四溴雙酚A和鎘復(fù)合污染對不同生物體的安全閾值

萬玉山,溫 馨,楊 彥

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四溴雙酚A和鎘復(fù)合污染對不同生物體的安全閾值

萬玉山,溫 馨,楊 彥*

(常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇 常州 213164)

以赤子愛勝蚓()、斑馬魚()作為受試生物,進行急性毒性試驗,死亡率、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)為效應(yīng)指標,采用基準劑量(BMD)法推導(dǎo)四溴雙酚A(TBBPA)和鎘(Cd)單一及聯(lián)合暴露對不同生物體的安全閾值.結(jié)果表明,在本研究的試驗劑量范圍內(nèi),蚯蚓、斑馬魚TBBPA、Cd暴露劑量與死亡率、SOD、CAT活性效應(yīng)指標存在明顯劑量-效應(yīng)關(guān)系.單一暴露下,CAT、SOD活性指標最敏感,蚯蚓和斑馬魚的TBBPA安全閾值分別為0.95,0.44mg/L,Cd安全閾值分別為71.17,0.42mg/L.聯(lián)合暴露下安全閾值小于單一暴露.蚯蚓、斑馬魚TBBPA安全閾值分別為0.33,0.024mg/L,Cd為6.45,0.176mg/L.

四溴雙酚A；鎘;基準劑量；安全閾值

安全閾值(safety threshold)指污染物對特定生物不產(chǎn)生不良效應(yīng)的最大劑量.對某種效應(yīng),不同生物體的安全閾值可能不同,在多種污染物共存的實際環(huán)境中,由于其相互作用類型不同,聯(lián)合暴露下安全閾值亦存在差異.在安全閾值研究中,通常視無可見有害作用水平(NOAEL)為有害效應(yīng)閾值的近似值,但隨"基準劑量(BMD)法"概念的提出,考慮到傳統(tǒng)方法(NOAEL法等)進行風(fēng)險評估存在忽略劑量-效應(yīng)曲線、試驗動物數(shù)量和觀察效應(yīng)終點不定等影響因素,越來越多的研究者認為采用BMD法建立劑量-效應(yīng)關(guān)系模型對毒性終點數(shù)據(jù)進行毒性判定分析,獲取基準劑量可信下限(BMDL),更具科學(xué)性、準確性[1-3].

目前國際上對于單一污染物的安全閾值不斷進行更新、修正,但有關(guān)復(fù)合污染的研究較為鮮見.四溴雙酚A(TBBPA)是目前世界范圍內(nèi)使用量最大的溴代阻燃劑之一,因其低水溶性和較強的親脂性,在環(huán)境介質(zhì)和生物體內(nèi)均有不同程度的檢出[4-6]. TBBPA是一種持久性污染物,其神經(jīng)毒性、免疫毒性以及內(nèi)分泌干擾等毒性引起社會界的廣泛關(guān)注[7-9].挪威PoHS法規(guī)于2007年對消費性產(chǎn)品中TBBPA提出限量要求(1%)[10].鎘(Cd)是環(huán)境中典型存在的重金屬,由于其化學(xué)活性強,移動性大,毒性持久,易通過食物鏈的富集作用危及人類健康,具有較強的致癌、致畸和致突變作用,會對腎臟、肝臟等造成損傷,對免疫、心血管系統(tǒng)等產(chǎn)生毒性效應(yīng).本研究選擇污染物TBBPA和Cd,以赤子愛勝蚯蚓)、斑馬魚()作為受試生物開展急性毒性試驗,采用美國環(huán)境保護署(USEPA)以及國家重點實驗室推薦的BMD法,建立基于不同效應(yīng)的劑量-效應(yīng)關(guān)系模型,進行污染物單一、聯(lián)合暴露條件下不同生物體的安全閾值研究,為復(fù)合污染下生物體的環(huán)境安全閾值推導(dǎo)提供方法學(xué)借鑒,亦為TBBPA和Cd復(fù)合污染的環(huán)境風(fēng)險評價提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

試驗所用TBBPA純度>98%,購自Sigma公司,氯化鎘(CdCl2×2.5H2O)為分析純,購自上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司.

