全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品對4種本土水生生物的生態毒性

王妙，陳輝輝，查金苗，王子健

中國科學院生態環境研究中心 環境水質學國家重點實驗室，北京100085

全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品對4種本土水生生物的生態毒性

王妙，陳輝輝，查金苗*，王子健

中國科學院生態環境研究中心 環境水質學國家重點實驗室，北京100085

本文選擇了紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞和稀有鮈鯽4種本土水生生物，開展了陽離子表面活性劑、織物三防整理劑、C4三防整理劑和C6三防整理劑4種全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品的安全性評估，為篩選理想PFOS化學替代品提供科學依據。急性毒性結果發現陽離子表面活性劑對4種水生生物均未顯示出急性毒性；織物三防整理劑、C4三防整理劑和C6三防整理劑對蚤狀溞的LC50值分別為17.97、64.61和85.58 mg·L-1，顯示出低的急性毒性。另外，織物三防整理劑對四尾柵藻的半數抑制濃度(EC50)值為88.32 mg·L-1，而對稀有鮈鯽半致死濃度(LC50)值為14.79 mg·L-1，均存在急性毒性。短期生長抑制試驗結果發現陽離子表面活性劑、織物三防整理劑、C4三防整理劑和C6三防整理劑對稀有鮈鯽生長抑制最低可見效應濃度(LOEC)值分別為20、1.5、100和50 mg·L-1，表明4種PFOS替代品均顯示低慢性毒性。急慢性綜合分析可知C4和C6三防整理劑相對較安全，可能成為理想的PFOS替代品。

PFOS替代品；本土水生生物；急性毒性；慢性毒性

全氟辛烷磺酸鹽(perfluorooctane sulfonate, PFOS)是一類重要的全氟表面活性劑，具有優良的疏水、疏油特性，在工業生產和生活消費領域中廣泛應用[1-2]。目前水環境中PFOS的濃度數量級為ng·L-1，其中我國海河流域中濃度達到1.11～7.65 ng·L-1[3]，而美國加利福尼亞州河流中達到30～127 ng·L-1[4]。PFOS具有肝臟毒性，使肝臟減小，影響能量代謝[5]；引起臟器官內的過氧化物增加，造成氧化損傷，直接或間接的損害遺傳物質，引發腫瘤[6-7]；破壞血清中皮質酮和瘦素水平的平衡，影響去甲腎上腺素的濃度，干擾動物的神經內分泌系統[8]；誘使胚胎中毒，幼齡動物畸形，延遲幼齡動物的生長發育[9-10]等系列危害，因此根據世界衛生組織化合物急性毒性分類標準，PFOS屬于中等毒性物質。另外PFOS具有極強持久性、生物富集性、生態毒性以及遠距離遷移等特征，因此被列入禁止持久性有機污染物(POPs)名單中，在斯德哥爾摩公約國中禁止生產和使用，因此各種PFOS替代品相繼開發與生產。

基于PFOS用途廣泛，因此其替代品需要種類繁多，然而大多數PFOS替代品仍然是含氟化合物。PFOS對于水生生物毒性在以前研究已經有所報道，其中對于魚類LC50為4.2～81.18 mg·L-1[11-13]，藻類EC50值為81.60～305 mg·L-1[11, 14-15]，溞類LC50值為4.17～78.09 mg·L-1[11, 13, 16]，上述報道表明PFOS對水生生物存在相對較大急性毒性。然而對于POFS替代品對于水生生物毒性研究還十分有限，特別是對于我國本土水生生物影響基本上未曾涉及。因此本文選擇了4種我國本土水生生物種，包括紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞和稀有鮈鯽。4種本土水生生物分別代表了不同水生營養級(水生植物、浮游植物、浮游動物以及魚類)，基本上涵蓋了水生態系統大部分營養級，獲得數據將能有效保護我國水生態系統。本文選擇了4種PFOS替代品，開展了PFOS化學替代品對我國本土水生生物生態毒性影響，不僅保護我國水生態系統完整性，同時為PFOS化學替代品篩選提供科學依據。

1 材料與方法( Materials and methods)

1.1 供試藥劑

PFOS替代化學品：全氟丁基有機銨鹽陽離子表面活性劑、用調聚法合成的織物三防整理劑、電解氟化法合成的C4及C6織物三防整理劑。PFOS替代品均為液體，按照體積質量分別配制100 g·L-1的母液。

1.2 實驗生物

紫背浮萍(Soirodela polyrhiza)，采自湖北武漢市南湖，在實驗室馴養后進行長期養殖。馴養期間培養條件：溫度(24±2) ℃，光照6 500～10 000 LUX，培養液參考經濟合作與發展組織(OECD)標準，配制的標準培養基(SIS)，待浮萍生物大量擴增后進行實驗。

