新型溴代阻燃劑TBB和TBPH的生態毒理研究進展

鄒義龍，吳永明，鄧覓，萬金保

1. 南昌大學資源環境與化工學院，鄱陽湖環境與資源利用教育部重點實驗室，南昌 330031 2. 南昌工程學院土木與建筑工程學院，南昌 330099 3. 江西省科學院鄱陽湖研究中心，南昌 330096

在過去的十幾年里，溴代阻燃劑(brominated flame retardants, BFRs)由于價格低廉、熱穩定性好、阻燃效率高，常作為一類添加型阻燃劑廣泛的加入到電子、汽車、環氧樹脂、聚氨酯泡沫及紡織品等易燃材料中，以降低它們固有的可燃性，從而減少火災事故的發生[1-3]。目前，至少有75種不同的溴代阻燃劑被生產和使用[4-6]，主要包括多溴聯苯醚(poly brominated diphenyl ethers, PBDEs)、四溴雙酚A(tetrabromobisphenol A, TBBPA)和六溴環十二烷(hexabromocyclododecane, HBCDs)三大類。由于傳統溴代阻燃劑，如PBDEs中的五溴聯苯醚、八溴聯苯醚等同系物和HBCDs等具有環境持久性、生物累積性、長距離遷移和生物毒性等特征，已經被列入《斯德哥爾摩公約》持久性有機污染物名單中，在世界范圍內逐漸被禁止生產或使用。為了滿足市場對阻燃劑的需求，一些新型溴代阻燃劑(novel brominated flame retardants, NBFRs)作為傳統溴代阻燃劑的替代品被相繼研發和生產出來，并得到了廣泛的使用，如2-乙基己基-四溴苯甲酸(TBB)和2,3,4,5-四溴-苯二羧酸雙(2-乙基己基)酯(TBPH)。隨著新型溴代阻燃劑產量和使用量的逐漸增加，人們對這些替代品潛在的環境暴露以及對人類可能造成的健康風險的擔憂也在增加。然而，目前關于這類新型化合物的毒性及其對人類的潛在健康效應的研究還比較匱乏。

1 TBB和TBPH的生產和使用情況及其理化性質(Production and use of TBB and TBPH and their physicochemical properties)

TBB和TBPH最早是由美國科聚亞公司生產的用于替代PBDEs的添加型阻燃劑，主要用于膠卷、聚氯乙烯、氯丁橡膠、電線和電纜絕緣層、地毯基布、被單、涂層面料、墻面涂料和粘合劑等的生產[7]。二者的理化性質如表1所示。TBB和TBPH按一定比例混合能組成多種商用阻燃劑，這些商用阻燃劑種類主要包括Firemaster?550(含35% TBB和15% TBPH，質量分數)，Firemaster?BZ-54(含70% TBB和30% TBPH，質量分數[8])和DP-45(含100% TBPH，質量分數)等，其中Firemaster?550是最常用的阻燃劑。這些數據表明，不同地區使用的含TBB和TBPH商用阻燃劑輸入源可能不同，從而導致不同地區TBB和TBPH的組成和濃度不同。科聚亞公司自2003年開始生產Firemaster?550，1990—2006年期間，TBPH在美國的生產總量為450～4 500 t·a-1，10年時間增長了10倍，被美國環境保護局列為高產量化學品[9]。但是，目前我國有關TBB和TBPH的生產和使用情況尚缺少有關統計數據。