赤子愛勝蚓購自南京江浦蚯蚓養(yǎng)殖廠.置清潔土壤預(yù)培養(yǎng)兩周.實驗選用行為活潑、體重250~ 350mg、體型基本一致且環(huán)帶明顯的健康蚯蚓.

試驗用斑馬魚購于上海市嘉定區(qū)豐華路熱帶魚養(yǎng)殖場.養(yǎng)殖用水為經(jīng)活性碳過濾并曝氣的自來水,水溫控制在(28±1)℃,水中溶解氧維持在飽和溶解度80%以上.預(yù)培養(yǎng)一周后,隨機挑選魚體重(0.3±0.05)g,體長(3.5±0.2)cm,體型一致且活潑健康的斑馬魚進行實驗.

1.2 蚯蚓急性毒性試驗

蚯蚓急性毒性試驗參考歐盟(EU)推薦的濾紙接觸法[11].根據(jù)預(yù)實驗設(shè)置單一毒性試驗濃度序列,其中TBBPA濃度分別為0,0.1,1,5,10mg/L, Cd濃度為0,75,500,1000,1500mg/L.復(fù)合毒性試驗的濃度組合根據(jù)單一毒性試驗確定,即TBBPA +Cd濃度組合分別為(0.1,1,5,10+75),(0.1,1,5,10 +500),(0.1,1,5,10+ 1000),(0.1,1,5,10+1500)mg/L.每個處理設(shè)兩組重復(fù).將TBBPA、Cd或其混合溶液按試驗設(shè)計濃度加入墊有3層濾紙的培養(yǎng)皿中,浸沒濾紙.再將清腸1d的蚯蚓用去離子水清洗干凈,用濾紙吸干體表水分,放入培養(yǎng)皿中.每個實驗組50條蚯蚓,用扎了洞的保鮮膜封口,置于人工氣候箱培養(yǎng)(溫度(20±1)℃,濕度(75±1)%,光照1333lx(間歇光照,12h光照,12h黑暗)). 96h后觀察記錄蚯蚓死亡情況,蚓體對針刺后無反應(yīng)判為死亡.

1.3 斑馬魚急性毒性試驗

斑馬魚急性毒性試驗參考經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(OECD)化學(xué)品測試準則203[12].根據(jù)預(yù)實驗設(shè)置單一毒性試驗濃度序列,其中TBBPA濃度分別為0, 0.1, 2.5, 3.5, 4.5mg/L,Cd濃度為0, 8, 10, 20, 30mg/L.按不同毒性單位配比設(shè)置復(fù)合毒性試驗的濃度組合,分別由0.635, 1.270, 1.905, 2.540mg/L的TBBPA和4.64, 9.28, 13.91, 18.55mg/L的Cd兩兩復(fù)合,即TBBPA+Cd濃度組合分別為(0.635, 1.270, 1.905, 2.540+4.64), (0.635, 1.270, 1.905, 2.540+9.28), (0.635, 1.270, 1.905, 2.540+13.91), (0.635, 1.270, 1.905, 2.540+18.55)mg/L.每一處理設(shè)兩組重復(fù).試驗采用靜態(tài)暴露法,96h不更換受試水樣.從預(yù)培養(yǎng)的斑馬魚中隨機選擇健康、活潑的魚體放入1L燒杯中.每個實驗組30條斑馬魚,試驗過程中對水溫和溶解氧進行監(jiān)控,每隔12h曝氣1h.96h后觀察并記錄斑馬魚死亡情況,用鑷子輕戳受試魚體無應(yīng)激反應(yīng),且魚腮部無呼吸活動,即判定為死亡.

1.4 檢測分析

以超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)為測試分子標志物.SOD活性的測定采用鄰苯三酚自氧化法[13],SOD活性單位定義為每mL反應(yīng)液中,每分鐘抑制鄰苯三酚自氧化速率達50%的酶量,單位為U/mg Protein.CAT活性測定采用徐鏡波等[14]的方法.CAT活性單位定義為25℃,100s內(nèi)使過氧化氫分解1/2時的酶蛋白量,單位為U/mg Protein.

