全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品對(duì)4種本土水生生物的生態(tài)毒性

王妙，陳輝輝，查金苗，王子健

中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085

全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品對(duì)4種本土水生生物的生態(tài)毒性

王妙，陳輝輝，查金苗*，王子健

中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100085

本文選擇了紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞和稀有鮈鯽4種本土水生生物，開(kāi)展了陽(yáng)離子表面活性劑、織物三防整理劑、C4三防整理劑和C6三防整理劑4種全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品的安全性評(píng)估，為篩選理想PFOS化學(xué)替代品提供科學(xué)依據(jù)。急性毒性結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)4種水生生物均未顯示出急性毒性；織物三防整理劑、C4三防整理劑和C6三防整理劑對(duì)蚤狀溞的LC50值分別為17.97、64.61和85.58 mg·L-1，顯示出低的急性毒性。另外，織物三防整理劑對(duì)四尾柵藻的半數(shù)抑制濃度(EC50)值為88.32 mg·L-1，而對(duì)稀有鮈鯽半致死濃度(LC50)值為14.79 mg·L-1，均存在急性毒性。短期生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子表面活性劑、織物三防整理劑、C4三防整理劑和C6三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽生長(zhǎng)抑制最低可見(jiàn)效應(yīng)濃度(LOEC)值分別為20、1.5、100和50 mg·L-1，表明4種PFOS替代品均顯示低慢性毒性。急慢性綜合分析可知C4和C6三防整理劑相對(duì)較安全，可能成為理想的PFOS替代品。

PFOS替代品；本土水生生物；急性毒性；慢性毒性

全氟辛烷磺酸鹽(perfluorooctane sulfonate, PFOS)是一類(lèi)重要的全氟表面活性劑，具有優(yōu)良的疏水、疏油特性，在工業(yè)生產(chǎn)和生活消費(fèi)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1-2]。目前水環(huán)境中PFOS的濃度數(shù)量級(jí)為ng·L-1，其中我國(guó)海河流域中濃度達(dá)到1.11～7.65 ng·L-1[3]，而美國(guó)加利福尼亞州河流中達(dá)到30～127 ng·L-1[4]。PFOS具有肝臟毒性，使肝臟減小，影響能量代謝[5]；引起臟器官內(nèi)的過(guò)氧化物增加，造成氧化損傷，直接或間接的損害遺傳物質(zhì)，引發(fā)腫瘤[6-7]；破壞血清中皮質(zhì)酮和瘦素水平的平衡，影響去甲腎上腺素的濃度，干擾動(dòng)物的神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)[8]；誘使胚胎中毒，幼齡動(dòng)物畸形，延遲幼齡動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育[9-10]等系列危害，因此根據(jù)世界衛(wèi)生組織化合物急性毒性分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，PFOS屬于中等毒性物質(zhì)。另外PFOS具有極強(qiáng)持久性、生物富集性、生態(tài)毒性以及遠(yuǎn)距離遷移等特征，因此被列入禁止持久性有機(jī)污染物(POPs)名單中，在斯德哥爾摩公約國(guó)中禁止生產(chǎn)和使用，因此各種PFOS替代品相繼開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)。

基于PFOS用途廣泛，因此其替代品需要種類(lèi)繁多，然而大多數(shù)PFOS替代品仍然是含氟化合物。PFOS對(duì)于水生生物毒性在以前研究已經(jīng)有所報(bào)道，其中對(duì)于魚(yú)類(lèi)LC50為4.2～81.18 mg·L-1[11-13]，藻類(lèi)EC50值為81.60～305 mg·L-1[11, 14-15]，溞類(lèi)LC50值為4.17～78.09 mg·L-1[11, 13, 16]，上述報(bào)道表明PFOS對(duì)水生生物存在相對(duì)較大急性毒性。然而對(duì)于POFS替代品對(duì)于水生生物毒性研究還十分有限，特別是對(duì)于我國(guó)本土水生生物影響基本上未曾涉及。因此本文選擇了4種我國(guó)本土水生生物種，包括紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞和稀有鮈鯽。4種本土水生生物分別代表了不同水生營(yíng)養(yǎng)級(jí)(水生植物、浮游植物、浮游動(dòng)物以及魚(yú)類(lèi))，基本上涵蓋了水生態(tài)系統(tǒng)大部分營(yíng)養(yǎng)級(jí)，獲得數(shù)據(jù)將能有效保護(hù)我國(guó)水生態(tài)系統(tǒng)。本文選擇了4種PFOS替代品，開(kāi)展了PFOS化學(xué)替代品對(duì)我國(guó)本土水生生物生態(tài)毒性影響，不僅保護(hù)我國(guó)水生態(tài)系統(tǒng)完整性，同時(shí)為PFOS化學(xué)替代品篩選提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法( Materials and methods)

