基于染污谱特征的饮用水有机物混合暴露评价探索研究

摘要

鼠伤寒沙门氏菌回复突变试验Ames由于方法敏感、检测效率高、方法简单、重现性好、便于不同实验室间比较、可以初步了解受试物的致突变效应特征,因而被纳入不同目的的安全性评价程序。目前Ames试验己广泛应用于外源化学物、药物和混合化学物的致突变效应检测,是几乎所有毒理学安全性评价程序的基本测试试验。早在80年代初期,Ames试验即被用于检测饮用水有机提取物致突变性,是评价水中污染物混合暴露生物学效应的常用方法和优先关注的综合性指标。但受水中污染物混合暴露复杂性影响和检测技术的制约,目前国内外仍缺乏对水中引起致突变效应污染物的解析和确认研究;充分研究分析有机提取物复杂污染特征与致突变效应关系则更少。因此,本研究拟分析我国不同地区、时期水样提取物污染谱特征,继而通过Ames试验研究不同提取物的致突变效应。以期为探索水中复杂污染特征与混合暴露致突变效应特征,为确定饮用水中主要污染物提供科学依据。
　　识别或确认复杂混合物间的相似性(即如何确定“充分相似的混合物”)为环境中复杂混合物危险度评价中重要而又亟待解决的问题和所面临的挑战。本研究首次尝试将进化生物学中系统发生树技术跨领域应用于分析水样污染谱特征间的相似性和聚类特点;结合水样致突变性检测结果,进一步分析污染谱特征与致突变性关系。为解决环境介质复杂混合物间的相似性以及污染物混合暴露综合生物学效应评价等难题进行有价值的探索,研究结果将为饮用水中污染物混合暴露风险评估技术的研究提供科学依据和重要基础数据。
　　第一部分，水中有机提取物污染谱特征及致突变效应研究
　　第一节，水中有机提取物目标化学物检测方法建立
　　目的:建立针对9大类185种目标化学物的GC/MS检测方法,为分析水样提取物污染谱特征提供技术手段。
　　研究方法:采用GC/MS,建立邻苯二甲酸酯类(PAEs)、有机氮农药类(ONPs)、有机氯农药类(OCPs)、多环芳烃类(PAHs)、多氯联苯类(PCBs)、亚硝胺类、三卤甲烷类(THMs)、酚类及挥发性有机物(VOCs)检测方法。
　　结果:各自线性范围内,目标化学物标准曲线方程R2为0.9912～0.9999,检出限0.001～0.08μg/mL。
　　结论:所建立的目标化学物检测方法分离效果佳、选择性好、灵敏度高、线性关系理想、能够满足水样提取物中各类目标化学物的定性定量分析。
　　第二节，SX、SH、KS及SQ地区水样提取物目标污染物分布特征
　　目的:阐明各地区不同时期水样提取物污染谱特点及目标化学物的分布特征。
　　研究方法:采集位于中国南方SX、SH及KS地区水厂水样以及北方农村地区地表水和地下水水样,通过固相萃取富集提取水中有机物,应用已建立的9类185种目标化学物检测方法对水样提取物中目标物进行定性定量分析。
　　结果:我国南、北方四地63例水样提取物中,PAEs浓度最高(ND～16μg/L)主要为DBP、DEHP以及DIBP。ONPs(ND～295ng/L)检出浓度较高为莠去津、三唑酮;OCPs(ND～638ng/L)为外环氧七氯、α-BHC、β-BHC、4,4’-DDD和异狄氏剂酮检出浓度较高。检出PAHs与PCBs的浓度多为1～10ng/L。THMs中仅二溴甲烷及一溴二氯甲烷检出。亚硝胺类(ND～435ng/L)以NMEA及NMOR浓度最高。酚类化学物(ND～3μg/L)以2,4,5-TrCP、CMP、2,3,6-TrCP和PCP检出浓度较高。VOCs浓度多在纳克级,1,2-二氯丙烷和间二甲苯检出浓度相对较高。
　　结论:研究结果能为用于生物学效应终点研究的水样提取物中污染特征分析提供直接依据,为解释水中污染物混合暴露生物学特点提供基础数据。
　　第三节，SX、SH、KS及SQ地区水样提取物致突变性研究
　　目的:评价各地不同时期水样提取物致突变性。
　　研究方法:应用Ames试验对已采集的SX、SH、KS及SQ地区不同时期水样有机提取物致突变效应进行评价分析。
