四溴双酚A和镉复合污染对不同生物体的安全阈值

万玉山,温 馨,杨 彦



四溴双酚A和镉复合污染对不同生物体的安全阈值

万玉山,温 馨,杨 彦*

(常州大学环境与安全工程学院,江苏 常州 213164)

以赤子爱胜蚓()、斑马鱼()作为受试生物,进行急性毒性试验,死亡率、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)为效应指标,采用基准剂量(BMD)法推导四溴双酚A(TBBPA)和镉(Cd)单一及联合暴露对不同生物体的安全阈值.结果表明,在本研究的试验剂量范围内,蚯蚓、斑马鱼TBBPA、Cd暴露剂量与死亡率、SOD、CAT活性效应指标存在明显剂量-效应关系.单一暴露下,CAT、SOD活性指标最敏感,蚯蚓和斑马鱼的TBBPA安全阈值分别为0.95,0.44mg/L,Cd安全阈值分别为71.17,0.42mg/L.联合暴露下安全阈值小于单一暴露.蚯蚓、斑马鱼TBBPA安全阈值分别为0.33,0.024mg/L,Cd为6.45,0.176mg/L.

四溴双酚A；镉;基准剂量；安全阈值

安全阈值(safety threshold)指污染物对特定生物不产生不良效应的最大剂量.对某种效应,不同生物体的安全阈值可能不同,在多种污染物共存的实际环境中,由于其相互作用类型不同,联合暴露下安全阈值亦存在差异.在安全阈值研究中,通常视无可见有害作用水平(NOAEL)为有害效应阈值的近似值,但随"基准剂量(BMD)法"概念的提出,考虑到传统方法(NOAEL法等)进行风险评估存在忽略剂量-效应曲线、试验动物数量和观察效应终点不定等影响因素,越来越多的研究者认为采用BMD法建立剂量-效应关系模型对毒性终点数据进行毒性判定分析,获取基准剂量可信下限(BMDL),更具科学性、准确性[1-3].

目前国际上对于单一污染物的安全阈值不断进行更新、修正,但有关复合污染的研究较为鲜见.四溴双酚A(TBBPA)是目前世界范围内使用量最大的溴代阻燃剂之一,因其低水溶性和较强的亲脂性,在环境介质和生物体内均有不同程度的检出[4-6]. TBBPA是一种持久性污染物,其神经毒性、免疫毒性以及内分泌干扰等毒性引起社会界的广泛关注[7-9].挪威PoHS法规于2007年对消费性产品中TBBPA提出限量要求(1%)[10].镉(Cd)是环境中典型存在的重金属,由于其化学活性强,移动性大,毒性持久,易通过食物链的富集作用危及人类健康,具有较强的致癌、致畸和致突变作用,会对肾脏、肝脏等造成损伤,对免疫、心血管系统等产生毒性效应.本研究选择污染物TBBPA和Cd,以赤子爱胜蚯蚓)、斑马鱼()作为受试生物开展急性毒性试验,采用美国环境保护署(USEPA)以及国家重点实验室推荐的BMD法,建立基于不同效应的剂量-效应关系模型,进行污染物单一、联合暴露条件下不同生物体的安全阈值研究,为复合污染下生物体的环境安全阈值推导提供方法学借鉴,亦为TBBPA和Cd复合污染的环境风险评价提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

试验所用TBBPA纯度>98%,购自Sigma公司,氯化镉(CdCl2×2.5H2O)为分析纯,购自上海国药集团化学试剂有限公司.

赤子爱胜蚓购自南京江浦蚯蚓养殖厂.置清洁土壤预培养两周.实验选用行为活泼、体重250~ 350mg、体型基本一致且环带明显的健康蚯蚓.

试验用斑马鱼购于上海市嘉定区丰华路热带鱼养殖场.养殖用水为经活性碳过滤并曝气的自来水,水温控制在(28±1)℃,水中溶解氧维持在饱和溶解度80%以上.预培养一周后,随机挑选鱼体重(0.3±0.05)g,体长(3.5±0.2)cm,体型一致且活泼健康的斑马鱼进行实验.

