2. 环境保护部南京环境科学研究所, 南京 210042
2. Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042
四溴双酚A(Tetrabromobisphenol A,TBBA)是市场上使用最广泛的溴化阻燃剂,三溴苯酚(2,4,6-tribromophenol,TBP)是合成溴系阻燃剂、医药、农药和防霉防腐剂的化工中间体,两者广泛用于塑料、纺织、电子产品中.由于使用量大、用途广泛,这两种溴代酚类物质在环境介质和生物体内均被不同程度地检出(赵明东,2013; Yang et al., 2012;杨苏文等,2012;Labadie et al., 2010; Greens et al., 2009; Sim et al., 2009).目前,已有多项高通量体外测试筛选研究证实四溴双酚A和三溴苯酚具有显著的甲状腺激素活性和雌激素效应(Kling et al., 2009; Strack et al., 2007; Canesi et al., 2005;Kitamura et al., 2002;2005).作为潜在的PBT(持久性、生物蓄积性和毒性)物质,四溴双酚A和三溴苯酚的生物活体毒性亟需验证和补充.
近年来,针对四溴双酚A和三溴苯酚的水生生物毒性研究涉及藻类、丰年虫、鱼类等(Kuiper et al., 2007;Debenest et al., 2010;刘红玲等,2007),但这些研究主要集中在急性毒性效应方面,慢性毒性数据匮乏.由于四溴双酚A和三溴苯酚在水中的半衰期分别达到182 d和50 d( Government of Canada,2013; OECD SIDS,2011),因此,这两种物质的水生生物慢性毒性、特别是内分泌干扰效应应当予以更多的关注和研究.
大型溞(Daphnia magna Straus)属于节肢动物门、甲壳纲、枝角类,是常见的小型浮游甲壳动物,对水环境胁迫非常敏感,是淡水食物链中不可缺少的组成成分.因大型溞具有生活周期短、生长快、生殖量高、易培养、对水环境胁迫敏感等特点使其成为国内外实验室广泛使用的水生态测试的模式生物.大型溞急性活动抑制和慢性繁殖试验结果也是欧盟、美国、日本等发达国家或地区和我国进行危险化学品分类、新化学物质危害性评估的重要指标.同时,由于溞类孤雌生殖及其生殖行为对环境胁迫的敏感性,大型溞慢性繁殖试验也成为验证化学物质对生殖系统内分泌干扰性的有效工具.然而,目前仅四溴双酚A对大型溞的急性毒性有所报道(Debenest et al., 2010;刘红玲等,2007;Kuiper et al., 2007),四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞慢性繁殖毒性尚未得到确认.此外,生命表作为种群动态变化的记录和指示技术,已在大型溞繁殖毒性试验中获得探索性应用,其统计结果(如内禀增长率、净生殖率)可能为大型溞繁殖试验提供更加敏感的毒性指标(史文等,2009;陈艳等,2009).
评估因子法是进行化学物质生态危害初级评估的有效工具,因其数据需求少和较高的环境安全性而在欧盟、美国、日本等发达国家和我国的高环境危害类化学物质筛查中得到广泛应用.对于相同生物营养级别生物的急性毒性和慢性毒性,国内外评估因子法均对其设置不同的评估因子(或安全因子).对于四溴双酚A和三溴苯酚这类可能的PBT物质,利用评估因子法进行基于急性毒性数据和慢性毒性数据的危害评估是否能得到相似的结果,对于这类PBT物质的环境风险定量和管理有较大影响.
