关键词:全氟辛烷磺酸;大型蚤;恢复实验;慢性毒性
中图分类号:TQ453;X52 文献标志码:A
全氟辛烷磺酸(perfluorooctane sulfonate,PFOS)是一种典型的表面活性剂,最早由美国3M公司成功研制[1]。PFOS是至今发现的性能最优异的表面活性剂[2],由于其表面活性高、耐热性高和化学稳定性高,自然条件下很难水解、光解和生物降解[3],可用于高温作业或与强酸、强碱接触的作业,因而在产品包装涂层、杀虫药剂、印刷、半导体以及纺织品、皮革制品和电镀等工业得到广泛应用。然而,大范围的使用导致了全球范围内的广泛分布和残留。特别是由于PFOS挥发性小而水溶性大,生产废水属于高浓度有机废水[4],排放后易驻留在水环境当中[5],并能通过生物的浓缩、食物链的传递影响高等动物和人类健康。相关动物实验显示每天2 mg/kg的PFOS摄入量即可导致死亡,因此被定义为耐久性的有机污染物为世界各国环保组织所禁用[6-8]。PFOS含氟烃基既憎水又憎油[9],在动物体内易附着在血液和肝脏中的蛋白质上。毒理学研究表明,PFOS具有生殖毒性、神经毒性以及对性腺、甲状腺的干扰作用[10]。研究表明重金属污染是中国水体污染的主要问题[11],但是金一和等研究表明中国境内水环境中也普遍存在着PFOS污染[12]。因此研究PFOS对水生生物慢性毒性效应,可以为风险评价提供科学依据,研究意义重大。
本研究选取国际公认的标准实验生物大型蚤作为受试生物,采用21天暴露实验法,研究PFOS对大型蚤母代及其子代第1胎和第3胎:F1(1st)和F1(3 rd)在21 d恢复期的慢性毒性效应。实验指标终点体长和繁殖情况(每个母蚤产幼蚤数、第1次怀卵和产卵的天数、每个母蚤的胎数)是用来评价个体的参数,而内禀增长率(r)[WT]是用来评估种群的参数。本研究以期为揭示PFOS对水生生物的环境毒性和受害机制提供科学依据,了解不同指标的敏感程度,为今后选择恰当的指标预测PFOS对水蚤种群的影响提供数据支持。
1 材料与方法
1.1 实验材料
1)实验生物
本实验受试生物为大型蚤,取自南开大学。在1~2 L的鱼缸中,注入500~1 000 mL曝气3 d的实验室用水,再放入10~20个大型水蚤,在室内光照条件下进行培养。培养温度为15~25 ℃,pH值为7.5±0.5,溶解氧质量浓度为2 mg/L以上,硬度(以 CaCO3 计)为(250±25)mg/L。采用实验室培养的斜生栅藻培养液喂养大型蚤,按1∶1(藻液与稀释水体积比,下同)或1∶2接种。每周全换培养液1~2次。
在显微镜下观察选择出怀卵量高的水蚤单独培养,投喂充足的饵料,在实验前24 h用孔径为1 mm的筛子将幼水蚤滤去,在实验前6~12 h进行第2次过筛,得到出生6~24 h的幼水蚤,将幼水蚤再继续培养2 d,即得出生72 h的实验水蚤。从中筛选健康、无病菌、有活力、没有受伤的幼蚤进行实验。
2)实验药品
PFOS(CAS:1763-23-1),双蒸水。
3)实验设备
倒置显微镜,100 mL烧杯,BBC-226STV型Haier家用电冰箱(青岛海尔股份有限公司);JPBJ-608型便携式溶解氧测定仪(上海精密科学与仪器有限公司);FE20型pH计(梅特勒-托利多仪器上海有限公司);微型温度计和水硬度计(WAD-TH)等。
1.2 实验方法
1)大型蚤21天染毒实验
本实验参照OECD标准方法[13],采用21天连续暴露法进行。急性毒性实验结果显示PFOS对大型蚤暴露的24 h LC50为150.34 mg/L(质量浓度,下同;95%置信区间为132.21~179.03),72 h LC50为70.65 mg/L(95%置信区间为65.32~77.21)。本实验设置6个质量浓度梯度的PFOS,依次为0,10,20,30,40,50 mg/L。每个烧杯中盛放50 mL实验溶液,放1只出生6~24 h的幼蚤。设置1个空白组和10个平行组(暴露组)。实验期间采用半静态实验系统,24 h更换1次实验溶液,保证24 h内药品浓度为起始浓度的80%以上。期间用新鲜的栅藻喂养大型蚤。实验中及时分离出新出生的小蚤,把死亡的大型蚤用吸管挑出来,以免影响其他大型蚤的健康生长。记录大型蚤的繁殖情况。实验温度控制在(20±2) ℃,培养液中溶解氧应保持在80%饱和度左右。光暗比为14 h∶10 h,pH值为7.8±0.2。