四尾柵藻(Scenedesmus quadricanda)，取自中國科學院水生生物研究所淡水藻種庫，在實驗室馴養后進行長期養殖。馴養期間培養條件：溫度(25±2) ℃，光照6 500～10 000 LUX，培養液為參考OECD標準配制的人工培養基，待生物大量擴增后進行實驗。

蚤狀溞(Daphnia pulex)采自湖北省武漢市南湖，帶回實驗室內進行馴養后，進行長期養殖。養殖用水為參考OECD標準配制的標準稀釋水。新配制的標準稀釋水pH為7.8±0.2，硬度為250 mg·L-1左右(以CaCO3計)。養殖期間，水溫控制在(20±2) ℃，光周期為16 h ∶8 h(光∶暗)，每天定時定量投喂試驗純培養的小球藻。

稀有鮈鯽(Gobiocypris rarus)在中國科學院生態環境研究中心環境水質學國家重點實驗室已經進行長期的養殖。養殖期間，水溫控制在(25±2) ℃，光周期為16 h∶8 h(光∶暗)，每天定時定量投喂飼料，試驗開始24 h前停止喂食，試驗過程中不喂食。

1.3 試驗方法

1.3.1 急性毒性試驗方法

紫背浮萍急性毒性實驗參照OECD 221浮萍生長抑制試驗標準方法。首先將紫背浮萍暴露于100 mg·L-1的受試物溶液中進行限度實驗，結果顯示4種替代品的致死率均在50%以下，不在進行下一步試驗。

四尾柵藻增殖實驗參照OECD 201標準方法。首先將四尾柵藻暴露于100 mg·L-1的受試物溶液中進行限度實驗試驗，結果顯示只有織物三防整理劑的致死率在50%以上，進行下一步試驗，試驗濃度設為10.00、20.00、40.00、80.00和160.00 mg·L-1，周期為72 h，每天檢測四尾柵藻的細胞濃度，確定72 h四尾柵藻生長抑制率為50%時受試物濃度，即半數抑制濃度(EC50)，用72 h-EC50表示。

蚤狀溞急性毒性實驗參照OECD 202標準試驗方法，限度試驗結果顯示，織物三防整理劑、C4和C6三防整理劑對蚤狀溞的致死率在50%以上，進行下一步試驗。正式實驗中織物三防整理劑的實驗濃度設為15.00、17.84、21.21、25.21和30.00 mg·L-1；C4三防整理劑的實驗濃度為50.00、55.00、60.50、66.55和73.21 mg·L-1；C6三防整理劑的實驗濃度為70.00、77.00、84.70、93.17和102.50 mg·L-1。試驗周期為48 h，在24 h和48 h時記錄蚤狀溞的死亡數，計算死亡率，確定50%試驗魚死亡時的受試樣品濃度，用48 h-LC50表示。

稀有鮈鯽急性毒性實驗參照OECD 203標準試驗方法。首先將稀有鮈鯽暴露于100 mg·L-1的受試物溶液中進行限度實驗，結果顯示只有織物三防整理劑對稀有鮈鯽的致死率在50%以上，進行下一步試驗，設置10.43、12.40、14.75、17.53和20.86 mg·L-1濃度梯度，試驗周期為96 h，在24 h、48 h、72 h和96 h時記錄魚的死亡率，分別確定50%試驗魚死亡時的受試樣品濃度，用24 h-LC50、48 h-LC50、72 h-LC50和96 h-LC50表示。

1.3.2 短期生長抑制試驗方法

選擇體長和年齡相似、孵化后1個月的幼魚稱重后在受試物亞致死濃度范圍內暴露在流水試驗條件。根據受試物對稀有鮈鯽急性毒性試驗結果，設置短期生長試驗濃度。其中離子表面活性劑的實驗濃度為20、10、5.0和2.5 mg·L-1；織物三防整理劑對稀有鮈鯽短期生長試驗濃度為1.5、0.75、0.375和0.1875 mg·L-1；C4和C6三防整理劑對稀有鮈鯽短期生長試驗濃度為100.00、50.00、25.00、12.50和6.25 mg·L-1。每個實驗設1個空白組，每個濃度設3個平行，暴露28 d。具體實驗方法根據OECD 215魚類生長實驗標準方法進行。