1.5 環(huán)境安全閾值推導(dǎo)方法

通過建立劑量-反應(yīng)評估模型,定量評價污染物暴露與生物體效應(yīng)之間的關(guān)系,推導(dǎo)污染物的安全閾值.本研究采用USEPA的BMDS 240軟件中邏輯回歸模型、多項式回歸模型對不同生物體不同劑量-效應(yīng)關(guān)系進行分析,計算污染物的BMDL.基準劑量反應(yīng)(BMR)設(shè)定為10%,即認為生物體效應(yīng)指標相對下降10%會引起毒性效應(yīng),可信限水平為95%.

2 結(jié)果與討論

2.1 TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露下劑量-死亡率關(guān)系評估

TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露下對蚯蚓、斑馬魚死亡率的影響見圖1.隨污染物濃度升高,蚯蚓、斑馬魚死亡率逐漸升高.除未染毒的實驗組外,蚯蚓表現(xiàn)出不同程度的中毒癥狀,如體色變淺、環(huán)帶腫大、充血、活動遲緩等,斑馬魚亦表現(xiàn)出身體失衡、游動緩慢、沉底和腮部出血等癥狀.

采用logistic擬合模型對蚯蚓、斑馬魚劑量-死亡率關(guān)系進行評估,其劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線見圖2、3.在本研究劑量范圍(蚯蚓:TBBPA0.1~10mg/L, Cd75~1500mg/L;斑馬魚:TBBPA0.1~4.5mg/L, Cd4.64~30mg/L)內(nèi),蚯蚓、斑馬魚死亡率與TBBPA、Cd劑量存在明顯線性關(guān)系.2種生物在TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露條件下,基準劑量存在明顯差異.蚯蚓在單一暴露下TBBPA和Cd的BMDL分別為0.98,331.1mg/L,聯(lián)合暴露條件下分別為0.33, 98.61mg/L,相對單一暴露分別降低了66.3%、70.22%.斑馬魚TBBPA、Cd單一暴露時的BMDL分別為1.38,8.58mg/L,聯(lián)合暴露時分別為0.39, 2.88mg/L,降低了71.7%、66.43%.

圖1 TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露對蚯蚓(a)、斑馬魚(b)死亡率的影響 Fig.1 Effects of single and combined exposure of TBBPA and Cd on mortality rate in earthworms (a) and zebrafish (b)

2.2 TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露下劑量-SOD活性關(guān)系評估

圖4 TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露對蚯蚓(a)、斑馬魚(b)SOD活性的影響

TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露下對蚯蚓、斑馬魚SOD活性的影響見圖4.單一暴露下,蚯蚓SOD活性隨TBBPA、Cd暴露濃度的升高,呈現(xiàn)先升后降的趨勢,分別于0.1(TBBPA),500(Cd) mg/L時達最大值38.4,43.54U/mg Protein.斑馬魚SOD活性隨TBBPA暴露濃度的升高呈先誘導(dǎo)后抑制的趨勢,于0.1mg/L達最大值137.29U/mg Protein.但隨Cd暴露濃度的升高SOD活性呈下降趨勢.聯(lián)合暴露下,蚯蚓SOD活性隨暴露濃度的升高,沒有明顯的變化規(guī)律.斑馬魚在某一污染物暴露濃度不變的條件下,SOD活性會隨另一污染物的濃度升高而降低.蚯蚓、斑馬魚SOD活性分別于10mg/L TBBPA+500mg/L Cd、0.1mg/L TBBPA+1500mg/L Cd試驗組達最大值172.78, 78.23U/mg Protein.