因此,本研究以大型溞为受试生物,在开展四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞急性毒性测试的基础上开展慢性繁殖毒性测试,利用生命表技术探讨两者对大型溞种群增长的影响,并对比不同毒性终点的敏感性;在此基础上利用评估因子法外推得到两种物质对水环境的预测无效应浓度(PNEC),旨在为四溴双酚A和三溴苯酚的生态危害评估提供基础数据;最后对比基于急性和慢性毒性数据的危害评估结果的差异性,以揭示大型溞在长期暴露情况下的敏感终点.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验材料和仪器试验所用大型溞(Daphnia magna)由本实验室驯养,驯养条件为20~21 ℃,自然光照,采用Elendt M4作为驯养和试验介质.试验用溞为实验室培养的同一健康亲溞孤雌生殖3代以上的幼溞,溞龄24 h以内,为健康活泼、体型均匀的个体.以栅藻(Scenedesumssubspicatus)浓缩液投饵,投饵量(以碳计)为0.1 ~0.2 mg · 溞-1 · d-1.
仪器:高效液相色谱串联质谱仪(LC-Agilent Technologies 1290 Infinity,MS-AB SCIEX QTRAP 4500,美国AB公司),生态培养箱(CLIMACELL型,德国MMM公司),多功能水质参数测定仪(HQ40d,美国哈希公司),硬度计(16900型,美国哈希公司).
试剂:四溴双酚A和三溴苯酚均购自百灵威试剂公司,纯度大于97%;丙酮、乙腈均为色谱纯,购自德国Merck公司;氨水为色谱纯,购自国药集团;超纯水(电阻率为18.2 MΩ · cm).
2.2 试验方法 2.2.1 TBBA和TBP的稳定性分析为确认TBBA和TBP在试验期间的稳定性、确认试验溶液更新频率,试验前分析两种物质在模拟试验条件下浓度的变化.由于TBBA和TBP较难溶于水,因此,采用丙酮助溶的方法配制试验溶液,其中,丙酮的浓度不超过0.1‰.四溴双酚A和三溴苯酚均配制成0.05和1.50 mg · L-1两个浓度,每个浓度3个平行.在第0天和第3天取5 mL水样用乙腈稀释1倍进样.液质条件为:ZORBAX Eclipse Plus C18色谱柱(150 mm×2.1 mm,3.5 μm,Agilent公司,美国),ESI源,流动相为乙腈和0.02%氨水/水(V/V),柱温40 ℃,流速为0.5 mL · min-1,进样5 μL.
2.2.2 大型溞急性毒性试验参考国标“化学品 溞类急性活动抑制试验”(GB/T 21830—2008)(环境保护部化学品登记中心,2008b).预试验设置较大范围的3个测试浓度,得到对大型溞急性活动抑制0~100%的受试物浓度范围.正式试验在预试验基础上设5个浓度,四溴双酚A为5.0、6.0、7.2、8.64和10.37 mg · L-1,三溴苯酚为1.0、1.6、2.5、3.2和4.0 mg · L-1,同时设空白对照组和助溶剂对照组.溶液配制方法与稳定性试验相同.在100 mL烧杯中加入50 mL受试物溶液,每个烧杯加入5只幼溞,每个浓度设4个平行.试验周期为48 h,期间不投饵,不更新溶液.在试验开始后24、48 h时,观察记录各测试组中死亡的幼溞数.
2.2.3 大型溞慢性毒性试验参考国标“化学品 大型溞繁殖试验”(GB/T 21828—2008)(环境保护部化学品登记中心,2008a).在急性毒性试验基础上设置5个浓度开展大型溞繁殖毒性试验,四溴双酚A和三溴苯酚均设0.05、0.10、0.50、1.00和1.50 mg · L-1 5个浓度,同时设1个空白对照组和助溶剂对照组.溶液配制方法与急性试验相同,每个浓度设10个平行,每个烧杯中放入1只幼溞.试验开始后,每天记录死亡的亲溞数和出生的幼溞数,每72 h更新1次溶液以保证受试物浓度始终保持在初始浓度的80%以上.每天观察亲溞繁殖率和存活率,观测周期为44 d.在60 d和90 d时观测亲溞死亡率.
