鄰苯二甲酸酯對浮游生物的毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

李 欣，申晨晨，魏 杰，謝 璽

( 1.大連海洋大學(xué)，遼寧省水生生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.遼寧省海洋水產(chǎn)科學(xué)研究院，遼寧 大連 116023 )

鄰苯二甲酸酯(PAEs)(又稱鈦酸酯)是由鄰苯二甲酸酐與醇類物質(zhì)在酸性條件下酯化而成；因醇類物質(zhì)的側(cè)鏈基團(tuán)不同，衍生出大約20余種鄰苯二甲酸酯類化合物，是一種廣泛使用的增塑劑和軟化劑。多種鄰苯二甲酸酯類具有一般毒性和特殊毒性，部分鄰苯二甲酸酯類對動物致畸和致突變，呈明顯的內(nèi)分泌干擾性。鄰苯二甲酸酯類被稱為“第二個全球性污染物多氯聯(lián)苯(PCB)”，其引起的環(huán)境污染問題已受到全球性關(guān)注。早在1977年，美國國家環(huán)保局就將6種鄰苯二甲酸酯類列為優(yōu)先控制的有毒污染物，同年世界野生動物基金會列出的68種環(huán)境激素類物質(zhì)中也包括8種鄰苯二甲酸酯類[1]。目前，中國已將鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)、鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二(2-乙基已基)酯(DEHP)列入優(yōu)先控制污染物名單，且《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》也將DBP和DEHP作為鄰苯二甲酸酯類污染物的檢測指標(biāo)。然而，中國鄰苯二甲酸酯消耗量已超過美國，居全球之首，水環(huán)境中鄰苯二甲酸酯含量嚴(yán)重超標(biāo)，污染嚴(yán)重[2]。隨著塑料的生產(chǎn)、應(yīng)用與處理，鄰苯二甲酸酯不斷地向周圍環(huán)境釋放，水環(huán)境中殘余量持續(xù)增長，已經(jīng)在長江、黃河等重要水域及多種水生生物(海洋哺乳動物、魚類及水生無脊椎動物)中普遍檢出，且對水生生物產(chǎn)生影響[3]，還可通過食物鏈的富集和傳遞，潛在威脅人體健康[4-6]。因此，研究鄰苯二甲酸酯對水生生物的毒性效應(yīng)，對控制水環(huán)境中鄰苯二甲酸酯類污染和保護(hù)人類健康具有重要意義。

浮游生物是水生生物中的重要組成部分，是水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水體中鄰苯二甲酸酯可通過浮游生物傳遞到更高營養(yǎng)級，危害生物體。筆者主要綜述了鄰苯二甲酸酯的理化性質(zhì)、毒性作用機(jī)制、水體中含量及其對浮游生物的毒性效應(yīng)等方面研究的最新成果，為控制水環(huán)境的鄰苯二甲酸酯污染提供參考。

1 鄰苯二甲酸酯的理化性質(zhì)

鄰苯二甲酸酯由一個剛性平面芳環(huán)和2個可塑的非線型脂肪側(cè)鏈組成[7]。常見鄰苯二甲酸酯的主要環(huán)境參數(shù)(表1)，既是了解和掌握該類化合物污染規(guī)律的重要指標(biāo)，也是制定排放標(biāo)準(zhǔn)的主要依據(jù)。該類化合物具有相當(dāng)寬的液態(tài)溫度范圍，流動性很大，揮發(fā)性和水溶性卻較小，這些特殊的理化性質(zhì)決定了鄰苯二甲酸酯獨(dú)特的環(huán)境行為——在環(huán)境中性質(zhì)穩(wěn)定、存留時間長、有較強(qiáng)的生物蓄積毒性。

2 水體中鄰苯二甲酸酯的含量

鄰苯二甲酸酯來源有直接和間接2種途徑：直接途徑是含有鄰苯二甲酸酯工業(yè)廢水的排放以及聚氯乙烯塑料等固體廢棄物經(jīng)雨水淋洗而緩慢釋放；間接途徑是該類化合物首先排入到大氣中，通過干沉降或雨水淋洗而轉(zhuǎn)入水環(huán)境中[8]。水體鄰苯二甲酸酯的分布與其組分的溶解度密切相關(guān)，分子量較低的鄰苯二甲酸酯易溶于水，而分子量較高的鄰苯二甲酸酯不溶于水。鄰苯二甲酸酯在全球主要工業(yè)國家的生態(tài)環(huán)境中已達(dá)到普遍檢出的程度，國內(nèi)外部分水體中鄰苯二甲酸酯的含量見表2。目前，我國多個湖泊、河流、城市水體(含飲用水)中檢出的鄰苯二甲酸酯質(zhì)量濃度(>8.00 μg/L)超過了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(PRC-NS GB 3838—2002)和飲用水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(PRC-NS GB 5749—2006)，已成為我國水環(huán)境的重要風(fēng)險因子；故由鄰苯二甲酸酯引起的水生態(tài)污染及其對水生生物生長發(fā)育的潛在影響也備受關(guān)注[9-14]。