1.1 供試藥劑

PFOS替代化學(xué)品：全氟丁基有機(jī)銨鹽陽(yáng)離子表面活性劑、用調(diào)聚法合成的織物三防整理劑、電解氟化法合成的C4及C6織物三防整理劑。PFOS替代品均為液體，按照體積質(zhì)量分別配制100 g·L-1的母液。

1.2 實(shí)驗(yàn)生物

紫背浮萍(Soirodela polyrhiza)，采自湖北武漢市南湖，在實(shí)驗(yàn)室馴養(yǎng)后進(jìn)行長(zhǎng)期養(yǎng)殖。馴養(yǎng)期間培養(yǎng)條件：溫度(24±2) ℃，光照6 500～10 000 LUX，培養(yǎng)液參考經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)標(biāo)準(zhǔn)，配制的標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基(SIS)，待浮萍生物大量擴(kuò)增后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

四尾柵藻(Scenedesmus quadricanda)，取自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水藻種庫(kù)，在實(shí)驗(yàn)室馴養(yǎng)后進(jìn)行長(zhǎng)期養(yǎng)殖。馴養(yǎng)期間培養(yǎng)條件：溫度(25±2) ℃，光照6 500～10 000 LUX，培養(yǎng)液為參考OECD標(biāo)準(zhǔn)配制的人工培養(yǎng)基，待生物大量擴(kuò)增后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

蚤狀溞(Daphnia pulex)采自湖北省武漢市南湖，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行馴養(yǎng)后，進(jìn)行長(zhǎng)期養(yǎng)殖。養(yǎng)殖用水為參考OECD標(biāo)準(zhǔn)配制的標(biāo)準(zhǔn)稀釋水。新配制的標(biāo)準(zhǔn)稀釋水pH為7.8±0.2，硬度為250 mg·L-1左右(以CaCO3計(jì))。養(yǎng)殖期間，水溫控制在(20±2) ℃，光周期為16 h ∶8 h(光∶暗)，每天定時(shí)定量投喂試驗(yàn)純培養(yǎng)的小球藻。

稀有鮈鯽(Gobiocypris rarus)在中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境水質(zhì)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)進(jìn)行長(zhǎng)期的養(yǎng)殖。養(yǎng)殖期間，水溫控制在(25±2) ℃，光周期為16 h∶8 h(光∶暗)，每天定時(shí)定量投喂飼料，試驗(yàn)開(kāi)始24 h前停止喂食，試驗(yàn)過(guò)程中不喂食。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 急性毒性試驗(yàn)方法

紫背浮萍急性毒性實(shí)驗(yàn)參照OECD 221浮萍生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法。首先將紫背浮萍暴露于100 mg·L-1的受試物溶液中進(jìn)行限度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示4種替代品的致死率均在50%以下，不在進(jìn)行下一步試驗(yàn)。

四尾柵藻增殖實(shí)驗(yàn)參照OECD 201標(biāo)準(zhǔn)方法。首先將四尾柵藻暴露于100 mg·L-1的受試物溶液中進(jìn)行限度實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，結(jié)果顯示只有織物三防整理劑的致死率在50%以上，進(jìn)行下一步試驗(yàn)，試驗(yàn)濃度設(shè)為10.00、20.00、40.00、80.00和160.00 mg·L-1，周期為72 h，每天檢測(cè)四尾柵藻的細(xì)胞濃度，確定72 h四尾柵藻生長(zhǎng)抑制率為50%時(shí)受試物濃度，即半數(shù)抑制濃度(EC50)，用72 h-EC50表示。

