新型溴代阻燃剂TBB和TBPH的生态毒理研究进展

邹义龙，吴永明，邓觅，万金保

1. 南昌大学资源环境与化工学院，鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，南昌 330031 2. 南昌工程学院土木与建筑工程学院，南昌 330099 3. 江西省科学院鄱阳湖研究中心，南昌 330096

在过去的十几年里，溴代阻燃剂(brominated flame retardants, BFRs)由于价格低廉、热稳定性好、阻燃效率高，常作为一类添加型阻燃剂广泛的加入到电子、汽车、环氧树脂、聚氨酯泡沫及纺织品等易燃材料中，以降低它们固有的可燃性，从而减少火灾事故的发生[1-3]。目前，至少有75种不同的溴代阻燃剂被生产和使用[4-6]，主要包括多溴联苯醚(poly brominated diphenyl ethers, PBDEs)、四溴双酚A(tetrabromobisphenol A, TBBPA)和六溴环十二烷(hexabromocyclododecane, HBCDs)三大类。由于传统溴代阻燃剂，如PBDEs中的五溴联苯醚、八溴联苯醚等同系物和HBCDs等具有环境持久性、生物累积性、长距离迁移和生物毒性等特征，已经被列入《斯德哥尔摩公约》持久性有机污染物名单中，在世界范围内逐渐被禁止生产或使用。为了满足市场对阻燃剂的需求，一些新型溴代阻燃剂(novel brominated flame retardants, NBFRs)作为传统溴代阻燃剂的替代品被相继研发和生产出来，并得到了广泛的使用，如2-乙基己基-四溴苯甲酸(TBB)和2,3,4,5-四溴-苯二羧酸双(2-乙基己基)酯(TBPH)。随着新型溴代阻燃剂产量和使用量的逐渐增加，人们对这些替代品潜在的环境暴露以及对人类可能造成的健康风险的担忧也在增加。然而，目前关于这类新型化合物的毒性及其对人类的潜在健康效应的研究还比较匮乏。

1 TBB和TBPH的生产和使用情况及其理化性质(Production and use of TBB and TBPH and their physicochemical properties)

TBB和TBPH最早是由美国科聚亚公司生产的用于替代PBDEs的添加型阻燃剂，主要用于胶卷、聚氯乙烯、氯丁橡胶、电线和电缆绝缘层、地毯基布、被单、涂层面料、墙面涂料和粘合剂等的生产[7]。二者的理化性质如表1所示。TBB和TBPH按一定比例混合能组成多种商用阻燃剂，这些商用阻燃剂种类主要包括Firemaster®550(含35% TBB和15% TBPH，质量分数)，Firemaster®BZ-54(含70% TBB和30% TBPH，质量分数[8])和DP-45(含100% TBPH，质量分数)等，其中Firemaster®550是最常用的阻燃剂。这些数据表明，不同地区使用的含TBB和TBPH商用阻燃剂输入源可能不同，从而导致不同地区TBB和TBPH的组成和浓度不同。科聚亚公司自2003年开始生产Firemaster®550，1990—2006年期间，TBPH在美国的生产总量为450～4 500 t·a-1，10年时间增长了10倍，被美国环境保护局列为高产量化学品[9]。但是，目前我国有关TBB和TBPH的生产和使用情况尚缺少有关统计数据。

