描述每种双酚类物质代谢研究的搜索策略见表2. 本文只选择原创研究文章，排除综述文章. 在接下来的步骤中，仔细检查部分选定研究的全文版本，并将相关研究的数据呈现在本综述中. 双酚类物质代谢实验研究分为体内和体外两种，生物代谢类型可分为Ⅰ相和Ⅱ相反应两种类型. 其中，BPs在CYP450等的催化下发生Ⅰ相反应后，可能会生成一些高毒性的中间体或产物，是BPs存在健康风险的一个主要原因. 而Ⅱ相反应则涉及BPs与葡萄糖醛酸等内源物质的结合，由UGTs、SULTs等催化完成，可以降低BPs的生物毒性，起到脱毒的作用，因此，BPs的Ⅰ相代谢反应引起了人们的极大重视. 但从检测结果看，Ⅱ相反应的产物检出较多.
双酚类物质的葡萄糖苷酸和硫酸盐共轭复合物是体内Ⅱ相代谢的两种主要产物. 以BPA为例，在人体中，BPA能迅速葡萄糖醛酸化并通过尿液排出体外，而在大鼠中BPA则经历肠肝循环[47]. 肝脏中的UGT2B15和UGT1A9是催化BPA葡萄糖醛酸化的两种主要UGTs酶亚型[48]. 此外，呼吸系统、肠道和乳腺组织中的其他UGTs也对BPA的代谢有影响[49-50]. BPs的硫酸化复合物是双酚类物质的另一个重要代谢产物，但是其代谢仅占较小的比例[51]. 例如，在30名志愿者中检测到的BPA代谢产物主要是BPA葡萄糖醛酸化产物，其次是BPA硫酸化产物和非结合态的BPA. 硫酸转移酶SULT1A1是负责BPs硫酸化的主要SULTs亚型，其活性最高，其次是SULT1E1和SULT2A1[52-53].
体内研究检测到双酚类Ⅰ相氧化代谢产物的情况很少，而且代谢产物也会进一步发生结合反应，最终以葡萄糖醛酸结合物等结合形式出现[54-55]. BPA甲基和芳环羟基化合物2,2-二（4-羟基苯基）-1-丙醇和2-（3,4-二羟基苯基）-2-（4-羟基苯基）丙烷的葡萄糖醛酸结合物在尿液中被检测到[54-55]. 非结合态的BPA邻位羟基产物也在粪便中被检测到，但是这很可能是结合产物在肠道细菌作用下脱结合所导致的结果[55-56]. 此外，BPs的邻醌以DNA加合物的形式在CD1雄性大鼠代谢研究中被检测到[57]. 这种BPs邻醌形成的机制被认为是通过CYP450介导苯酚环的羟基化作用形成BPs邻位羟基化合物，继而再被氧化成反应性的BPs邻醌，并进一步与谷胱甘肽结合而形成[58].
双酚类化合物的体外Ⅰ相代谢研究主要使用肝细胞、肝或肠微粒体、S9系统或重组酶进行. 将NADPH添加到如微粒体、S9系统等酶源，检出邻位羟基化BPA是BPA的主要代谢产物[59-60]. 已有研究指出CYP450中的CYP2A1和CYP2C9是参与BPA酚环羟基化的2种主要亚型[59]. 尽管在体外代谢实验中检测到对苯二酚（hydroquinone，简称HQ）、对异丙烯基苯酚（4-isopropenylphenol，简称IPP）、对异丙醇苯酚（4-hydroxycumyl alcohol，简称HCA）和4-甲基-2,4-二对羟基苯基-1-戊烯（4-methyl-2,4-bis（p-hydroxyphenyl）pent-1-ene，简称MBP）等其他氧化代谢产物的浓度较低，但已有证据表明代谢物HCA的雌激素活性大约是BPA的100倍，而二聚体MBP则表现出更高的雌激素活性，约为BPA的1000倍[61-62]. Nakamura等提出HQ、IPP和HCA是通过BPA的原位（ipso）加成-取代反应形成的[61]. 这一结果表明BPA的原位（ipso）加成-取代路径虽然不是CYP450主要催化转化方式，但是其代谢产物的强内分泌干扰效应提示该路径在BPA的系统毒理学机制中扮演着一定角色，特别是在一些葡萄糖醛酸酶缺乏的情况下，这一代谢途径所导致的毒性作用不容忽视.