蚤狀溞急性毒性實(shí)驗(yàn)參照OECD 202標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，限度試驗(yàn)結(jié)果顯示，織物三防整理劑、C4和C6三防整理劑對(duì)蚤狀溞的致死率在50%以上，進(jìn)行下一步試驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)中織物三防整理劑的實(shí)驗(yàn)濃度設(shè)為15.00、17.84、21.21、25.21和30.00 mg·L-1；C4三防整理劑的實(shí)驗(yàn)濃度為50.00、55.00、60.50、66.55和73.21 mg·L-1；C6三防整理劑的實(shí)驗(yàn)濃度為70.00、77.00、84.70、93.17和102.50 mg·L-1。試驗(yàn)周期為48 h，在24 h和48 h時(shí)記錄蚤狀溞的死亡數(shù)，計(jì)算死亡率，確定50%試驗(yàn)魚(yú)死亡時(shí)的受試樣品濃度，用48 h-LC50表示。

稀有鮈鯽急性毒性實(shí)驗(yàn)參照OECD 203標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。首先將稀有鮈鯽暴露于100 mg·L-1的受試物溶液中進(jìn)行限度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示只有織物三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽的致死率在50%以上，進(jìn)行下一步試驗(yàn)，設(shè)置10.43、12.40、14.75、17.53和20.86 mg·L-1濃度梯度，試驗(yàn)周期為96 h，在24 h、48 h、72 h和96 h時(shí)記錄魚(yú)的死亡率，分別確定50%試驗(yàn)魚(yú)死亡時(shí)的受試樣品濃度，用24 h-LC50、48 h-LC50、72 h-LC50和96 h-LC50表示。

1.3.2 短期生長(zhǎng)抑制試驗(yàn)方法

選擇體長(zhǎng)和年齡相似、孵化后1個(gè)月的幼魚(yú)稱重后在受試物亞致死濃度范圍內(nèi)暴露在流水試驗(yàn)條件。根據(jù)受試物對(duì)稀有鮈鯽急性毒性試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置短期生長(zhǎng)試驗(yàn)濃度。其中離子表面活性劑的實(shí)驗(yàn)濃度為20、10、5.0和2.5 mg·L-1；織物三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽短期生長(zhǎng)試驗(yàn)濃度為1.5、0.75、0.375和0.1875 mg·L-1；C4和C6三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽短期生長(zhǎng)試驗(yàn)濃度為100.00、50.00、25.00、12.50和6.25 mg·L-1。每個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)1個(gè)空白組，每個(gè)濃度設(shè)3個(gè)平行，暴露28 d。具體實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)OECD 215魚(yú)類(lèi)生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

急性毒性試驗(yàn)后，記錄死亡數(shù)，用SPSS 16.0求出EC50和LC50。28 d暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量試驗(yàn)魚(yú)體重，計(jì)算各個(gè)暴露組平均體重，使用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，差異水平為P<0.05，求NOEC和LOEC值。

2 結(jié)果(Results)

2.1 急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將4種PFOS替代品分別對(duì)紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞以及稀有鮈鯽進(jìn)行急性毒性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。其中陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)4種水生物均未顯示出毒性?？椢锶勒韯?duì)紫背浮萍未顯示出急性毒性，對(duì)其它3種受試生物均表現(xiàn)出低毒毒性：對(duì)四尾柵藻的72 h-LC50值為88.32 mg·L-1，95%置信區(qū)間為52.12～171.50 mg·L-1；對(duì)蚤狀溞的48 h-LC50值為17.97 mg·L-1，95%置信區(qū)間為13.67～20.85 mg·L-1；對(duì)稀有鮈鯽的96 h-LC50為14.79 mg·L-1，95%置信區(qū)間為13.98～15.66 mg·L-1。C4和C6織物三防整理劑對(duì)紫背浮萍、四尾柵藻以及稀有鮈鯽均未檢測(cè)到毒性，但對(duì)蚤狀溞顯示出低毒效應(yīng)，48 h-LC50值分別為64.81 mg·L-1和85.58 mg·L-1，95%置信區(qū)間分別為62.35～67.45 mg·L-1和83.36～87.94 mg·L-1。

表1 4種PFOS替代品對(duì)紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞以及稀有鮈鯽的急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Acute toxicity of four PFOS alternatives to Soirodela polyrhiza, Scenedesmus quadricanda, Daphnia pulex and Gobiocypris rarus

