J Hazard Mater | 山东第二医科大学团队代谢组学揭示温室呋虫胺的潜在健康风险
2025-07-11
中科新生命
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随着城市化进程的推进和饮食需求的升级，温室蔬菜种植规模迅速扩张。在这种种植模式下，农民长期处于相对封闭的温室环境中，可能接触到一定浓度的有害气体及农药；由于温室通风条件有限，农药较难快速扩散，这可能提高农民的暴露概率。此外，农药残留也可能通过食物链进入人体，存在潜在的健康影响。
2025年3月18日，山东第二医科大学的薛鹏与翟庆峰研究团队在Journal of Hazardous Materials期刊发表了题为的 “An occupational health assessment of dinotefuran exposure in greenhouse vegetable workers: Metabolomic profiling and toxicokinetic analysis”研究论文。该研究聚焦于温室蔬菜种植者的呋虫胺（一种新烟碱类农药）暴露问题，通过人群调查、组学检测与动物实验结合的方式，揭示了农药暴露对职业人群的健康风险及代谢影响，为农业从业者的健康保护提供了重要科学依据。
研究方法
该研究在山东潍坊（“中国蔬菜之乡”，图1）进行展开，当地蔬菜种植规模大，农民依赖农药防控病虫害，暴露频率高；新烟碱类农药（如呋虫胺）因高效被广泛使用，但对哺乳动物的毒害性研究有限，且其代谢机制和健康影响尚未明确。因此，该研究通过分析人体尿液中的农药代谢物、结合小鼠实验的毒代动力学和代谢组学数据，系统性评估呋虫胺暴露的健康风险。
人群研究：研究在山东潍坊的寿光和高密两个主要蔬菜种植区进行，选取了104名温室蔬菜种植工人作为暴露组，123名非温室蔬菜种植工人作为对照组。通过问卷调查收集个人信息和生活习惯，并采集晨尿样本进行分析。
动物实验：使用36只昆明种雄性小鼠进行实验，分为对照组和1小时、3小时、6小时、12小时、24小时组，每组6只。小鼠口服DIN（550 mg/kg），在不同时间点收集血样和尿样进行分析。
组学分析：使用超高效液相色谱-质谱联用（UHPLC-MS）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术分析尿液和血清中的农药代谢物。通过非靶向代谢组学分析，研究DIN暴露对小鼠代谢的影响。
图1 研究区域，暴露组和对照组人群所在的蔬菜温室位置（山东潍坊）
研究结果
1. 温室工人的农药暴露水平显著更高
作者首先人群暴露水平进行了检测与分析。研究发现，暴露组（温室蔬菜种植工人）尿液中的农药代谢物种类和浓度显著高于对照组（非温室工人）。暴露组中超过80%的工人尿液中检测到新烟碱类农药代谢物DIN，而对照组不到10%（图2C、图2D、图2E）。通过OPLS-DA分析，研究发现暴露组和对照组的尿液代谢物分布存在显著差异，暴露组的代谢物种类更为丰富，且与农药残留相关的代谢物数量更多（图2D、图2E）。暴露组尿液中检测到的农药代谢物数量和种类随时间变化，反应了农药在人体内的代谢和排泄过程（图2C）。
图2 尿样分析流程、肌酐 / 尿酸水平、农药残留聚类热图及代谢物 OPLS-DA 得分图
2. 呋虫胺在小鼠体内的代谢规律：吸收快、排泄慢，存在蓄积风险
通过小鼠灌胃实验（550mg/kg 呋虫胺）发现，DIN在血清和尿液中的浓度随时间动态变化。DIN在血清中的浓度在给药后1小时达到峰值，随后逐渐下降，24小时后接近零；而在尿液中，DIN的浓度在给药后3小时达到峰值，随后逐渐下降，24小时后接近零（图3E）。血清中DIN的平均半衰期为3.81小时，尿液中为5.95小时，表明DIN在尿液中的排泄较慢，可能与肾脏的重吸收和代谢过程有关（图3F）。DIN在尿液中的AUC（曲线下面积）、MRT（平均滞留时间）和Tmax（达峰时间）均高于血清，而Cmax（峰值浓度）在尿液中较低，进一步说明DIN在尿液中的排泄和代谢特点（图3G、图3H），提示肾脏可能存在重吸收，长期暴露可能导致体内蓄积。
图3 呋虫胺分子结构、标准曲线、TIC 图及小鼠血清 / 尿液中代谢变化与药代参数
3. 代谢通路紊乱：影响小鼠能量代谢与神经调节
作者进一步通过代谢组学分析，揭示呋虫胺暴露显著干扰的关键代谢通路。在小鼠血清中，DIN暴露后检测到的代谢物种类繁多，其中苯丙氨酸代谢和不饱和脂肪酸合成途径发生了显著变化。其中苯丙氨酸代谢异常，苯丙氨酸是神经递质合成的前体，其代谢紊乱可能影响神经功能；而饱和脂肪酸合成通路改变，与炎症和细胞修复相关（图4A、图4E）。在小鼠尿液中，DIN暴露后检测到的代谢物种类同样繁多，涉及维生素B6代谢、三羧酸循环（TCA循环）和乙二酸代谢途径。这些变化可能提示能量代谢失衡（图4C、图4F）。通过不同时间点的代谢组学分析，研究发现DIN暴露后小鼠血清和尿液中的代谢物在1小时、3小时、6小时、12小时和24小时均发生显著变化，表明DIN对代谢过程的影响具有时间依赖性（图4A、图4C）。
图4 小鼠血清和尿液中农药残留代谢物的 OPLS-DA 和 PCA 分析图
4.氧化应激机制：小鼠解毒能力下降，抗氧化系统激活
随后作者对关键的血清酶活性进行了探索与验证（图5）。DIN暴露后，小鼠血清中的谷胱甘肽S转移酶（GST）活性显著降低，表明DIN可能抑制了GST的活性，从而影响了机体的解毒能力。小鼠血清中的过氧化氢酶（CAT）活性显著增加，提示机体启动代偿机制应对氧化损伤，间接证明呋虫胺暴露引发氧化应激。GST活性降低和CAT活性增加表明DIN暴露可能通过影响抗氧化酶的活性，导致氧化应激和代谢紊乱，进而对机体健康产生潜在危害。
图5 不同时间点暴露于呋虫胺的小鼠血清中各类酶活性变化图
研究意义
该研究不仅证实了温室环境中农药暴露的潜在健康风险，更从代谢机制层面解释了其潜在危害。为评估温室蔬菜种植工人长期暴露于农药的健康风险提供了科学依据。此外，该研究还首次系统揭示了呋虫胺在哺乳动物体内的代谢特征及对关键通路的影响，为农药毒性评估和职业健康标准制定提供了实验依据。
防控建议
改善温室通风条件，减少农药蓄积；
推广防护装备（手套、口罩）使用，降低皮肤和呼吸道暴露；
限制高毒性农药使用，探索低毒替代方案。
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