2.2.4 数据处理急性毒性和慢性毒性的EC5、EC50及95%置信限采用概率单位法(Probit,SPSS17.0)进行分析(Ren et al., 2007).采用邓恩特检验(Dunnett′s tests,ANOVA,SPSS 17.0)多元对比分析受试组和对照组亲溞的繁殖率,确定最低显著效应浓度(LOEC)(p<0.05)与无显著效应浓度(NOEC).
大型溞的净生殖率(R0,无量纲)、平均世代历期(T,d)及内禀增长率(rm,无量纲)(史文等,2009)等指标的计算公式如下:

PNEC外推方法:利用本试验数据和文献调研数据,采用评估因子法(OECD,2011)对预测无效应浓度(PNEC)进行外推,即用最敏感生物的毒性数据除以适当的评价因子即得到PNEC.评估因子选择见表 1.
| 表 1 推导水环境系统PNEC的数据要求和评估因子 Table 1 Assessment factors of aquatic toxicity data for estimating a PNEC |
四溴双酚A(TBBA)和三溴苯酚(TBP)的稳定性分析结果见图 1.由图中可以看到,四溴双酚A和三溴苯酚试验溶液0~72 h的实测浓度都在设定值的85%以上.因此,采用静态法开展48 h急性毒性试验、采用72 h更新溶液的半静态法开展长期繁殖毒性试验可以确保TBBA和TBP浓度的相对稳定.
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| 图 1 四溴双酚A和三溴苯酚的稳定性 Fig.1 Stability of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol |
四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞的急性抑制试验结果见表 2.试验过程中溶液pH在7.7~8.2范围内,溶解氧保持在饱和溶解氧的88%~98%之间,温度控制在20.1~21.5 ℃.大型溞的幼溞接触不同浓度四溴双酚A和三溴苯酚后活动受到明显抑制.三溴苯酚对大型溞的急性毒性比四溴双酚A略强,其中,四溴双酚A对大型溞的48 h-LC50为8.59 mg · L-1,三溴苯酚对大型溞的48 h-LC50为3.56 mg · L-1.
| 表 2 四溴双酚A和三溴苯对大型溞的急性毒性 Table 2 Acute toxicity of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol to D.magna. |
以龄期为横坐标,亲溞存活数(nx)的对数为纵坐标作存活曲线(Martínez-Jerónimo et al., 2013).大型溞在不同浓度四溴双酚A和三溴苯酚暴露下的死 亡率和存活曲线见图 2和图 3.空白对照组(ck)和助溶剂对照组(ck*)均出现亲溞意外死亡,但21 d死亡率不超过20%,因此,仍符合OECD大型溞繁殖毒性测试的有效性标准,本试验结果有效.由图 2可以看出,随着四溴双酚A浓度的升高,亲溞死亡率不断上升,在最高浓度1.50 mg · L-1作用下,亲溞44 d的死亡率为50%.当三溴苯酚浓度为0.05和0.10 mg · L-1时,亲溞在10 d内出现死亡,当三溴苯酚浓度由0.10 mg · L-1上升到0.50 mg · L-1时,亲溞死亡率明显增加,到44 d时,最高浓度(1.5 mg · L-1)下亲溞的死亡率为90%,远大于暴露于同样浓度四溴双酚A中亲溞的死亡率.由此可见,三溴苯酚对大型溞的毒性高于四溴双酚A,四溴双酚A和三溴苯酚对亲溞死亡率具有显著的浓度-效应关系,但同一浓度下的亲溞死亡率随暴露时间的延长并未有一致的增长规律.这可能是由于亲溞对毒性暴露产生的适应和抗性所致(Debenest et al., 2010).
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| 图 2 四溴双酚A和三溴苯酚对亲溞死亡率的影响(*助溶剂对照组) Fig.2 Effect of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol on the mortality of D.magna. |
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| 图 3 不同四溴双酚A和三溴苯酚浓度下亲溞的存活曲线(*助溶剂对照组) Fig.3 Survivorship curves of D.magna. exposed to different doses of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol |
由图 3可以直观地看出,同对照相比,0.50 mg · L-1及以上浓度的四溴双酚A和三溴苯酚均显著改变了大型溞的存活曲线:虽然不同四溴双酚A浓度下大型溞的存活曲线均为“凸”型,但高浓度下大型溞早期的死亡率更高;三溴苯酚对亲溞存活曲线的改变更为明显,当浓度大于0.50 mg · L-1时,存活曲线从对照的“凸”型变为了“凹”型.
