飲用水中新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的毒性研究進(jìn)展

魏文哲，羅家怡，趙佳焱，楚文海，董慧峪，周慶，施鵬，潘旸,*

1. 污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京210023 2. 污染控制與資源化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092 3. 中國(guó)科學(xué)院飲用水科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京100085

飲用水消毒被譽(yù)為是20世紀(jì)公共衛(wèi)生領(lǐng)域的重大進(jìn)步之一[1]，但消毒劑會(huì)與水中的天然有機(jī)物(natural organic matter, NOM)以及溴離子等發(fā)生反應(yīng)生成消毒副產(chǎn)物(disinfection byproducts, DBPs)。自1974年Rook等發(fā)現(xiàn)第一個(gè)DBP三氯甲烷(trichloromethane, TCM)以來(lái)[2]，至今在飲用水中已有超過(guò)700種DBPs被發(fā)現(xiàn)[3]。Wagner和Plewa[4]對(duì)100多種DBPs進(jìn)行了系統(tǒng)的毒理學(xué)研究，表明DBPs具有顯著的細(xì)胞毒性和遺傳毒性。同時(shí)流行病學(xué)研究也顯示飲用水DBPs與人類出生缺陷[5-6]以及膀胱癌[7-8]、結(jié)腸癌和直腸癌[9-11]等發(fā)生率都存在相關(guān)關(guān)系。鑒于DBPs表現(xiàn)出的高生物毒性效應(yīng)和致癌風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)和世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)分別對(duì)其中11種和14種DBPs進(jìn)行了監(jiān)管[3,12]。

目前發(fā)現(xiàn)的DBPs只占總有機(jī)鹵素(total organic halogen, TOX)的30%～50%[13]，表明仍有許多DBPs未探明。最近研究人員在模擬消毒飲用水中鑒定出了許多新型環(huán)狀類DBPs[14-22]，且多為溴代消毒副產(chǎn)物(Br-DBPs)和碘代消毒副產(chǎn)物(I-DBPs)，以往研究表明，環(huán)狀DBPs比鏈狀DBPs、I-DBPs和Br-DBPs往往比氯代消毒副產(chǎn)物(Cl-DBPs)具有更高的細(xì)胞毒性、遺傳毒性、發(fā)育毒性以及生長(zhǎng)抑制作用[4,23-25]，此外，新型環(huán)狀DBPs也會(huì)部分降解為受監(jiān)管的鏈狀DBPs[17-18,21,26-27]，因此對(duì)飲用水水質(zhì)的影響不容忽視。

1 新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的鑒定及暴露水平(Identification and exposure levels of new cyclic disinfection byproducts)

1.1 新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的鑒定

目前在模擬消毒飲用水中檢測(cè)到的新型環(huán)狀DBPs主要為鹵代苯酚類和鹵代苯醌類，表1匯總了近年來(lái)新型環(huán)狀DBPs的鑒定情況。2010年P(guān)an等[28]在模擬氯胺消毒飲用水中鑒定了6種新型碘代苯酚類DBPs，包括3-碘-4-羥基苯甲酸(3-I-4-HB)、3,5-二碘-4-羥基苯甲醛(3,5-DI-4-HBA)、3,5-二碘水楊醛(3,5-DI-2-HBA)、3,5-二碘水楊酸(3,5-DI-2-HB)、2,6-二碘-4-硝基苯酚(2,6-DI-4-NP)和2,4,6-三碘苯酚(2,4,6-TIP)。2011年Zhai和Zhang[14]運(yùn)用超高效液相色譜/電噴霧電離-三重四極桿質(zhì)譜前驅(qū)體離子掃描技術(shù)在模擬氯化消毒飲用水中發(fā)現(xiàn)了2,4,6-三溴苯酚(2,4,6-TBP)以及3,5-二溴-4-羥基苯甲酸(3,5-DB-4-HB)，隨后幾十種新的鹵代苯酚類DBPs陸續(xù)在模擬消毒飲用水中被鑒定出[15-16,18-19]。苯酚以及鹵代苯酚類物質(zhì)是消毒過(guò)程中形成鹵代苯醌類物質(zhì)重要的前驅(qū)體[29-30]，2010年首次在消毒后的飲用水中檢測(cè)到2,6-二氯-1,4-苯醌(2,6-DCBQ)[20]，同年2,6-二氯-3-甲基-1,4-苯醌(2,6-DCMBQ)、2,3,6-三氯-1,4-苯醌(2,3,6-TCBQ)和2,6-二溴-1,4-苯醌(2,6-DBBQ)也在飲用水中被檢測(cè)到[22]。直至今日，仍有許多新型環(huán)狀DBPs不斷被鑒定出，2020年Hu等[17]鑒定出3種新的碘代苯醌類DBPs，分別是2,6-二碘-1,4-苯醌(2,6-DIBQ)、2-氯-6-碘-1,4-苯醌(2,6-CIBQ)和2-溴-6-碘-1,4-苯醌(2,6-BIBQ)，這是首次在模擬氯胺消毒的飲用水中檢測(cè)到碘代苯醌類DBPs，而I-DBPs往往具有更高的毒性效應(yīng)[23-24]。近期氯苯乙腈類DBPs和鹵代氨基酸類DBPs也被鑒定出[31-33]。