表1 鄰苯二甲酸酯的主要環(huán)境參數(shù)Tab.1 The types and characteristics of common phthalate esters (PAEs) compounds

表2 國內(nèi)外部分水體中鄰苯二甲酸酯的質(zhì)量濃度 μg/LTab.2 Contents of PAEs in some waters at home and abroad

(續(xù)表2)

3 鄰苯二甲酸酯對浮游生物的毒性效應(yīng)

浮游生物的種群數(shù)量與群落組成將直接影響整個水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及健康水平，常作為研究不同水體中污染物毒性效應(yīng)的指示生物。

3.1 鄰苯二甲酸酯對浮游植物的毒性效應(yīng)

研究表明，鄰苯二甲酸酯可直接損害浮游植物，具體體現(xiàn)在抑制藻細(xì)胞生長，降低葉綠素a含量等，鄰苯二甲酸酯對6種淡水藻類和4種海水藻類的半數(shù)有效質(zhì)量濃度和無可觀察效應(yīng)質(zhì)量濃度見表3。在淡水藻類中，Adams等[5]測試了14種鄰苯二甲酸酯對羊角月牙藻(Selenastrumcapricornutum)的急性毒性，其中有4個碳原子或更短烷基鏈長度的鄰苯二甲酸酯的急性毒性質(zhì)量濃度范圍(0.21～377 mg/L)取決于酯在水中的溶解性。低分子量鄰苯二甲酸酯(DMP、DEP、DBP、BBP)毒性隨水溶解度的降低而增強(qiáng)；而烷基鏈長度為6個碳原子或更多的鄰苯二甲酸酯在接近它們各自的水溶解度的質(zhì)量濃度下通常沒有急性毒性。Suggatt等[31]基于葉綠素a含量和細(xì)胞數(shù)量研究了DMP、DEP和BBP對羊角月牙藻的96 h半數(shù)有效質(zhì)量濃度，分別為39.8～42.7 mg/L，85.6～90.3 mg/L和0.11～0.13 mg/L，可見毒性大小依次為BBP>DMP>DEP。Gledhill等[32]也測得了BBP對羊角月牙藻96 h的半數(shù)有效質(zhì)量濃度為0.40 mg/L，與上述結(jié)果接近。Melin等[33]通過考察二氧化碳的含量變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)DBP質(zhì)量濃度大于2.78 mg/L可抑制埃氏小球藻(Chlorellaemersonii)和羊角月牙藻的生長和光合作用。在海水藻類中，Wilson等[34]報道了DMP、DEP、DPP、DBP和DEHP對短裸甲藻(Gymnodiniumbreve)的影響，其中以DBP對短裸甲藻的毒性最高。有研究認(rèn)為，DBP可能通過作用于短裸甲藻線粒體和細(xì)胞膜，導(dǎo)致活性氧的過量積累而氧化損傷藻細(xì)胞，抑制藻細(xì)胞生長[35]。

表3 鄰苯二甲酸酯對浮游植物的毒性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of toxicity tests of PAEs to phytoplankton

(續(xù)表3)

(續(xù)表3)

3.2 鄰苯二甲酸酯對浮游動物的毒性效應(yīng)

