離子液體的水生生態(tài)毒理及其毒性影響因素研究進展

夏一璐，范慧陽，劉惠君

浙江工商大學環(huán)境科學與工程學院，杭州 310018

離子液體(ionic liquids, ILs)是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的、完全由陰陽離子所組成的鹽，也稱為室溫熔融鹽或低溫熔融鹽。它被認為替代傳統(tǒng)揮發(fā)性有機溶劑的新型綠色溶劑[1-2]，具有極低的蒸汽壓、不易燃、導電性強、性質(zhì)穩(wěn)定、對許多無機鹽和有機物有良好溶解性等諸多優(yōu)點，在分離過程、有機合成、生物催化、電化學、生物質(zhì)溶解和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。在ILs廣泛應用的同時，它的化學和熱力學穩(wěn)定性導致其在環(huán)境難以降解，具有潛在環(huán)境風險。雖然ILs不易揮發(fā)可有效減少大氣污染，但由于其較好的水溶性，在實際使用中大量ILs被釋放入水環(huán)境中[2]，其在水中的積累和污染對水環(huán)境存在潛在危害。

近年來ILs的環(huán)境行為以及生態(tài)毒性受到了研究者的廣泛關(guān)注。有關(guān)ILs對水藻、大型溞(Daphniamagna)及斑馬魚(Daniorerio)等水生生物的影響相繼已有研究報導[6-7]，研究發(fā)現(xiàn)ILs的潛在毒性可能與常用的有機溶劑相當或者更高[8]，多種ILs對不同營養(yǎng)級水生生物的毒性影響詳見表1與表2。ILs的毒性與其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括烷基鏈長度、陽離子類型與陰離子類型，此外，環(huán)境因子也是ILs的毒性影響因素[9]。本文從多角度綜述了不同類型ILs對水生生物的毒性作用及其毒性影響因子(圖1)，為環(huán)境友好型ILs結(jié)構(gòu)設計和合理控制水環(huán)境中的ILs污染提供參考。

1 離子液體的水生生態(tài)毒理研究(Aquatic ecotoxicology of ILs)

1.1 離子液體對水生植物的毒性影響

水生植物研究對象主要包括藻類與浮萍，探討ILs對其生長、葉綠素含量、抗氧化系統(tǒng)、酶活性、細胞超微結(jié)構(gòu)等的毒性效應。1-辛基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([C8mim]PF6)對小球藻(Chlorellavulgaris)生長和葉綠素a的抑制作用隨濃度增加而增大，高濃度可致死[10]。1-丁基-3-甲基咪唑氯鹽([C4mim]Cl)會導致斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)葉綠素含量下降，過氧化氫酶(CAT)和超氧化物歧化酶(SOD)活性降低，藻細胞通透性增大且超微結(jié)構(gòu)受到破壞[11]。[Cnmim]Cl(n=6、8、10、12、16)對斜生柵藻的毒性隨ILs濃度的增加和烷基鏈的增長而增大[12]。手性1-烷基-3-甲基咪唑酒石酸鹽(RMIMT)對斜生柵藻有立體選擇性，L構(gòu)型的毒性比D構(gòu)型強[13]。Chen等[14]提出手性ILs的立體選擇性影響可能是由于活性氧自由基(ROS)和藻細胞膜通透性損傷差異所致。研究表明隨著1-辛基-3-甲基咪唑溴鹽([C8mim]Br)濃度增加，三角褐指藻(Phaeodactylumtricornutum)的生長受到抑制，SOD活性先微小增加而后被抑制，細胞脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量增加，這可能是由于ROS過量造成的[15]。[C8mim]Br對浮萍(Lemnaminor)也有相似的抑制作用[16]，有較長烷基鏈的1-烷基-3-甲基咪唑化合物對浮萍有更強的毒性[17]。Jin等[18]建立了3D定量構(gòu)效關(guān)系模型，通過標準藻類生長抑制實驗證實2,3-二硝基酚、2-氯代-4硝基、1,2,3,-三甲基苯和3-溴苯酚這4個取代基的ILs對斜生柵藻有高毒性。

圖1 離子液體(ILs)在水中的生態(tài)毒性及其影響因子Fig. 1 Aquatic ecotoxicity of ionic liquids (ILs) and factors affecting the toxicity

