1、1杨帆：男 博士 毒理学检测工程师殷浩文：男 教授级高工，通信作者全氟丁基磺酸钾对小麦和水稻的毒理学研究-陆生植物幼苗暴露及生长试验杨帆、陈晓倩、杨婧、杨和行、殷浩文*上海市检测中心生物与安全实验室，上海，201203摘要：本试验选取全氟化合物（PFOS）的典型替代品之一：全氟丁基磺酸钾（PFBSK） ，作为受试物，对我国两种主要粮食作物小麦和水稻进行毒理学研究。采用 OECD 标准试验方法测试该物质对两种植物幼苗暴露及生长的影响。结果表明，对于小麦来说，PFBSK 对其出苗及幼苗生长影响显著，最高浓度组对出苗抑制率达到 87.5%，鲜重抑制率达到 91.9%，小麦出苗终点的 LC50 值为
2、56.45mg/kg（95%置信区间：46.6866.54mg/kg） ，鲜重终点的EC50 值为 45.09 mg/kg（95%置信区间：32.6656.02mg/kg） 。相比之下，样品对水稻影响较小，最高浓度组对出苗抑制率只有 5.5%，对鲜重抑制率也仅达到 26.3%。水稻出苗终点的 LC50 值和鲜重终点的 EC50 均大于 100mg/kg。通过对 PFBSK 理化特性和环境存在浓度调查可知，造成如此差异的原因主要可能源于两种植物本身对该物质的敏感程度不同或样品造成了培养基质理化性状的改变，从而影响了植物生长。一般情况下，该物质浓度背景值较低，性质稳定，对植物的影响较小。关键词：全
3、氟丁基磺酸钾（PFBSK） ，毒理试验、EC 50，LC 50Toxicological Research of PFBSK on Wheat and Rice- Seedling Emergence and Seedling Growth TestYang Fan, Chen Xiaoqian, Yang Jing, Yang Hexing, Yin Haowen*Bioassay and Safety Assessment Laboratory, Shanghai Academey of Public Measurement, Shanghai, 201203Abstract: This
4、experiment selected one of the typical alternatives of perfluorinated compounds: potassium perfluorobutane sulfonate (PFBSK), as the test material, to carried out toxicological studies on two kinds of main grain crop widely planted in China: wheat and rice. The OECD Standard Test Method for testing
5、the substance exposure and the growth of two species. The results show that, for wheat, significantly effects of PFBSK on the seed emergence and seedling growth were showed, the highest concentration on emergence inhibition rate reached 87.5%, fresh weight inhibition rate reached 91.9%, wheat emerge
6、nce endpoint LC50 value is 56.45mg/kg soil (95% confidence interval: 46.68 66.54mg/kg), fresh weight endpoint EC50 value is 45.09 mg/kg soil (95% confidence interval: 32.66 56.02mg/kg). In contrast, the sample has little effect on the rice, the highest concentration on emergence inhibition rate was
7、only 5.5%, fresh weight inhibition rate was only 26.3%. The emergence endpoint of LC50 value and fresh weight endpoint of EC50 were all greater than 100mg/kg. According to the investigation of PFBSK physicochemical characteristics and environment concentration, the main reason for the difference is
