全氟辛烷磺酸盐(PFOS)替代品对4种本土水生生物的生态毒性

王妙，陈辉辉，查金苗，王子健

中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室，北京100085

全氟辛烷磺酸盐(PFOS)替代品对4种本土水生生物的生态毒性

王妙，陈辉辉，查金苗*，王子健

中国科学院生态环境研究中心 环境水质学国家重点实验室，北京100085

本文选择了紫背浮萍、四尾栅藻、蚤状溞和稀有鮈鲫4种本土水生生物，开展了阳离子表面活性剂、织物三防整理剂、C4三防整理剂和C6三防整理剂4种全氟辛烷磺酸盐(PFOS)替代品的安全性评估，为筛选理想PFOS化学替代品提供科学依据。急性毒性结果发现阳离子表面活性剂对4种水生生物均未显示出急性毒性；织物三防整理剂、C4三防整理剂和C6三防整理剂对蚤状溞的LC50值分别为17.97、64.61和85.58 mg·L-1，显示出低的急性毒性。另外，织物三防整理剂对四尾栅藻的半数抑制浓度(EC50)值为88.32 mg·L-1，而对稀有鮈鲫半致死浓度(LC50)值为14.79 mg·L-1，均存在急性毒性。短期生长抑制试验结果发现阳离子表面活性剂、织物三防整理剂、C4三防整理剂和C6三防整理剂对稀有鮈鲫生长抑制最低可见效应浓度(LOEC)值分别为20、1.5、100和50 mg·L-1，表明4种PFOS替代品均显示低慢性毒性。急慢性综合分析可知C4和C6三防整理剂相对较安全，可能成为理想的PFOS替代品。

PFOS替代品；本土水生生物；急性毒性；慢性毒性

全氟辛烷磺酸盐(perfluorooctane sulfonate, PFOS)是一类重要的全氟表面活性剂，具有优良的疏水、疏油特性，在工业生产和生活消费领域中广泛应用[1-2]。目前水环境中PFOS的浓度数量级为ng·L-1，其中我国海河流域中浓度达到1.11～7.65 ng·L-1[3]，而美国加利福尼亚州河流中达到30～127 ng·L-1[4]。PFOS具有肝脏毒性，使肝脏减小，影响能量代谢[5]；引起脏器官内的过氧化物增加，造成氧化损伤，直接或间接的损害遗传物质，引发肿瘤[6-7]；破坏血清中皮质酮和瘦素水平的平衡，影响去甲肾上腺素的浓度，干扰动物的神经内分泌系统[8]；诱使胚胎中毒，幼龄动物畸形，延迟幼龄动物的生长发育[9-10]等系列危害，因此根据世界卫生组织化合物急性毒性分类标准，PFOS属于中等毒性物质。另外PFOS具有极强持久性、生物富集性、生态毒性以及远距离迁移等特征，因此被列入禁止持久性有机污染物(POPs)名单中，在斯德哥尔摩公约国中禁止生产和使用，因此各种PFOS替代品相继开发与生产。

基于PFOS用途广泛，因此其替代品需要种类繁多，然而大多数PFOS替代品仍然是含氟化合物。PFOS对于水生生物毒性在以前研究已经有所报道，其中对于鱼类LC50为4.2～81.18 mg·L-1[11-13]，藻类EC50值为81.60～305 mg·L-1[11, 14-15]，溞类LC50值为4.17～78.09 mg·L-1[11, 13, 16]，上述报道表明PFOS对水生生物存在相对较大急性毒性。然而对于POFS替代品对于水生生物毒性研究还十分有限，特别是对于我国本土水生生物影响基本上未曾涉及。因此本文选择了4种我国本土水生生物种，包括紫背浮萍、四尾栅藻、蚤状溞和稀有鮈鲫。4种本土水生生物分别代表了不同水生营养级(水生植物、浮游植物、浮游动物以及鱼类)，基本上涵盖了水生态系统大部分营养级，获得数据将能有效保护我国水生态系统。本文选择了4种PFOS替代品，开展了PFOS化学替代品对我国本土水生生物生态毒性影响，不仅保护我国水生态系统完整性，同时为PFOS化学替代品筛选提供科学依据。

1 材料与方法( Materials and methods)

1.1 供试药剂

PFOS替代化学品：全氟丁基有机铵盐阳离子表面活性剂、用调聚法合成的织物三防整理剂、电解氟化法合成的C4及C6织物三防整理剂。PFOS替代品均为液体，按照体积质量分别配制100 g·L-1的母液。