1.2 飲用水中新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的暴露水平

表2匯總了近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外各地實(shí)際飲用水樣中新型環(huán)狀DBPs檢出量水平。研究者分別于2010年[22]、2012年[30]和2014[34]在美國(guó)和加拿大的多處飲用水廠中檢測(cè)到2,6-DCBQ、2,6-DCMBQ、2,3,6-TCBQ和2,6-DBBQ這4種鹵代苯醌，濃度范圍分別為nd～274 ng·L-1、nd～6.5 ng·L-1、nd～20 ng·L-1和nd～37.9 ng·L-1，2020年Hu等[17]在中國(guó)上海和南京的12處龍頭水樣品中檢測(cè)到了2,6-DCBQ(4.0～41.2 ng·L-1)和2,6-DBBQ(0.8～4.9 ng·L-1)，此外還首次檢測(cè)到了2,6-DIBQ和2,6-CIBQ這2種碘代苯醌類DBPs，濃度分別為0.4～1.8 ng·L-1和0.7～1.3 ng·L-1，實(shí)際飲用水樣中檢出的苯醌類DBPs主要以2,6-DCBQ為主，溴代和碘代苯醌類DBPs含量較少。此外苯醌類DBPs也在泳池水樣中被檢出，其中2,6-DCBQ濃度高達(dá)299 ng·L-1，是其進(jìn)水濃度的100倍[35]。

Pan等[28]在中國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)9個(gè)城市的水源水和龍頭水樣品中檢測(cè)到了4種新型環(huán)狀DBPs，分別是2,6-DI-4-NP(0.17～3.9 ng·L-1)、3,5-DI-4-HBA(nd～0.67 ng·L-1)、2,4,6-TIP(nd～0.43 ng·L-1)和2,4-二碘6-硝基苯酚(2,4-DI-6-NP, 0.12～24 ng·L-1)，硝基苯酚類DBPs普遍檢出可能是由于長(zhǎng)江水源水中溶解性有機(jī)氮濃度較高。在另一項(xiàng)針對(duì)中國(guó)東部(長(zhǎng)三角以及太湖流域)8個(gè)城市的水源水和龍頭水調(diào)查中檢測(cè)到12種新型環(huán)狀DBPs，其中2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)的檢出濃度最高，達(dá)到了215.0 ng·L-1[18]。Zhang等[36]在對(duì)深圳的飲用水廠進(jìn)行調(diào)查時(shí)檢測(cè)到12種新型環(huán)狀DBPs，其中2,6-二氯-4-硝基苯酚(2,6-DC-4-NP)、2,6-二溴-4-硝基苯酚(2,6-DB-4-NP)和2-溴-4-氯-6-硝基苯酚(2-Br-4-Cl-6-NP)首次在實(shí)際氯化飲用水中檢測(cè)到，單個(gè)DBP濃度范圍為4.9～8.3 ng·L-1。

2 新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的生物毒性(Toxicity of new cyclic disinfection byproducts)

2.1 新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的細(xì)胞毒性和遺傳毒性

鹵代苯醌類DBPs的細(xì)胞毒性遠(yuǎn)高于鹵代甲烷、鹵乙醛、鹵代硝基甲烷和亞硝胺類DBPs[4]。Hung等[37]用人結(jié)腸細(xì)胞(CCD841CoN)和人肝癌細(xì)胞(Hep G2)評(píng)價(jià)了2,6-DCBQ的急性毒性，半數(shù)抑制濃度(IC50)分別為472 μmol·L-1和557 μmol·L-1，即2,6-DCBQ暴露1 h的急性細(xì)胞毒性與很多鏈狀DBPs的慢性細(xì)胞毒性(72 h)相當(dāng)甚至更強(qiáng)[4]。Du等[38]用膀胱癌細(xì)胞(T24)對(duì)2,6-DCBQ、2,6-DCMBQ、2,3,6-TCBQ和2,6-DBBQ進(jìn)行24 h暴露的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)，MTS細(xì)胞活力檢測(cè)顯示IC50值分別為95、110、151和142 μmol·L-1，2,6-DCBQ顯示出最大的細(xì)胞毒性。此外，乳酸脫氫酶法(LDH)檢測(cè)顯示加入抗氧化劑N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)后細(xì)胞毒性明顯降低，表明暴露于苯醌類DBPs后使細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species, ROS)，支持氧化應(yīng)激(oxidative stress, OS)是苯醌類DBPs產(chǎn)生細(xì)胞毒性的作用機(jī)制，用中性紅攝取法(NRU)和實(shí)時(shí)細(xì)胞-微電子傳感細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)法(RT-CES)測(cè)得2,6-DCBQ、2,6-DCMBQ、2,3,6-TCBQ和2,6-DBBQ的IC50分別為11.4、148、113和45.7 μmol·L-1和1.9、58.7、95.6和21.4 μmol·L-1[39]，盡管存在著測(cè)定方法上的差異，但均顯示2,6-DCBQ的細(xì)胞毒性最大。

異構(gòu)體和鹵素取代基類型會(huì)顯著影響細(xì)胞毒性大小。Li等[40]用RT-CES法評(píng)價(jià)了中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞(CHO-K1)分別暴露于2,5-二氯-1,4-苯醌(2,5-DCBQ)和2,6-DCBQ不同時(shí)間段的細(xì)胞毒性，2,5-DCBQ的細(xì)胞毒性均明顯強(qiáng)于2,6-DCBQ的細(xì)胞毒性。此外，鹵素取代基類型也會(huì)影響細(xì)胞毒性，暴露24 h后，細(xì)胞毒性大小為2,3-二碘-1,4苯醌(2,3-DIBQ)>2,6-DBBQ>2,6-DCBQ，類似的結(jié)論在Hep G2細(xì)胞中也得到了證實(shí)[17]。這一趨勢(shì)與已報(bào)道的其他DBPs的細(xì)胞毒性是一致的，如鹵乙酸類DBPs中碘乙酸(IAA)>溴乙酸(BAA)>氯乙酸(CAA)[41-42]。