相应地，其他BPs的体内及体外代谢产物亦有报道. 除了葡萄糖苷酸和硫酸盐共轭复合物外，BPB、BPF、BPAF、BPS等的体外氧化代谢过程主要产生羟基化产物. 如在BPF、BPAF、BPZ和DMBPA与人肝微粒体孵育试验中，均检测到了BPF、BPAF、BPZ和DMBPA对应的邻位羟基化代谢产物[60]. 甚至在雄性大鼠肝微粒体孵育实验中，还检测到了二邻位羟基化BPF[23]. 在BPS的人肝微粒体孵育体外代谢试验中，也检测到了其邻位羟基化代谢产物[63]. 在DMBPA与S9组分和NADPH共孵育代谢实验中，也发现了DMBPA邻位羟基化代谢产物[59]. 此外，BPAF与人肝微粒体在NADPH存在下共孵育试验中，还检测到分解产物4-（1,1,1,3,3,3-六氟-2-羟基异丙基）苯酚和4-羟甲基苯酚，表明BPAF类似于BPA可发生ipso取代反应[62]. 采用大鼠肝S9系统对BPB的Ⅰ相转化过程开展研究，Yoshihara等采用液相色谱-串联质谱技术鉴定了BPB的羟基化及裂解产物，包括BPB的邻位羟基化物和邻苯醌[62]. 此外，两种低极性的二聚化代谢产物包括5-乙基-3,5-二对羟基苯基-3-己烯和5-乙基-3,5-二对羟基苯基-2-己烯[62]亦有检出. 这两种化合物被认为是BPB的烷基和苯环C—C键断裂后进一步发生异丁烯酚自由基二聚化形成的[59-62].
事实上，除了上述羟基化、裂解产物及二聚化物质外，Ashrap等报道了一类普遍存在于酚类污染物的新型代谢产物，即醚类代谢物[64]. 通过酚类污染物三氯生（triclosan，简称TCS）、BPA及氯酚等分别在鲈鱼、鹌鹑和人肝微粒体的体外代谢以及大鼠活体代谢研究，发现这些酚类物质可形成TCS-O-TCS、BPA-O-BPA等脂溶性更强的醚类代谢产物. 并且，这类醚类代谢物在普通人群的尿液中也被高频检出. 由于具有较高的脂溶性，这类新型代谢产物与组成型雄烷受体（constitutive androstane receptor，简称CAR）等受体具有更高的结合活性，如TCS-O-TCS与CAR的结合活性是其母体化合物TCS的7.2倍. 而除了外源性酚类物质自身结合成醚类物质外，Liu等报道BPA等酚类污染物甚至可以与维他命E及雌二醇等人体内源性物质相互结合，致使维他命E浓度降低而增加体内活性氧物质的浓度，从而影响人体正常生理功能[65].
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与大量BPs类物质代谢转化的实验研究相比，相关的理论计算研究数量有限，多集中于BPA代谢转化的分子机制研究. 本论文将重点从理论计算研究的角度讨论BPs经CYP450介导的氧化转化反应分子机制. BPs可能的反应包括：（1）脂肪链羟基化反应；（2）芳环羟基化反应；（3）酚羟基活化及后续裂解或氧中心自由基偶联反应. 此处以BPA反应为例，逐一详述反应过程.
脂肪族和芳香族羟基化反应途径已在CYP450催化多种替代底物中被广泛研究，通常表现为分步反应[66-68]. BPA脂肪链羟基化机制始于Cpd I提取底物脂肪烃基上的氢原子，通过“双态反应”过程[69]，即在低自旋二重态和高自旋四重态两个自旋势能面上进行. 通常情况下，脂肪链基团上的H抽提后形成自由基中间体，之后经过反弹过渡态形成醇类产物. Dias等人运用包含底物结合口袋部分的222个原子较大活性中心模型，开展了BPA脂肪烃基羟基化反应过程的DFT计算，发现BPA分子可以在酶口袋中紧密结合，然而底物分子却难以在结合区域充分旋转使其甲基指向血红素，从而在对构型不加限制或固定部分残基原子进行限制时分别导致模型崩溃或得到高能路径. 因此，Dias等分析由于底物分子的体积和形状以及CYP450底物结合口袋大小的限制，认为CYP2C9催化BPA分子中甲基基团羟基化这一反应路径可以排除[70]. 然而，尽管目前关于BPA与CYP2C9的实验研究未有检测到BPA甲基的羟基化产物，这一产物在Zalko等关于怀孕CD1小鼠体内BPA代谢研究中曾有报道[55]，说明CYP450的其它亚型可能会催化BPA发生甲基羟基化反应.
与Cpd Ⅰ催化的脂肪链羟基化不同，在芳环羟基化过程中存在亲电和自由基这2种途径的相互作用，以酶进攻苯环大π体系形成σ-络合物起始. 底物首先和铁氧基阳离子自由基经亲电加成生成C—O键并形成复合中间体[71]. Cpd Ⅰ对芳环的亲电加成导致迈森海默复合物（meisenheimer complex）的形成，该复合物可以是阳离子型或自由基型中间体. 现有研究表明，阳离子和自由基型中间体的能量差距仅有几千卡路里，并且它们的稳定性排序和相对能量大小易受外部扰动的影响[24,72]. 在迈森海默复合物形成后，ipso-C上的质子转移到最近的吡咯氮原子上，形成质子化的卟啉中间体. 而这一N质子化中间体可以中继H，从而协助质子穿梭到底物的氧原子上，形成芳环的羟基化产物. 此外，Yadav等认为Cpd Ⅰ亲电加成形成的迈森海默复合物可在含有羟基的碳原子处发生闭环过程，形成环氧化物[73]. 事实上，Dias等的研究认为BPA的环氧化过程是个高能垒高吸热过程，而Ji等基于Cpd Ⅰ模型开展的苯环亲电加成路径研究同样发现这一过程需要跨越较高的反应能垒[35]. 因此，形成环氧化物的路径可被排除. 而在实验研究中，也从未有检测到BPA环氧化物代谢产物的研究报道.