表1 TBB和TBPH的理化性質Table 1 Physicochemical properties of TBB and TBPH

2 TBB和TBPH的環境歸趨(Environmental fate of TBB and TBPH)

2.1 室內灰塵和大氣

室內灰塵被喻為“室內污染檔案”，由于缺少水分和直射陽光，被灰塵捕獲的有害物質很難降解[10]，家用電器、地毯和沙發等產品經常添加TBB和TBPH作為阻燃劑，因此，室內灰塵中TBB和TBPH的含量受到研究者們的普遍關注。2008年，Stapleton等[11]在美國波士頓的家庭居室灰塵中發現了TBB和TBPH，其中位數濃度分別為133 ng·g-1和142 ng·g-1，這是關于TBB和TBPH在環境介質中的首次報道。隨后，在世界范圍內，至少14個不同的國家和地區，包括英國的家庭居室、廚房和教室[12-13]，比利時的家庭居室和辦公室[12]，中國的家庭居室、辦公室、實驗室、教室、托兒所和學生宿舍[14-17]，加拿大溫哥華的家庭居室[18]，新西蘭的家庭居室[19]、美國的家庭居室[20-23]，巴基斯坦的家庭居室、大學、服裝店、電子商店[24-26]，埃及開羅的家庭居室、工作場所和汽車[27]，德國的家庭居室[28]，羅馬尼亞的家庭居室[29]灰塵中均發現了TBB和TBPH的存在，由表2可知，室內灰塵中的TBB和TBPH在不同國家地區、不同功能場所的濃度水平存在差異，并且TBPH的濃度通常比TBB的高，表明TBPH可能有其他的輸入源，比如TBPH被用作聚氯乙烯和氯丁橡膠的增塑劑[7]，也可能因為TBB比TBPH更容易發生光降解。發達國家，如美國和英國的濃度普遍高于發展中國家，如中國和巴基斯坦，其中，美國加利福尼亞州住宅室內的TBB和TBPH中位數濃度遠高于其他國家和地區，表明在美國，諸如Firemaster?550可能已取代了PBDEs[21]。偏遠地區TBB和TBPH的濃度較低，如巴基斯坦古吉拉特偏遠地區TBB和TBPH中位數濃度分別僅為0.03 ng·g-1和3.5 ng·g-1。Ali等[30]在位于泰國的電子垃圾回收處理廠的室內灰塵中檢測出TBB和TBPH的濃度分別高達59 ng·g-1和1 300 ng·g-1；Zheng等[31]則發現中國龍塘、大瀝和貴嶼電子垃圾拆解地區附近5個村莊室內灰塵中TBB和TBPH的濃度較高，最高濃度分別為862 ng·g-1和17 600 ng·g-1，顯然電子垃圾拆解地附近區域室內灰塵中TBB和TBPH的濃度普遍高于家庭、辦公室等其他一般場所。相比于室內灰塵，目前，有關TBB和TBPH在大氣中含量的檢測報道尚少。2018年，有報道稱中國廣州市天河區大氣中TBB和TBPH的平均濃度分別為3.78 pg·m-3和65 pg·m-3，推測其可能來源于電子垃圾拆解、工業釋放或消費品的再揮發；而中國海南省五指山國家自然保護區大氣中TBB和TBPH平均濃度分別為0.33 pg·m-3和5.6 pg·m-3，遠低于廣州市天河區，其中TBPH含量占NBFRs的65.8%，為優勢單體[32]；Ma等[8]在2008—2010年期間對北美五大湖沿岸的芝加哥、克利夫蘭、鱘魚點、伊格爾港、睡熊沙丘和彼得角6個地方的大氣樣品檢測，發現TBB和TBPH的濃度范圍分別為0.05～55 pg·m-3和0.11～290 pg·m-3，它們的濃度迅速而顯著增加，也表明含TBB和TBPH的物質可能取代了PBDEs。M?ller等[33]首次在北極地區(位于歐洲的部分)的大氣中檢測到了TBPH的存在，M?ller等[34]的另一項從中國東海到北極的極地科學考察研究中，同樣在大氣樣品中檢測出了TBB和TBPH，最高濃度分別高達8.9 pg·m-3和3.4 pg·m-3，表明TBB和TBPH具有遠距離遷移能力。有研究者對地毯安裝、化工制造、泡沫制造、電子廢料、硬板安裝和噴涂聚氨酯泡沫等9個行業工作場所空氣中的TBB和TBPH濃度進行了調查，結果顯示地毯安裝行業的TBB和TBPH濃度均最高，中位數濃度分別為80.54 ng·m-3和21.09 ng·m-3，遠遠高于之前文獻報道的結果[35]，表明TBB和TBPH等新型溴代阻燃劑在許多行業工作場所空氣中的濃度越來越高，應引起人們足夠的重視。

表2 不同國家和地區灰塵中TBB和TBPH的中位數濃度(濃度范圍)Table 2 Summary of median concentrations and range in parenthesis of TBB and TBPH in dust from different countries and regions