8、due to different plant itself is more sensitive to the substance or the physicochemical properties of the medium changed caused by the sample, thus affecting plant growth. In general, the background concentration value of PFBSK is low, has the stable property and weak effects on plants.Keyword: Pota
9、ssium Perfluorobutane Sulfonate (PFBSK), toxicity test, EC50, LC502杨帆：男 博士 毒理学检测工程师殷浩文：男 教授级高工，通信作者全氟辛基磺酸（PFOS）自 1951 年由 3M 公司研制成功以来，其生产和使用已超过 50年，并以其优良的稳定性、表面活性以及疏水疏油性能被广泛用于化工、纺织、涂料、皮革、合成洗涤剂等与生产生活关系密切的产品中。PFOS 具有非常稳定的化学性质，难以被生物体新陈代谢、水解、光解、生物降解。由该类化合物所造成的环境污染范围和污染程度已经远远超出人们的预想，已经在多种生态环境样品、野生动物和人体内都已
10、经检测到全氟类化合物的存在 1,2。研究表明，PFOS 对实验动物及人类可能造成一般毒性、肝脏毒性、神经毒性、胚胎毒性、生殖毒性、遗传毒性及致癌性等 3。基于 PFOS 对人体以及环境的极大危害，2009 年斯德哥尔摩公约将其列入 POPs 名单。各国也相继出台的各项法规和禁令对其生产和使用进行限制。然而，我国仍是 PFOS 生产和使用大国。特别是近年来，随着美国、欧盟等发达国家的相继削减和禁止生产，我国的PFOS 产量迅速增加。研究表明，随着碳链的缩短，全氟化合物的毒性显著下降 4。因此，寻找潜在的替代物并对其进行生态安全性评价，将成为解决上述矛盾、保护环境和人类健康的唯一出路。生态毒理学评
11、估最直接和有效的方法就是对生物个体进行生态毒性效应测试并建立剂量-效应关系。自 1984 年国际经济合作和发展组织（ OECD）制定第一个基于土壤蚯蚓（E. fetida 和 E.andrei）急性致毒效应的测试方法以来， OECD 和国际标准化组织（ISO）已经出版了 20 多种生态毒性效应测试的标准化方法 5。这些测试方法包括了土壤生态系统中三个营养级的生物体：分别是代表初级生产者、消费者和分解者的植物、土壤无脊椎动物和微生物。这其中，植物毒性试验作为生态效应安全性评价的模拟试验方法，具有其他低层次方法无可比拟的优势。化学品环境行为最直观，最强有力的数据来源于模拟试验，模拟试验可为了解化学
12、品在环境中的归趋行为提供更准确、更可靠的基础理论和数据。模拟试验也是化学品风险评价的高层次试验，更接近化学品在环境中的真实情况，对于化学品的持久性判断更加适合。为此，我们选取全氟丁基磺酸钾(PFBSK)作为替代品。以欧盟REAH 化学品注册系统的安全评估方法为基础，采用 OECD 标准方法对替代品进行生态毒理学测试，并对 PFBSK 的理化性质进行调查研究，分析其理化性质及环境归趋特性。1. 材料和方法(Materials and methods)1.1 试验设备：分析天平（METTLER TOLEDO AL 204）；手持式 pH 计（HANNA HI98128）；人工气候箱（ SXM QH
13、X-400BS-III）；照度计（ Testo 545）；总有机碳仪（analytik jena multi N/C 3100）；水份仪 (Moisture analyzer HG 63)。1.2 试验人工土壤：按每公斤比例高岭土：石英砂：泥炭=45：50：5 比例配比土壤，过 0.5 厘米的筛子，去除粗大杂物。1.3 受试植物：分别选用符合“OECD GUIDELINES FOR THE TESTING OF CHEMICALS： Terrestrial Plant Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test，Adopted:19 Ju
14、ly 2006”方法推荐的试验种类，具有代表性、易于培养、敏感及数据丰富。本试验受试植物为小麦和水稻。1.4 试验设计：受试样品添加：样品可溶，采用母液配置后按照比例添加至土壤搅拌，使受试物在土壤中分散均匀。最终基质配置浓度分别为 1.0 mg/kg、10.0 mg/kg、100mg/kg 土。根据“OECD GUIDELINES FOR THE TESTING OF CHEMICALS：Terrestrial Plant 3杨帆：男 博士 毒理学检测工程师殷浩文：男 教授级高工，通信作者Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test，Ado