鹵代苯酚類物質(zhì)也是近期新檢出的一類新型環(huán)狀DBPs。Vlastos等[43]研究了2-氯苯酚(2-CP)對(duì)海洋細(xì)菌費(fèi)舍爾弧菌的發(fā)光抑制效果，IC50為(16±1.0) μg·mL-1，根據(jù)歐洲立法建立的毒性分類，2-CP被歸類為對(duì)水生生物有害的化合物。Chen等[44]用發(fā)光青海弧菌Q67評(píng)價(jià)了7種鹵代苯酚類DBPs的急性毒性，毒性大小為2,5-二溴對(duì)苯二酚(2,5-dibromohydroquinone, 2,5-DBHQ)>2,4-二溴苯酚(2,4-DBP)>4-溴-2-氯苯酚(2-Cl-4-BP)>2,6-DB-4-NP>2,6-DC-4-NP>2-溴-4-氯苯酚(2-Br-4-CP)>4-溴苯酚(4-BP)，混合物效應(yīng)研究表明7種鹵代苯酚類DBPs之間毒性協(xié)同作用的概率隨著其濃度水平的升高而升高，在啶脲和鎘的混合物毒性研究中也觀察到此現(xiàn)象[45]。

表2 國(guó)內(nèi)外地區(qū)飲用水中部分新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物濃度水平Table 2 Concentration levels of new cyclic DBPs in drinking water in some areas at home and abroad

鹵素取代基數(shù)量和類型同樣會(huì)影響芳香族DBPs細(xì)胞毒性大小，Zhang等[46]用CHO-K1細(xì)胞測(cè)得4-BP和2,4-DBP的IC50分別為30.8 μmol·L-1和10.9 μmol·L-1，表明鹵素取代基越多細(xì)胞毒性越大。Liberatore等[47]用CHO-K1細(xì)胞測(cè)試了2-碘苯酚(2-IP)、4-碘苯酚(4-IP)和2,4,6-TIP的細(xì)胞毒性，IC50分別為601、216和43.7 μmol·L-1，同樣符合多鹵代化合物毒性高于單鹵代化合物的規(guī)律。Zhang等[36]更加全面地測(cè)定了15種新型環(huán)狀DBPs的CHO-K1細(xì)胞毒性，毒性順序?yàn)?,6-DB-4-NP>2,6-DC-4-NP>2-Br-4-Cl-6-NP>2,4,6-TBP>3,5-二溴-4-羥基苯甲醛(3,5-DB-4-HBA)>2,6-二溴-4-氯苯酚(2,6-DB-4-CP)>2,6-二氯-4-溴苯酚(2,6-DC-4-BP)>3,5-二溴-2-羥基苯甲酸(3,5-DB-2-HB)>3-溴-5-氯-4-羥基苯甲醛(3-Br-5-Cl-4-HBA)>2,4,6-TCP>3,5-二氯-4-羥基苯甲醛(3,5-DC-4-HBA)>3-溴-5-氯-2-羥基苯甲酸(3-Br-5-Cl-2-HB)>3,5-二氯-2-羥基苯甲酸(3,5-DC-2-HB)>3,5-DB-4-HB>3,5-二氯-4-羥基苯甲酸(3,5-DC-4-HB)，毒性規(guī)律為鹵代硝基苯酚>鹵代苯酚>鹵代苯甲醛>鹵代苯甲酸，I-DBPs>Br-DBPs>Cl-DBPs，含氮DBPs>不含氮DBPs。類似的規(guī)律在Hep G2細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)中也得到了證實(shí)[16,26]。

遺傳毒性是評(píng)估外源化合物、輻射等對(duì)生物體遺傳相關(guān)過(guò)程產(chǎn)生有害作用的重要指標(biāo)。Zuo等[48]測(cè)定了2,6-DCBQ和5種常規(guī)DBPs對(duì)線蟲的遺傳毒性，結(jié)果顯示，暴露于300～500 μmol·L-1的2,6-DCBQ中可引起線蟲DNA顯著損傷，同等濃度的N-亞硝基二甲胺、三氯乙酸、二溴乙酸、二氯乙酸和一溴乙酸均對(duì)線蟲的DNA沒有影響，當(dāng)N-亞硝基二甲胺濃度增加到25 mmol·mL-1時(shí)才對(duì)線蟲造成明顯的DNA損傷。Vlastos等[43]的研究表明，2-CP會(huì)顯著增加鯽魚外周紅細(xì)胞和人淋巴細(xì)胞的微核率，引起DNA損傷。這是第一次在較低濃度下(16 μg·mL-1)觀測(cè)到2-CP對(duì)人體細(xì)胞的遺傳效應(yīng)，以往的研究雖證實(shí)了人牙齦成纖維細(xì)胞暴露于2-CP后DNA斷裂的可能性，但暴露濃度較高，達(dá)到了0.5 mg·mL-1[49]。Yin等[50]發(fā)現(xiàn)斑馬魚肝臟基因組p53在連續(xù)10 d暴露于5 μg·L-1的2,4,6-TCP時(shí)基因點(diǎn)突變?cè)黾?，表現(xiàn)出較強(qiáng)的遺傳毒性，提示2,4,6-TCP可能通過(guò)誘導(dǎo)基因點(diǎn)突變而導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。類似的遺傳毒性效應(yīng)在中國(guó)倉(cāng)鼠V79細(xì)胞中也被觀察到[51]，WHO已將2,4,6-TCP歸類為B2，即疑似具有致癌特性的化合物[52]。