2.2 水體、污泥、沉積物和土壤

由于TBB和TBPH的logKow均較大，疏水性較強，在美國五大湖地區水體的TBB和TBPH濃度范圍分別為1.3～7.9 pg·L-1和0.27～10.4 pg·L-1[43]，而Wang等[44]在我國渤海沿岸海水養殖區的表層海水檢測出了更高濃度的TBB(0.81～6.69 ng·L-1)。在污泥、沉積物和土壤中的TBPH和TBB濃度則有更多的文獻報道。Klosterhaus等[45]在美國舊金山灣區2個污水處理廠的污泥中檢測出TBB和TBPH，其濃度范圍分別為40～1 412 ng·g-1干重和57～515 ng·g-1干重；然而，在我國哈爾濱最大的污水處理廠污泥中以及西班牙加泰羅尼亞污水處理廠的初沉池污泥和活性污泥中則發現TBPH的平均濃度比TBB的平均濃度高2個數量級，TBPH的平均濃度分別為160 ng·g-1干重、446 ng·g-1干重和695 ng·g-1干重，TBB的平均濃度則分別為5.3 ng·g-1干重、ND和7.2 ng·g-1干重[46-47]。Zhu等[48]研究發現，中國長三角地區靈江、甌江和錢塘江的表層沉積物中均檢測出了TBPH，其最高濃度為3.1 ng·g-1干重；而僅在靈江沉積物中發現了TBB的存在，最高濃度為1.1 ng·g-1干重；Zhu等[49]2018年的另一項研究顯示，中國珠三角和大明灣地區河流和入河口處的表層沉積物也檢測出TBB和TBPH，濃度范圍分別為ND～9.54 ng·g-1干重和ND～4.01 ng·g-1干重。Ganci等[50]在泰晤士河表層沉積物中未發現TBB，僅發現了TBPH，其濃度范圍為<0.02～14 ng·g-1干重，略高于Zhu等[49]的報道，表明Firemaster?550在英國應用的較少；南非瓦爾河沉積物中TBB和TBPH的濃度范圍為0.5～17 ng·g-1干重和1.9～24 ng·g-1干重，由此，可看出沉積物中的TBB和TBPH含量處在較低的水平[51]。對澳大利亞墨爾本城市區域土壤中的TBB研究發現，土壤中的TBB濃度和檢出率都處于較低水平，最高濃度為1.79 ng·g-1干重；中國森林地區土壤中TBB和TBPH濃度范圍為<0.0024～1.60 ng·g-1干重和0.0055～0.526 ng·g-1干重，雖然濃度較低，但有可能污染地下水。