1.2 蚯蚓急性毒性试验

蚯蚓急性毒性试验参考欧盟(EU)推荐的滤纸接触法[11].根据预实验设置单一毒性试验浓度序列,其中TBBPA浓度分别为0,0.1,1,5,10mg/L, Cd浓度为0,75,500,1000,1500mg/L.复合毒性试验的浓度组合根据单一毒性试验确定,即TBBPA +Cd浓度组合分别为(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.每个处理设两组重复.将TBBPA、Cd或其混合溶液按试验设计浓度加入垫有3层滤纸的培养皿中,浸没滤纸.再将清肠1d的蚯蚓用去离子水清洗干净,用滤纸吸干体表水分,放入培养皿中.每个实验组50条蚯蚓,用扎了洞的保鲜膜封口,置于人工气候箱培养(温度(20±1)℃,湿度(75±1)%,光照1333lx(间歇光照,12h光照,12h黑暗)). 96h后观察记录蚯蚓死亡情况,蚓体对针刺后无反应判为死亡.

1.3 斑马鱼急性毒性试验

斑马鱼急性毒性试验参考经济合作与发展组织(OECD)化学品测试准则203[12].根据预实验设置单一毒性试验浓度序列,其中TBBPA浓度分别为0, 0.1, 2.5, 3.5, 4.5mg/L,Cd浓度为0, 8, 10, 20, 30mg/L.按不同毒性单位配比设置复合毒性试验的浓度组合,分别由0.635, 1.270, 1.905, 2.540mg/L的TBBPA和4.64, 9.28, 13.91, 18.55mg/L的Cd两两复合,即TBBPA+Cd浓度组合分别为(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.每一处理设两组重复.试验采用静态暴露法,96h不更换受试水样.从预培养的斑马鱼中随机选择健康、活泼的鱼体放入1L烧杯中.每个实验组30条斑马鱼,试验过程中对水温和溶解氧进行监控,每隔12h曝气1h.96h后观察并记录斑马鱼死亡情况,用镊子轻戳受试鱼体无应激反应,且鱼腮部无呼吸活动,即判定为死亡.

1.4 检测分析

以超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)为测试分子标志物.SOD活性的测定采用邻苯三酚自氧化法[13],SOD活性单位定义为每mL反应液中,每分钟抑制邻苯三酚自氧化速率达50%的酶量,单位为U/mg Protein.CAT活性测定采用徐镜波等[14]的方法.CAT活性单位定义为25℃,100s内使过氧化氢分解1/2时的酶蛋白量,单位为U/mg Protein.

1.5 环境安全阈值推导方法

通过建立剂量-反应评估模型,定量评价污染物暴露与生物体效应之间的关系,推导污染物的安全阈值.本研究采用USEPA的BMDS 240软件中逻辑回归模型、多项式回归模型对不同生物体不同剂量-效应关系进行分析,计算污染物的BMDL.基准剂量反应(BMR)设定为10%,即认为生物体效应指标相对下降10%会引起毒性效应,可信限水平为95%.

2 结果与讨论

2.1 TBBPA和Cd单一及联合暴露下剂量-死亡率关系评估

TBBPA和Cd单一及联合暴露下对蚯蚓、斑马鱼死亡率的影响见图1.随污染物浓度升高,蚯蚓、斑马鱼死亡率逐渐升高.除未染毒的实验组外,蚯蚓表现出不同程度的中毒症状,如体色变浅、环带肿大、充血、活动迟缓等,斑马鱼亦表现出身体失衡、游动缓慢、沉底和腮部出血等症状.