表 3中为10、21、30和44 d时四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞的5%致死浓度(LC5)和半数致死浓度(LC50).
| 表 3 四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞的慢性毒性 Table 3 Chronic toxicity of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol to D.magna. |
通过SPSS多元对比分析对照组和受试组大型溞的繁殖数量,发现0.50 mg · L-1及更高浓度组繁殖量与对照组有显著差异(p=0.001).由此得到四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞21 d繁殖的最低可观测浓度(LOEC)均为0.50 mg · L-1,无可观测效应浓度(NOEC)均为0.10 mg · L-1.根据44 d内各浓度组亲溞的繁殖数量和幼溞出生时间计算了四溴双酚A和三溴苯酚暴露下大型溞的内禀增长率、净生殖率和世代时间,结果如图 4和图 5所示.由图 4可以看到,当四溴双酚A浓度大于0.10 mg · L-1时,内禀增 长率和净生殖率下降;而当四溴双酚A浓度大于0.50 mg · L-1时,大型溞种群的世代时间从空白对照组的26 d增加到最高浓度下的30 d.同样在低浓度的三溴苯酚暴露下,亲溞的内禀增长率和净生殖率和对照相比变化不大,浓度大于0.10 mg · L-1时开始下降;而世代时间总的趋势是随着三溴苯酚浓度的升高而降低,在最高浓度时世代时间最短,为25.3 d,其原因有待进一步研究.
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| 图 4 四溴双酚A和三溴苯酚对亲溞内禀增长率和净生殖率的影响(*助溶剂对照组) Fig.4 Effects of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol on the intrinsic rate of population growth and the net eproductive rate of D.magna. |
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| 图 5 四溴双酚A和三溴苯酚对亲溞世代时间的影响(*助溶剂对照组) Fig.5 Effects of Tetrabromobisphenol A and Tribromophenol on the generation time of D.magna. |
以亲溞21 d的内禀增长率(rm)、净生殖率(R0)和繁殖数量(R)为终点,得到四溴双酚A和三溴苯酚的EC5及95%置信区间如表 4所示.
| 表 4 四溴双酚A和三溴苯酚对亲溞的繁殖毒性 Table 4 Population-level toxicity of TBBA and TBP to D.magna. at 21 days exposure |
用于外推PNEC的急性和慢性毒性数据及外推结果见表 5~6,鱼类和藻类的数据来自美国ECOTOX毒性数据库(http://cfpub.epa.gov/ecotox/)和OECD eChemPortal-全球化学物质有害信息在线查询通道(http://www.echemportal.org/).由表 5可以看出,在急性毒性测试中,对四溴双酚A最敏感的物种是斑马鱼,其96h-LC50为3.18 mg · L-1,对三溴苯酚最敏感的物种是羊角月牙藻,其72 h-EC50为0.76 mg · L-1,选择评估因子1000,得到四溴双酚A和三溴苯酚的预测无效应浓度分别为3.18和0.76 μg · L-1.在慢性毒性测试中,对四溴双酚A和三溴苯酚最敏感的物种均为大型溞,以 净生殖率为测试终点的21d-EC5分别为0.002和 0.023 mg · L-1,选择评估因子10和50,得到四溴双酚A和三溴苯酚的预测无效应浓度分别为0.20和0.46 μg · L-1.