关于酚羟基的活化历程，Ji等研究认为，Cpd Ⅰ抽提BPA酚羟基的氢原子后，会生成含Fe—OH基团的化合物Ⅱ（compound Ⅱ，简称Cpd Ⅱ）和BPA酚氧自由基中间体，Fe—OH基团的·OH自由基反弹至BPA酚氧自由基苯环的原位（ipso）、邻位（ortho）和间位（meta）上，并生成相应的醌醇中间产物. 羟基自由基的反弹过程在低自旋二重态下是无能垒进行的，其中反弹到ipso-C和ortho-C位点的反应均是强放热反应，在热力学上可自发进行；而反弹到meta-C位点的反应则是吸热反应，该过程在热力学上不能自发进行. 这一结果合理地解释了CYP450催化BPA代谢转化实验中没有检测到间位羟基化代谢产物的原因[59-61]. 邻位反弹醌醇中间产物会在环境水分子的协助下，实现氢转移从而生成邻位羟基化产物；原位反弹醌醇中间产物会进一步发生C—C键的裂解，在水分子等的协助下形成HCA、IPP和HQ. 计算所得的代谢产物与实验检测结果相一致[35].
如前所述，Ashrap等[64]发现酚类污染物经CYP450介导可形成偶联的醚类代谢产物，然而目前仍缺乏对这一过程的理论认识. Guo等采用DFT计算，通过探索涉及双自由基偶联、自由基加成和电子转移的可能的偶联机制，揭示了TCS到TCS-O-TCS的代谢途径. 所得结果表明酚偶联过程可通过CYP450的活性中心Cpd Ⅰ和Cpd Ⅱ经低能垒的双自由基机制而非自由基加成机制进行. 当高自旋四重态下的羟基反弹势垒较高时，酚氧自由基能够具有足够长的寿命实现双自由基偶联[74]. 这一理论认识提示我们，可将这一双自由基偶联途径推广到包括BHPF在内的其他外源性乃至内源性酚类物质的代谢性能评价中.
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双酚类化合物在环境介质、食品、消费品甚至人体中的大量检出，表明BPs存在着全球性大规模的污染趋势. 尽管最具代表性的BPA已被各国政府禁止或限制生产使用，但越来越多的BPA替代品涌入人们的生产生活中，而这些替代品并非完全安全. 特别是BPs在体内的转化产物可能具有比其母体更复杂的内分泌干扰效应和毒性效应，对于人类生命健康的影响不容忽视. 本综述从BPs在体内和体外代谢研究方法、代谢机制理论计算研究方法，及在实验和计算方面已取得的研究成果进行了回顾和总结. 尽管过去数十年间毒理及环境科研工作者对BPs的代谢过程、代谢产物及其可能毒性效应开展了大量体内和体外的研究工作，并达成一定共识，但仍有一些问题或方法需要进一步解决优化. 第一，分析技术的进步将促进BPs研究在人体暴露、代谢和毒性等领域的发展，因此，仍需强大的分析检测方法来鉴定潜在的环境和代谢转化产物. 第二，以往的代谢研究仅局限于少数选定的BPs化合物，而对大多数类似物特别是近年来新使用的BPA替代品的代谢途径和产物仍未完全确定. 类似地，对于BPs衍生物的代谢研究也很少. 例如，在环境基质和人体样本中发现了BPA的卤代衍生物如氯代双酚A等，与BPA相类似，具有激活人体雌激素受体的完全激动活性，除此以外，BPA的三氯化物还可以激活人体过氧化物增殖激活受体（peroxysome proliferator–activated receptors，简称PPARs）[75]. 此外，BPS的二甲基化衍生物被报道在彗星实验中显示出显著的DNA损伤[76]. 因此，亟需研究阐明更多双酚类似物及其衍生物的代谢途径、代谢产物以及代谢修饰对毒性的影响. 第三，与大量BPs代谢转化的实验研究相比，相关的理论计算化学研究数量有限，且多集中于BPA代谢转化的分子机制研究. 事实上，理论计算化学方法在解析酶促反应的分子机制、探讨可行反应路径及鉴定代谢产物方面具有巨大优势. 以CYP450的代谢机制为例，“双态反应”理论的提出很好地阐述了氧反弹机制，合理解释了许多实验中存在重排产物的现象. 而BPs代谢分子机制的理论计算研究也同样合理阐明了实验观测到的代谢产物及其产物分配比例问题. 因此，加强BPs代谢机制的理论计算与实验研究相结合的综合研究，一方面能够节省大量人力、物力和财力，另一方面能突破实验技术的限制，提供实验难以观测的信息，相信二者结合比任何一种孤立方法都能提供深入的洞察力.