Du等[38]用T24細(xì)胞研究了飲用水中4種典型的鹵代苯醌類DBPs的遺傳毒性，發(fā)現(xiàn)均能夠誘導(dǎo)8-羥基脫氧鳥苷(8-OHdG)的產(chǎn)生，大小順序?yàn)?,6-DCMBQ>2,6-DCBQ>2,6-DBBQ>2,3,6-TCBQ，其中2,6-DCMBQ誘導(dǎo)產(chǎn)生的8-OHdG約為對(duì)照組的10倍，8-OHdG作為一種重要且最豐富的氧化損傷形式，可導(dǎo)致基因組DNA的點(diǎn)突變[53]。暴露時(shí)間對(duì)物質(zhì)誘導(dǎo)遺傳毒性的大小具有顯著影響[40]，CHO-K1細(xì)胞暴露在8種鹵代苯醌類DBPs約12 h和24 h后，8-OHdG的產(chǎn)生量和p53基因的表達(dá)水平均有顯著差異。暴露12 h后僅2,5-二溴-1,4-苯醌(2,5-DBBQ)和2-氯-1,4-苯醌(2-CBQ)誘導(dǎo)CHO-K1細(xì)胞產(chǎn)生8-OHdG，2,5-DBBQ和2,3-DIBQ增加了p53基因的表達(dá)，其他鹵代苯醌與對(duì)照組相比均無(wú)顯著差異；暴露24 h后CHO-K1細(xì)胞內(nèi)8-OHdG產(chǎn)生的水平大小為2,6-DCBQ>2,3,6-TCBQ>2,6-DBBQ≥2,5-DBBQ>2-CBQ≈2,3-DIBQ≈2,3,5,6-四氯-1,4-苯醌(2,3,5,6-TCBQ)≈2,5-DCBQ，此時(shí)2,5-DBBQ、2,3-DIBQ、2,6-DCBQ和2,5-DCBQ均能夠增加p53基因的表達(dá)，一旦p53基因被激活，p53蛋白將進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞周期停滯、凋亡或衰老[54-55]。對(duì)異構(gòu)體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)相對(duì)于2,5-二鹵代苯醌，2,6-二鹵代苯醌能夠誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生更多的8-OHdG，但誘導(dǎo)產(chǎn)生的p53蛋白含量卻相對(duì)較少。

研究人員對(duì)DBPs的致毒機(jī)理進(jìn)行了許多探討，其中氧化應(yīng)激被視為一種重要的細(xì)胞損傷機(jī)理途徑[56-57]。細(xì)胞內(nèi)ROS的含量水平在一定程度上可以反映氧化應(yīng)激的程度。Hung等[37]測(cè)定了2,6-DCBQ暴露下CCD841CoN細(xì)胞和Hep G2細(xì)胞內(nèi)ROS水平，根據(jù)熒光素酶強(qiáng)度與細(xì)胞內(nèi)ROS水平成正相關(guān)的關(guān)系[58]，結(jié)果表明暴露于不同濃度的2,6-DCBQ溶液24 h后細(xì)胞內(nèi)ROS含量比暴露1 h后相對(duì)降低了60%，說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)存在抗氧化酶系統(tǒng)抵御2,6-DCBQ誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，這一結(jié)論在其他研究中也被證實(shí)[59-61]。Lou等[62]研究了2,6-DCBQ和典型的茶多酚如表沒食子兒茶素沒食子酸酯((-)-epigallocatechin gallate, EGCG)以不同比例混合后對(duì)Hep G2細(xì)胞毒性和氧化應(yīng)激的影響，結(jié)果表明，當(dāng)2,6-DCBQ濃度固定在50 μmol·L-1時(shí)，EGCG濃度從0 μmol·L-1增加到50 μmol·L-1后，Hep G2細(xì)胞的存活率從20.0%提高到了65.2%，通過(guò)測(cè)定不同比例的2,6-DCBQ和EGCG混合后的ROS產(chǎn)生量發(fā)現(xiàn)，隨著EGCG濃度的增加，Hep G2細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生量越來(lái)越少，EGCG濃度從0 μmol·L-1增加到50 μmol·L-1后ROS產(chǎn)生量減少了86.6%，表明產(chǎn)生ROS是細(xì)胞內(nèi)的一種致毒途徑，而EGCG可以清除細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS，降低物質(zhì)引起的細(xì)胞毒性，提高細(xì)胞存活率。異構(gòu)體和鹵素取代類型對(duì)物質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生ROS也具有一定影響，CHO-K1細(xì)胞暴露于8種鹵代苯醌后細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的水平為2,3-DIBQ>2,5-DBBQ>2,3,5,6-TCBQ≥2,5-DCBQ>2-CBQ>2,6-DBBQ>2,3,6-TCBQ>2,6-DCBQ，其中2,3-DIBQ誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS水平為2,6-DCBQ的2.9倍，異構(gòu)體方面2,5-DBBQ和2,5-DCBQ誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生的ROS與2,6-DBBQ和2,6-DCBQ的比值分別為1.4和2.1，此外鹵素取代基類型也會(huì)顯著影響ROS生成水平，2,3-DIBQ誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS水平分別是2,5-DBBQ、2,5-DCBQ、2,6-DBBQ和2,6-DCBQ的1.2倍、1.4倍、1.7倍和2.9倍。這一順序基本與細(xì)胞毒性順序類似(2,3-DIBQ≥2-CBQ>2,5-DBBQ>2,3,5,6-TCBQ≈2,5-DCBQ≥2,6-DBBQ>2,6-DCBQ≥2,3,6-TCBQ)，說(shuō)明氧化應(yīng)激反應(yīng)是導(dǎo)致細(xì)胞毒性的重要機(jī)制之一[40]。