1.3.3 統計分析

急性毒性試驗后，記錄死亡數，用SPSS 16.0求出EC50和LC50。28 d暴露實驗結束后，測量試驗魚體重，計算各個暴露組平均體重，使用SPSS 16.0統計軟件進行方差分析，差異水平為P<0.05，求NOEC和LOEC值。

2 結果(Results)

2.1 急性毒性實驗結果

將4種PFOS替代品分別對紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞以及稀有鮈鯽進行急性毒性實驗。實驗結果如表1所示。其中陽離子表面活性劑對4種水生物均未顯示出毒性。織物三防整理劑對紫背浮萍未顯示出急性毒性，對其它3種受試生物均表現出低毒毒性：對四尾柵藻的72 h-LC50值為88.32 mg·L-1，95%置信區間為52.12～171.50 mg·L-1；對蚤狀溞的48 h-LC50值為17.97 mg·L-1，95%置信區間為13.67～20.85 mg·L-1；對稀有鮈鯽的96 h-LC50為14.79 mg·L-1，95%置信區間為13.98～15.66 mg·L-1。C4和C6織物三防整理劑對紫背浮萍、四尾柵藻以及稀有鮈鯽均未檢測到毒性，但對蚤狀溞顯示出低毒效應，48 h-LC50值分別為64.81 mg·L-1和85.58 mg·L-1，95%置信區間分別為62.35～67.45 mg·L-1和83.36～87.94 mg·L-1。

表1 4種PFOS替代品對紫背浮萍、四尾柵藻、蚤狀溞以及稀有鮈鯽的急性毒性實驗結果Table 1 Acute toxicity of four PFOS alternatives to Soirodela polyrhiza, Scenedesmus quadricanda, Daphnia pulex and Gobiocypris rarus

2.2 稀有鮈鯽28 d短期生長實驗結果

暴露28 d后，稱量所有暴露組魚的體重，如圖1所示。從圖中可以看出隨著替代品的濃度升高，魚的體重相應降低。說明高濃度的替代品對稀有鮈鯽的生長有影響。此外，根據最終體重求出4種受試物對稀有鮈鯽28 d生長的LOEC值和NOEC值，比較4種替代品的毒性。其中陽離子表面活性劑對稀有鮈鯽短期生長的LOEC值為20 mg·L-1，NOEC值為10 mg·L-1。織物三防整理劑對稀有鮈鯽短期生長的LOEC值為1.5 mg·L-1，NOEC值為0.75 mg·L-1；C4三防整理劑對稀有鮈鯽28 d短期生長的LOEC值為100.00 mg·L-1，NOEC值為50.00 mg·L-1；C6三防整理劑對稀有鮈鯽28 d短期生長的LOEC值為50.00 mg·L-1，NOEC值為25.00 mg·L-1。

3 討論(Discussion)

本研究全面評價了4種PFOS替代品對我國本土水生生物生態毒性。從急性毒性實驗結果來看，其中陽離子表面活性劑對4種水生物均未顯示出毒性。織物三防整理劑對浮萍未顯示出毒性，對其它3種受試生物均表現出低毒毒性，C4和C62種織物三防整理劑對浮萍、四尾柵藻以及稀有鮈鯽均未檢測到毒性，但對蚤狀溞顯示出低毒效應。在28 d短期生長暴露實驗中，織物三防整理劑對稀有鮈鯽短期生長的LOEC值為1.5 mg·L-1，NOEC值為0.75 mg·L-1，產生毒性效應的濃度遠低于其他3種替代品，表明其毒性大于其他替代品。

圖1 4種PFOS替代品中暴露28 d對稀有鮈鯽生長的影響Fig. 1 Growth of rare minnow following four PFOS alternatives exposure for 28 days