浮游動物是指水中營浮游生活的動物，主要包括原生動物、輪蟲、枝角類和橈足類等。枝角類是湖泊、河流、水庫等水域生態(tài)系統(tǒng)中的初級消費(fèi)者，處于食物鏈和營養(yǎng)循環(huán)的中間環(huán)節(jié)，其生長狀況和種群變動在水域生態(tài)學(xué)和湖沼學(xué)研究中起關(guān)鍵指示作用[43]。以浮游動物作為研究對象，探討環(huán)境污染物對水域生態(tài)環(huán)境的影響時，主要通過急慢性毒性試驗(yàn)。大型溞(Daphniamagna)是淡水中常見枝角類，分布廣泛、易于操作和觀察，對污染物脅迫十分敏感，成為水生態(tài)毒理學(xué)研究的模式生物，被廣泛用于化合物毒性和水環(huán)境污染監(jiān)測。部分國內(nèi)外有關(guān)鄰苯二甲酸酯對大型溞的急慢性毒性試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可見，鄰苯二甲酸酯對大型溞的生存、生長和繁殖等均有不同影響，表現(xiàn)出不同程度的毒性效應(yīng)。任何化學(xué)物質(zhì)對生物的危害都存在著一個從量變到質(zhì)變的過程，化學(xué)物質(zhì)只有達(dá)到一定的劑量時才顯示出其對生物的毒性。依據(jù)半數(shù)致死質(zhì)量濃度和半數(shù)致死劑量的大小，可以將化學(xué)物質(zhì)的毒性分為劇毒、高毒、中等毒、低毒和微毒5級[44]。據(jù)文獻(xiàn)報道[45]，對溞類而言，48 h半數(shù)致死質(zhì)量濃度<0.1 mg/L時屬于劇毒物質(zhì)，48 h半數(shù)致死質(zhì)量濃度為0.1～10 mg/L時應(yīng)屬于高毒物質(zhì)，48 h半數(shù)致死質(zhì)量濃度為10～100 mg/L時應(yīng)屬于中等毒物質(zhì)。根據(jù)表4中半數(shù)致死質(zhì)量濃度按照上述毒物分級標(biāo)準(zhǔn)將鄰苯二甲酸酯進(jìn)行分級，DEP、DMP和DOP對大型溞應(yīng)屬中等毒物質(zhì)，DBP、BBP、DEHP、610P、DIOP屬高毒物質(zhì)，BOP、DINP、711P和DUP屬劇毒物質(zhì)，DIDP和DTDP介于劇毒和高毒物質(zhì)間。Wei等[46]研究了DBP對大型溞的急性毒性和跨代效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)親代暴露于DBP對大型溞未產(chǎn)生跨代影響。劉偉杰等[47]研究發(fā)現(xiàn)，不同世代多刺裸腹溞(Moinamacrocopa)對DBP具有一定耐受性，F(xiàn)1和F2代耐受性下降，敏感性增強(qiáng)，F(xiàn)3敏感性下降。由此可見，相同種類鄰苯二甲酸酯對水生生物的半數(shù)致死質(zhì)量濃度或無可觀察效應(yīng)質(zhì)量濃度與慢性毒性略有不同，其主要原因可能與試驗(yàn)使用的助溶劑、環(huán)境條件(如溫度)以及受試生物的生殖系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)對鄰苯二甲酸酯的敏感性不同有關(guān)。

表4 鄰苯二甲酸酯對大型溞急慢性毒性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of acute and chronic toxicity tests of PAES to water fleas D. magna

(續(xù)表4)

4 鄰苯二甲酸酯對水生生物的毒性作用機(jī)制

大量動物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鄰苯二甲酸酯進(jìn)入有機(jī)體可以結(jié)合激素受體干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)，包括由雌激素、雄激素、孕激素和甲狀腺激素介導(dǎo)的多種生物學(xué)途徑，影響生物發(fā)育，導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)畸形、生長遲緩、功能障礙及死亡，屬于典型的環(huán)境雌激素[47,60-61]。多年以來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度研究了鄰苯二甲酸酯對水生動物的毒性效應(yīng)：

(1)鄰苯二甲酸酯對水生動物的急慢性毒性研究為評價鄰苯二甲酸酯的毒性計量效應(yīng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。鄰苯二甲酸酯的急慢性毒性劑量效應(yīng)研究較多。劉偉杰等[47]研究表明，DBP對多刺裸腹溞的生長和繁殖具有顯著的毒性效應(yīng)，且24 h半數(shù)致死質(zhì)量濃度為8.44 mg/L；Huang等[62]發(fā)現(xiàn)，DEHP對大型溞的毒性高于DBP，二者對大型溞的24 h半數(shù)有效質(zhì)量濃度分別為2.1 mg/L和8.0 mg/L；還有研究表明，DBP對大型溞種群增長不會造成跨代影響[46]，而DEHP可對大型溞3個世代(P代、F1代和F2代)的種群增長產(chǎn)生不同程度的毒性作用[63]。Wang等[64]研究發(fā)現(xiàn)，DEHP能夠干擾長江上游特有種中國稀鯽(Gobiocyprisrarus)的內(nèi)分泌系統(tǒng)，成年稀有鯽在39.4 μg/L及更高劑量的DEHP里暴露21 d后，雌魚生殖腺中睪酮與雌二醇的比值升高，而在雄魚中降低。