2.2 稀有鮈鯽28 d短期生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

暴露28 d后，稱量所有暴露組魚(yú)的體重，如圖1所示。從圖中可以看出隨著替代品的濃度升高，魚(yú)的體重相應(yīng)降低。說(shuō)明高濃度的替代品對(duì)稀有鮈鯽的生長(zhǎng)有影響。此外，根據(jù)最終體重求出4種受試物對(duì)稀有鮈鯽28 d生長(zhǎng)的LOEC值和NOEC值，比較4種替代品的毒性。其中陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)稀有鮈鯽短期生長(zhǎng)的LOEC值為20 mg·L-1，NOEC值為10 mg·L-1?？椢锶勒韯?duì)稀有鮈鯽短期生長(zhǎng)的LOEC值為1.5 mg·L-1，NOEC值為0.75 mg·L-1；C4三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽28 d短期生長(zhǎng)的LOEC值為100.00 mg·L-1，NOEC值為50.00 mg·L-1；C6三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽28 d短期生長(zhǎng)的LOEC值為50.00 mg·L-1，NOEC值為25.00 mg·L-1。

3 討論(Discussion)

本研究全面評(píng)價(jià)了4種PFOS替代品對(duì)我國(guó)本土水生生物生態(tài)毒性。從急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，其中陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)4種水生物均未顯示出毒性?？椢锶勒韯?duì)浮萍未顯示出毒性，對(duì)其它3種受試生物均表現(xiàn)出低毒毒性，C4和C62種織物三防整理劑對(duì)浮萍、四尾柵藻以及稀有鮈鯽均未檢測(cè)到毒性，但對(duì)蚤狀溞顯示出低毒效應(yīng)。在28 d短期生長(zhǎng)暴露實(shí)驗(yàn)中，織物三防整理劑對(duì)稀有鮈鯽短期生長(zhǎng)的LOEC值為1.5 mg·L-1，NOEC值為0.75 mg·L-1，產(chǎn)生毒性效應(yīng)的濃度遠(yuǎn)低于其他3種替代品，表明其毒性大于其他替代品。

圖1 4種PFOS替代品中暴露28 d對(duì)稀有鮈鯽生長(zhǎng)的影響Fig. 1 Growth of rare minnow following four PFOS alternatives exposure for 28 days

雖然對(duì)4種本土水生物的毒性試驗(yàn)都顯示出4種替代品的毒性很低，但生態(tài)毒性仍需與PFOS毒性進(jìn)行比較。Boudreau等[14]對(duì)PFOS的研究結(jié)果表明PFOS對(duì)浮萍(Lemna gibba)的7 d-EC50值為59.1 mg·L-1，而本試驗(yàn)中4種替代品對(duì)紫背浮萍沒(méi)有檢測(cè)到毒性。Yang等[11]研究了PFOS對(duì)鯽魚(yú)、麥穗魚(yú)、大型溞、四尾柵藻等水生生物的急性毒性，對(duì)應(yīng)的96 h-LC50值分別為81.18、67.74、78.09和89.34 mg·L-1。美國(guó)EPA中PFOS對(duì)虹鱒的4 d-LC50值為4.2 mg·L-1，對(duì)大型溞的2 d-LC50值為67 mg·L-1[13]。相對(duì)于這些數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)中陽(yáng)離子表面活性劑對(duì)4種水生物均未顯示出毒性，似乎說(shuō)明其毒性較低。但在對(duì)非洲爪蟾胚胎致畸實(shí)驗(yàn)和黑斑蛙蝌蚪胚胎發(fā)育實(shí)驗(yàn)中，陽(yáng)離子表面活性劑的毒性作用高于PFOS[17]，在白羽鵪鶉的急性飼喂毒性實(shí)驗(yàn)中陽(yáng)離子表面活性劑顯示出中等毒性[18]，與本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果不一致。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是種間差異特別是水生生物與陸生生物之間差異?？椢锶勒韯?duì)稀有鮈鯽、蚤狀溞和四尾柵藻顯示出急性毒性，LC50值分別為14.79、17.97和88.32 mg·L-1，小于文獻(xiàn)中PFOS對(duì)相應(yīng)物種的LC50值。在稀有鮈鯽28 d短期生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中得到了同樣的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)說(shuō)明織物三防整理劑的毒性可能大于PFOS。對(duì)土壤跳蟲(chóng)的生態(tài)毒性實(shí)驗(yàn)[19]和蝌蚪的急性毒性實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了這一結(jié)果[20]。且在白羽鵪鶉的長(zhǎng)期飼喂實(shí)驗(yàn)[18]中織物三防整理劑表現(xiàn)出一定的生殖毒性，造成白羽鵪鶉的孵化率降低，胚胎死亡率及未受精率升高。這些結(jié)果說(shuō)明織物三防整理劑具有一定的毒性，做為PFOS的替代品應(yīng)慎重考慮。相對(duì)于前2種替代品，電解氟化法合成的C4和C62種三防整理劑對(duì)紫背浮萍、四尾柵藻以及稀有鮈鯽均未檢測(cè)到毒性，僅對(duì)蚤狀溞顯示出低毒效應(yīng)。而且土壤跳蟲(chóng)的生態(tài)毒性實(shí)驗(yàn)[19]和蝌蚪的急性毒性實(shí)驗(yàn)[20]結(jié)果也顯示C4、C6織物三防整理劑毒性作用低于PFOS，說(shuō)明其具有更高的安全性。