双酚类化合物的生物代谢机理研究进展
Research progresses of biotransformation mechanisms of bisphenols
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摘要: 以双酚A（bisphenol A，简称BPA）及其替代物为代表的双酚类化合物（bisphenols，简称BPs）在各种环境介质、食品、消费品以及人类和动物体中被广泛检出，表明BPs存在全球性大规模污染趋势. 除了BPs自身毒性外，其在生物体内的转化代谢产物可能具有比母体化合物更复杂的内分泌干扰效应和毒性效应，对于人体生命健康的影响不容小觑. 本文就BPs生物代谢的实验和理论计算研究方法及其取得的研究成果等方面进行回顾总结，在分析现有研究存在的问题和不足上对未来的研究重点提出了展望.Abstract: Bisphenol A (BPA) and its substitutes, as representatives of phenolic compounds (BPs), have been widely detected in various environmental media, foods, consumer products, and human and animal bodies, indicating a pervasive global contamination trend. Beyond their inherent toxicity, BPs’ transformation metabolites within organisms may exhibit more complex endocrine-disrupting and toxic effects than the parent compounds, with significant implications for human health. This paper presents a comprehensive review and summary of experimental and theoretical research methods employed in studying the biotransformation of BPs, along with the corresponding research findings. Furthermore, by examining the existing limitations and deficiencies in current studies, the paper provide insight into future research priorities. The elucidation of BPs' biological metabolism and its implications contributes to a better understanding of their potential risks and aids in the development of effective strategies for mitigating their adverse effects.
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Key words:
- bisphenol pollutants /
- metabolic transformation /
- experimental study /
- theoretical study.
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随着矿区农业、采矿业以及化工生产业的不断发展，污染物不断地排放，导致矿区地区浅层地下水不同程度的污染[1-3]。监测显示，某矿区地下水中超标的污染物有重金属Cr、阴离子
SO2−4 、F−等。Cr(Ⅵ)在环境中呈流动态，毒性很高，很容易穿透细胞壁，在细胞代谢过程中，可引起DNA氧化和非氧化2种形式的损坏，从而导致突变和染色体断裂，影响DNA的自然复制和转录，并能引起突变，主要导致肝细胞功能、肾脏和肺部的癌变[4-6]；长期饮用高氟水，轻者牙齿产生斑釉、关节疼痛，重者会影响骨骼发育，甚至丧失劳动力[7-9]。目前，我国有400余个城市以地下水为供水水源[10]，有些城市地下水甚至成为唯一供水水源。地下水关乎人民健康，一旦受到污染，造成的危害将无法估量。因此，寻找合适的污染地下水治理技术显得尤为重要。硫酸盐还原菌(SRB)价格低廉，是去除重金属离子非常有效的方法之一。董慧等[11]利用SRB去除矿山废水中污染物，在进水pH为3.0、水温为26~27 ℃、进水Fe2+的质量度低于450 mg·L−1、mCOD/m硫酸根离子>2.0的条件下，
SO2−4 平均去除率在80%以上，且对水中耗氧有机污染物(以COD计)有较好的去除效果，对重金属平均去除率在99%以上。董艳荣等[12]研究了SRB分离及处理煤矿酸性废水工艺，结果表明，在接种量为10%、接种时间为5 d条件下，对煤矿酸性废水中SO2−4 和Fe2+的去除率分别为74.71%和99.18%。SRB虽然在处理污染水方面具有一定的优势，但SRB需要充足碳源，且易受外界因素干扰，单独作用效果差。而SRB固定化技术是将其高度密集于一个有限的空间内，使其保持一定活性，具有处理污水效果好、利于固液分离、可重复利用、回收方便和抗重金属离子抑制能力强等优点[13-14]。安文博等[15]利用生铁屑固定SRB的实验表明，SRB颗粒能够抵抗pH=4的酸溶液，并在碱、盐溶液中能够保持较好稳定性，对Mn2+的吸附容量符合Freundlich等温吸附方程(R2=0.988 68，1/n=0.489 6)，吸附动力学符合Elovich动力学模型(R2=0.996 4)。有机-无机杂化材料是一种介于有机聚合物和无机聚合物之间的一种新型纳米复合材料[16-17]，其兼具两者的优点，目前，已有研究将其用于水处理技术中。邱迅[18]研究了一种基于二氧化硅的有机-无机杂化材料，将其用于处理水中低浓度的Cu2+、Cr6+等重金属离子，结果表明，该种杂化材料对Cu2+具有一定的吸附选择性，且在中性条件下吸附效果较好，可将50 mg·L−1以下的K2Cr2O7溶液中的Cr(Ⅵ)几乎完全还原并吸附。该矿区地下水污染成分复杂，单一杂化材料无法使出水Cr(Ⅵ)、