[C4mim]Cl抑制四尾柵藻(Scenedesmusquaclricauda)酶活性，而對其ROS和細胞膜損傷影響不大[19]。在1-烷基-3-甲基咪唑溴鹽([Cnmim]Br, n=4,6,8)對四尾柵藻和萊茵衣藻的研究中顯示ILs毒性比丙酮、苯、甲苯和苯酚更大[20]。海綠藻(Ocystissubmarina)和硅藻(Cyclotellameneghiniana)在暴露ILs后恢復能力有顯著不同，硅藻比綠藻對ILs更為敏感[21]。在一定的濃度范圍內(nèi)(8～32 PSU)，ILs的毒性效應隨鹽度升高而下降[22]。Pham等[23]對羊角月牙藻(Pseudokirchneriellasubcapitata)的研究顯示ILs在生長率上的毒性影響要比光合作用性能上的影響更明顯。ILs對羊角月牙藻的毒性強弱和烷基鏈長、暴露時間以及化學結(jié)構(gòu)明顯相關(guān)，且毒性比傳統(tǒng)有機溶劑要強2～4個數(shù)量級[24]。此外，配制時間久的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C4mim]BF4)溶液的半數(shù)效應濃度(EC50)值明顯低于新配制溶液，可能是溶液中[C4mim]BF4形成了氟化物[25]，這意味著ILs進入水環(huán)境中產(chǎn)生的毒性影響可能比在實驗室中預期的更大。

1.2 離子液體對水生動物的毒性影響1.2.1 離子液體對水生無脊椎動物的影響

Pham等[6]綜述了多種ILs對大型溞的毒性試驗結(jié)果，可得毒性最強的是1-丁基-3-辛基咪唑溴化物(IM18Br)，毒性最低的混合物為[C4mim]Cl。咪唑ILs對大型溞有很強毒性，毒性受陽離子側(cè)鏈長度影響，當側(cè)鏈長度碳原子數(shù)從4增加到12個會導致48 h半數(shù)致死濃度(LC50-48 h)降低470倍[26]。側(cè)鏈氧化會降低ILs對大型溞的毒性[27-28]。隨著IM18Br濃度上升，大型溞的3個世代和平均后代數(shù)目減少，說明IM18Br可以對大型溞種群造成有毒影響并間接對淡水食物網(wǎng)造成破壞[29]。不同碳鏈長度[Cnmim]Br都嚴重影響大型溞的攝食行為，對水生生態(tài)產(chǎn)生潛在威脅[30]。Costa等[31]研究發(fā)現(xiàn)水螅對ILs的耐性比大型溞和月牙藻強。

3種ILs [Cnmim]Cl(n=4、8、12)暴露對鹵蟲(Brine Shrimp)個體存活率影響的研究可發(fā)現(xiàn)毒性效應隨烴基側(cè)鏈碳鏈增長而增強[32]，這和不同烴鏈長度ILs對日本三角渦蟲(LugesiajaponicaIchikawa et kawakatsu)的毒性影響結(jié)果基本一致[33]。N?dzi等[34]發(fā)現(xiàn)與只暴露于受[C4mim]Cl污染水中的藤壺(Balanus)相比，當水中有受污染的小球藻時，藤壺的生物濃縮系數(shù)會升高80%，而在高濃度的ILs中，油黑殼菜蛤(Mytilustrossulus)的解毒作用比藤壺更有效，可能由于其礦物質(zhì)表面有特有的物理吸附機制。短期暴露于[Cnmim]Br和[Cn]3MePyBr(1-烷基-3-甲基吡啶溴鹽)會減少斑馬貽貝(Dreissenapolymorpha)的攝食率[35]，[C4mim]Br抑制尖膀胱螺(Physaacuta)的生長速率[36]。ILs在低濃度時可能抑制尖膀胱螺行動，但是一旦濃度高于臨界值就會觸發(fā)其逃跑反應[37]。尖膀胱螺既捕食藻類，也為魚類和其他脊椎捕食者所攝食，是淡水食物網(wǎng)的重要組成部分。ILs不僅影響尖膀胱螺的行為，也影響了個體健康和水生食物網(wǎng)內(nèi)部作用。

1.2.2 離子液體對水生脊椎動物的影響

研究表明ILs會對斑馬魚活動產(chǎn)生影響，由于其體積大，耐毒能力變強，所以一些ILs對其屬于低毒性[38]，抑制率隨時間延長而增強[10]。[C8mim]Cl和1-辛基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C8mim]BF4)處理斑馬魚肝臟，毒性效應隨濃度和時間增加而增強，而陰離子對ILs的毒性幾乎不產(chǎn)生影響[39]。Pretti等[40]揭示了ILs化學結(jié)構(gòu)不同對魚類造成不同的影響，斑馬魚活動減弱，喪失平衡性，最后甚至死亡，其主要損傷部位是皮膚和腮。[C8mim]PF6會抑制斑馬魚抗氧化酶活性，造成體內(nèi)ROS的積累以及脫氧核糖核酸(DNA)損傷[41]。ROS含量與ILs濃度呈良好的劑量-效應關(guān)系，較高濃度的ILs會抑制抗氧化酶活性，刺激解毒酶活性以及造成細胞DNA損傷[42]。