1.2 实验生物

紫背浮萍(Soirodela polyrhiza)，采自湖北武汉市南湖，在实验室驯养后进行长期养殖。驯养期间培养条件：温度(24±2) ℃，光照6 500～10 000 LUX，培养液参考经济合作与发展组织(OECD)标准，配制的标准培养基(SIS)，待浮萍生物大量扩增后进行实验。

四尾栅藻(Scenedesmus quadricanda)，取自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库，在实验室驯养后进行长期养殖。驯养期间培养条件：温度(25±2) ℃，光照6 500～10 000 LUX，培养液为参考OECD标准配制的人工培养基，待生物大量扩增后进行实验。

蚤状溞(Daphnia pulex)采自湖北省武汉市南湖，带回实验室内进行驯养后，进行长期养殖。养殖用水为参考OECD标准配制的标准稀释水。新配制的标准稀释水pH为7.8±0.2，硬度为250 mg·L-1左右(以CaCO3计)。养殖期间，水温控制在(20±2) ℃，光周期为16 h ∶8 h(光∶暗)，每天定时定量投喂试验纯培养的小球藻。

稀有鮈鲫(Gobiocypris rarus)在中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室已经进行长期的养殖。养殖期间，水温控制在(25±2) ℃，光周期为16 h∶8 h(光∶暗)，每天定时定量投喂饲料，试验开始24 h前停止喂食，试验过程中不喂食。

1.3 试验方法

1.3.1 急性毒性试验方法

紫背浮萍急性毒性实验参照OECD 221浮萍生长抑制试验标准方法。首先将紫背浮萍暴露于100 mg·L-1的受试物溶液中进行限度实验，结果显示4种替代品的致死率均在50%以下，不在进行下一步试验。

四尾栅藻增殖实验参照OECD 201标准方法。首先将四尾栅藻暴露于100 mg·L-1的受试物溶液中进行限度实验试验，结果显示只有织物三防整理剂的致死率在50%以上，进行下一步试验，试验浓度设为10.00、20.00、40.00、80.00和160.00 mg·L-1，周期为72 h，每天检测四尾栅藻的细胞浓度，确定72 h四尾栅藻生长抑制率为50%时受试物浓度，即半数抑制浓度(EC50)，用72 h-EC50表示。

蚤状溞急性毒性实验参照OECD 202标准试验方法，限度试验结果显示，织物三防整理剂、C4和C6三防整理剂对蚤状溞的致死率在50%以上，进行下一步试验。正式实验中织物三防整理剂的实验浓度设为15.00、17.84、21.21、25.21和30.00 mg·L-1；C4三防整理剂的实验浓度为50.00、55.00、60.50、66.55和73.21 mg·L-1；C6三防整理剂的实验浓度为70.00、77.00、84.70、93.17和102.50 mg·L-1。试验周期为48 h，在24 h和48 h时记录蚤状溞的死亡数，计算死亡率，确定50%试验鱼死亡时的受试样品浓度，用48 h-LC50表示。

稀有鮈鲫急性毒性实验参照OECD 203标准试验方法。首先将稀有鮈鲫暴露于100 mg·L-1的受试物溶液中进行限度实验，结果显示只有织物三防整理剂对稀有鮈鲫的致死率在50%以上，进行下一步试验，设置10.43、12.40、14.75、17.53和20.86 mg·L-1浓度梯度，试验周期为96 h，在24 h、48 h、72 h和96 h时记录鱼的死亡率，分别确定50%试验鱼死亡时的受试样品浓度，用24 h-LC50、48 h-LC50、72 h-LC50和96 h-LC50表示。

1.3.2 短期生长抑制试验方法

选择体长和年龄相似、孵化后1个月的幼鱼称重后在受试物亚致死浓度范围内暴露在流水试验条件。根据受试物对稀有鮈鲫急性毒性试验结果，设置短期生长试验浓度。其中离子表面活性剂的实验浓度为20、10、5.0和2.5 mg·L-1；织物三防整理剂对稀有鮈鲫短期生长试验浓度为1.5、0.75、0.375和0.1875 mg·L-1；C4和C6三防整理剂对稀有鮈鲫短期生长试验浓度为100.00、50.00、25.00、12.50和6.25 mg·L-1。每个实验设1个空白组，每个浓度设3个平行，暴露28 d。具体实验方法根据OECD 215鱼类生长实验标准方法进行。

1.3.3 统计分析

急性毒性试验后，记录死亡数，用SPSS 16.0求出EC50和LC50。28 d暴露实验结束后，测量试验鱼体重，计算各个暴露组平均体重，使用SPSS 16.0统计软件进行方差分析，差异水平为P<0.05，求NOEC和LOEC值。