采用Polynomial擬合模型對蚯蚓、斑馬魚劑量-SOD活性關(guān)系進行評估,其劑量-效應(yīng)關(guān)系曲線見圖5、6.本研究劑量范圍內(nèi),生物體SOD活性與TBBPA、Cd濃度存在顯著二次曲線關(guān)系.在TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露條件下,以SOD活性為效應(yīng)終點的基準劑量存在明顯差異.蚯蚓在單一暴露情況下TBBPA、Cd的BMDL分別為2.07,71.17mg/L,聯(lián)合暴露分別為0.38,6.45mg/L,分別降低了81.6%、90.9%.斑馬魚在TBBPA和Cd單一暴露情況下的BMDL分別為0.502,0.42mg/L,聯(lián)合暴露時為0.024,0.176mg/L,相對單一暴露分別降低了98.8%、58.1%.

2.3 TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露下劑量-CAT活性評估

TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露下對蚯蚓、斑馬魚CAT活性的影響見圖7.單一TBBPA暴露下,蚯蚓CAT活性隨暴露濃度的升高,呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,于0.1mg/L暴露濃度下達最大值28.63U/mg Protein,是空白組的1.20倍.單一Cd暴露則呈相反趨勢,隨暴露濃度增大,CAT活性先降后升,于75mg/L暴露濃度下CAT活性達最小值3.71U/mg Protein.單一TBBPA、Cd暴露下,斑馬魚CAT活性隨暴露濃度的增加而降低.聯(lián)合暴露下,除Cd最高濃度組(1500mg/L)外,同一Cd暴露濃度下,CAT活性隨TBBPA濃度的升高而呈先上升后下降的趨勢.斑馬魚在兩種污染物中某一污染物暴露濃度不變的條件下CAT活性隨另一污染物的濃度升高而降低.蚯蚓、斑馬魚分別于0.1mg/L TBBPA+1500mg/L Cd、0.635mg/L TBBPA+4.64mg/L Cd試驗組,CAT活性達最大值,分別為76.34,18.69U/mg Protein.

蚯蚓、斑馬魚劑量-CAT活性效應(yīng)關(guān)系采用Polynomial模型擬合,其劑量-效應(yīng)曲線見圖8、9. 2種生物體CAT活性與TBBPA、Cd濃度存在二次曲線關(guān)系.在TBBPA和Cd單一及聯(lián)合暴露條件下,蚯蚓、斑馬魚CAT活性均有不同程度的變化,其基準劑量存在明顯區(qū)別.蚯蚓單一暴露時TBBPA、Cd的BMDL分別為0.95,98.18mg/L,聯(lián)合暴露時分別為0.74、64.86mg/L,分別降低了22.1%、33.93%.斑馬魚在TBBPA、Cd的單一暴露的BMDL分別為0.44,0.64mg/L,聯(lián)合暴露時為0.034,0.251mg/L,分別比單一暴露時降低了92.3%、60.78%.

2.4 TBBPA和Cd的環(huán)境安全閾值

由表1可知,單一暴露下,以死亡率、SOD活性、CAT活性為效應(yīng)終點,蚯蚓和斑馬魚的TBBPA基準劑量分別為0.98, 2.07, 0.95mg/L和1.38, 0.502, 0.44mg/L,Cd基準劑量分別為331.1, 71.17, 98.18mg/ L和8.58, 0.42, 0.64mg/L.聯(lián)合暴露下,蚯蚓和斑馬魚的TBBPA基準劑量分別為0.33, 0.38,0.74mg/L和0.39, 0.024, 0.034mg/L,Cd基準劑量分別為98.61, 6.45, 64.86mg/L和2.88, 0.176, 0.251mg/L.