采用logistic拟合模型对蚯蚓、斑马鱼剂量-死亡率关系进行评估,其剂量-效应关系曲线见图2、3.在本研究剂量范围(蚯蚓:TBBPA0.1~10mg/L, Cd75~1500mg/L;斑马鱼:TBBPA0.1~4.5mg/L, Cd4.64~30mg/L)内,蚯蚓、斑马鱼死亡率与TBBPA、Cd剂量存在明显线性关系.2种生物在TBBPA和Cd单一及联合暴露条件下,基准剂量存在明显差异.蚯蚓在单一暴露下TBBPA和Cd的BMDL分别为0.98,331.1mg/L,联合暴露条件下分别为0.33, 98.61mg/L,相对单一暴露分别降低了66.3%、70.22%.斑马鱼TBBPA、Cd单一暴露时的BMDL分别为1.38,8.58mg/L,联合暴露时分别为0.39, 2.88mg/L,降低了71.7%、66.43%.

图1 TBBPA和Cd单一及联合暴露对蚯蚓(a)、斑马鱼(b)死亡率的影响 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单一及联合暴露下剂量-SOD活性关系评估

图4 TBBPA和Cd单一及联合暴露对蚯蚓(a)、斑马鱼(b)SOD活性的影响

TBBPA和Cd单一及联合暴露下对蚯蚓、斑马鱼SOD活性的影响见图4.单一暴露下,蚯蚓SOD活性随TBBPA、Cd暴露浓度的升高,呈现先升后降的趋势,分别于0.1(TBBPA),500(Cd) mg/L时达最大值38.4,43.54U/mg Protein.斑马鱼SOD活性随TBBPA暴露浓度的升高呈先诱导后抑制的趋势,于0.1mg/L达最大值137.29U/mg Protein.但随Cd暴露浓度的升高SOD活性呈下降趋势.联合暴露下,蚯蚓SOD活性随暴露浓度的升高,没有明显的变化规律.斑马鱼在某一污染物暴露浓度不变的条件下,SOD活性会随另一污染物的浓度升高而降低.蚯蚓、斑马鱼SOD活性分别于10mg/L TBBPA+500mg/L Cd、0.1mg/L TBBPA+1500mg/L Cd试验组达最大值172.78, 78.23U/mg Protein.

采用Polynomial拟合模型对蚯蚓、斑马鱼剂量-SOD活性关系进行评估,其剂量-效应关系曲线见图5、6.本研究剂量范围内,生物体SOD活性与TBBPA、Cd浓度存在显著二次曲线关系.在TBBPA和Cd单一及联合暴露条件下,以SOD活性为效应终点的基准剂量存在明显差异.蚯蚓在单一暴露情况下TBBPA、Cd的BMDL分别为2.07,71.17mg/L,联合暴露分别为0.38,6.45mg/L,分别降低了81.6%、90.9%.斑马鱼在TBBPA和Cd单一暴露情况下的BMDL分别为0.502,0.42mg/L,联合暴露时为0.024,0.176mg/L,相对单一暴露分别降低了98.8%、58.1%.

2.3 TBBPA和Cd单一及联合暴露下剂量-CAT活性评估

TBBPA和Cd单一及联合暴露下对蚯蚓、斑马鱼CAT活性的影响见图7.单一TBBPA暴露下,蚯蚓CAT活性随暴露浓度的升高,呈现先升高后降低的趋势,于0.1mg/L暴露浓度下达最大值28.63U/mg Protein,是空白组的1.20倍.单一Cd暴露则呈相反趋势,随暴露浓度增大,CAT活性先降后升,于75mg/L暴露浓度下CAT活性达最小值3.71U/mg Protein.单一TBBPA、Cd暴露下,斑马鱼CAT活性随暴露浓度的增加而降低.联合暴露下,除Cd最高浓度组(1500mg/L)外,同一Cd暴露浓度下,CAT活性随TBBPA浓度的升高而呈先上升后下降的趋势.斑马鱼在两种污染物中某一污染物暴露浓度不变的条件下CAT活性随另一污染物的浓度升高而降低.蚯蚓、斑马鱼分别于0.1mg/L TBBPA+1500mg/L Cd、0.635mg/L TBBPA+4.64mg/L Cd试验组,CAT活性达最大值,分别为76.34,18.69U/mg Protein.