外源性物質(zhì)與抗氧化酶系統(tǒng)的相互作用也被證實(shí)為是致毒機(jī)理之一。研究表明鹵代苯醌類DBPs處理T24細(xì)胞可以顯著降低細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(GSH)水平，且GSH降低的水平與鹵代苯醌濃度呈正相關(guān)，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)GSH被GSH抑制劑丁硫氨酸亞砜亞胺抑制活性時(shí)，鹵代苯醌的IC50相對(duì)降低了30%～80%[63]。此外在處理細(xì)胞之前向培養(yǎng)基中添加10 mmol·L-1GSH可以顯著降低鹵代苯醌類DBPs誘導(dǎo)的細(xì)胞毒性，超高效液相色譜-高分辨率質(zhì)譜和電子順磁共振波譜研究顯示鹵代苯醌類DBPs可以與GSH直接結(jié)合形成各種谷胱甘肽結(jié)合物，進(jìn)一步降低細(xì)胞內(nèi)GSH含量[64]。同時(shí)，與GSH相關(guān)的抗氧化酶活性也被鹵代苯醌類DBPs改變，研究顯示T24細(xì)胞暴露于鹵代苯醌類DBPs后，細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)活性顯著提高，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPx)活性未改變或稍有降低[63]，在MCF-7細(xì)胞中有類似的結(jié)論[65]。Zhang等[36]通過(guò)分子對(duì)接和定量構(gòu)效關(guān)系(quantitative structure-activity relationship, QSAR)建模發(fā)現(xiàn)15種鹵代芳香族DBPs與過(guò)氧化氫酶(CAT)的結(jié)合力大小被納入到擬合預(yù)測(cè)方程當(dāng)中，而CAT又是抗氧化酶系統(tǒng)中很重要的一類酶，能夠發(fā)揮抵御ROS的作用。

外源性物質(zhì)也會(huì)改變相關(guān)基因表達(dá)，Li等[66]證實(shí)了人尿路上皮細(xì)胞(SV-Huc-1)暴露于鹵代苯醌類DBPs后會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞中與氧化信號(hào)通路相關(guān)的44個(gè)基因發(fā)生改變，暴露2 h后，9～28個(gè)基因表達(dá)量改變；暴露8 h后，29～31個(gè)基因發(fā)生應(yīng)激誘導(dǎo)的改變，對(duì)鹵代苯醌類DBPs暴露作出反應(yīng)的其他典型途徑包括GSH氧化還原、超氧自由基降解和異源代謝信號(hào)等。鹵代苯醌類DBPs和鹵代苯酚類DBPs誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生的氧化應(yīng)激效應(yīng)以及DNA損傷和與抗氧化酶系統(tǒng)之間的反應(yīng)等與細(xì)胞毒性和遺傳毒性息息相關(guān)，類似的致毒機(jī)理表明細(xì)胞毒性和遺傳毒性之間具有一定的相關(guān)性[67]。

2.2 內(nèi)分泌干擾效應(yīng)

內(nèi)分泌干擾物質(zhì)(endocrine disrupting chemicals, EDCs)能夠通過(guò)模擬或者抑制內(nèi)源性激素的作用，干擾內(nèi)源性激素的生成或者活性[68]。核受體家族一般分為6大類[69]，其中研究較多的為雌激素、雄激素和甲狀腺激素，它們是整個(gè)內(nèi)分泌系統(tǒng)中最重要的幾類激素，對(duì)人的健康發(fā)育有著重要影響。外源性物質(zhì)一般通過(guò)受體介導(dǎo)途徑和非受體介導(dǎo)途徑來(lái)干擾生物體正常的運(yùn)轉(zhuǎn)[69-71]。