2.3 生物體內

TBB和TBPH在生物體內的檢出情況也有報道。以往的研究表明，海洋哺乳動物可以作為海洋和人類健康的前哨物種，因為它們能夠跨大空間和長時間尺度整合和反映環境變化[52-55]，Lam等[56]在2002—2008年間在中國香港擱淺的33條江豚中檢出TBB和TBPH，其含量分別為<0.04～70 ng·g-1脂重和<0.04～3 859 ng·g-1脂重；在17條太平洋駝背豚中檢出TBPH含量為0.04～5.3 ng·g-1脂重，但TBB未檢出。這是首次關于TBB和TBPH在哺乳動物中的報道，表明TBB和TBPH在中國經濟和工業化發達的珠三角地區逐步替代了傳統的PBDEs，且具有較強的生物富集性。Zhu等[57]在2003—2012年期間對中國香港漁農自然護理署收集的被困江豚中100%檢出TBB，濃度為0.0614～0.640 ng·g-1脂重，在83%的江豚中檢出TBPH，濃度為ND～7.55 ng·g-1脂重；在80%太平洋駝背豚中檢測出了TBPH和TBB，濃度分別為ND～1.06 ng·g-1脂重和ND～0.219 ng·g-1脂重。從上述數據可知，江豚中TBB和TBPH的含量普遍高于太平洋駝背豚，推測是這種差異可能是二者的食性不同導致的，江豚主要以頭足類為食，而印度太平洋駝背豚以魚類為食。Labunska等[58]在中國浙江省臺州市的一個電子垃圾拆解區的魚肉、蝦、雞肉、鴨肉和豬肉等127個樣品中均檢出TBB和TBPH，其中魚肉中的TBB含量最高，達62.2 ng·g-1脂重；雞和鴨肝臟中TBB和TBPH的含量大體一致，分別為35 ng·g-1脂重和10.6 ng·g-1脂重、38.4 ng·g-1脂重和13.7 ng·g-1脂重。研究者還在雞蛋和鴨蛋中檢出TBB和TBPH，其平均含量分別為4.3 ng·g-1脂重和1.1 ng·g-1脂重。此外，Guerra等[59]發現加拿大和西班牙游隼蛋中也檢出TBPH的存在，其平均濃度分別為2.1 ng·g-1脂重和1.2 ng·g-1脂重。這些數據表明，TBB和TBPH能夠通過母體傳遞給子代。La Guardia等[60]在美國北卡羅萊納州的亞德金河一個紡織廠污水排放口附近收集的河蜆和放牧履足類中發現TBB和TBPH的存在，其中河蜆和放牧履足類中的TBB濃度分別為2 220 ng·g-1脂重和1 740 ng·g-1脂重，是含量最高的溴代阻燃劑替代品，TBPH的濃度分別為1 370 ng·g-1脂重和380 ng·g-1脂重。Gentes等[61]在加拿大蒙特利爾市圣羅倫斯河流域的德勞雷爾島上89%的環嘴鷗肝臟樣品中檢出TBPH，平均濃度為(2.16±0.59) ng·g-1濕重，最高濃度為17.6 ng·g-1濕重；而僅在11%的樣品中檢出TBB，濃度為ND～1.55 ng·g-1濕重，這表明當地溴代阻燃劑的輸入源可能以DP-45為主，也可能是因為TBPH的光降解速率比TBB慢，導致TBPH的濃度比TBB的更高。Vorkamp等[62]在格蘭陵島的黑海鴿蛋、北極鷗肝臟、環海豹和北極熊脂肪組織中均不同程度地檢測到了TBB和TBPH，其中環海豹脂肪組織中的TBB平均濃度最高，達到了1.02 ng·g-1濕重。

2.4 人體內

3 TBB和TBPH及其代謝物的生態毒理效應(Ecotoxicological effects of TBB, TBPH and their metabolites)

TBB和TBPH具有潛在的環境內分泌干擾效應，目前關于二者的甲狀腺內分泌、生殖毒性等毒理效應研究相對較多。關于內分泌干擾物分子作用機制的經典理論是一些分子結構類似生物體內源激素的外源化學物質通過受體-介導途徑，與細胞外受體相結合，再轉運到細胞核內，和啟動子位置相結合，從而啟動目的基因的表達，進而可模擬、干擾或阻止生物體內甲狀腺激素、雌激素和雄激素等內分泌的過程。

3.1 甲狀腺毒性效應

圖1 TBB和TBPH以及代謝產物TBBA和TBMEPH的分子結構式注：TBBA表示四溴鄰苯甲酸，TBMEPH表示單(2-乙基己基)四溴鄰苯二甲酸。Fig. 1 Molecular structures of TBB, TBPH and their metabolites TBBA and TBMEPHNote: TBBA is the abbreviation of 2,3,4,5-tetrabromobenzoic acid; TBMEPH is the abbreviation of 2-ethylhexyltetrabromobenzoate ester.

3.2 生殖內分泌干擾效應

Saunders等[84]使用H295R細胞系探究了TBB和TBPH的類固醇激素內分泌干擾效應，結果表明，TBB暴露對睪酮激素沒有影響，但雌二醇的含量顯著升高，而TBPH暴露組中，雌二醇和睪酮激素的含量均顯著升高。與Saunders研究結論一致，Mankidy等[85]研究了TBB和TBPH對豬原代睪丸細胞的類固醇激素水平和合成途徑相關基因表達的影響，研究發現，TBB能引起細胞中雌二醇含量顯著升高，同時顯著下調CYP17A1基因表達量，上調CYP21A2基因的表達量；TBPH導致雌二醇和睪酮含量顯著上升，同時顯著上調CYP19A1和CYP21A2基因的表達。從Saunders等[84]H295R細胞類固醇激素合成實驗和Mankidy等[85]豬原代睪丸細胞為對象的離體研究來看，TBPH的類固醇激素內分泌干擾活性發生在較高的濃度下，TBB比TBPH具有更強的生物效應，雖然活性生物對環境內分泌干擾物(endocrine-disrupting chemicals, EDCs)的敏感性要高于離體細胞，但根據離體研究結果，可以推測TBPH對人類等哺乳動物類固醇激素合成途徑的影響非常小。