蚯蚓、斑马鱼剂量-CAT活性效应关系采用Polynomial模型拟合,其剂量-效应曲线见图8、9. 2种生物体CAT活性与TBBPA、Cd浓度存在二次曲线关系.在TBBPA和Cd单一及联合暴露条件下,蚯蚓、斑马鱼CAT活性均有不同程度的变化,其基准剂量存在明显区别.蚯蚓单一暴露时TBBPA、Cd的BMDL分别为0.95,98.18mg/L,联合暴露时分别为0.74、64.86mg/L,分别降低了22.1%、33.93%.斑马鱼在TBBPA、Cd的单一暴露的BMDL分别为0.44,0.64mg/L,联合暴露时为0.034,0.251mg/L,分别比单一暴露时降低了92.3%、60.78%.

2.4 TBBPA和Cd的环境安全阈值

由表1可知,单一暴露下,以死亡率、SOD活性、CAT活性为效应终点,蚯蚓和斑马鱼的TBBPA基准剂量分别为0.98, 2.07, 0.95mg/L和1.38, 0.502, 0.44mg/L,Cd基准剂量分别为331.1, 71.17, 98.18mg/ L和8.58, 0.42, 0.64mg/L.联合暴露下,蚯蚓和斑马鱼的TBBPA基准剂量分别为0.33, 0.38,0.74mg/L和0.39, 0.024, 0.034mg/L,Cd基准剂量分别为98.61, 6.45, 64.86mg/L和2.88, 0.176, 0.251mg/L.

污染物的生物毒性效应因试验材料的不同而存在较大差异,且污染物对机体的损伤表征往往涉及多个指标,因此采用多效应指标对污染物进行综合评价十分必要.吴本丽等[15]的稀有鮈鲫()封闭群7d亚慢性毒性试验显示,由死亡率、平均体长和平均体重确定的对氯苯胺(ClC6H4NH2)安全阈值分别为8.0,4.0mg/L;刘娜等[16]以青鳉鱼()和大型溞()为代表性水生生物开展的三唑酮慢性毒性实验结果表明,以生存/蜕皮次数、生长、繁殖毒性为测试终点,青鳉鱼和大型溞的安全阈值分别为76,60, 5μg/L和25,100,200μg/L. Kubo等[17]测定肾效应指标(葡萄糖、蛋白质、氨基氮、金属硫蛋白和β2微球蛋白)得出日本梯川流域人群终生镉摄入量的安全阈值分别为1.7g(金属硫蛋白)和1.3g(β2微球蛋白).本研究选择模式生物蚯蚓和斑马鱼作为受试生物,采用死亡率、SOD活性、CAT活性等多效应指标作为测试终点,发现单一暴露下,蚯蚓、斑马鱼TBBPA的安全阈值分别为0.95(CAT),0.44(CAT) mg/L,Cd安全阈值分别为71.17(SOD),0.42(SOD) mg/L,表明蚯蚓、斑马鱼均未达到致死效应前抗氧化应激系统已受到损伤,即CAT活性、SOD活性指标更敏感.课题组后期研究中将选择多物种(哺乳动物等)进行多指标观测补充研究.

比较不同暴露特征下TBBPA和Cd对蚯蚓和斑马鱼的毒性效应,发现2种生物体在联合暴露下的安全阈值均小于单一暴露.有研究表明,复合暴露下,由于污染物复杂的联合作用机制(加和、协同和拮抗),毒性会发生显著变化.Yang等[18]开展蚯蚓急性毒性和逃避反应试验,量化由农药(乙酰吡啶、多菌灵、毒死蜱、氯氟氰菊酯)混合物的生态毒性,发现农药混合物的生态毒性可能是单一农药的40倍. Ćurčić等[19]的雄性Wistar大鼠试验表明Cd和十溴联苯醚(BDE209)混合物可能比单一污染物更能有效破坏甲状腺功能.曾奇兵等[20]以尿羟脯氨酸(UHYP)为效应指标,得出单独氟暴露(0.81mg/g)下安全阈值较氟砷联合暴露(1.32,94.83mg/g)低,与联合暴露对UHYP存在拮抗作用的结论一致.Hong等[21]发现砷和镉在肾功能不全中的相互作用为加和和/或协同效应,联合暴露时安全阈值分别为102.11,0.88µg/g (以尿白蛋白为效应指标).因此,本研究中2种生物体在TBBPA、Cd联合暴露下的安全阈值均小于单一暴露,可能与课题组前期研究发现TBBPA、Cd联合暴露下产生协同作用有关[22].鉴于本研究考虑的TBBPA、Cd暴露剂量为文献报道的环境污染浓度,未考虑低剂量暴露、慢性剂量暴露,在后期工作中课题组将进一步展开补充研究.