2 结果(Results)

2.1 急性毒性实验结果

将4种PFOS替代品分别对紫背浮萍、四尾栅藻、蚤状溞以及稀有鮈鲫进行急性毒性实验。实验结果如表1所示。其中阳离子表面活性剂对4种水生物均未显示出毒性。织物三防整理剂对紫背浮萍未显示出急性毒性，对其它3种受试生物均表现出低毒毒性：对四尾栅藻的72 h-LC50值为88.32 mg·L-1，95%置信区间为52.12～171.50 mg·L-1；对蚤状溞的48 h-LC50值为17.97 mg·L-1，95%置信区间为13.67～20.85 mg·L-1；对稀有鮈鲫的96 h-LC50为14.79 mg·L-1，95%置信区间为13.98～15.66 mg·L-1。C4和C6织物三防整理剂对紫背浮萍、四尾栅藻以及稀有鮈鲫均未检测到毒性，但对蚤状溞显示出低毒效应，48 h-LC50值分别为64.81 mg·L-1和85.58 mg·L-1，95%置信区间分别为62.35～67.45 mg·L-1和83.36～87.94 mg·L-1。

表1 4种PFOS替代品对紫背浮萍、四尾栅藻、蚤状溞以及稀有鮈鲫的急性毒性实验结果Table 1 Acute toxicity of four PFOS alternatives to Soirodela polyrhiza, Scenedesmus quadricanda, Daphnia pulex and Gobiocypris rarus

2.2 稀有鮈鲫28 d短期生长实验结果

暴露28 d后，称量所有暴露组鱼的体重，如图1所示。从图中可以看出随着替代品的浓度升高，鱼的体重相应降低。说明高浓度的替代品对稀有鮈鲫的生长有影响。此外，根据最终体重求出4种受试物对稀有鮈鲫28 d生长的LOEC值和NOEC值，比较4种替代品的毒性。其中阳离子表面活性剂对稀有鮈鲫短期生长的LOEC值为20 mg·L-1，NOEC值为10 mg·L-1。织物三防整理剂对稀有鮈鲫短期生长的LOEC值为1.5 mg·L-1，NOEC值为0.75 mg·L-1；C4三防整理剂对稀有鮈鲫28 d短期生长的LOEC值为100.00 mg·L-1，NOEC值为50.00 mg·L-1；C6三防整理剂对稀有鮈鲫28 d短期生长的LOEC值为50.00 mg·L-1，NOEC值为25.00 mg·L-1。

3 讨论(Discussion)

本研究全面评价了4种PFOS替代品对我国本土水生生物生态毒性。从急性毒性实验结果来看，其中阳离子表面活性剂对4种水生物均未显示出毒性。织物三防整理剂对浮萍未显示出毒性，对其它3种受试生物均表现出低毒毒性，C4和C62种织物三防整理剂对浮萍、四尾栅藻以及稀有鮈鲫均未检测到毒性，但对蚤状溞显示出低毒效应。在28 d短期生长暴露实验中，织物三防整理剂对稀有鮈鲫短期生长的LOEC值为1.5 mg·L-1，NOEC值为0.75 mg·L-1，产生毒性效应的浓度远低于其他3种替代品，表明其毒性大于其他替代品。

图1 4种PFOS替代品中暴露28 d对稀有鮈鲫生长的影响Fig. 1 Growth of rare minnow following four PFOS alternatives exposure for 28 days