SO2−4 浓度满足要求，单一SRB无法使F−有效去除，目前，很少有研究可同时去除该地区多种污染成分的材料。所以，为克服单一处理方法的局限性，考虑将杂化材料与SRB结合，实现对污染物的有效去除。参考周彩华等[19]利用溶胶-凝胶工艺制备氧化锆溶胶、王国祥[20]利用二氧化钛与丙烯酰胺杂化制备杂化材料的实验方法，本研究选择ZrOCl2与丙烯酰胺单体杂化聚合，得到纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料，利用该杂化材料中聚丙烯酰胺这一中间物质对SRB进行固定化处理，形成纳米ZrO2-SRB颗粒。该颗粒对水中污染物具有还原和吸附双重作用，可以同时去除铬和氟。1. 材料与方法
1.2 硫酸盐还原菌的富集、分离与鉴定
实验所用菌株取自阜新市皮革园区生化池。以乙醇为碳源、按5%接种量接入菌株进行富集培养，直至其适应新碳源环境，并能够大量繁殖；采用叠皿夹层培养法对菌株进行纯化分离，直至得到形态单一菌落，将其继续培养即得到纯化的菌株；对菌株分别进行革兰氏染色、芽孢染色、在1 600倍油镜下镜检观察；将菌株置于2份等量的浅层液体培养基中培养：1份进行摇床振荡好氧培养，1份在液体培养基液面滴加石蜡油置于厌氧培养箱中进行厌氧培养。3 d后分别进行基因测序，并利用透射电镜在放大30 000倍条件下进行镜检观察。
1.2 纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料制备
室温下，称取2 g氧氯化锆，溶于200 mL质量分数为95%的乙醇溶液中，ZrOCl2在乙醇溶液中进行水解和缩聚反应，反应如式(1)和式(2)所示。
Zr−Cl+H2O→Zr−OH+HCl (1) Zr−OH+HO−Zr−O→Zr+H2O (2) 在得到无色透明的纳米二氧化锆明胶后，向200 mL溶胶中加入0.6 g丙烯酰胺单体、0.05 g亚硫酸氢钠和过硫酸钾作为引发剂，将混合溶液充分搅拌均匀，在25 ℃下，进行聚合反应30 min，得到纳米ZrO2-聚丙烯酰胺无机-有机杂化材料。
1.3 硫酸盐还原菌的固定化
称取质量分数为2.5%的海藻酸钠于300 mL蒸馏水中，充分溶胀后，加入200 mL纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料混匀溶解，密封并于室温下存放8~12 h，再向混合溶液中加入质量分数为2.5%的制孔剂聚乙二醇以及100 mL经驯化培养后处于对数期生长的菌液(平板计数法得到菌液对数期的菌密度为3×108个·mL−1)，充分混合、搅拌均匀后，利用注射器滴入到pH=6的2%CaCl2饱和硼酸溶液中，期间利用搅拌器以100 r·min−1的搅拌速率进行交联。4 h后取出颗粒，用0.9%生理盐水进行冲洗，再吸干表面水分，重复3遍。在小球使用前，再放入富集培养基中激活12 h。
1)机械强度测试。将固定化细菌颗粒放于100 mL的玻璃注射器中，向玻璃注射器施加一定的压力，观察颗粒的破损情况；同时，用手捏固定好的细菌颗粒，根据整个过程细菌颗粒的变化情况来描述其机械强度，从颗粒的硬度以及弹性对其进行强度分级：当颗粒较软时，认为其强度等级较差；当颗粒具有一定的硬度、弹性较差时，认为其强度等级中等；当颗粒具有一定的硬度且弹性好时，认为其强度等级良好；当颗粒硬度大且易碎时，认为其强度等级为优。
2)传质性能测试。将固定化的细菌颗粒加入到一定量的滴有墨水的蒸馏水中，2 h后取出，观察颗粒颜色进入颗粒的深度，与未加入墨水的固定化颗粒进行对比，确定其传质性能，传质性能分级如下：当颗粒仅有表面变黑且颜色较浅时，认为其传质能力较差；当距离颗粒中心约1/2处变黑且颜色较深时，认为其传质能力中等；当颗粒中心变黑、颜色较浅时，认为其传质能力良好；当颗粒中心变黑、颜色较深时，认为其传质能力为优。
3)成球性能测试。根据固定化过程肉眼判断成球状况的规则性，根据颗粒成球的黏连性判断颗粒的成球性能。成球性能分级如下：当难于成球、黏连严重时，认为其成球性能较差；当成球的形状不规则、部分黏连时，认为其成球性能中等；当成球形状规则、部分黏连时，认为其成球性能良好；当成球形状规则、无黏连时，认为其成球性能为优。
4)细菌活性测试。取一定量的细菌颗粒，置于上述配置的细菌富集培养基中，并向培养基中加入浓度为500 mg·L−1的
SO2−4 ，隔一段时间后，观察培养基的颜色变化情况，测定SO2−4 的浓度变化，根据是否产生臭鸡蛋味的气体情况来判断固定化细菌的活性。细菌活性分级如下：当溶液颜色无明显变化、SO2−4 去除率<20%、产生极少臭鸡蛋气味气体时，认为其活性较差；当溶液颜色较浅、SO2−4 去除率为40%~60%、产生少量臭鸡蛋气味气体时，认为其活性中等；当溶液变为较黑色、SO2−4 去除率60%~80%、产生较多臭鸡蛋气味气体时，认为其活性良好；当溶液变为深黑色、SO2−4 去除率80%~95%、产生大量的臭鸡蛋气味气体时，认为其活性为优。1.4 动态实验
设计6组直径为50 mm、高为50 cm、总容积为0.98 L的动态柱，底部0~3 cm填有进水炉渣含水层，含水层以上30 cm填充反应层，反应层以上设有3 cm炉渣过滤层，如图1所示。1#柱反应层采用纳米ZrO2-SRB颗粒，颗粒中包含200 mL杂化材料和100 mL菌液，进水水力负荷为2.935 m3·(m2·d)−1，进水成分近似模拟该地区地下水的成分：5 mg·L−1 F−、10 mg·L−1 Cr(Ⅵ)、10 mg·L−1 Cr(Ⅲ)、500 mg·L−1