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

2 TBB和TBPH的环境归趋(Environmental fate of TBB and TBPH)

2.1 室内灰尘和大气

室内灰尘被喻为“室内污染档案”，由于缺少水分和直射阳光，被灰尘捕获的有害物质很难降解[10]，家用电器、地毯和沙发等产品经常添加TBB和TBPH作为阻燃剂，因此，室内灰尘中TBB和TBPH的含量受到研究者们的普遍关注。2008年，Stapleton等[11]在美国波士顿的家庭居室灰尘中发现了TBB和TBPH，其中位数浓度分别为133 ng·g-1和142 ng·g-1，这是关于TBB和TBPH在环境介质中的首次报道。随后，在世界范围内，至少14个不同的国家和地区，包括英国的家庭居室、厨房和教室[12-13]，比利时的家庭居室和办公室[12]，中国的家庭居室、办公室、实验室、教室、托儿所和学生宿舍[14-17]，加拿大温哥华的家庭居室[18]，新西兰的家庭居室[19]、美国的家庭居室[20-23]，巴基斯坦的家庭居室、大学、服装店、电子商店[24-26]，埃及开罗的家庭居室、工作场所和汽车[27]，德国的家庭居室[28]，罗马尼亚的家庭居室[29]灰尘中均发现了TBB和TBPH的存在，由表2可知，室内灰尘中的TBB和TBPH在不同国家地区、不同功能场所的浓度水平存在差异，并且TBPH的浓度通常比TBB的高，表明TBPH可能有其他的输入源，比如TBPH被用作聚氯乙烯和氯丁橡胶的增塑剂[7]，也可能因为TBB比TBPH更容易发生光降解。发达国家，如美国和英国的浓度普遍高于发展中国家，如中国和巴基斯坦，其中，美国加利福尼亚州住宅室内的TBB和TBPH中位数浓度远高于其他国家和地区，表明在美国，诸如Firemaster®550可能已取代了PBDEs[21]。偏远地区TBB和TBPH的浓度较低，如巴基斯坦古吉拉特偏远地区TBB和TBPH中位数浓度分别仅为0.03 ng·g-1和3.5 ng·g-1。Ali等[30]在位于泰国的电子垃圾回收处理厂的室内灰尘中检测出TBB和TBPH的浓度分别高达59 ng·g-1和1 300 ng·g-1；Zheng等[31]则发现中国龙塘、大沥和贵屿电子垃圾拆解地区附近5个村庄室内灰尘中TBB和TBPH的浓度较高，最高浓度分别为862 ng·g-1和17 600 ng·g-1，显然电子垃圾拆解地附近区域室内灰尘中TBB和TBPH的浓度普遍高于家庭、办公室等其他一般场所。相比于室内灰尘，目前，有关TBB和TBPH在大气中含量的检测报道尚少。2018年，有报道称中国广州市天河区大气中TBB和TBPH的平均浓度分别为3.78 pg·m-3和65 pg·m-3，推测其可能来源于电子垃圾拆解、工业释放或消费品的再挥发；而中国海南省五指山国家自然保护区大气中TBB和TBPH平均浓度分别为0.33 pg·m-3和5.6 pg·m-3，远低于广州市天河区，其中TBPH含量占NBFRs的65.8%，为优势单体[32]；Ma等[8]在2008—2010年期间对北美五大湖沿岸的芝加哥、克利夫兰、鲟鱼点、伊格尔港、睡熊沙丘和彼得角6个地方的大气样品检测，发现TBB和TBPH的浓度范围分别为0.05～55 pg·m-3和0.11～290 pg·m-3，它们的浓度迅速而显著增加，也表明含TBB和TBPH的物质可能取代了PBDEs。Möller等[33]首次在北极地区(位于欧洲的部分)的大气中检测到了TBPH的存在，Möller等[34]的另一项从中国东海到北极的极地科学考察研究中，同样在大气样品中检测出了TBB和TBPH，最高浓度分别高达8.9 pg·m-3和3.4 pg·m-3，表明TBB和TBPH具有远距离迁移能力。有研究者对地毯安装、化工制造、泡沫制造、电子废料、硬板安装和喷涂聚氨酯泡沫等9个行业工作场所空气中的TBB和TBPH浓度进行了调查，结果显示地毯安装行业的TBB和TBPH浓度均最高，中位数浓度分别为80.54 ng·m-3和21.09 ng·m-3，远远高于之前文献报道的结果[35]，表明TBB和TBPH等新型溴代阻燃剂在许多行业工作场所空气中的浓度越来越高，应引起人们足够的重视。

表2 不同国家和地区灰尘中TBB和TBPH的中位数浓度(浓度范围)Table 2 Summary of median concentrations and range in parenthesis of TBB and TBPH in dust from different countries and regions