污染物的生物毒性效應(yīng)因試驗材料的不同而存在較大差異,且污染物對機體的損傷表征往往涉及多個指標,因此采用多效應(yīng)指標對污染物進行綜合評價十分必要.吳本麗等[15]的稀有鮈鯽()封閉群7d亞慢性毒性試驗顯示,由死亡率、平均體長和平均體重確定的對氯苯胺(ClC6H4NH2)安全閾值分別為8.0,4.0mg/L;劉娜等[16]以青鳉魚()和大型溞()為代表性水生生物開展的三唑酮慢性毒性實驗結(jié)果表明,以生存/蛻皮次數(shù)、生長、繁殖毒性為測試終點,青鳉魚和大型溞的安全閾值分別為76,60, 5μg/L和25,100,200μg/L. Kubo等[17]測定腎效應(yīng)指標(葡萄糖、蛋白質(zhì)、氨基氮、金屬硫蛋白和β2微球蛋白)得出日本梯川流域人群終生鎘攝入量的安全閾值分別為1.7g(金屬硫蛋白)和1.3g(β2微球蛋白).本研究選擇模式生物蚯蚓和斑馬魚作為受試生物,采用死亡率、SOD活性、CAT活性等多效應(yīng)指標作為測試終點,發(fā)現(xiàn)單一暴露下,蚯蚓、斑馬魚TBBPA的安全閾值分別為0.95(CAT),0.44(CAT) mg/L,Cd安全閾值分別為71.17(SOD),0.42(SOD) mg/L,表明蚯蚓、斑馬魚均未達到致死效應(yīng)前抗氧化應(yīng)激系統(tǒng)已受到損傷,即CAT活性、SOD活性指標更敏感.課題組后期研究中將選擇多物種(哺乳動物等)進行多指標觀測補充研究.

比較不同暴露特征下TBBPA和Cd對蚯蚓和斑馬魚的毒性效應(yīng),發(fā)現(xiàn)2種生物體在聯(lián)合暴露下的安全閾值均小于單一暴露.有研究表明,復(fù)合暴露下,由于污染物復(fù)雜的聯(lián)合作用機制(加和、協(xié)同和拮抗),毒性會發(fā)生顯著變化.Yang等[18]開展蚯蚓急性毒性和逃避反應(yīng)試驗,量化由農(nóng)藥(乙酰吡啶、多菌靈、毒死蜱、氯氟氰菊酯)混合物的生態(tài)毒性,發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥混合物的生態(tài)毒性可能是單一農(nóng)藥的40倍. ?ur?i?等[19]的雄性Wistar大鼠試驗表明Cd和十溴聯(lián)苯醚(BDE209)混合物可能比單一污染物更能有效破壞甲狀腺功能.曾奇兵等[20]以尿羥脯氨酸(UHYP)為效應(yīng)指標,得出單獨氟暴露(0.81mg/g)下安全閾值較氟砷聯(lián)合暴露(1.32,94.83mg/g)低,與聯(lián)合暴露對UHYP存在拮抗作用的結(jié)論一致.Hong等[21]發(fā)現(xiàn)砷和鎘在腎功能不全中的相互作用為加和和/或協(xié)同效應(yīng),聯(lián)合暴露時安全閾值分別為102.11,0.88μg/g (以尿白蛋白為效應(yīng)指標).因此,本研究中2種生物體在TBBPA、Cd聯(lián)合暴露下的安全閾值均小于單一暴露,可能與課題組前期研究發(fā)現(xiàn)TBBPA、Cd聯(lián)合暴露下產(chǎn)生協(xié)同作用有關(guān)[22].鑒于本研究考慮的TBBPA、Cd暴露劑量為文獻報道的環(huán)境污染濃度,未考慮低劑量暴露、慢性劑量暴露,在后期工作中課題組將進一步展開補充研究.

