六氟環(huán)氧丙烷三聚體羧酸(HFPO-TA)環(huán)境和生態(tài)毒性研究進(jìn)展

錢(qián)力波 黃美薇 蘇兆本 郭 勇 陳慶云

(1.中科院上海有機(jī)化學(xué)研究所，上海 200032；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 前言

含氟表面活性劑廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。常用作聚合分散劑、泡沫滅火劑、鉻霧抑制劑和拒水拒油劑。含氟表面活性劑具有高的表面活性、拒水拒油性和高的化學(xué)穩(wěn)定性，這使其在許多場(chǎng)合“不可或缺”[1-2]。但是，近年來(lái)，研究表明含氟表面活性劑具有高的環(huán)境持久性和生物累積性，對(duì)人的健康和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了潛在的危害[3-6]。因此，聯(lián)合國(guó)環(huán)保署分別在2009年和2019年將全氟辛烷磺酸(PFOS)和全氟辛酸(PFOA)列入了《斯德哥爾摩公約》，禁止和控制長(zhǎng)鏈全氟烷基化合物的使用[7]。

PFOA是含氟高分子合成中最常用和高效的分散劑，可應(yīng)用于聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)和氟橡膠等氟聚合物的乳液聚合反應(yīng)。PFOA的淘汰促進(jìn)了其他聚合分散劑的研究。許多PFOA替代品被開(kāi)發(fā)出來(lái)[2]，六氟環(huán)氧丙烷三聚體羧酸(HFPO-TA)是其中重要的一員[8-10]，國(guó)家三部委發(fā)文支持全氟多醚羧酸的替代應(yīng)用。然而，Wang和合作者提出了一個(gè)替代品研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題，即每個(gè)長(zhǎng)鏈和多氟烷基產(chǎn)品的氟代替代品對(duì)人類(lèi)和環(huán)境安全嗎? 他們指出，最近更換其他化學(xué)品的經(jīng)驗(yàn)顯示出一個(gè)“鎖定”問(wèn)題，即從一組結(jié)構(gòu)相似的化學(xué)品中取出一種化學(xué)品禁止其商業(yè)市場(chǎng)上的流通，并由同一組的其他化學(xué)品取代，但基本問(wèn)題并沒(méi)有得到真正解決。為了回答這個(gè)問(wèn)題，需要對(duì)替代品相關(guān)信息進(jìn)行評(píng)定，如化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)、(生物)降解性、生物累積性、(生態(tài))毒性、生產(chǎn)和釋放量以及環(huán)境和人類(lèi)暴露情況等[11]。因此，HFPO-TA作為替代品是否合適，需要科學(xué)地搜集證據(jù)以得出結(jié)論。

1 合成和性能

HFPO-TA由六氟環(huán)氧丙烷經(jīng)二聚體的中間體(化合物1)合成而來(lái)，并發(fā)展出諸多具有表面活性的物質(zhì)，HFPO-TA及衍生物的合成見(jiàn)圖 1。HFPO-TA的酰氟中間體(化合物2)可以轉(zhuǎn)化成陰離子(化合物3、5和6)[12-13]、陽(yáng)離子(化合物8)[14]、兩性(化合物9和10)[14-15]和非離子表面活性劑[16]，還可以用來(lái)合成相應(yīng)的全氟乙烯基醚[17]。

圖1 HFPO-TA及衍生物的合成

HFPO-TA及衍生物的表面張力(γ)和臨界膠束濃度(cmc)的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。其中陰離子表面活性劑中帶有甲苯取代的化合物6的表面張力最小，其次是苯基取代的化合物5，最后是羧酸鈉(化合物3)。它們的表面張力γcmc都大于17 mN/m，但是帶有更大疏水基團(tuán)的化合物5和6的臨界膠束濃度要低于羧酸鈉。而陽(yáng)離子的碘化銨的表面張力γcmc為19.2 mN/m，它的臨界膠束濃度為1.0 g/L。氧化胺型(化合物9)與甜菜堿型(化合物10)的表面張力γcmc都低于17 mN/m，同時(shí)它們的臨界膠束濃度都低于0.1 g/L。從分子吸附面積Amin可以看出，氧化胺(化合物9)的Amin要小于對(duì)應(yīng)的碘化銨(化合物8)和甜菜堿(化合物10)。以上數(shù)據(jù)表明，由HFPO-TA衍生出的氟表面活性劑具有非常好的表面活性。