2.2 水体、污泥、沉积物和土壤

由于TBB和TBPH的logKow均较大，疏水性较强，在美国五大湖地区水体的TBB和TBPH浓度范围分别为1.3～7.9 pg·L-1和0.27～10.4 pg·L-1[43]，而Wang等[44]在我国渤海沿岸海水养殖区的表层海水检测出了更高浓度的TBB(0.81～6.69 ng·L-1)。在污泥、沉积物和土壤中的TBPH和TBB浓度则有更多的文献报道。Klosterhaus等[45]在美国旧金山湾区2个污水处理厂的污泥中检测出TBB和TBPH，其浓度范围分别为40～1 412 ng·g-1干重和57～515 ng·g-1干重；然而，在我国哈尔滨最大的污水处理厂污泥中以及西班牙加泰罗尼亚污水处理厂的初沉池污泥和活性污泥中则发现TBPH的平均浓度比TBB的平均浓度高2个数量级，TBPH的平均浓度分别为160 ng·g-1干重、446 ng·g-1干重和695 ng·g-1干重，TBB的平均浓度则分别为5.3 ng·g-1干重、ND和7.2 ng·g-1干重[46-47]。Zhu等[48]研究发现，中国长三角地区灵江、瓯江和钱塘江的表层沉积物中均检测出了TBPH，其最高浓度为3.1 ng·g-1干重；而仅在灵江沉积物中发现了TBB的存在，最高浓度为1.1 ng·g-1干重；Zhu等[49]2018年的另一项研究显示，中国珠三角和大明湾地区河流和入河口处的表层沉积物也检测出TBB和TBPH，浓度范围分别为ND～9.54 ng·g-1干重和ND～4.01 ng·g-1干重。Ganci等[50]在泰晤士河表层沉积物中未发现TBB，仅发现了TBPH，其浓度范围为<0.02～14 ng·g-1干重，略高于Zhu等[49]的报道，表明Firemaster®550在英国应用的较少；南非瓦尔河沉积物中TBB和TBPH的浓度范围为0.5～17 ng·g-1干重和1.9～24 ng·g-1干重，由此，可看出沉积物中的TBB和TBPH含量处在较低的水平[51]。对澳大利亚墨尔本城市区域土壤中的TBB研究发现，土壤中的TBB浓度和检出率都处于较低水平，最高浓度为1.79 ng·g-1干重；中国森林地区土壤中TBB和TBPH浓度范围为<0.0024～1.60 ng·g-1干重和0.0055～0.526 ng·g-1干重，虽然浓度较低，但有可能污染地下水。