(2)鄰苯二甲酸酯對水生動物的細(xì)胞毒性研究為監(jiān)測環(huán)境污染篩選生物標(biāo)志物。鄰苯二甲酸酯在水生生物體內(nèi)的積累可以促使過氧化酶體增生，從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性，研究發(fā)現(xiàn)鄰苯二甲酸酯可抑制斑馬魚(Daniorerio)、海膽、鮑、對蝦等的受精率和孵化率，造成胚胎發(fā)育畸形甚至死亡[61,65-67]。Zhou等[68]研究表明，鄰苯二甲酸酯對九孔鮑(Haliotisdiversicolor)胚胎發(fā)生的毒性為DBP>DEP>DMP>DOP>DEHP，并認(rèn)為DEHP由于側(cè)鏈較長、脂溶性強(qiáng)、難于滲透到胚胎細(xì)胞中而毒性相對較低，與Yang等[69]研究結(jié)果一致。DMP對九孔鮑受精過程和胚胎發(fā)育也有不利影響，表現(xiàn)為精子活力下降和受精卵發(fā)育畸形[70]。此外，鄰苯二甲酸酯還可誘導(dǎo)改變鮑胚胎Na+/K+-泵、Ca2+/Mg2+-泵的活性，改變過氧化物酶活性和丙二醛水平，破壞卵膜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致氧化損傷[68]。DEHP能夠誘導(dǎo)翡翠貽貝(Pernaviridis)內(nèi)臟團(tuán)和外套膜兩種組織的脂質(zhì)過氧化損傷，并且在短期內(nèi)無法消除[71]。DBP暴露下的大型溞幼溞較成溞更為敏感的原因也可能是氧化損傷[72]。DBP對水生生物除了產(chǎn)生氧化脅迫外， 還存在著神經(jīng)毒性[73]。

(3)鄰苯二甲酸酯對水生動物的分子毒性研究為理解污染物的毒理作用闡明機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，DMP不僅能與胰蛋白酶相互結(jié)合改變構(gòu)象，從而影響胰蛋白酶的活性[74]；還能夠與鯡魚精子DNA相結(jié)合，改變DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，造成分子和遺傳毒性[75]。鄰苯二甲酸酯不但對九孔鮑胚胎發(fā)育有毒理效應(yīng)，還可干擾鮑gpx等內(nèi)分泌激素相關(guān)基因的表達(dá)[68]。Golshan等[76]發(fā)現(xiàn)若長期暴露于1 μg/L的DEHP，金魚(Carassiusauratus)的精子質(zhì)量和活性降低，雄魚體內(nèi)睪丸酮含量下降且類固醇合成基因StAR表達(dá)量下調(diào)。Wang等[54]研究發(fā)現(xiàn)，DEHP暴露可以調(diào)節(jié)大型溞幼溞和成溞的抗氧化酶活性和相關(guān)基因表達(dá)。DEHP還可干擾斑馬魚胚胎甲狀腺含量及甲狀腺相關(guān)基因表達(dá)水平[77]，DBP可通過wnt信號途徑影響斑馬魚胚胎背腹軸形成[78]。進(jìn)一步研究表明，DEHP和DBP能誘導(dǎo)斑馬魚胚胎心率下降、自主運(yùn)動異常、脊柱彎曲和心包水腫等一系列發(fā)育異常，顯著抑制心臟發(fā)育相關(guān)蛋白Nkx2.5的含量，并且10 μg/L的DEHP 和DBP即可對斑馬魚胚胎的發(fā)育造成影響，此劑量低于二者在一些水域的檢出質(zhì)量濃度[79]。此外，1.8 mg/L的DBP暴露導(dǎo)致雄性斑馬魚的生殖和胚胎的發(fā)育異?？梢詡鬟f至F1代[80]。因此，DEHP和DBP對水生生物的危害急需重視。

5 展 望

我國水環(huán)境中鄰苯二甲酸酯的污染已相當(dāng)普遍，因此應(yīng)加大對鄰苯二甲酸酯的污染監(jiān)測力度，研發(fā)更加簡便快速準(zhǔn)確的檢測方法；目前研究已經(jīng)證實(shí)，鄰苯二甲酸酯對淡水浮游生物等水生生物有明顯的急慢性毒性和生殖毒性，能導(dǎo)致其死亡和生殖系統(tǒng)發(fā)育畸形、精子損傷、性別錯亂等，需要進(jìn)一步對其致毒機(jī)理及相關(guān)分子機(jī)制系統(tǒng)闡明；鄰苯二甲酸酯在生物體內(nèi)可長期存留，沿食物鏈進(jìn)行傳遞，今后應(yīng)加強(qiáng)研究鄰苯二甲酸酯對海洋浮游生物和咸水湖浮游生物的毒性效應(yīng)及生態(tài)安全評價，以期揭示鄰苯二甲酸酯進(jìn)入水體后對水生生物生長和繁殖的長期干擾效應(yīng)及其規(guī)律，為全面認(rèn)知鄰苯二甲酸酯的水生態(tài)風(fēng)險提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。