2)子代21天恢复实验
分别选取每个实验处理组中母蚤所生的第1胎幼蚤F1(lst)和第3胎幼蚤F1(3rd)10只,即平行组(暴露组)10个,分别放在50 mL没有PFOS的培养液中(恢复期),进行21天的恢复培养,其他条件与以上的慢性毒性实验相同。 实验期间每24 h观察1次,取出新生幼蚤,纪录母蚤蜕皮、死亡情况,第1次怀卵和产卵时间、第1次产卵数、成活率,以及整个实验过程中的产卵次数和总产卵量。将第1天的水蚤取出,在显微镜下测量其体长(从头盔至壳刺部的长度)。计算最终体长、大型蚤的净生殖率(R0)、内禀增长率(r)[WT],计算方法见式(1)—式(3)。
[WTBX]R0=∑LXmX, (1)
T=∑XLXmX/∑LXmX , (2)
r=ln R0/T。 (3)
式中:[WTBX]LX为存活率;mX为大型蚤每次产幼蚤数;T为世代周期;X为天数。
1.3 数据处理
[WT] 慢性毒性实验数据采用Origin8.0软件进行数据处理和作图,用t检验法比较平行组(暴露组)与空白组之间的显著性差异,当t
2 结果与讨论
本实验中F0代水蚤及其后代的生存未受到影响,但其繁殖受到显著抑制作用。第1胎F1(lst)和第3胎F1(3rd)的21天恢复实验中,未发现死亡蚤、雄蚤和冬卵现象。
2.1 不同浓度PFOS的暴露下F0代大型蚤和子代21天恢复实验的生长和繁殖指标
在不同浓度PFOS的暴露下F0代大型蚤生长和繁殖指标的变化见表1。从表1中可以看出,大型蚤的各项指标都受到不同程度的影响。当PFOS质量浓度在40~50 mg/L时,各生长繁殖指标都受到显著抑制。PFOS质量浓度达到50 mg/L时,除总胎数外,其他各项指标均受到极显著抑制。受抑制最明显的就是总产卵量和终点体长2个指标。整个暴露组的总产卵量都受到显著抑制,PFOS质量浓度高于20 mg/L时,终点体长也受到了显著抑制,表明总产卵量和终点体长作为最敏感的指标,相对于其他指标更加适合用于衡量PFOS的慢性毒性。
随PFOS暴露浓度的增加,大型蚤生长和繁殖受抑制的情况随之加重。暴露于10 mg/L的PFOS大型蚤的第1次怀卵时间为6.8 d,随着暴露浓度的增加第1次怀卵时间逐渐增长,与空白组的6.0 d相比增加了0.8~3.0 d。暴露于PFOS大型蚤第1次产卵时间比对照组增加了0.5~2.6 d,第1次产卵量降低了2.7~9.6枚。暴露组的总产卵量比空白组降低了12.6~83.2枚,终点体长降低了0.10~1.38 mm,这说明PFOS对F0代大型蚤的生长和繁殖都有比较严重的影响,并且随着PFOS暴露浓度的增加,该毒性效应趋于严重,形成明显的剂量-效应关系。刘晓玲研究也有相似发现,沐浴露对大型蚤的抑制效应与其浓度呈明显正相关关系[14]。
表2为F1(1st)代大型蚤在不同质量浓度PFOS暴露后的恢复实验中生长和繁殖指标的变化情况。从表中数据显著性分析可知,相对于F0代大型蚤,子代Fl(lst)在没有PFOS的影响下,其各项生长和发育指标都有所恢复。但与空白组相比较,仍有部分生长指标受到显著抑制。当PFOS质量浓度高于30 mg/L时,总产卵量和终点体长受到显著抑制。质量浓度小于40 mg/L时,其他各项指标与空白组没有显著差异。在其他毒物的研究中有相同结论,如叶伟红等研究表明,暴露于氟氯菊酯的母代大型蚤所产F1(1st)代在恢复实验中总胎数、第1次产卵时间和第1次产卵量与空白组基本没有差异,而终点体长和总产卵量仍受到显著抑制[15]。
暴露于PFOS的F1(1st)代大型蚤的总产卵量随着浓度的增加依次降低,范围为88.7~125.1枚,而F0代总产卵量为50.5~121.1枚,两者相比F1(1st)代受抑制作用明显有所恢复,但与空白组总产卵量132.6枚相比仍有很大差异。从表2可以看出其余各项指标均有逐渐恢复的趋势。这说明高浓度的PFOS通过母代大型蚤传递给子代。