SO2−4 、pH=4.6；2#柱反应层采用与1#柱相同密度的SRB，进行挂膜处理，且在2#柱中加入与1#柱相同量的杂化材料；3#、4#柱进水水力负荷分别为1.468、4.403 m3·(m2·d)−1，5#柱进水成分中将Cr(Ⅵ)提高为50 mg·L−1，6#柱进水成分中将F−提高为10 mg·L−1；各柱中保持纳米ZrO2-SRB颗粒数量以及其他进水条件均与1#柱相同。连续测定出水各个污染物的浓度及pH的提升效果。1.5 再生实验
利用0.1 mol·L−1 HCl、0.2 mol·L−1乙醇和质量分数为2.5%硫脲作为洗脱液，将吸附污染离子后的纳米ZrO2-SRB颗粒加入50 mL洗脱液，并在35 ℃下180 r·min−1下振荡处理60 min，再放入富集培养基中激活12 h。脱附完成后，再次进行吸附，如此吸附-脱附重复3次，并计算每次再生后颗粒对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、
SO2−4 、F−的去除率。1.6 测定方法
pH采用玻璃电极法测定；Cr(Ⅵ)采用二苯碳酰二肼分光光度法测定；Cr(Ⅲ)采用高锰酸钾氧化-二苯碳酰二肼分光光度法测定；
SO2−4 采用铬酸钡分光光度法测定；F−采用离子选择电极法测定。2. 结果与分析
2.1 硫酸盐还原菌的鉴定结果与分析
1 600倍油镜下镜检SRB的革兰氏染色、经番红复染的芽孢染色、SRB透射电镜放大30 000倍的检测结果如图2所示。由图2(a)可看出，经革兰氏染色后，SRB被染为红色，初步判断该菌株呈阴性；由图2(b)可看出，经番红复染后被染为红色，说明该菌株无芽孢；由图2(c)可明显看出，该菌株呈杆状，且具有鞭毛。
好氧和厌氧条件下培养的菌株经DNA测序后，测序结果相同，说明该菌株生化类型为兼性厌氧型。基因测序以及BLAST基因库比对、序列同源性分析如表1所示，可看出，该兼性厌氧菌与Citrobacter amalonaticus TB10的相似性最高，相似度达99.93%，说明该菌株与Citrobacter amalonaticus TB10属于同一性质的菌株，均为柠檬酸性杆菌。并利用MEGA 6.0软件得到所测菌株序列与其他物质的亲缘关系；得到的进化树结果如图3所示。
表 1 序列同源性分析Table 1. Sequence homology analysis菌属 菌株 相似度/% Citrobacter amalonaticus TB10 99.93 Citrobacter amalonaticus HAMBI 1296 99.86 Citrobacter amalonaticus LMG 7873 99.78 Uncultured Citrobacter sp. clone F2AUG.11 99.71 Citrobacter farmeri CIP 104553 99.64 Citrobacter farmeri 17.7 KSS 99.57 Uncultured bacterium clone KSR-CFL3 99.49 Citrobacter amalonaticus OFF7 99.42 Citrobacter sp CF3-C 99.35 Citrobacter sp. enrichment culture clone TB39-15 99.28 | Show Table
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2.2 纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料的结构表征分析
将制得的纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料在60 ℃条件下烘干，采用SEM在放大倍数为5 000倍下观察其表观结构，并进行EDS能谱和FT-IR红外光谱分析，结果如图4所示。可以看出，纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料表面孔隙明显，质地均匀，分散性较好；主要含N—H、C—H、C=O、C—N、Zr—O—Zr特征峰，说明杂化材料中既有有机物吸收峰又有无机物吸收峰，由此可见，ZrO2与聚丙烯酰胺间是通过共价键连接。
图 4 纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料特性分析Figure 4. Analysis of properties of nano-ZrO2- polyacrylamide hybrid materials2.3 纳米ZrO2-SRB颗粒的性能测试
固定化细菌颗粒如图5所示。通过对其做系列性能分析后，发现其在成球过程中形状规则且无黏连，说明其成球性好；在玻璃注射器中施加一定的压力后不易破损，压力增大，破损程度增大，说明其具有一定的硬度、弹性较好；将其加入到滴有墨水的蒸馏水中，2 h取出后发现其中心颜色变黑，且颜色较深，说明其传质性能良好；将其放于培养基中一段时间后，发现培养基颜色变深，且有黑色沉淀生成，会产生一种臭鸡蛋气味的气体产生，此时测定硫酸根的去除率为69.9%，说明其活性良好。
2.4 动态实验结果分析
6个动态柱的出水情况如图6~图11所示。对比1#、2#动态柱出水情况，可以看出，在SRB和杂化材料投加量相同条件下，纳米ZrO2-SRB颗粒反应层对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、