Ezechiá?等[72]用2種酵母報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)測(cè)定了2,4,6-TBP的雌激素效應(yīng)和雄激素效應(yīng)，使用熒光素酶報(bào)告基因法獲得的抗雌激素IC50值為14.1 μmol·L-1，抗雄激素IC50值為3.9 μmol·L-1；用β-半乳糖苷酶報(bào)告基因法獲得的抗雌激素IC50值為9.2 μmol·L-1，表明2,4,6-TBP能與雌、雄激素受體的活性部位相結(jié)合，表現(xiàn)出相應(yīng)的雌雄激素效應(yīng)。類似的結(jié)論在人成骨細(xì)胞(U2OS)中也有體現(xiàn)。Hamers等[73]用AR-CALUX實(shí)驗(yàn)測(cè)得2,4,6-TBP抗雄激素IC50>15 μmol·L-1，抗雌IC50為8.3 μmol·L-1，所得同一物質(zhì)的雌雄激素效應(yīng)有所差別是由于不同報(bào)告基因?qū)嶒?yàn)本身之間的靈敏度和實(shí)驗(yàn)條件具有差異[74]。2,4,6-TBP在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中也表現(xiàn)出較強(qiáng)的內(nèi)分泌干擾效應(yīng)，斑馬魚胚胎長(zhǎng)期暴露于2,4,6-TBP溶液中會(huì)改變其類固醇合成基因的表達(dá)，導(dǎo)致性激素水平失衡以及雌性生殖力下降，增加后代畸形魚的概率，降低存活率[75]。Olsen等[76]用人乳腺癌細(xì)胞(MCF-7)研究了4-BP、2,4-DBP和2,4,6-TBP的雌激素活性，三者都會(huì)與雌激素受體結(jié)合，但2,4,6-TBP僅在1 μmol·L-1濃度時(shí)取代43%的放射性標(biāo)記的雌激素，且細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4-BP和2,4-DBP明顯抑制雌二醇誘導(dǎo)的細(xì)胞生長(zhǎng)，雌激素效應(yīng)的結(jié)果并不遵循細(xì)胞毒性中多鹵代取代毒性較大的規(guī)律，這揭示了內(nèi)分泌干擾效應(yīng)與細(xì)胞毒性之間完全不同的內(nèi)在機(jī)理。Holmes等[77-78]用激素受體競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了21種DBPs與雌激素受體和雄激素受體的結(jié)合能力，其中2,4,6-TCP和2-CP以及3,4,5,6-四氯-1,2-苯醌具有較弱的雄激素受體結(jié)合能力，2,4,6-TCP和3,4,5,6-四氯-1,2-苯醌以及2,6-DCBQ具有較弱的雌激素受體結(jié)合能力，二元混合物研究表明3,4,5,6-四氯-1,2-苯醌與4-正壬基酚具有一定的拮抗作用，而2,4,6-TCP和2-CP與4-正壬基酚具有一定的協(xié)同作用，這提醒我們應(yīng)當(dāng)注意實(shí)際水樣中DBPs的混合毒性效應(yīng)。

Yang等[79]采用競(jìng)爭(zhēng)性熒光置換法測(cè)定了17種鹵代芳香族DBPs與人轉(zhuǎn)甲狀腺素載體蛋白(hTTR)的結(jié)合能力和作用機(jī)理，結(jié)合力大小為2,4,6-三鹵苯酚>2,6-二鹵-4-硝基苯酚>3,5-二鹵-4-羥基苯甲醛>3,5-二鹵-4-羥基苯甲酸≈鹵代水楊酸，結(jié)合力最大的2,4,6-TIP的logRP(陽(yáng)性對(duì)照物質(zhì)與測(cè)試物質(zhì)的IC50比值的對(duì)數(shù))為0.421，結(jié)合力最小的5-溴水楊酸(5-Br-2-HB)的logRP為-3左右。除了2,4,6-TIP外，2,4,6-TBP和2,6-DB-4-NP的logRP均>0，表明這3種物質(zhì)與hTTR結(jié)合的能力比陽(yáng)性對(duì)照物質(zhì)更強(qiáng)，對(duì)人體甲狀腺系統(tǒng)有很強(qiáng)的干擾能力。Kollitz等[80]測(cè)定了2,4,6-TCP、2,4,6-TBP和2,4,6-TIP對(duì)人和斑馬魚甲狀腺受體的影響，結(jié)果顯示三鹵苯酚類DBPs對(duì)人甲狀腺受體親和力隨著鹵素分子量和原子半徑的增加而增加，2,4,6-TCP、2,4,6-TBP和2,4,6-TIP的親和力常數(shù)分別為56、30.6和1.6 μmol·L-1，但其對(duì)斑馬魚的甲狀腺受體親和力大小并不遵循此規(guī)律，2,4,6-TCP、2,4,6-TBP和2,4,6-TIP的親和力常數(shù)分別為13.68、31.28和2.68 μmol·L-1，可能與物種間的差異以及配體結(jié)合區(qū)內(nèi)氨基酸的差異有關(guān)。其他研究也證實(shí)了2,4,6-TBP和2,4,6-TIP具有較強(qiáng)的甲狀腺激素效應(yīng)，嚴(yán)重影響人甲狀腺系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[73,81-83]。另外Xi等[84]測(cè)定了10種鹵代苯甲酸對(duì)hTTR的親和力大小，發(fā)現(xiàn)鹵代苯甲酸為中等或弱hTTR結(jié)合劑，表明與鹵代苯酚類DBPs結(jié)構(gòu)相似的鹵代苯甲酸類物質(zhì)也是一種潛在的hTTR結(jié)合劑。