表1 蚯蚓和斑馬魚在TBBPA和Cd不同暴露條件下不同效應(yīng)終點的BMDL值

目前溴系阻燃劑TBBPA的環(huán)境安全閾值研究十分有限(表2).鑒于大多數(shù)劑量-效應(yīng)關(guān)系研究中,多使用USEPA推薦的參考劑量(RfD)作為風(fēng)險參考值,但目前綜合風(fēng)險信息系統(tǒng)(IRIS)尚未明確TBBPA的RfD.Yang等[7]結(jié)合SD大鼠試驗,整理了近年來TBBPA對哺乳動物甲狀腺激素等不同毒性效應(yīng)終點的RfD數(shù)據(jù),得出TBBPA的推薦參考劑量為0.6mg/kg.土壤、水環(huán)境中有限的TBBPA環(huán)境安全閾值研究使得其風(fēng)險評估變得困難,因此本研究得出引起蚯蚓、斑馬魚TBBPA的安全閾值分別為0.33,0.024mg/L,為TBBPA的風(fēng)險評估及基準制定提供有效數(shù)據(jù).與本研究結(jié)論相似,Sverdrup等[23]以土壤硝化細菌、紅三葉草()和土壤無脊椎動物()為受試生物,得到土壤TBBPA的安全閾值為0.3mg/kg.相比Yang等[24]關(guān)于中國水生生物TBBPA水質(zhì)基準(0.1475mg/L)的研究,本研究得出的安全閾值較低,可能與受試生物的選擇有關(guān).水質(zhì)基準研究中,國內(nèi)外明確規(guī)定了關(guān)注生物,本研究選擇的受試生物斑馬魚可能對TBBPA的敏感性較強,加之復(fù)雜的水環(huán)境因素(如水溫、pH值、硬度、溶解氧等)使得研究結(jié)果出現(xiàn)偏差.TBBPA具有親脂性,易通過飲食、呼吸、皮膚接觸等途徑在動物和人體組織中蓄積.歐洲食品安全局(EFSA)的食品鏈污染物科學(xué)專家組(CONTAM Panel)確定了TBBPA的安全閾值為16mg/kg bw.綜合暴露邊際(MOE)法得出目前歐盟的TBBPA膳食暴露水平并不會引起健康問題,且這種風(fēng)險不會通過母乳傳遞,也不會通過居室內(nèi)的塵埃對兒童造成危害[25].Cd是環(huán)境中常見的重金屬污染物,自20世紀以來,一些研究人員對Cd的生物毒性和人體健康風(fēng)險進行了較多的研究和調(diào)查.表2總結(jié)了部分Cd環(huán)境安全閾值的研究成果.本研究蚯蚓、斑馬魚Cd安全閾值分別為6.45,0.176mg/L.該研究未涉及的環(huán)境復(fù)雜性、效應(yīng)終點多樣性、污染物形態(tài)等多因素,需要在以后的工作中進一步考慮.

表2 已有報道中TBBPA和Cd的安全閾值

續(xù)表2

3 結(jié)論

3.1 蚯蚓、斑馬魚的死亡率/CAT活性/SOD活性與TBBPA、Cd暴露劑量呈明顯劑量-效應(yīng)關(guān)系.

3.2 單一暴露下,蚯蚓、斑馬魚TBBPA安全閾值分別為0.95, 0.44mg/L,Cd安全閾值分別為71.17, 0.42mg/L.

3.3 TBBPA、Cd聯(lián)合暴露下的安全閾值小于單一暴露.蚯蚓、斑馬魚TBBPA安全閾值分別為0.33, 0.024mg/L, Cd為6.45, 0.176mg/L.

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The safety threshold of joint exposure of tetrabromobisphenol A and cadmium on different organisms.

WAN Yu-shan,WEN Xin, YANG Yan*

(School of Environmental and Safety Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China), 2019,39(4)：1765~1775

Acute toxicity test ofandwas carried out, the toxicity data of mortality, superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) were obtained. The BMD method was used to derive the safety threshold of tetrabromobisphenol A (TBBPA) and cadmium (Cd) for different organisms under single and combined exposure conditions. The results showed that there were significant dose-effect relationships between the exposure doses of TBBPA, Cd and the mortality, SOD and CAT indicators in the experimental dose range of this study. CAT and SOD indicators were most sensitive to single exposure, and the safety thresholds of TBBPA forandwere 0.95, 0.44mg/L, Cd were 71.17, 0.42mg/L, respectively. The safety threshold of combined exposure was less than single exposure. The safety threshold of TBBPA forandwere 0.33, 0.024mg/L, and Cd were 6.45, 0.176mg/L, respectively.

tetrabromobisphenol A；cadmium；benchmark dose；safety threshold

X503.2,R994.6

A

1000-6923(2019)04-1765-11

2018-08-10

國家重大科技專項(2017ZX07202004)

*責(zé)任作者, 中級, yy129129@163.com

萬玉山(1969-),男,安徽淮北人,博士,副教授,從事環(huán)境工程、環(huán)境經(jīng)濟方向的教學(xué)與研究工作.發(fā)表論文30余篇.