綜合急性毒性試驗(yàn)和稀有鮈鯽短期生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和已有資料，織物三防整理劑毒性較大，不適合于作為PFOS的替代品，而電解法合成的C4、C6織物三防整理劑毒性較低，具有較高的生物安全性，更適于作為的PFOS替代品。

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Ecotoxicity of Alternatives of Typical Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) to Four Native Aquatic Organisms

Wang Miao, Chen Huihui, Zha Jinmiao*, Wang Zijian

State Key Laboratory of Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

22 October 2014 accepted 2 December 2014

To provide a scientific basis for selecting safe and efficient substitutes, ecotoxicity of four PFOS alternatives (surfactant, textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent) to four native aquatic organisms (Soirodela polyrhiza, Scenedesmus quadricanda, Daphnia pulex and Gobiocypris rarus) was assessed. The results showed that surfactant had no acute toxic to these four native aquatic organisms. LC50of textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent on Daphnia pulex in acute toxicity test were 17.97, 64.61 and 85.58 mg·L-1, respectively. EC50of textile finishing agent on Daphnia pulex was 88.32 mg·L-1, whereas LC50on Gobiocypris rarus was 14.79 mg·L-1. In short-term growth inhibition test, LOEC of surfactant, textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent on Gobiocypris rarus were 20, 1.5, 100 and 50 mg·L-1, respectively. These results indicated that the four alternatives have low chronic toxicity to Gobiocypris rarus. Above all, C4and C6finishing agent could be able to serve as potential PFOS alternatives.

PFOS alternatives; native aquatic organisms; acute toxicity; chronic toxicity

國(guó)家863化學(xué)品重大項(xiàng)目課題“化學(xué)品毒性高通量生物測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)”(2012AA06A302)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)“化學(xué)園區(qū)綜合廢水淮河流域(蚌埠段-洪澤湖上游)工業(yè)和城市污水毒害污染物綜合控制研究與示范”(2014ZX07204-008-03)

王妙(1988-)，女，碩士，研究方向?yàn)樗鷳B(tài)毒理學(xué)，E-mail: wangmiao8809@126.com；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: zhajinmiao@gmail.com

10.7524/AJE.1673-5897.20141022001

2014-10-22 錄用日期：2014-12-02

1673-5897(2015)2-230-06

X171.5

A

查金苗(1975-)，男，博士，研究員，主要研究興趣包括水生模型生物體系的構(gòu)建和發(fā)展、水環(huán)境生物毒性測(cè)試方法、環(huán)境內(nèi)分泌干擾物的篩選技術(shù)研究、環(huán)境污染物對(duì)水生生物分子毒理機(jī)制和水生態(tài)系統(tǒng)完整性評(píng)估方法等，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表高水平論文70余篇，SCI論文40余篇。

王妙, 陳輝輝, 查金苗, 等. 全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品對(duì)4種本土水生生物的生態(tài)毒性[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào), 2015, 10(2): 230-235

Wang M, Chen H H, Zha J M, et al. Ecotoxicity of alternatives of typical perfluorooctane sulfonate (PFOS) to four native aquatic organisms [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(2): 230-235 (in Chinese)