表1 HFPO-TA及衍生物的表面活性

2 環(huán)境和生態(tài)毒性

PFOA和PFOS替代品的安全性和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得到了廣泛的關(guān)注[18-20]。研究主要集中在替代品在環(huán)境中的分布、對(duì)野生動(dòng)物和人體內(nèi)暴露情況、對(duì)模式動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育的影響和人群健康毒性機(jī)制的研究。

2.1 在環(huán)境中的分布

全球范圍內(nèi)的地表水和土壤中，全氟烷基化合物和其替代品的濃度倍受關(guān)注，該數(shù)據(jù)可以體現(xiàn)替代品的環(huán)境持久性和遠(yuǎn)距離遷移能力。大多數(shù)替代品與PFOA一樣，在環(huán)境中會(huì)降解出穩(wěn)定的羧酸鹽，因此，研究主要集中在檢測(cè)其羧酸根陰離子在各種環(huán)境場(chǎng)所中的濃度。

表2列出了HFPO-TA在一些世界河流和土壤中的分布情況。Pan等[21]研究了世界范圍內(nèi)的地表河流中的HFPO-TA濃度，其中國(guó)外河流中美國(guó)特拉華河水樣中的HFPO-TA濃度最高，達(dá)到了0.91 ng/L，而其余國(guó)外河流中HFPO-TA濃度的平均值為0.14～0.29 ng/L。在國(guó)內(nèi)，HFPO-TA濃度分布差距較大，其中在太湖中的濃度平均值最高，達(dá)到了4.99 ng/L。除了太湖，其他河流包括長(zhǎng)江、黃河、珠江和淮河等水樣中的濃度平均值為0.19～0.83 ng/L。Pan等[22]還考察了山東小清河的水樣，HFPO-TA的濃度達(dá)到了7 140 ng/L。研究認(rèn)為，含氟聚合物工廠影響了河流中的水樣，繼而可能對(duì)小清河流域的大部分地區(qū)產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。Li等[23]研究了海河流域水樣中的HFPO-TA濃度，達(dá)到了1 ng/L，并且發(fā)現(xiàn)HFPO-TA在污泥中的濃度水平和C9～C12的全氟烷基羧酸相當(dāng)。Feng等[24]也對(duì)黃海南部的水樣與室內(nèi)灰塵進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)黃海南部沿海水中的HFPO-TA濃度達(dá)到了2.4 ng/L，南海南部的孔隙水和海水中的沉積物也都有檢測(cè)到，濃度范圍分別為0.30～42.5 ng/L以及7.6～113.0 pg/g(dw)。Feng[25]與其同事還報(bào)道了在山東桓臺(tái)一家大型氟化工園區(qū)附近的飲用水和室內(nèi)灰塵中的HFPO-TA濃度，其中飲用水中的濃度為0～81.2 ng/L，而室內(nèi)灰塵中的濃度平均值為4 014 ng/g。以上結(jié)果表明，HFPO-TA在環(huán)境中的持久性與PFOA的情況類(lèi)似。

表2 HFPO-TA在環(huán)境中的分布情況

表2(續(xù))