2.3 生物体内

TBB和TBPH在生物体内的检出情况也有报道。以往的研究表明，海洋哺乳动物可以作为海洋和人类健康的前哨物种，因为它们能够跨大空间和长时间尺度整合和反映环境变化[52-55]，Lam等[56]在2002—2008年间在中国香港搁浅的33条江豚中检出TBB和TBPH，其含量分别为<0.04～70 ng·g-1脂重和<0.04～3 859 ng·g-1脂重；在17条太平洋驼背豚中检出TBPH含量为0.04～5.3 ng·g-1脂重，但TBB未检出。这是首次关于TBB和TBPH在哺乳动物中的报道，表明TBB和TBPH在中国经济和工业化发达的珠三角地区逐步替代了传统的PBDEs，且具有较强的生物富集性。Zhu等[57]在2003—2012年期间对中国香港渔农自然护理署收集的被困江豚中100%检出TBB，浓度为0.0614～0.640 ng·g-1脂重，在83%的江豚中检出TBPH，浓度为ND～7.55 ng·g-1脂重；在80%太平洋驼背豚中检测出了TBPH和TBB，浓度分别为ND～1.06 ng·g-1脂重和ND～0.219 ng·g-1脂重。从上述数据可知，江豚中TBB和TBPH的含量普遍高于太平洋驼背豚，推测是这种差异可能是二者的食性不同导致的，江豚主要以头足类为食，而印度太平洋驼背豚以鱼类为食。Labunska等[58]在中国浙江省台州市的一个电子垃圾拆解区的鱼肉、虾、鸡肉、鸭肉和猪肉等127个样品中均检出TBB和TBPH，其中鱼肉中的TBB含量最高，达62.2 ng·g-1脂重；鸡和鸭肝脏中TBB和TBPH的含量大体一致，分别为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。研究者还在鸡蛋和鸭蛋中检出TBB和TBPH，其平均含量分别为4.3 ng·g-1脂重和1.1 ng·g-1脂重。此外，Guerra等[59]发现加拿大和西班牙游隼蛋中也检出TBPH的存在，其平均浓度分别为2.1 ng·g-1脂重和1.2 ng·g-1脂重。这些数据表明，TBB和TBPH能够通过母体传递给子代。La Guardia等[60]在美国北卡罗莱纳州的亚德金河一个纺织厂污水排放口附近收集的河蚬和放牧履足类中发现TBB和TBPH的存在，其中河蚬和放牧履足类中的TBB浓度分别为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剂替代品，TBPH的浓度分别为1 370 ng·g-1脂重和380 ng·g-1脂重。Gentes等[61]在加拿大蒙特利尔市圣罗伦斯河流域的德劳雷尔岛上89%的环嘴鸥肝脏样品中检出TBPH，平均浓度为(2.16±0.59) ng·g-1湿重，最高浓度为17.6 ng·g-1湿重；而仅在11%的样品中检出TBB，浓度为ND～1.55 ng·g-1湿重，这表明当地溴代阻燃剂的输入源可能以DP-45为主，也可能是因为TBPH的光降解速率比TBB慢，导致TBPH的浓度比TBB的更高。Vorkamp等[62]在格兰陵岛的黑海鸽蛋、北极鸥肝脏、环海豹和北极熊脂肪组织中均不同程度地检测到了TBB和TBPH，其中环海豹脂肪组织中的TBB平均浓度最高，达到了1.02 ng·g-1湿重。

2.4 人体内

3 TBB和TBPH及其代谢物的生态毒理效应(Ecotoxicological effects of TBB, TBPH and their metabolites)

TBB和TBPH具有潜在的环境内分泌干扰效应，目前关于二者的甲状腺内分泌、生殖毒性等毒理效应研究相对较多。关于内分泌干扰物分子作用机制的经典理论是一些分子结构类似生物体内源激素的外源化学物质通过受体-介导途径，与细胞外受体相结合，再转运到细胞核内，和启动子位置相结合，从而启动目的基因的表达，进而可模拟、干扰或阻止生物体内甲状腺激素、雌激素和雄激素等内分泌的过程。

3.1 甲状腺毒性效应

图1 TBB和TBPH以及代谢产物TBBA和TBMEPH的分子结构式注：TBBA表示四溴邻苯甲酸，TBMEPH表示单(2-乙基己基)四溴邻苯二甲酸。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 生殖内分泌干扰效应

Saunders等[84]使用H295R细胞系探究了TBB和TBPH的类固醇激素内分泌干扰效应，结果表明，TBB暴露对睾酮激素没有影响，但雌二醇的含量显著升高，而TBPH暴露组中，雌二醇和睾酮激素的含量均显著升高。与Saunders研究结论一致，Mankidy等[85]研究了TBB和TBPH对猪原代睾丸细胞的类固醇激素水平和合成途径相关基因表达的影响，研究发现，TBB能引起细胞中雌二醇含量显著升高，同时显著下调CYP17A1基因表达量，上调CYP21A2基因的表达量；TBPH导致雌二醇和睾酮含量显著上升，同时显著上调CYP19A1和CYP21A2基因的表达。从Saunders等[84]H295R细胞类固醇激素合成实验和Mankidy等[85]猪原代睾丸细胞为对象的离体研究来看，TBPH的类固醇激素内分泌干扰活性发生在较高的浓度下，TBB比TBPH具有更强的生物效应，虽然活性生物对环境内分泌干扰物(endocrine-disrupting chemicals, EDCs)的敏感性要高于离体细胞，但根据离体研究结果，可以推测TBPH对人类等哺乳动物类固醇激素合成途径的影响非常小。