[C8mim]Cl對泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus)胚胎發(fā)育4個階段(囊胚期、原腸胚中期、神經(jīng)胚期、尾芽期)及仔魚期的毒性具有明顯的劑量-效應關(guān)系。在一定劑量內(nèi)，[C8mim]Cl對泥鰍胚胎及仔魚的發(fā)育具有明顯的致畸、致死作用[43]。結(jié)果與IM18Br對黑斑蛙(Pelophylaxnigromaculatus)早期胚胎時期的毒性影響結(jié)果一致[44]。[C16mim]Cl處理紅細胞微核率、血清谷丙轉(zhuǎn)氨酶(GPT)和谷草轉(zhuǎn)氨酶(GOT)活力均明顯高于對照組，對泥鰍具有遺傳和生理毒性效應[45]。[C8mim]Br會誘發(fā)金魚(Carassiusauratus)皮膚、腮絲以及小腸絨毛的表面損傷[46]，產(chǎn)生氧化損傷并引起脂質(zhì)過氧化作用[47]。[C8mim]Br對鯉魚的免疫系統(tǒng)也有毒性效應，早期暴露于濃度為363 μmol·L-1的ILs時，鯉魚的免疫系統(tǒng)被激活，而暴露于1 090 μmol·L-1的ILs時，會對肝胰臟、腎臟和脾臟造成明顯的損傷，抑制其免疫系統(tǒng)[48]。馬軍國等[49]推斷草魚體內(nèi)PXR(細胞色素CYP3A的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子)可能是[C8mim]Br作用于CYP3A的受體。

表1 不同ILs對水生藻類的毒性Table 1 The toxicity of different ILs to various aquatic algae

注：[Cnmim]Cl表示1-烷基-3-甲基咪唑氯鹽；[Cnmim]Br表示1-烷基-3-甲基咪唑溴鹽；[Cnmim]BF4表示1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽；[Cnmim]PF6表示1-烷基-3-甲基咪唑六氟硼酸鹽；[Cnmim]OTF表示1-烷基-3-甲基咪唑三氟甲烷磺酸鹽。

Note: [Cnmim]Cl stands for 1-alkyl-3-methylimidazolium chloride; [Cnmim]Br stands for 1-alkyl-3-methylimidazolium bromide; [Cnmim]BF4stands for 1-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate; [Cnmim]PF6stands for 1-alkyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate; [Cnmim]OTF stands for 1-alkyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate.

1.3 離子液體對水體微生物的影響

對費氏弧菌(Vibriofischeri)的研究證實了陽離子側(cè)鏈長度對生物體的影響，側(cè)鏈長度從[C2mim]Cl的2個碳原子增加到10個碳原子導致其EC50-15 mim降低了6 563倍[50]。Ranke等[51]考察了不同碳鏈和陰離子的咪唑ILs對費氏弧菌的毒性影響，結(jié)果顯示化合物與[PF6]-結(jié)合比與其他陰離子結(jié)合毒性稍強一些，烷基咪唑ILs對費氏弧菌的生物影響比丙酮、乙腈、甲醇和甲基叔丁基醚的影響還大。季銨化合物對費氏弧菌的毒性比吡啶鹽和咪唑鹽類似物要小[52]。陰離子[(CF3SO2)2N]-本身對費氏弧菌沒有固有毒性，而所有被測試的化合物與[(CF3SO2)2N]-結(jié)合后毒性增加[53]。與磷鹽類、咪唑類不同，胍鹽類ILs的毒性不隨側(cè)鏈烷基長度的增加而增強，在烷基側(cè)鏈上引入含氧基能降低胍鹽類和咪唑類ILs的毒性[54]。對惡臭假單胞菌的毒性實驗可得，當碳鏈長度在8以下時，毒性隨之增加，而當碳鏈長度為10時，EC50值卻增加了1個數(shù)量級。30種具有不同烷基鏈長度、陰離子基團和陽離子骨架(甲基咪唑、二甲基咪唑和吡啶)的ILs對青海弧菌(Vibrioqinghaiensissp.)的毒性差異很大，毒性取決于烷基鏈長度，而陰、陽離子骨架對毒性效應無顯著影響[55]。

2 離子液體毒性的影響因素(Factors affecting the toxicity of ILs)

2.1 離子液體結(jié)構(gòu)對毒性的影響2.1.1 陽離子的烷基鏈長度

一般來說，鏈長的增加增強了ILs的毒性效應[56]。ILs的毒性和其親脂性有關(guān)。親脂性越強，ILs越易與受試生物表面發(fā)生相互作用，則毒性越強。Stock等[57]提出1-癸基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C10mim]BF4)對乙酰膽堿的抑制作用大于1-丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽([C3mim]BF4)，可能由于長鏈的陽離子更易與該酶上的陰離子位點結(jié)合。

表2 不同ILs對水生動物的毒性Table 2 The toxicity of different ILs to various aquatic animals

注：[Cnmim]NO3表示1-烷基-3-甲基咪唑硝酸鹽。

Note: [Cnmim]NO3stands for 1-alkyl-3-methylimidazolium nitrate.