SO2−4 、F−的去除效果要好于挂膜的SRB，对溶液中Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、SO2−4 的有效去除时间要长于挂膜的SRB反应层，这说明纳米ZrO2-SRB颗粒可以利用杂化材料中的乙醇作碳源。纳米ZrO2-SRB颗粒对溶液中Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、SO2−4 的作用包括SRB和纳米ZrO2的双重作用，而F−的去除主要依靠纳米ZrO2的吸附作用。Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、SO2−4 、F−的最大去除率分别为99.7%、98.8%、70.4%、92.4%；单独的SRB对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、SO2−4 的最大去除率分别为99.3%、72.4%、71.2%，对F−没有去除效果。且可以看出，2种反应层对pH的提升效果影响较小，这说明溶液中的pH主要靠SRB的作用，纳米ZrO2对溶液pH没有提升作用。对比1#、3#、4#动态柱的出水情况，可以看出，不同进水水力负荷均不会影响到纳米ZrO2-SRB颗粒对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、
SO2−4 、F−的最大去除率，对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、SO2−4 、F−的最大去除率分别为99.7%、98.7%、71.2%、93.7%，但随着进水负荷的增大，维持污染物最大去除率的时间较短，pH最大提升水平维持的时间也有所缩短。在进水水力负荷为2.935 m3·(m2·d)−1、反应进行1~14 d时，F−的去除率可以维持在最大水平，7~23 d期间对Cr(Ⅵ)和SO2−4 的去除率可以维持在最大水平；而当水力负荷为4.403 m3·(m2·d)−1时，对F−的去除率仅在4 d前可维持最大，对Cr(Ⅵ)和SO2−4 的去除率仅在4.5~8.5 d时保持最大，可看出，能够保证各个污染物有效去除的时间明显缩短了。这是因为在反应层高度相同时，进水流速越大，对反应层的传质推动力越大，导致污染物与反应层的接触时间缩短，污染物未来得及和反应层充分接触便流出动态柱，但进水流速也不宜太小，太小的进水流速会延长接触时间，在相同的处理时间内处理的水量小，所以最佳进水水力负荷选择2.935 m3·(m2·d)−1较为适宜。对比1#、5#、6# 3个动态柱内的出水情况，可以看出，当Cr(Ⅵ)的浓度增加到50 mg·L−1时，纳米ZrO2-SRB颗粒对Cr(Ⅵ)的最大去除率仍然可维持在99.7%，但在初始1~3 d时，由于SRB的活性较低，5#动态柱出水中Cr(Ⅵ)的去除率仅为62.3%，相比于1#动态柱去除率91.8%，明显有所下降。这说明纳米ZrO2对高浓度Cr(Ⅵ)的选择吸附性较低，但是靠SRB对Cr(Ⅵ)的还原作用仍然可使出水浓度维持在较佳水平，且当Cr(Ⅵ)浓度增大后，不会影响到纳米ZrO2对F−和Cr(Ⅲ)的吸附效果，但对
SO2−4 的去除效果会有一定影响。由此可见，纳米ZrO2对F−和Cr(Ⅲ)的吸附选择性优于Cr(Ⅵ)优于SO2−4 ；当F−浓度增加到10 mg·L−1时，对比1#和6#动态柱内的出水情况，可以看出，6#动态柱中在反应1~3 d时，对F−、Cr(Ⅵ)、SO2−4 的去除率较1#动态柱中的去除率有所变化，对F−的去除率由93.7%上升为96.7%，对Cr(Ⅵ)的去除率由原来的91.8%下降为87.8%，对SO2−4 的去除率由原来的30.2%降为17.5%，对Cr(Ⅲ)的去除效果基本上没有变化，说明纳米ZrO2对F−的吸附性能优于Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)和SO2−4 。2.5 吸附再生实验结果分析
纳米ZrO2-SRB颗粒经过0、1、2、3次脱附再生后，对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、
SO2−4 、F−的去除结果如图12所示。由图12可看出，经过3次循环再生后，较最初对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、SO2−4 、F−的去除率仅分别降低了1.8%、4.0%、1.5%、4.2%。由此可见，SRB在经过加入碳源乙醇和培养基活化后可以恢复其活性，颗粒可以达到较好的再生效果。这说明0.1 mol·L−1 HCl、0.2 mol·L−1乙醇、质量分数为2.5%硫脲和培养基的活化作用对于纳米ZrO2-SRB颗粒是一种良好的再生剂。2.6 纳米ZrO2-SRB颗粒处理铬和氟污染地下水的机理分析
1)微观结构表征。将包埋后得到的纳米ZrO2-SRB颗粒和处理不含Cr(Ⅲ)的污染地下水后得到的颗粒分别在60 ℃条件下烘干，采用SEM在放大倍数为2 000倍下观察材料的表观结构和XRD分析，结果如图13所示。可以看出，处理污染物前，细菌颗粒呈现明显的微球状，孔道通畅，表面较为光滑，主要含有的成分是ZrO2和一种有机物CH4N2O·C2H2O4。吸附处理污染水后的细菌颗粒形状变得不为明显，且表面变得粗糙，出现大量的凸形褶皱；处理污染水后的颗粒成分主要有C、O、Zr、S、H、Cr、F等元素；处理不含Cr(Ⅲ)的污水后，出现了ZrCr2H10、C6Cr2O12、ZrS0.67、ZrO0.67F2、Cr(OH)3新物质，Cr最终以Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)形式存在，说明SRB可将溶液中的
SO2−4 还原为S2-、将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，最终以ZrCr2H10、Cr(OH)3、ZrS0.67的形式被去除，且ZrS0.67是硫化物的最终去向，残留在颗粒中；最终产物中含有Cr(Ⅵ)，说明ZrO2-SRB处理污染地下水不但具有还原过程还存在纳米ZrO2的吸附过程，可吸附水中的Cr(Ⅵ)和F−，最终分别以C6Cr2O12和ZrO0.67F2形式被去除。2)等温吸附实验。取100 mL含10 mg·L−1 Cr(Ⅵ)、10 mg·L−1 Cr(Ⅲ)、5 mg·L−1 F−、500 mg·L−1