虽然对4种本土水生物的毒性试验都显示出4种替代品的毒性很低，但生态毒性仍需与PFOS毒性进行比较。Boudreau等[14]对PFOS的研究结果表明PFOS对浮萍(Lemna gibba)的7 d-EC50值为59.1 mg·L-1，而本试验中4种替代品对紫背浮萍没有检测到毒性。Yang等[11]研究了PFOS对鲫鱼、麦穗鱼、大型溞、四尾栅藻等水生生物的急性毒性，对应的96 h-LC50值分别为81.18、67.74、78.09和89.34 mg·L-1。美国EPA中PFOS对虹鳟的4 d-LC50值为4.2 mg·L-1，对大型溞的2 d-LC50值为67 mg·L-1[13]。相对于这些数据，本试验中阳离子表面活性剂对4种水生物均未显示出毒性，似乎说明其毒性较低。但在对非洲爪蟾胚胎致畸实验和黑斑蛙蝌蚪胚胎发育实验中，阳离子表面活性剂的毒性作用高于PFOS[17]，在白羽鹌鹑的急性饲喂毒性实验中阳离子表面活性剂显示出中等毒性[18]，与本实验的结果不一致。导致这种结果的原因可能是种间差异特别是水生生物与陆生生物之间差异。织物三防整理剂对稀有鮈鲫、蚤状溞和四尾栅藻显示出急性毒性，LC50值分别为14.79、17.97和88.32 mg·L-1，小于文献中PFOS对相应物种的LC50值。在稀有鮈鲫28 d短期生长实验中得到了同样的结果，这些数据说明织物三防整理剂的毒性可能大于PFOS。对土壤跳虫的生态毒性实验[19]和蝌蚪的急性毒性实验也验证了这一结果[20]。且在白羽鹌鹑的长期饲喂实验[18]中织物三防整理剂表现出一定的生殖毒性，造成白羽鹌鹑的孵化率降低，胚胎死亡率及未受精率升高。这些结果说明织物三防整理剂具有一定的毒性，做为PFOS的替代品应慎重考虑。相对于前2种替代品，电解氟化法合成的C4和C62种三防整理剂对紫背浮萍、四尾栅藻以及稀有鮈鲫均未检测到毒性，仅对蚤状溞显示出低毒效应。而且土壤跳虫的生态毒性实验[19]和蝌蚪的急性毒性实验[20]结果也显示C4、C6织物三防整理剂毒性作用低于PFOS，说明其具有更高的安全性。

综合急性毒性试验和稀有鮈鲫短期生长实验结果和已有资料，织物三防整理剂毒性较大，不适合于作为PFOS的替代品，而电解法合成的C4、C6织物三防整理剂毒性较低，具有较高的生物安全性，更适于作为的PFOS替代品。

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◆

Ecotoxicity of Alternatives of Typical Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) to Four Native Aquatic Organisms

Wang Miao, Chen Huihui, Zha Jinmiao*, Wang Zijian

State Key Laboratory of Aquatic Chemistry, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

22 October 2014 accepted 2 December 2014

To provide a scientific basis for selecting safe and efficient substitutes, ecotoxicity of four PFOS alternatives (surfactant, textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent) to four native aquatic organisms (Soirodela polyrhiza, Scenedesmus quadricanda, Daphnia pulex and Gobiocypris rarus) was assessed. The results showed that surfactant had no acute toxic to these four native aquatic organisms. LC50of textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent on Daphnia pulex in acute toxicity test were 17.97, 64.61 and 85.58 mg·L-1, respectively. EC50of textile finishing agent on Daphnia pulex was 88.32 mg·L-1, whereas LC50on Gobiocypris rarus was 14.79 mg·L-1. In short-term growth inhibition test, LOEC of surfactant, textile finishing agent, C4finishing agent and C6finishing agent on Gobiocypris rarus were 20, 1.5, 100 and 50 mg·L-1, respectively. These results indicated that the four alternatives have low chronic toxicity to Gobiocypris rarus. Above all, C4and C6finishing agent could be able to serve as potential PFOS alternatives.

PFOS alternatives; native aquatic organisms; acute toxicity; chronic toxicity

国家863化学品重大项目课题“化学品毒性高通量生物测试与评价技术”(2012AA06A302)；国家水体污染控制与治理科技重大专项“化学园区综合废水淮河流域(蚌埠段-洪泽湖上游)工业和城市污水毒害污染物综合控制研究与示范”(2014ZX07204-008-03)

王妙(1988-)，女，硕士，研究方向为水生态毒理学，E-mail: wangmiao8809@126.com；

*通讯作者(Corresponding author)， E-mail: zhajinmiao@gmail.com

10.7524/AJE.1673-5897.20141022001

2014-10-22 录用日期：2014-12-02

1673-5897(2015)2-230-06

X171.5

A

查金苗(1975-)，男，博士，研究员，主要研究兴趣包括水生模型生物体系的构建和发展、水环境生物毒性测试方法、环境内分泌干扰物的筛选技术研究、环境污染物对水生生物分子毒理机制和水生态系统完整性评估方法等，在国内外学术刊物上发表高水平论文70余篇，SCI论文40余篇。

王妙, 陈辉辉, 查金苗, 等. 全氟辛烷磺酸盐(PFOS)替代品对4种本土水生生物的生态毒性[J]. 生态毒理学报, 2015, 10(2): 230-235

Wang M, Chen H H, Zha J M, et al. Ecotoxicity of alternatives of typical perfluorooctane sulfonate (PFOS) to four native aquatic organisms [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(2): 230-235 (in Chinese)