| 表 5 推导四溴双酚A预测无效应浓度的毒性数据 Table 5 Toxicity data used to estimate PNEC of TBBA |
| 表 6 推导三溴苯酚预测无效应浓度的毒性数据 Table 6 Toxicity data used to estimate PNEC of TBP |
毒性终点ECx/LCx是根据浓度-效应曲线得到的在试验时间内引起x%供试生物产生毒性响应/死亡的毒物浓度;而毒性终点NOEC则是假定存在的一个剂量浓度阈值,毒物低于此浓度即观察不到显著毒性影响,该阈值一般以5%显著性水平的方差分析等统计方法获取.但由于并非所有化学物质的所有毒性终点都存在上述剂量浓度阈值,因此,NOEC也可以由浓度-效应曲线的临界效应浓度取代,如EC5(LC5)或 EC10(LC10)(Van Leeuwen et al., 2007).本研究针对四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞24~48 h急性毒性和10~44 d慢性毒性,对比了这两种物质对亲溞的短期和长期存活毒性(LC50/LC5),以及不同的慢性毒性终点(包括以繁殖量毒性影响的NOEC、繁殖量、内禀增长率和净生殖率毒性影响的EC5).结果表明,四溴双酚A和三溴苯酚的10~44 d存活毒性LC50和LC5分别比24~48 h存活毒性LC50和LC5低1个和2个数量级,两者的21 d敏感繁殖毒性终点EC5(内禀增长率、净生殖率)均比48 h急性毒性LC50低2个数量级.因此,四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞的慢性致毒作用相比急性毒性作用确实更应引起关注.
在慢性毒性测试中,四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞以内禀增长率和净生殖率毒性影响的EC5均低于其对繁殖量毒性影响的NOEC,四溴双酚A对繁殖量毒性影响的EC5远低于NOEC,而三溴苯酚对繁殖量毒性影响的EC5约等于NOEC.这说明对于四溴双酚A和三溴苯酚而言,不会引起“统计显著”效应的浓度水平在长期暴露下依然会引发一定程度上的响应.
根据生态学理论,内禀增长率是指具有稳定年龄结构的种群,在食物与空间不受限制、环境中没有天敌、并在某一特定的环境条件下,种群的最大瞬时增长率.内禀增长率决定于种群的生育力、寿命和发育速率,是存活和繁殖的综合指标,而净生殖率则表示种群经过一个世代以后数量的净增长率(Xi et al., 2005).本研究得出的四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞净生殖率毒性影响EC5值均低于以内禀增长率和生殖量为毒性终点的EC5或NOEC值,同时净生殖率与两种物质浓度呈现剂量-效应关系.这揭示了净生殖率可能更适于作为四溴双酚A和三溴苯酚等疑似生殖干扰作用物质的毒性终点,可以更好地揭示化学物质的生物繁殖毒性,这与胡方华等(2012)和吕林兰等(2012)的研究结果相似.
基于四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞急性和慢性毒性的测试结果,本研究使用评估因子法分别外推两种物质对水环境的预测无效应浓度(PNEC).鉴于REACH法规推荐的评估因子法对生物毒性数据的需求,本研究在推导PNEC时同时参考文献调研数据.从结果来看,基于慢性毒性数据的PNEC普遍低于基于急性毒性数据的PNEC值.
5 结论(Conclusions)1)四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞的慢性毒性作用相比急性毒性作用更应引起关注:四溴双酚A和三溴苯酚的10~44 d慢性存活毒性LC50和LC5分别比24~48 h急性毒性LC50和LC5低1个和2个数量级.
2)四溴双酚A和三溴苯酚对大型溞以内禀增长率和净生殖率毒性影响的EC5均低于其对繁殖量毒性影响的NOEC,净生殖率毒性影响的EC5值低于以内禀增长率和生殖量为毒性终点的EC5.以繁殖量、内禀增长率和净生殖率毒性危害的EC5值作为大型溞繁殖毒性指标可能更能敏感地表征化学品对溞类的危害.
3)对四溴双酚A和三溴苯酚而言,基于慢性毒性数据的PNEC低于基于急性毒性数据的PNEC值.采用以慢性毒性数据为基础的危害评估结果可以较好地保护物种种群的安全.
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