新污染物具有来源广泛、生物毒性隐蔽、环境持久性和生物累积性等特征。了解其在环境中的赋存特征、转化行为和健康效应是科学监测和有效治理新污染物的关键。二甲双胍因疗效好、价格低、无毒副作用等优势已成为治疗2型糖尿病的一线药物，其在多囊卵巢综合征、癌症、肥胖、炎症和衰老等方面也具有良好疗效，因此被称为“神药”、“万能药”。值得注意的是，该药物被摄入后并不能被人体代谢，几乎100%未经修饰地随着尿液和粪便排出体外，导致其在全球水环境中广泛存在。二甲双胍因其具备导致生物的形貌改变、内分泌紊乱和基因异常表达等毒性效应，因此它当前被认定为一种新污染物。
近日，西湖大学工学院鞠峰团队系统地总结了二甲双胍药物在全球水环境中的赋存特征、环境转化和产物风险，并评估了其对水体中人用药物污染的指示能力。该综述论文以“Metformin Contamination in Global Waters: Biotic and Abiotic Transformation, Byproduct Generation and Toxicity, and Evaluation as a Pharmaceutical Indicator”为题发表在环境领域国际知名期刊《Environmental Science & Technology》，博士研究生贺圆珍为第一作者，课题组负责人鞠峰特聘研究员为通讯作者，西湖大学工学院特聘研究员张岩岩为共同作者。本研究得到了国家自然科学青年基金和西湖教育基金的资助。
二甲双胍在环境迁移中会发生生物和化学转化。以往的综述主要总结了不同处理方法对二甲双胍的去除效率，而忽略了二甲双胍在环境中的转化过程、产物形成以及转化是否会降低生态风险。另外，鉴于人用药物在水环境中不断涌现，对其进行彻底的监测是不现实的，因此化学指示剂被提出用于跟踪药物的污染。因其满足生活污水来源，水环境中持续存在和易于分析检测等化学指示剂的特征，二甲双胍具有作为人用药物污染指标剂的潜力。
为了全面地认识二甲双胍及其转化产物的环境行为和健康效应，并探究其对水环境中药物污染的指示能力，研究团队首先对全球水环境中的二甲双胍污染进行了简要概括，随后系统地总结了二甲双胍转化产物的形成路径、赋存特征和毒性风险，最后，基于全球数据评估了二甲双胍在不同水系统中作为药物污染指示剂的适用性。本综述丰富了二甲双胍在全球水环境中迁移转化的认知，并针对其在环境行为、转化产物和健康风险等方面提供了未来研究方向。
图1. 全球水系统中二甲双胍的赋存：（A）各种水系统中检出二甲双胍的比例及浓度范围；（B）各大洲检出二甲双胍的文章数量及在水环境中的平均检出频率，括号内数字代表在各大洲检出二甲双胍的国家数量。
全球数据分析表明，二甲双胍已在全球91个国家的污水、地表水、雨水、地下水和饮用水中检出，浓度从0.2 ng/L到1.18 mg/L（图1），且浓度水平随二甲双胍的消费量还在不断攀升；还发现其在全球水系的分布格局受社会经济的影响，尤其是在中等收入国家污染程度显著高于低收入和高收入国家。鉴于当前二甲双胍的研究大多集中在中国、美国和德国，建议未来应对中等收入国家和前期研究较少区域加大监测与研究力度。
图2. 二甲双胍在污水生物反应器（A）、高级氧化过程（B）、自然水体（C）和氯化消毒过程（D）中的降解转化和产物形成过程。
二甲双胍在水环境中可通过微生物降解、高级氧化、自然衰减、氯化消毒等生物和非生物途径进行转化（图2），但这些过程无法将二甲双胍完全去除（1%-97%）和矿化（<20%），目前已有32种不同结构的转化产物被鉴定。课题组前期研究表明，部分转化产物已在污水和地表水体中检出或有响应信号（He et al., 2022），且生物体测试和风险评估结果表明这些产物的毒性和健康风险都较二甲双胍显著增强（Zhang et al., 2021; He et al., 2022）。但因大部分转化产物缺乏可用于定量的化学品，其环境浓度、生物体毒性、联合毒性及长期暴露风险还有待进一步探究。
图3. 二甲双胍或咖啡因与污水厂进水（A和B）和地表水（C和D）中剩余药物浓度总和（∑Phs）的相关性分析。统计分析的样品数量：进水69个、污水厂出水38个、雨水50个、地表水817个。
基于当前全球污水厂进水、污水厂出水、雨水、地表水的监测大数据分析与论证（图3），提出二甲双胍可作为区域和国家范围内水环境中人用药物污染的可靠指标，其指示能力可替代或优于咖啡因、三氯蔗糖和卡马西平等传统指示剂；还提出可基于二甲双胍监测数据预测人用药物的污染水平。
课题组前期研究已发表相关论文：
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)
总 结
本综述从环境转化和产物形成的角度拓展了对二甲双胍的环境行为和毒性效应的认知。同时通过对全球数据统计分析，论证了这一糖尿病药物对人用药物污染的可靠指示能力，可用于预测水环境中未监测人用药物的污染状况。另外，随着二甲双胍污染程度的不断增强和其环境转化风险的长期暴露，为保障饮用水安全及生态和人类健康，本文从环境监测、去除转化、产物鉴定、毒性效应、健康风险和药物污染指示等方面提出了二甲双胍作为环境新污染物的未来研究方向。