雖然對4種本土水生物的毒性試驗都顯示出4種替代品的毒性很低，但生態毒性仍需與PFOS毒性進行比較。Boudreau等[14]對PFOS的研究結果表明PFOS對浮萍(Lemna gibba)的7 d-EC50值為59.1 mg·L-1，而本試驗中4種替代品對紫背浮萍沒有檢測到毒性。Yang等[11]研究了PFOS對鯽魚、麥穗魚、大型溞、四尾柵藻等水生生物的急性毒性，對應的96 h-LC50值分別為81.18、67.74、78.09和89.34 mg·L-1。美國EPA中PFOS對虹鱒的4 d-LC50值為4.2 mg·L-1，對大型溞的2 d-LC50值為67 mg·L-1[13]。相對于這些數據，本試驗中陽離子表面活性劑對4種水生物均未顯示出毒性，似乎說明其毒性較低。但在對非洲爪蟾胚胎致畸實驗和黑斑蛙蝌蚪胚胎發育實驗中，陽離子表面活性劑的毒性作用高于PFOS[17]，在白羽鵪鶉的急性飼喂毒性實驗中陽離子表面活性劑顯示出中等毒性[18]，與本實驗的結果不一致。導致這種結果的原因可能是種間差異特別是水生生物與陸生生物之間差異。織物三防整理劑對稀有鮈鯽、蚤狀溞和四尾柵藻顯示出急性毒性，LC50值分別為14.79、17.97和88.32 mg·L-1，小于文獻中PFOS對相應物種的LC50值。在稀有鮈鯽28 d短期生長實驗中得到了同樣的結果，這些數據說明織物三防整理劑的毒性可能大于PFOS。對土壤跳蟲的生態毒性實驗[19]和蝌蚪的急性毒性實驗也驗證了這一結果[20]。且在白羽鵪鶉的長期飼喂實驗[18]中織物三防整理劑表現出一定的生殖毒性，造成白羽鵪鶉的孵化率降低，胚胎死亡率及未受精率升高。這些結果說明織物三防整理劑具有一定的毒性，做為PFOS的替代品應慎重考慮。相對于前2種替代品，電解氟化法合成的C4和C62種三防整理劑對紫背浮萍、四尾柵藻以及稀有鮈鯽均未檢測到毒性，僅對蚤狀溞顯示出低毒效應。而且土壤跳蟲的生態毒性實驗[19]和蝌蚪的急性毒性實驗[20]結果也顯示C4、C6織物三防整理劑毒性作用低于PFOS，說明其具有更高的安全性。

綜合急性毒性試驗和稀有鮈鯽短期生長實驗結果和已有資料，織物三防整理劑毒性較大，不適合于作為PFOS的替代品，而電解法合成的C4、C6織物三防整理劑毒性較低，具有較高的生物安全性，更適于作為的PFOS替代品。

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◆

Ecotoxicity of Alternatives of Typical Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) to Four Native Aquatic Organisms

Wang Miao, Chen Huihui, Zha Jinmiao*, Wang Zijian

State Key Laboratory of Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

22 October 2014 accepted 2 December 2014

To provide a scientific basis for selecting safe and efficient substitutes, ecotoxicity of four PFOS alternatives (surfactant, textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent) to four native aquatic organisms (Soirodela polyrhiza, Scenedesmus quadricanda, Daphnia pulex and Gobiocypris rarus) was assessed. The results showed that surfactant had no acute toxic to these four native aquatic organisms. LC50of textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent on Daphnia pulex in acute toxicity test were 17.97, 64.61 and 85.58 mg·L-1, respectively. EC50of textile finishing agent on Daphnia pulex was 88.32 mg·L-1, whereas LC50on Gobiocypris rarus was 14.79 mg·L-1. In short-term growth inhibition test, LOEC of surfactant, textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent on Gobiocypris rarus were 20, 1.5, 100 and 50 mg·L-1, respectively. These results indicated that the four alternatives have low chronic toxicity to Gobiocypris rarus. Above all, C4and C6finishing agent could be able to serve as potential PFOS alternatives.

PFOS alternatives; native aquatic organisms; acute toxicity; chronic toxicity

國家863化學品重大項目課題“化學品毒性高通量生物測試與評價技術”(2012AA06A302)；國家水體污染控制與治理科技重大專項“化學園區綜合廢水淮河流域(蚌埠段-洪澤湖上游)工業和城市污水毒害污染物綜合控制研究與示范”(2014ZX07204-008-03)

王妙(1988-)，女，碩士，研究方向為水生態毒理學，E-mail: wangmiao8809@126.com；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: zhajinmiao@gmail.com

10.7524/AJE.1673-5897.20141022001

2014-10-22 錄用日期：2014-12-02

1673-5897(2015)2-230-06

X171.5

A

查金苗(1975-)，男，博士，研究員，主要研究興趣包括水生模型生物體系的構建和發展、水環境生物毒性測試方法、環境內分泌干擾物的篩選技術研究、環境污染物對水生生物分子毒理機制和水生態系統完整性評估方法等，在國內外學術刊物上發表高水平論文70余篇，SCI論文40余篇。

王妙, 陳輝輝, 查金苗, 等. 全氟辛烷磺酸鹽(PFOS)替代品對4種本土水生生物的生態毒性[J]. 生態毒理學報, 2015, 10(2): 230-235

Wang M, Chen H H, Zha J M, et al. Ecotoxicity of alternatives of typical perfluorooctane sulfonate (PFOS) to four native aquatic organisms [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(2): 230-235 (in Chinese)