15、pted:19 July 2006”方法进行试验，2012 年 9 月 28 日试验开始，2012 年 10 月 19 日试验结束。试验期间温度范围为20.222.1，光照周期为 LD=16h8h，光照强度为 350400E/m2/s。所有试验均在人工气候箱内完成，试验种植容器为直径 15cm 塑料容器，每盆人工土壤约 700g。试验中设置 4 个样品组（TS1，TS2 ，TS3，TS4 ）和 4 个对照组（IB1，IB2，IB3，IB4），样品组的配制浓度梯度为 1.0 mg/kg、10.0 mg/kg 、100mg/kg 土。样品组和空白组每组 40 粒种子，分成 4 个平行，每个平行 1
16、0 粒种子，每个浓度为一组。对照组出苗后 14 天结束试验，试验共进行 22d。试验期间，每天观察和记录气候箱温湿度及光照。从空白对照组出苗率达到 50%开始记录各样品组的出苗数，保持植物生长条件所需的水份、温度及光照等条件。试验结束后，按每个试验容器（平行组）计算出苗数，陆上茎叶总鲜重，并最终对比空白组计算 14d 出苗抑制率和 14d 生长抑制率以及幼苗鲜重的 LC50 值和出苗的 EC50 值。统计分析用软件 Toxcalc v5.0.26，Excel 2007 完成。2 结果（result）从试验结果来看，全氟丁基磺酸钾（PFBSK）对小麦出苗和幼苗生长的抑制远超过对水稻的影响。PFB
17、SK 对小麦幼苗鲜重的抑制率在 100mg/kg 浓度组达到了 91.9%（与空白组相比），在 1.0mg/kg 浓度时也达到了 18.6%；对出苗的抑制率在 100mg/kg 浓度组达到了 87.5%（与空白组相比），在 10mg/kg 浓度时达到了 10%，1.0mg/kg 浓度时影响较小，抑制率仅为 2.5%。可以看出，无论对于出苗或生长，受试物对小麦的抑制效应随浓度的增加而增强。与此同时，PFBSK 对水稻幼苗鲜重的抑制率最高只为 26.3%，1.0mg/kg 浓度时抑制率为 10.5%；对出苗的抑制率最高也仅达到 5.5%，甚至在低浓度组 1.0mg/kg 时还出现幼苗生长促进现象，
18、抑制率为负值（见表 1 和 2）。可以看到表 2 中 10mg/kg 浓度组样品对水稻出苗和鲜重的抑制率均为 0，造成这一特殊现象的可能原因将在下一节讨论。通过软件 Toxcalc 的计算，水稻出苗终点和鲜重终点的 LC50 和 EC50 值均大于最高浓度100mg/kg，而小麦出苗终点的 LC50 值为 56.45mg/kg（95%置信区间为：46.6866.54mg/kg），鲜重终点的 EC50 值为 45.09 mg/kg（95% 置信区间为：32.6656.02mg/kg）（见图 1 和 2）。表 1：小麦的出苗和鲜重抑制率重量记录(Records of Weight)小麦重量(wei
19、ght ，mg)IB 1.0mg/kg 10.0mg/kg 100.mg/kg组 1 2100.00 1500.00 1800.00 500.00组 2 2200.00 1900.00 1800.00 100.00组 3 2100.00 1700.00 1400.00 100.00组 4 2200.00 1900.00 1600.00 0.00Average 2150.00 1750.00 1650.00 175.00抑制率（ %） 18.6 23.3 91.9SD（标准偏差） 57.74 191.49 191.49 221.74CV(变异系数) 2.7 10.9 11.6 126.7出苗记录
20、(Records of Emerge)出苗数（个） 小麦4杨帆：男 博士 毒理学检测工程师殷浩文：男 教授级高工，通信作者表 2：水稻的出苗和鲜重抑制率重量记录(Records of Weight)水稻重量(weight ，mg)IB 1.0mg/kg 10.0mg/kg 100.mg/kg组 1 600.00 500.00 500.00 500.00组 2 300.00 400.00 500.00 200.00组 3 400.00 400.00 400.00 300.00组 4 600.00 400.00 500.00 400.00Average 475.00 425.00 475.00 3
21、50.00抑制率（%） 10.5 0.0 26.3SD（标准偏差） 150.00 50.00 50.00 129.10CV( 变异系数) 31.6 11.8 10.5 36.9出苗记录(Records of Emerge)水稻出苗数（个）IB 1.0mg/kg 10.0mg/kg 100.mg/kg组 1 8 8 10 10组 2 9 9 8 6组 3 10 10 10 9组 4 9 10 9 9Average 9.00 9.75 9.00 8.50抑制率（% ） -8.3 0.0 5.5SD（标准偏差） 0.71 0.96 0.96 1.73CV( 变异系数) 7.9 9.8 10.6 20