2.2 對(duì)野生動(dòng)物和人體內(nèi)暴露情況

與其他PFOA替代品一樣，HFPO-TA在野生動(dòng)物和人群中的暴露水平也是生態(tài)環(huán)境相關(guān)人員關(guān)注和研究的重要內(nèi)容。HFPO-TA的生物累積性和潛在對(duì)生態(tài)和健康的影響能夠從這些數(shù)據(jù)中反映出來(lái)。表3為HFPO-TA對(duì)動(dòng)物、食物及人體中的暴露水平。Pan等[22]考察了山東小清河中鯉魚(yú)體內(nèi)血液、肝及魚(yú)肉中的HFPO-TA濃度，發(fā)現(xiàn)血液中達(dá)到了1 510 ng/L，鯉魚(yú)肝和肉中分別達(dá)到了587、118 ng/g。Cui等[26]報(bào)道了山東桓臺(tái)的黑斑蛙體內(nèi)各個(gè)組織的HFPO-TA濃度，發(fā)現(xiàn)黑斑蛙腎中最高，達(dá)到了59.3 ng/g，其次是黑斑蛙肝中，為13.4 ng/g，其余組織中HFPO-TA濃度大多在10 ng/g以下。Feng等[25]也研究了山東桓臺(tái)地區(qū)的谷物、蔬菜、蛋肉等一系列食物以及居民尿液、頭發(fā)及血清中的HFPO-TA濃度，發(fā)現(xiàn)雞蛋中最高，達(dá)到了390 ng/g，蔬菜其次，達(dá)到了45.1 ng/g，其余的糧食中HFPO-TA濃度低于5 ng/g。而居民尿液、頭發(fā)及血清中都發(fā)現(xiàn)HFPO-TA的存在。Yao等[27]和Pan等[22]分別報(bào)道了2019年及2016年居民血清內(nèi)的HFPO-TA濃度，分別為1.8、2.4 ng/mL。綜合以上的報(bào)道不難看出，HFPO-TA不僅在野生動(dòng)物中被檢出，也出現(xiàn)在糧食食品中，甚至在人體血清內(nèi)也已發(fā)現(xiàn)。這也說(shuō)明HFPO-TA與PFOA一樣，可以在生物體內(nèi)累積。

表3 HFPO-TA對(duì)動(dòng)物、食物及人體中的暴露水平

對(duì)人體暴露的研究還可以通過(guò)每日攝入估計(jì)量(EDI)來(lái)考察。Feng等[25]通過(guò)對(duì)山東桓臺(tái)附近居民食用的各類(lèi)食品、飲用水和室內(nèi)灰塵等的HFPO-TA和PFOA分布進(jìn)行了細(xì)致的調(diào)查，并計(jì)算了EDI。研究發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)灰塵中的HFPO-TA濃度達(dá)到了4 014 ng/g，PFOA濃度達(dá)到了421 ng/g。HFPO-TA濃度遠(yuǎn)高于包括PFOA在內(nèi)的其他類(lèi)型的全氟和多氟烷基化合物(PFAS)，可能是由于HFPO-TA更容易進(jìn)入固相中，加速了它在灰塵中的沉降，而PFOA更傾向于進(jìn)入水相。在研究食物樣本時(shí)，他們也發(fā)現(xiàn)PFOA和HFPO-TA在蔬菜中分布較高，尤其在綠葉蔬菜中的濃度分別達(dá)到了220 ng/g(dw)和111 ng/g(dw)，這很可能是由于大氣中的污染物沉降的結(jié)果。除了蔬菜，捕獲于渤海的海鮮也被檢測(cè)出一定濃度的污染物，而周邊的氟化物工廠可能是這些較重污染的源頭。最后該研究人員對(duì)每日估計(jì)攝入量(EDI)進(jìn)行了匯總，計(jì)算出了PFOA的EDI為457 ng/kg(bw)/d，而HFPO-TA的EDI達(dá)到了51.8 ng/kg(bw)/d。盡管缺乏進(jìn)一步對(duì)比的每日容許攝入量(TDI)數(shù)據(jù)，但是當(dāng)?shù)鼐用窠】碉L(fēng)險(xiǎn)控制形勢(shì)不容樂(lè)觀，須引起密切關(guān)注。

生物濃縮因子(BCF)反映了生物累積的程度。BCF計(jì)算值等于野生動(dòng)物體內(nèi)或組織中PFAS濃度與相應(yīng)水樣中PFAS濃度的比值。Pan等[22]發(fā)現(xiàn)，BCF隨著氟醚表面活性劑分子鏈長(zhǎng)度的增加而顯著增加。血液中HFPO-TA的BCF log值(2.18)高于PFOA(1.93)，表明HFPO-TA比PFOA更具有生物累積性。PFOA和HFPO-TA的生物蓄積性和毒性方面的量化數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。隨后，Cui等[26]還發(fā)現(xiàn)，HFPO-TA也會(huì)在黑斑蛙體內(nèi)蓄積，但是程度遠(yuǎn)小于在鯉魚(yú)血液中的蓄積情況，所以種屬差異是存在的。在黑斑蛙體內(nèi)的蓄積量雖然不大，但是HFPO-TA在這種兩棲動(dòng)物體內(nèi)的生物蓄積性還是大于PFOA。辛醇-水分配系數(shù)Kow值也與化合物的生物蓄積性有一定的正相關(guān)性，通常logKow值越大，生物蓄積性越強(qiáng)，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，HFPO-TA的logKow值大于PFOA[22,24,29]。