除上述3種激素效應(yīng)之外，研究人員們還對(duì)新型環(huán)狀DBPs的其他內(nèi)分泌干擾效應(yīng)進(jìn)行了一定的探索。研究表明，2,4,6-TBP具有一定的孕激素(PR)拮抗劑效應(yīng)，其IC50>15 μmol·L-1[73]，能夠抑制雌二醇的生成和代謝，干擾內(nèi)分泌細(xì)胞鈣離子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[85]，從非受體途徑上對(duì)雌激素產(chǎn)生干擾。Li等[86]用酵母法研究了雙酚A及其部分衍生物對(duì)人維甲酸X受體的激動(dòng)性和拮抗性，結(jié)果表明雙酚A及其衍生物對(duì)人維甲酸X受體沒有激動(dòng)性，但具有較強(qiáng)的拮抗性，其中2,4,6-TCP和雙酚A的IC20分別為0.22 mg·L-1和17.45 mg·L-1，2,4,6-TCP對(duì)人維甲酸X受體的拮抗活性是其母體化合物雙酚A的79.32倍。基于人力、物力以及財(cái)力的有限性，研究人員不可能對(duì)所有物質(zhì)的所有內(nèi)分泌干擾效應(yīng)都做出一定的實(shí)驗(yàn)研究，基于此種情況分子對(duì)接技術(shù)逐漸在研究DBPs的內(nèi)分泌干擾效應(yīng)領(lǐng)域上發(fā)展起來(lái)。

2.3 其他毒性效應(yīng)

發(fā)育毒性是評(píng)估子代在發(fā)育成長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的各種異?，F(xiàn)象的毒理學(xué)指標(biāo)。研究表明非揮發(fā)性DBPs通常具有比揮發(fā)性DBPs更高的發(fā)育毒性。研究人員故意制備“濃縮”的模擬飲用水樣品，含有足夠濃度的揮發(fā)性和非揮發(fā)性DBPs，對(duì)其中一份樣品進(jìn)行氮吹處理以消除揮發(fā)性DBPs，另一份樣品不進(jìn)行處理，結(jié)果顯示發(fā)育毒性指數(shù)并無(wú)顯著差異，說(shuō)明揮發(fā)性DBPs對(duì)發(fā)育毒性的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，合理的解釋為非揮發(fā)性DBPs特別是芳香族類DBPs可能是發(fā)育毒性的主要貢獻(xiàn)者[89]。Liu等[90]對(duì)自來(lái)水樣品進(jìn)行了煮沸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沸騰5 min后水樣發(fā)育毒性較之前下降了50%以上，對(duì)自來(lái)水樣品中DBPs成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)在自來(lái)水沸騰過(guò)程中許多環(huán)狀DBPs會(huì)發(fā)生脫羧和水解反應(yīng)進(jìn)而轉(zhuǎn)化成常規(guī)鏈狀DBPs，這一過(guò)程也被其他研究人員所證實(shí)[91]，環(huán)狀DBPs的含量與發(fā)育毒性呈正相關(guān)關(guān)系，側(cè)面證實(shí)了其具有較高的發(fā)育毒性。目前，此類新型環(huán)狀DBPs的發(fā)育毒性也已被直接證實(shí)。Yang和Zhang[92]利用海洋中的一種多毛類動(dòng)物對(duì)多種鹵代芳香族DBPs進(jìn)行發(fā)育毒性的測(cè)試，結(jié)果顯示鹵代芳香族DBPs發(fā)育毒性大小為2,6-DI-4-NP>2,4,6-TIP>4-溴-2-氯苯酚(4-Br-2-CP)>4-BP>2,4-DBP>2,6-DB-4-NP>2-Br-4-CP>2,6-DC-4-NP>2,4-二氯苯酚(2,4-DCP)>2,4,6-TBP>3,5-DB-4-HBA>溴仿>2,4,6-TCP>2,6-二溴苯酚(2,6-DBP)>2,6-二氯苯酚(2,6-DCP)>碘乙酸>三溴乙酸>溴乙酸，表明鹵代芳香族DBPs具有比鏈狀DBPs更高的發(fā)育毒性，I-DBPs比Br-DBPs的發(fā)育毒性大，而Br-DBPs又比Cl-DBPs的發(fā)育毒性大，含氮DBPs比不含氮DBPs發(fā)育毒性大，這與細(xì)胞毒性的規(guī)律基本一致。類似的結(jié)論在研究環(huán)狀I(lǐng)-DBPs的發(fā)育毒性中也得到體現(xiàn)，其中2,6-DI-4-NP和2,4,6-TIP的發(fā)育毒性比二碘乙酸、氯碘乙酸和碘乙酸高3個(gè)數(shù)量級(jí)[93]。斑馬魚胚胎作為研究發(fā)育毒性的一種常見受試生物，Wang等[94]的研究表明，暴露于0.5～10 μmol·L-1的鹵代苯醌和0.5～5 mmol·L-1的鹵乙酸120 h后，斑馬魚胚胎發(fā)生明顯的發(fā)育畸形，包括氣囊充氣失敗、心臟畸形和脊柱彎曲等，發(fā)育毒性大小為2,5-DCBQ>2,5-DBBQ>2,6-DCBQ>2,3,5,6-TBBQ>2,3,5,6-TCBQ>碘乙酸>二溴乙酸>二氯乙酸，苯醌類DBPs的發(fā)育毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鏈狀DBPs。