　　结果:SH地区水厂多数水样提取物对TA98菌株表现出较强致突变性,部分出厂水水样致突变性强于原水水样。整体而言,南方水样致突变性强于北方水样提取物。
　　结论:水样提取物致突变效应风险不可忽视。
　　第二部分，基于系统发生树/聚类树方法的复杂污染谱特征识别研究
　　第一节，聚类/系统发生树法研究水中复杂污染谱特征相似性
　　目的:构建水样污染谱系统发生树/聚类树,综合分析比较不同地区、时期水样污染谱特征间的相似性、差异性和聚类特点。
　　研究方法:在GC/MS全谱扫描水中复杂污染谱基础上,通过建立数据矩阵以及转换后字符矩阵,计算水样污染谱特征间距离,采用聚类树以及系统发生树分析技术,进一步分析水样整体污染谱以及不同挥发性区段污染谱特征问的聚类情况、相似性以及差异性。
　　结果:基于字符矩阵所得的泊松校正距离(PC距离)测度通过邻接法所构建的系统发生树效果最佳。系统发生树结合聚类树分析有效揭示了水样复杂污染谱特征间的相似性及地区聚集特点,同一地区水样整体以及中挥发性区段污染谱特征有明显时间聚集性,而高、低挥发性区段污染谱特征与整体污染谱特征聚类情况间存有差异。
　　结论:系统发生树能有效分析水中复杂污染谱特征,我国水样复杂污染谱特征存在地区时间聚集性特点。
　　第二节，水样复杂污染谱特征与致突变效应的模式识别
　　目的:采用支持向量机(SVM)等技术对污染谱特征与致突变效应关系开展模式识别研究。
　　方法:通过SVM等计算机统计模型,研究聚类树以及系统发生树所得水样复杂污染谱特征分类谱系与致突变性的相关关系。
　　结果:水样整体污染谱特征系统发生树的分类谱系能较理想地反映水样提取物的致突变性,且高、中挥发性区段污染谱特征与致突变效应的相关性更大。SVM模型筛选出可能对水样致突变性有较大相关性的14种化学物。
　　结论:基于水样污染谱特征系统发生树的分类谱系,以相关关系和SVM模型结合,能较好地反映水中污染物混合暴露的致突变效应特点。
　　第三部分，五氯酚的环境及人体负荷水平研究
　　第一节，环境与人体中五氯酚水平全球趋势与差异性的Meta分析
　　目的:研究五氯酚禁限后,环境与人体中五氯酚(PCP)水平的变化趋势以及差异性。
　　研究方法:我们纳入从1967年至2010年间发表的80项研究,采用线性回归模型研究PCP水平的时间趋势以及地区差异。
　　结果:在室内空气、水体、西方国家淡水底泥、无脊椎动物以及淡水脊锥动物中,PCP水平呈下降趋势,其半减期范围为2.0-11.1年。在海洋底泥/脊椎动物以及中国地表水/底泥中,PCP水平随时间呈增高趋势。从上世纪70年代起,人体血和尿中PCP水平呈下降趋势,半减期范围分别为3.6年和5.7年。全球人群血和尿中PCP的参考水平分别下降至1.1-6.3μg/L(2002-2008)和2.5-μg/L(1995-2003)。低水平的PCP暴露的潜在甲状腺激素干扰效应和其他健康风险不容忽视。
　　结论:本研究能为确定PCP禁限政策效果的评价、政策制定成本效益分析以及防控低水平的环境PCP暴露提供科学依据。
　　第二节，中国五氯酚环境分布特征与人体负荷水平研究
　　目的:在综合考虑血吸虫病曾经流行和复燃的情况下,评价中国PCP及其杂质二噁英/呋喃类(PCDD/Fs)的污染状况和人体负荷水平。
　　研究方法:我们综合分析了中国环境与人体PCP负荷水平的研究报道与文献。采用灭螺面积作为间接指标估计PCP消费量。为明确因PCP使用而产生的PCDD/Fs污染,我们对相关文献进行甄别和分析。
　　结果:我国环境介质和人体样品中PCP负荷广泛存在。除重点地区外,环境中的PCP水平较低。血吸虫病流行地区环境中的PCP水平显著高于对照地区。血吸虫病严重流行地区与PCP污染的重点地区存在空间一致性。我国环境介质中PCP污染水平呈现潜在增加趋势。因PCP使用而产生的PCDD/Fs污染处于低环境水平。
　　结论:我国环境与人体中PCP负荷水平与血吸虫病流行情况呈正相关。在血吸虫病流行地区,低水平的PCP环境暴露产生的甲状腺激素干扰效应与致癌效应不容忽视。