SO2−4 的溶液9份，每份分别加入质量为0.83、1.66、2.49、3.32、4.15、4.98、5.81、6.64、7.47 g纳米ZrO2-聚丙烯酰胺杂化材料，调节原始溶液至pH=7，置于温度为25 ℃条件下，振荡反应20 min后取出，经过滤后分别测定溶液中Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、F−和SO2−4 浓度。Langmuir和Freundlich模型的方程式分别如式(3)和式(4)所示。
CeQe=1bQm+CeQm (3) lnQe=lnKf+1nlnCe (4) 式中：
Ce 为平衡浓度，mg·L−1；b 为Langmuir 吸附常数，L·mg−1；Qm 为达到饱和时的吸附量，mg·g−1；Qe 为达到动态平衡时的吸附量，mg·g−1。Kf 为Freundlich 吸附常数；n 为经验常数。F−、Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、
SO2−4 4种离子的Langmuir模型和Freundlich模型拟合结果如表2所示。由表2可知，Freundlich模型(R2=0.997 3、0.991 6、0.998 1、0.991 1)相比于Langmuir模型(R2=0.883 9、0.790 0、0.723 2、0.639 6)可以更好地拟合杂化材料对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、F−、SO2−4 的吸附过程，这说明吸附不仅仅是均匀的单层吸附，更主要的是多层吸附过程。表 2 吸附等温线拟合方程及相关系数Table 2. Adsorption isotherm fitting equation and correlation coefficients离子类型 Langmuir Freundlich 拟合方程 R2 拟合方程 R2 F- 
0.883 9 
0.997 3 Cr(Ⅵ) 
0.790 0 
0.991 6 Cr(Ⅲ) 
0.723 2 
0.998 1 
0.639 6 
0.991 1 | Show TableDownLoad:
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3. 结论
1)室内动态柱实验结果表明：纳米ZrO2-SRB颗粒为反应层、进水水力负荷2.935 m3·(m2·d)−1时对污染物的去除效果更好；且ZrO2-SRB颗粒对F−的吸附选择性优于Cr(Ⅲ)、Cr(Ⅵ)和
SO2−4 。2)结构表征结果表明：纳米ZrO2-SRB颗粒处理污染物后出现大量凸形褶皱，且颗粒组成中出现S、Cr、F元素。
3)纳米ZrO2-SRB颗粒处理污染物的机理为：SRB对Cr(Ⅵ)、
SO2−4 存在还原作用，杂化材料对Cr(Ⅵ)、Cr(Ⅲ)、F−存在吸附作用；且吸附等温线符合Freundlich模型，这说明吸附过程是多层吸附。4) 0.1 mol·L−1 HCl、0.2 mol·L−1乙醇、质量分数为2.5%硫脲和培养基的活化共同作用对于纳米ZrO2-SRB颗粒的再生具有良好的效果。
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表 1 代谢研究生物系统分类
Table 1. Categorization of biological systems employed in studying xenobiotic metabolism
体外实验in vitro 体内实验in vivo 亚细胞部分Subcellular fractions 细胞部分Cellular fractions 组织Tissues 微粒体、S9系统、血清和血浆、有机大分子 离体肝细胞、原代肝细胞培养物、细胞系 组织切片，离体灌注肝脏 细菌菌株多细胞生物、实验动物
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表 2 用于识别描述某些双酚类化合物代谢产物研究的搜索逻辑及文献数目统计
Table 2. Search logic applied to identify the researches about metabolites of BPs and the number of corresponding researches
双酚类物质BPs 运用的搜索逻辑The applied search logic 研究文献数目Number of researches BPA （bisphenol A OR 4,4’-（propane-2,2-diyl）diphenol） AND （metabolism OR biotransformation OR metabolites） 5925 BPAF （bisphenol AF OR hexafluorobisphenol A OR BPAF） AND （metabolism OR biotransformation OR metabolites） 221 BPF （bisphenol F OR Bis（4-hydroxyphenyl）methane OR BPF） AND （metabolism OR biotransformation OR metabolites） 495 BPS bisphenol S OR Bis（4-hydroxyphenyl）sulfone OR BPS） AND （metabolism OR biotransformation OR metabolites 2964 BPB （bisphenol B OR 2,2-Bis（4-hydroxyphenyl）butane OR BPB） AND （metabolism OR biotransformation OR metabolites） 711 TBBPA （Tetrabromobisphenol A OR TBBPA） AND （metabolism OR biotransformation OR metabolites） 584
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