表4 PFOA和HFPO-TA的生物蓄積性和毒性方面的量化數(shù)據(jù)

2.3 模式動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育的影響和人群健康毒性機(jī)制

在PFOA及其替代品的毒性評(píng)估中，肝毒性研究具有非常重要的意義。肝毒性的研究集中在人體蛋白、基因及細(xì)胞水平和嚙齒類(lèi)動(dòng)物喂養(yǎng)試驗(yàn)上[28-29]。Sheng等[28a]對(duì)比了HFPO-TA和PFOA對(duì)人類(lèi)肝細(xì)胞產(chǎn)生的毒性作用，以及這兩個(gè)物質(zhì)與人類(lèi)肝臟脂肪酸結(jié)合蛋白(hL-FABP)的結(jié)合作用，部分相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。他們發(fā)現(xiàn)，HFPO-TA對(duì)細(xì)胞的毒性作用更強(qiáng)，但是有著不同的細(xì)胞增殖機(jī)制。此外，與hL-FABP的結(jié)合親和力 PFOA

此外，Li等[29]也對(duì)HFPO-TA的肝毒性進(jìn)行了相關(guān)的研究。他們報(bào)道了HFPO-TA對(duì)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ(PPARγ)介導(dǎo)通路的破壞作用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，HFPO-TA具有比PFOA更高的與PPARγ的結(jié)合親和力(見(jiàn)表4)、激動(dòng)活性和脂肪生成活性。他們認(rèn)為，HFPO-TA比PFOA具有更大的潛在副作用[29]。

Xin等[30]還研究了HFPO-TA的內(nèi)分泌干擾作用，比較評(píng)價(jià)了HFPO-TA的體內(nèi)外雌激素作用。體外試驗(yàn)表明，HFPO-TA與雌激素受體配體結(jié)合域(ER-LBD)的結(jié)合強(qiáng)度是PFOA的2.5倍。HFPO-TA表現(xiàn)出對(duì)雌激素受體(ER)信號(hào)通路的拮抗活性，這與PFOA表現(xiàn)出激動(dòng)性活性不同。此外，他們還以斑馬魚(yú)為模型研究了PFOA和HFPO-TA對(duì)雌激素的干擾作用。體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種化學(xué)物質(zhì)均能改變性激素平衡，提高卵黃素水平。他們的結(jié)論是：HFPO-TA可能不是PFOA的安全替代品，值得進(jìn)一步評(píng)價(jià)[30]。

Ke等[31]研究了HFPO-TA對(duì)微生物豐度、群落結(jié)構(gòu)和功能的影響，評(píng)估了HFPO-TA對(duì)土壤環(huán)境中古菌、細(xì)菌、氨氧化古菌(AOA)和氨氧化細(xì)菌(AOB)的潛在影響。HFPO-TA的添加起初降低了古菌和細(xì)菌的豐度。但是，長(zhǎng)時(shí)間培養(yǎng)后，HFPO-TA可促進(jìn)古菌、細(xì)菌和AOA豐度的提高。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，HFPO-TA的添加提高了AOA豐度，但抑制了AOB的生長(zhǎng)。AOA和AOB群落結(jié)構(gòu)變化較大。潛在硝化速率(PNR)在初期呈先上升后下降的趨勢(shì)，說(shuō)明HFPO-TA可能會(huì)影響氨氧化。微生物體系的研究對(duì)評(píng)價(jià)HFPO-TA對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響將產(chǎn)生積極作用。