2.1.2 陽離子側(cè)鏈的功能化程度

在烷基側(cè)鏈上引進極性功能基團能有效降低毒性[58]。在咪唑烷基鏈上的1-位上被氫原子取代可以降低毒性[59]。而將甲基基團或羥乙基基團引入咪唑碳鏈中能增強它的抗菌活性[60]。此外，細胞毒性很大程度上是由極性功能基團在側(cè)鏈上的位置決定的[53]。

2.1.3 陽離子性質(zhì)

Bernot等[61]總結(jié)出ILs的毒性與陽離子有關(guān)。含芳香烴的咪唑和吡啶類ILs比哌啶類似物的總體毒性水平要高[62]。Ismail Hossain等[63]用數(shù)學模型對ILs對大型溞的毒性進行研究，定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)表明陽離子組成占ILs的毒性的12%～48%。吡咯類ILs對費氏弧菌的毒性小于咪唑類和吡啶類ILs[64]，而咪唑類ILs對其毒性又比季鏻鹽類ILs小[65]。

2.1.4 陰離子性質(zhì)

陰離子對ILs毒性也有一定影響，尤其是較短烷基鏈的ILs[66]。一般來說，一些氟化物陰離子如四氟硼酸鹽[BF4]-、六氟磷酸鹽[PF6]-和六氟銻酸鹽[SbF6]-通常會增加ILs的毒性。穩(wěn)定的陰離子如雙三氟甲磺酰亞胺鹽[NTF2]-毒性很強，由于它的親脂性增加了破壞細胞膜磷脂的能力[67]。Garcia等[68]以發(fā)光細菌(Photobacteriumphosphoreum)為受試對象，發(fā)現(xiàn)[C4mim]Br與[C4mim]Cl對其的毒性小于[C4mim]BF4與[C4mim]PF6。

2.1.5 陰離子和陽離子的相互影響

分子結(jié)構(gòu)中陰離子和陽離子的相互影響會影響ILs的毒性[69]。環(huán)境友好的ILs可由合適的陰離子和陽離子合成[56]。使用芳香族陽離子和含氟陰離子會增加毒性[70-71]。非質(zhì)子化的ILs對乙酰膽堿酯酶的抑制作用比質(zhì)子化的ILs更強[2]。因此，質(zhì)子化的ILs對環(huán)境來說更為安全。

2.2 環(huán)境因子的影響

水環(huán)境中對ILs毒性的影響因子主要是溶解的有機質(zhì)和鹽度。ILs像表面活性劑一樣更傾向于吸附礦物和有機質(zhì)。因此，污染物在地下水中可以被水介質(zhì)中固定物吸附，降低地下水污染。相反，若ILs聚合在水相中形成膠體，并吸收有機和非有機膠體則會增強地下水污染[73]。鹽度增大時，高氯濃度提供了ILs中陽離子的離子對環(huán)境，與細胞壁結(jié)構(gòu)中的羥基競爭，減少了ILs通過細胞壁進入細胞，從而降低了ILs對生物的毒性作用[22]。

3 總結(jié)與展望(Summary and future research directions)

本文闡述了不同水生生態(tài)營養(yǎng)級上的生物，包括水生植物(水藻和浮萍等)、水生動物(水溞、腹足類、斑馬魚和金魚等)和水體中微生物(費氏弧菌和青海弧菌等)暴露于不同類型不同結(jié)構(gòu)的ILs后，對其生物體、組織器官、細胞、超微結(jié)構(gòu)和酶活性等產(chǎn)生的毒性效應，以及毒性效應的影響因素如烷基鏈長、陰、陽離子和環(huán)境因子等。

基于目前ILs對水生生態(tài)毒性的研究，未來研究可在以下4個方面拓展或加強：

(1)ILs對不同生物級的毒性效應已被廣泛研究，應進一步關(guān)注其毒性機制的解析。

(2)ILs降解過程中的中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物對水生環(huán)境的毒性。

(3)運用化學統(tǒng)計學工具及模型如定量-構(gòu)效模型、線性自由能模型來預測ILs毒性。

(4)基于毒理學和降解數(shù)據(jù)資料，創(chuàng)建綠色結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，以此為生產(chǎn)無毒、可降解性的ILs提供關(guān)鍵信息。