體外實驗結果表明，TBB和TBPH通過與雌/雄激素受體(estrogenic receptor/androgen receptor, ER/AR)結合，從而改變雌二醇和睪酮激素的合成來調節內分泌功能，但TBB和TBPH對生物體的影響尚不清楚。Saunders等[86]采用食物暴露的方式研究了TBB和TBPH混合暴露對青鳉的生殖毒性，結果顯示，與對照組相比，高劑量組(TBB∶TBPH=1 422 μg·g-1濕重∶1 474 μg·g-1濕重)中雌青鳉的產卵量顯著下降了32%，說明TBB和TBPH混合物能干擾類固醇激素的合成，從而影響魚類的繁殖能力，進一步通過qPCR技術檢測了高濃度暴露組下丘腦-垂體-性腺-肝臟(hypothalamus-pituitary-gonadal-liver, HPGL)內分泌軸中34個與生殖相關的關鍵基因的表達，發現HPGL軸中大部分基因的表達均下調，且有性別差異。

3.3 其他毒性效應

隨著TBB和TBPH使用量的不斷增加，除了甲狀腺毒性和生殖內分泌干擾效應以外，有關它們其他的毒性效應研究也越來越多。Chen等[72]將人臍靜脈內皮細胞(HUVECs)分別暴露于TBB、TBPH、TBBA和TBMEHP，發現代謝產物比母體能產生更強的細胞毒性，它們的EC50大小順序為TBB, TBPH(>200 mg·L-1)>TBBA(47.3 mg·L-1)>TBMEHP(8.6 mg·L-1)；另一項研究[87]也表明，TBPH和TBMPH對HUVECs能產生細胞毒性，誘導細胞周期停滯和細胞凋亡。TBB和TBPH同時具有發育毒性方面的研究，TBB能引起斑馬魚胚胎畸形和死亡，其LC50為7.0 mg·L-1，而當TBPH濃度高達20 mg·L-1時，對胚胎仍未產生不利影響[88]；Scanlan等[89]則報道了TBPH對大型水蚤48 h的LC50為0.91 mg·L-1。Bearr等[90]將Firemaster?550和Firemaster?BZ-54以每條魚1 mg·d-1的劑量通過喂食方法染毒黑頭軟口鰷56 d，能顯著引起其肝細胞DNA損傷，產生基因毒性。

4 存在的問題與研究展望(Existing problems and research prospects)

目前，人們已經認識到PBDEs、TBBPA和HBCDs等傳統溴代阻燃劑對生態系統帶來的不利影響，在世界范圍內逐步禁止它們的生產和使用，并用新型的溴代阻燃劑取而代之，近年來，新型溴代阻燃劑TBB和TBPH及其代謝產物的毒理學研究使用了多種體內體外方法和模型系統，確定了各種假定效應，并在甲狀腺毒性效應和生殖內分泌干擾等方面取得了一定進展，然而從整體上看，研究的結果通常是不足的、不確定的甚至矛盾的，表明觀察到的影響可能是次要的，或者高度依賴于所使用的測試系統，相關的毒理學研究和健康風險評價研究還不是很深入，尤其是對人體健康的影響研究數據非常匱乏。今后需要在以下3個方面開展重點研究：(1)注重開發新的TBB和TBPH在各種環境介質和人體內的監測技術，以使分析數據準確可靠，加快對TBB和TBPH在各種環境介質降解機制的研究；(2)基于現有研究現狀，進一步借助分子生物學手段，從基因層面深入研究TBB和TBPH的毒性作用機制，完善TBB和TBPH及其代謝產物TBBA和TBMEHP的毒性數據；(3)進一步開展TBB和TBPH人體暴露水平及相關健康風險的研究，建立系統的人體健康危害評價方法和人體代謝模型，準確評估TBB和TBPH對人類，尤其是嬰幼兒健康產生的潛在危害。

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