22、.4图 1 小麦的 LC50 和 EC50 值IB 1.0mg/kg 10.0mg/kg 100.mg/kg组 1 10 9 9 2组 2 10 10 9 1组 3 10 10 8 2组 4 10 10 10 0Average 10.00 9.75 9.00 1.25抑制率（%） 2.5 10.0 87.5SD（标准偏差） 0.00 0.50 0.82 0.96CV(变异系数) 0.0 5.1 9.1 76.65杨帆：男 博士 毒理学检测工程师殷浩文：男 教授级高工，通信作者图 2 水稻的 LC50 和 EC50 值3 讨论(Discussion)根据 2002 年经济合作组织发布的 PFOS
23、 及其盐的危害评价，我们首先对 PFBSK 的理化性质和环境归趋行为进行总结 6（见表 3）。表 3 PFBSK 的理化性质和环境行为理化性质 PFBSK 环境归趋 PFBSK熔点 270.6 C 水解性 不水解沸点 480 C 光解性 不光解蒸汽压 3.86 x 10-6Pa 生物降解性 不降解水溶性(20 0.5C) 49.3mg/L 蓄积性(BCF) 3.16PFBSK 为白色固体粉末，具有高熔沸点、低蒸汽压。根据联合国 GHS 分类导则 7，PFBSK 不具物理危害性。 20C 时，PFBSK 水溶解度为 49.30g/L，极易溶于水，这主要是由于碳链缩短，疏水性减弱，亲水性增强。PF
24、BSK 不发生水解，光解和生物降解，持久性极强，不易分解，主要归因于其稳定的物质结构和组成。C-F 键，它是大自然中最稳定的化学键之一，键能约 110kcal.mol-18。另外，在 290900nm 的波长范围内没有吸收，无法直接吸收光子能量。 通过 BCFBAF v3.00 得到 PFBSK 的 BCF 为 3.16。PFBS 的低蓄积性也被其它研究证实，Martin 等 9研究系列全氟酸类化合物在虹鳟（Oncorhynchus mykiss）中的蓄积和组织分配行为。仅大于 4 个碳的全氟酸才能在血液、肝脏等组织中被检测，Martin 认为短链全氟磺酸和羧酸类化合物并没有明显的生物蓄积性。
25、此外， PFBSK 在环境中的浓度值较低，一般只有 ppb 甚至 ppt 级 10-11，加之其吸附系数 Koc 值仅为222（USEPA EPI Suite PCKOCWIN v1.66 软件计算值） ，因此被认为很难在土壤中吸附累积。不同的土壤生物体, 其暴露途径可能会有一定的差别 12。譬如，土壤微生物主要存在于土壤孔隙水中，因此污染物主要通过孔隙水暴露；而土壤无脊椎动物除直接的表皮接触外，还有大量的吞食暴露；植物则主要通过根系吸收的途径。我们通过实验室的植物毒理学测试，可以获得试验生物个体对化学物质的半数致死(效应) 浓度（L（E）C50）、无效应浓度（NOEC）, 通过这些值来进一步
26、计算该化学物质在土壤生态系统的可预测无效应浓度（PNECsoil），低于 PNECsoil 值表示不会发生不可接受的生态效应。当今，在进行环境介6杨帆：男 博士 毒理学检测工程师殷浩文：男 教授级高工，通信作者质中的化学物质生态风险评估时，直接在生态环境中进行胁迫-毒性效应试验还不太可能，因此绝大多数的评估结果都是基于实验中有限物种的生态毒理学试验得到的 13-15。根据以上对 PFBSK 理化性质的描述和分析可知，该物质对小麦和水稻表现出来的生态毒性效应可能主要归咎于两种植物对该受试物敏感程度和适应性的差异，或有可能由于PFBSK 本身的亲水性较强，样品混入人工土壤后导致培养基吸水性增加，在
27、处理时加入相同水量条件下（每盆 500-600ml 纯水），土壤水分含量对于小麦和水稻的生长影响完全不同，显然水稻更适应在多水环境下生长。模拟试验放大了受试物对植物的浓度效应影响，产生了不同的结果。但在真实环境中，一般条件下不可能存在如此高浓度污染物，即使在本模拟实验条件下的高浓度处理组中，所选受试物对水稻的影响也极其有限。一般情况下，受试物对两种植物出苗和幼苗生长的抑制随浓度的升高而增加，但对于水稻 10mg/kg 浓度处理组的特殊情况，可以解释为样本数量较少，在该组出现了特例。也可能由于在低浓度条件下，受试物对水稻的影响极其有限，对于植物正常生长来说，显现不出抑制效应，甚至有些情况下为促进
28、生长影响。综合以上分析可以判断，PFBSK 在真实环境中的生态毒性效应有限。参考文献1 Lindstrom A B, Strynar M J, Libelo E L, Polyfluorinated Compounds: Past, Present, and FutureJ, Environ. Sci. Technol., 2011, 45(19), 7954-7961.2 Houde M, Silva A O, Muir D C G, et al. Monitoring of Perfluorinated Compounds in Aquatic Biota: An Updated Revi
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