生長(zhǎng)抑制作用一般指外源性物質(zhì)對(duì)藻類植物的生長(zhǎng)毒害作用。Liu和Zhang[95]通過(guò)測(cè)定葉綠素a的濃度確定了20種鹵代芳香族DBPs和5種鹵乙酸對(duì)自養(yǎng)型海洋藻Tetraselmismarina的生長(zhǎng)抑制作用，其大小為2,4,6-TIP>3,5-DI-4-HBA>2,4,6-TBP>2,6-DI-4-NP>2,4-DBP>4-Br-2-CP>4-IP>3,5-DB-4-HBA)>2-Br-4-CP>2,4,6-TCP>4-BP>2,4-DCP>2,6-DB-4-NP>4-氯苯酚(4-CP)>2,6-DC-4-NP>2,6-DBP>3,5-DC-4-HBA>碘乙酸>2,6-DCP>5-氯水楊酸(5-Br-2-HB)>三溴乙酸>溴乙酸>5-Cl-2-HB>氯乙酸，其中2,4,6-TIP、碘乙酸、溴乙酸和氯乙酸的半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)分別為2.87、2 190、7 560和40 900 μmol·L-1，表明鹵代芳香族DBPs對(duì)藻類的生長(zhǎng)抑制作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)鹵乙酸類DBPs。

Xie等[96]報(bào)道了2,4,6-TCP、2,4,6-TBP和2,4,6-TIP對(duì)巨噬細(xì)胞的免疫毒性和免疫調(diào)節(jié)作用，細(xì)胞毒性大小為2,4,6-TIP>2,4,6-TBP>2,4,6-TCP，但對(duì)巨噬細(xì)胞極化表現(xiàn)出不同的偏好，200 μmol·L-1的2,4,6-TIP顯著誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M2顯性極化，200 μmol·L-1的2,4,6-TCP顯著誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M1顯性極化，而2,4,6-TBP誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M1和M2極化的能力中等。由于M1和M2巨噬細(xì)胞分別促進(jìn)炎癥反應(yīng)和抗炎癥反應(yīng)，從而表明3種DBPs可能導(dǎo)致不同的免疫毒性和疾病類型。Zuo等[48]測(cè)定了2,6-DCBQ和5種常規(guī)鏈狀DBPs對(duì)秀麗線蟲的致死率、呼吸速率和DNA損傷的影響。暴露24 h后對(duì)線蟲的致死率大小為2,6-DCBQ>二溴乙酸>三氯乙酸>二氯乙酸，半數(shù)致死濃度(LC50)分別為328、1 220、1 430和1 720 μmol·L-1，N-亞硝基二甲胺對(duì)線蟲致死率沒有顯著的影響，LC50>50 000 μmol·L-1。所有測(cè)試的化合物質(zhì)都能導(dǎo)致線蟲呼吸速率的降低，大小順序與線蟲致死率保持一致。對(duì)線蟲DNA損傷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)暴露于300～500 μmol·L-1的2,6-DCBQ時(shí)可對(duì)線蟲DNA造成損傷，表明苯醌類DBPs具有較高的生物毒性和體內(nèi)遺傳效應(yīng)，遺傳毒性會(huì)增加潛在的患癌風(fēng)險(xiǎn)，研究也表明苯醌類物質(zhì)是一種潛在的致癌物[30,97]。

新型環(huán)狀DBPs因較高的生物毒性效應(yīng)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注，表3總結(jié)了近年來(lái)此類新型環(huán)狀DBPs的上述各類生物毒性效應(yīng)研究。

3 QSAR建模在新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物毒性效應(yīng)方面的應(yīng)用(Application of QSAR in the toxic effects of new cyclic disinfection byproducts)

隨著飲用水中鑒定的DBPs數(shù)量激增以及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)和人力負(fù)擔(dān)，研究人員最近開始運(yùn)用QSAR模型來(lái)模擬及預(yù)測(cè)DBPs的形成、控制、去除和毒性效應(yīng)[98]。QSAR通常通過(guò)數(shù)據(jù)收集、選取分子描述符、算法選擇以及模型驗(yàn)證4個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行建模，而QSAR建模技術(shù)的使用基于2個(gè)原則：(1)結(jié)構(gòu)相似的化合物在相似的環(huán)境條件下會(huì)表現(xiàn)出相似的特性；(2)化合物之間的行為差異與其結(jié)構(gòu)和組成有關(guān)，這與飲用水中新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物具有類似結(jié)構(gòu)的特性相契合。使用QSAR建模將結(jié)構(gòu)和活性聯(lián)系起來(lái)的概念在100多年前已提出，隨后在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域研究中得到了廣泛的應(yīng)用[98]。DBPs與QSAR的整合研究發(fā)生在1991年，Tuppurainen等[99]開發(fā)了第一個(gè)專門針對(duì)DBPs毒性的QSAR模型。

表3 新型環(huán)狀消毒副產(chǎn)物的生物毒性Table 3 Biological toxicity of new cyclic DBPs

4 結(jié)論和展望(Conclusion and outlook)

飲用水中出現(xiàn)的新型環(huán)狀DBPs，濃度水平多在ng·L-1，但通常具有比常規(guī)鏈狀DBPs更高的生物毒性。目前對(duì)于新型環(huán)狀DBPs的毒性研究還主要局限在體外實(shí)驗(yàn)，缺乏有效的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相應(yīng)的人群資料以及多種新型環(huán)狀DBPs混合存在時(shí)的毒性效應(yīng)研究，同時(shí)QSAR建模多停留在理論層面，缺乏相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證。因此，未來(lái)針對(duì)新型環(huán)狀DBPs的重要研究方向?yàn)榻⒍喾N體外毒性和體內(nèi)毒性的綜合毒性數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)合QSAR建模健全不同毒性效應(yīng)的致毒機(jī)理，并探究新型環(huán)狀DBPs在飲用水中的前體物轉(zhuǎn)化和生成控制原理等。