表1 蚯蚓和斑马鱼在TBBPA和Cd不同暴露条件下不同效应终点的BMDL值

目前溴系阻燃剂TBBPA的环境安全阈值研究十分有限(表2).鉴于大多数剂量-效应关系研究中,多使用USEPA推荐的参考剂量(RfD)作为风险参考值,但目前综合风险信息系统(IRIS)尚未明确TBBPA的RfD.Yang等[7]结合SD大鼠试验,整理了近年来TBBPA对哺乳动物甲状腺激素等不同毒性效应终点的RfD数据,得出TBBPA的推荐参考剂量为0.6mg/kg.土壤、水环境中有限的TBBPA环境安全阈值研究使得其风险评估变得困难,因此本研究得出引起蚯蚓、斑马鱼TBBPA的安全阈值分别为0.33,0.024mg/L,为TBBPA的风险评估及基准制定提供有效数据.与本研究结论相似,Sverdrup等[23]以土壤硝化细菌、红三叶草()和土壤无脊椎动物()为受试生物,得到土壤TBBPA的安全阈值为0.3mg/kg.相比Yang等[24]关于中国水生生物TBBPA水质基准(0.1475mg/L)的研究,本研究得出的安全阈值较低,可能与受试生物的选择有关.水质基准研究中,国内外明确规定了关注生物,本研究选择的受试生物斑马鱼可能对TBBPA的敏感性较强,加之复杂的水环境因素(如水温、pH值、硬度、溶解氧等)使得研究结果出现偏差.TBBPA具有亲脂性,易通过饮食、呼吸、皮肤接触等途径在动物和人体组织中蓄积.欧洲食品安全局(EFSA)的食品链污染物科学专家组(CONTAM Panel)确定了TBBPA的安全阈值为16mg/kg bw.综合暴露边际(MOE)法得出目前欧盟的TBBPA膳食暴露水平并不会引起健康问题,且这种风险不会通过母乳传递,也不会通过居室内的尘埃对儿童造成危害[25].Cd是环境中常见的重金属污染物,自20世纪以来,一些研究人员对Cd的生物毒性和人体健康风险进行了较多的研究和调查.表2总结了部分Cd环境安全阈值的研究成果.本研究蚯蚓、斑马鱼Cd安全阈值分别为6.45,0.176mg/L.该研究未涉及的环境复杂性、效应终点多样性、污染物形态等多因素,需要在以后的工作中进一步考虑.

表2 已有报道中TBBPA和Cd的安全阈值

续表2

3 结论

3.1 蚯蚓、斑马鱼的死亡率/CAT活性/SOD活性与TBBPA、Cd暴露剂量呈明显剂量-效应关系.

3.2 单一暴露下,蚯蚓、斑马鱼TBBPA安全阈值分别为0.95, 0.44mg/L,Cd安全阈值分别为71.17, 0.42mg/L.

3.3 TBBPA、Cd联合暴露下的安全阈值小于单一暴露.蚯蚓、斑马鱼TBBPA安全阈值分别为0.33, 0.024mg/L, Cd为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

国家重大科技专项(2017ZX07202004)

*责任作者, 中级, yy129129@163.com

万玉山(1969-),男,安徽淮北人,博士,副教授,从事环境工程、环境经济方向的教学与研究工作.发表论文30余篇.