体外实验结果表明，TBB和TBPH通过与雌/雄激素受体(estrogenic receptor/androgen receptor, ER/AR)结合，从而改变雌二醇和睾酮激素的合成来调节内分泌功能，但TBB和TBPH对生物体的影响尚不清楚。Saunders等[86]采用食物暴露的方式研究了TBB和TBPH混合暴露对青鳉的生殖毒性，结果显示，与对照组相比，高剂量组(TBB∶TBPH=1 422 μg·g-1湿重∶1 474 μg·g-1湿重)中雌青鳉的产卵量显著下降了32%，说明TBB和TBPH混合物能干扰类固醇激素的合成，从而影响鱼类的繁殖能力，进一步通过qPCR技术检测了高浓度暴露组下丘脑-垂体-性腺-肝脏(hypothalamus-pituitary-gonadal-liver, HPGL)内分泌轴中34个与生殖相关的关键基因的表达，发现HPGL轴中大部分基因的表达均下调，且有性别差异。

3.3 其他毒性效应

随着TBB和TBPH使用量的不断增加，除了甲状腺毒性和生殖内分泌干扰效应以外，有关它们其他的毒性效应研究也越来越多。Chen等[72]将人脐静脉内皮细胞(HUVECs)分别暴露于TBB、TBPH、TBBA和TBMEHP，发现代谢产物比母体能产生更强的细胞毒性，它们的EC50大小顺序为TBB, TBPH(>200 mg·L-1)>TBBA(47.3 mg·L-1)>TBMEHP(8.6 mg·L-1)；另一项研究[87]也表明，TBPH和TBMPH对HUVECs能产生细胞毒性，诱导细胞周期停滞和细胞凋亡。TBB和TBPH同时具有发育毒性方面的研究，TBB能引起斑马鱼胚胎畸形和死亡，其LC50为7.0 mg·L-1，而当TBPH浓度高达20 mg·L-1时，对胚胎仍未产生不利影响[88]；Scanlan等[89]则报道了TBPH对大型水蚤48 h的LC50为0.91 mg·L-1。Bearr等[90]将Firemaster®550和Firemaster®BZ-54以每条鱼1 mg·d-1的剂量通过喂食方法染毒黑头软口鲦56 d，能显著引起其肝细胞DNA损伤，产生基因毒性。

4 存在的问题与研究展望(Existing problems and research prospects)

目前，人们已经认识到PBDEs、TBBPA和HBCDs等传统溴代阻燃剂对生态系统带来的不利影响，在世界范围内逐步禁止它们的生产和使用，并用新型的溴代阻燃剂取而代之，近年来，新型溴代阻燃剂TBB和TBPH及其代谢产物的毒理学研究使用了多种体内体外方法和模型系统，确定了各种假定效应，并在甲状腺毒性效应和生殖内分泌干扰等方面取得了一定进展，然而从整体上看，研究的结果通常是不足的、不确定的甚至矛盾的，表明观察到的影响可能是次要的，或者高度依赖于所使用的测试系统，相关的毒理学研究和健康风险评价研究还不是很深入，尤其是对人体健康的影响研究数据非常匮乏。今后需要在以下3个方面开展重点研究：(1)注重开发新的TBB和TBPH在各种环境介质和人体内的监测技术，以使分析数据准确可靠，加快对TBB和TBPH在各种环境介质降解机制的研究；(2)基于现有研究现状，进一步借助分子生物学手段，从基因层面深入研究TBB和TBPH的毒性作用机制，完善TBB和TBPH及其代谢产物TBBA和TBMEHP的毒性数据；(3)进一步开展TBB和TBPH人体暴露水平及相关健康风险的研究，建立系统的人体健康危害评价方法和人体代谢模型，准确评估TBB和TBPH对人类，尤其是婴幼儿健康产生的潜在危害。

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