从表中可以看出,F1(3rd)代大型蚤在没有PFOS影响的情况下,其生长和毒性指标与F0代和Fl(lst)代大型蚤相比更加接近正常水平。说明虽然母代大型蚤受PFOS污染后生长繁殖明显受到毒性影响,但是子代在没有PFOS的环境中可通过自身代谢或者某些酶的调节,恢复健康状态。F1(3rd)代比Fl(lst)代恢复状况更良好,说明晚期产的子代比早期产的子代恢复能力更强,这可能是因为母代大型蚤逐渐适应了PFOS的暴露环境,在暴露后期通过本能的调节使得PFOS传递到卵中的残留量减少。戴朝霞等研究表明,大型蚤在毒物环境暴露初期耐受力降低,在暴露48~96 h后逐渐恢复[16]。但是在有些研究中得到了相反的结论:恢复实验中随着子代序列的增加,生长繁殖受抑制更为显著。如胡方华等的研究表明,三唑酮对于第2代大型蚤,染毒的影响比对第1代的影响更大[17]。这说明毒物在大型蚤世代中的富集效应与毒物本身性质有关。
但是PFOS质量浓度分别为40,50 mg/L时,总产卵量和终点体长2个指标仍受到显著抑制(0.01<[WTBX]p[WT]<0.05)。而F1(1st)代在PFOS质量浓度为30~50 mg/L时,总产卵量和终点体长2个指标受抑制显著,这说明高浓度的PFOS污染通过母代影响了子代,并且总产卵量和终点体长2个指标受影响更为明显,恢复时间更久。
2.2 PFOS暴露下的大型蚤F0代及其F1(1st)代、F1(3rd)代在恢复期的内禀增长率
内禀增长率是一种生态指标,可以反映一个种群在无限制的环境中的生长趋势,是生物生存和繁殖两种能力的综合反映。内禀增长率降低的主要原因是种群繁殖能力下降。
图1为不同质量浓度PFOS暴露下的大型蚤F0代及其F1(1st)代、F1(3rd)代在恢复期的内禀增长率。从图中可以看出,暴露于20 mg/L的PFOS的F0代大型蚤内禀增长率为0.326,显著低于空白组([WTBX]p[WT]<0.01),其降幅为13.5%。暴露于40 mg/L和50 mg/L的PFOS的F0代大型蚤内禀增长率分别为0.270和0.249(p<0.01)。[WT]F1(1st)代大型蚤内禀增长率有所恢复,在PFOS质量浓度为30 mg/L时,内禀增长率为0.351,显著低于空白组(0.01
除PFOS暴露质量浓度20 mg/L外,F1(1st)代大型蚤内禀增长率随着暴露浓度的增加依次降低,范围为0.320~0.360(降幅为3.7%~15.4%),说明较高浓度PFOS可能由母代富集在体内并转移到了F1(1st)代体中,使其恢复起来比较缓慢,进而影响了水蚤种群的发展。
21天毒性实验及其子代恢复情况的研究结果,说明自然界中存在亚致死浓度的PFOS对大型蚤种群的发展足以构成威胁。
3 结 语
PFOS对F0代大型蚤的生长和繁殖有比较严重的影响。当PFOS质量浓度高于20 mg/L时,F0代总产卵量、终点体长和内禀增长率都受到显著抑制,并且随着PFOS暴露浓度的增加,该毒性效应趋于严重,PFOS暴露浓度与大型蚤毒性之间具备明显的剂量-效应关系。相对于F0代大型蚤,Fl(lst)代和F1(3rd)代在没有PFOS的影响下,各项生长和发育指标都有所恢复。当PFOS暴露质量浓度高于30 mg/L时,Fl(lst)代总产卵量和终点体长受到显著抑制。暴露质量浓度小于40 mg/L时,其他各项指标与空白组没有显著差异。F1(3rd)代比Fl(lst)代大型蚤恢复程度更好,除最高浓度组的总产卵量、终点体长和内禀增长率仍受显著抑制,其他指标都接近空白组。
大型蚤总产卵量、终点体长和内禀增长率作为最敏感的指标,在以后的研究中,建议将其用于评价PFOS的慢性毒性。高浓度PFOS可由母代富集在体内并转移到子代中,进而影响水蚤种群的发展。因此,自然界中存在亚致死浓度的PFOS对大型蚤种群甚至整个水生生态系统的发展足以构成威胁,进一步研究PFOS在水中的迁移转化规律,并制定严格的安全排放浓度,对维系水体质量和水生生物安全具有重要的意义。
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