2.4 HFPO-TA的降解與回收

為了減少HFPO-TA產(chǎn)生的環(huán)境持久性、生物蓄積性及生態(tài)毒性問(wèn)題，科研工作者開(kāi)展了對(duì)HFPO-TA的降解與回收研究。Bao等[32]報(bào)道了一種先通過(guò)納濾收集濃縮液再使用高級(jí)氧化法(紫外光/過(guò)硫酸鉀)和高級(jí)還原法(紫外光/亞硫酸鈉)對(duì)HFPO-TA等寡聚物進(jìn)行集中降解的方法，其中，使用高級(jí)還原法HFPO-TA在2 h內(nèi)完全降解，而使用高級(jí)氧化法HFPO-TA在4 h內(nèi)降解約60%。Chen等[33]設(shè)法使用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)形成的膠束來(lái)增溶HFPO-TA等物質(zhì)，再經(jīng)由3種羥基取代的苯乙酸(HPA)在紫外光照射下形成的水合電子，對(duì)膠束內(nèi)的HFPO-TA進(jìn)行還原降解。他們發(fā)現(xiàn)，使用紫外光照射的CTAB/HFPO-TA/HPA三元體系可以將HFPO-TA在4.5 h內(nèi)降解完畢，并且在8 h內(nèi)脫氟率達(dá)到30%～35%。Li等[34]還研究了HFPO-TA自身在紫外光條件下的降解情形，并發(fā)現(xiàn)在72 h的紫外光照射下，HFPO-TA降解75%，脫氟率達(dá)到了25%。除了降解HFPO-TA，Wang等[35]還研究了通過(guò)陽(yáng)離子共價(jià)有機(jī)骨架的方法實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)活性炭以及樹(shù)脂更加高效的吸附去除。Qu等[36]還研究了江蘇常州飲用水處理廠的飲用水中對(duì)HFPO-TA的吸附處理情況。研究發(fā)現(xiàn)，雖然顆粒活性炭能夠有效吸附HFPO-TA等其他磺酸或羧酸的氟代物，但是對(duì)于其他短鏈全氟烷基物前體的吸附效率并不高。綜合以上研究，HFPO-TA的降解與吸附是可以通過(guò)現(xiàn)有的降解方法實(shí)現(xiàn)的。但是排放在環(huán)境中的HFPO-TA是否能夠自身實(shí)現(xiàn)降解，以及其完全礦化的周期如何，還需要開(kāi)展進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)鏈全氟烷基化合物及其氟醚替代品的環(huán)境問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。綜述了六氟環(huán)氧丙烷三聚體羧酸(HFPO-TA)的合成、性能和環(huán)境生態(tài)毒性，尤其是對(duì)近年來(lái)關(guān)于HFPO-TA環(huán)境和毒理方面的研究進(jìn)行了匯總。HFPO-TA在環(huán)境中廣泛存在，不僅在氟化工廠的周邊，在全球和全國(guó)的水體、野生動(dòng)物、食物和人體中都能檢出HFPO-TA。HFPO-TA的毒性研究集中在肝毒性和內(nèi)分泌干擾上，結(jié)合現(xiàn)代的蛋白和基因研究等方法，研究者發(fā)現(xiàn)，HFPO-TA比PFOA具有更強(qiáng)的生物累積性、更強(qiáng)的肝毒性和內(nèi)分泌干擾效應(yīng)。微生物學(xué)研究還表明，HFPO-TA會(huì)影響微生物群落結(jié)構(gòu)。盡管部分人工的方法可以實(shí)現(xiàn)HFPO-TA的富集和降解，然而HFPO-TA在自然界中的降解行為仍不清楚。鑒于在環(huán)境中檢測(cè)到的HFPO-TA濃度相當(dāng)高，具有顯著的肝毒性和明顯的內(nèi)分泌干擾作用，迫切需要進(jìn)一步的研究，包括長(zhǎng)期接觸HFPO-TA的毒性作用，其在動(dòng)物體內(nèi)的代謝和半衰期，以及性別和物種差異。綜上所述，現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果表明，HFPO-TA作為PFOA替代品可能是不合適的。

致謝：

感謝中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃項(xiàng)目(KFJ-STS-QYZX-068)，福建省科技廳(2020T3020)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(21737004)的資助