六溴环十二烷环境污染及毒性研究

摘要：随着持久性有机污染物研究的进展，溴代阻燃剂逐渐引起人们的关注。六溴环十二烷（HBCD）是溴代阻燃剂中产量及应用范围非常显著的一种手性物质。作为持久性有机污染物的一种，HBCD在环境中已有检出，并且不同异构体之间在环境中的存在方式及富集程度存在差异性，此外，HBCD不同异构体对不同生物体产生的毒性也呈现差异性。本文对HBCD的研究现状及毒性进行阐述，为以后的研究提供新的方向。

关键词：六溴环十二烷；异构体；富集分布

一、HBCD的背景及性质

当前社会，阻燃剂的应用提高了可燃材料的耐燃性，阻燃剂的类型包括有机和无机阻燃剂。其中溴代阻燃剂（BFRs）占很大一部分，175种阻燃剂中大约有75种是溴代阻燃剂。六溴环十二烷（Hexabromocyclododecane，HBCD）是一种含有多溴基的脂环族阻燃剂，其产量仅次于多溴联苯醚(PBDEs)和四溴双酚A（TBBPA），由于其加入对参与组成的物质材料的物理性质等方面影响小，并且在材料中存在的含量小，被广泛地应用于电子产品、塑料产品以及纺织业、建筑业等。2012年10月HBCD被列入《斯德哥尔摩公约》受控名单中，2013年5月《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》正式将HBCD纳入，并且我国于2016年年底宣布禁止HBCD的生产、消费和贸易。然而，在一些特定的情况下，HBCD仍然要被使用到2024年。HBCD由于溴原子的空间取向不同，包括16种可能的立体异构体。商品HBCD混合物（t-HBCD）主要包括三种非对映异构体，即α-HBCD（10%~13%)、β-HBCD（1%~12%)和γ-HBCD（75%~89%），以及其他痕量非对映异构体（δ-和ε-HBCD），每一种异构体都包括一对对映体。

二、HBCD的污染现状

1.HBCD在非生物介质中的分布。作为持久性有机污染物的一种，HBCD可以在生物体中积累并进行远程运输，具有持久性、半挥发性和高毒性等特征，可以在大气、尘土、土壤、沉积物、水体以及生物体内检测出来。有研究发现HBCD分布在包括家庭、办公室等微环境以及外界环境的空气中。而室内HBCD的污染主要与电子设备、泡沫家具、合成床垫等显著相关；同样，针对室外的检测结果表明，工业园区附近的空气检测到的HBCD浓度最高，要高出城市地区3倍，并随气流进行远距离运输。由于具有强疏水性、低蒸汽压等特性，HBCD在空气中往往以气态成分存在，大部分和空气中的颗粒物进行不同程度的结合，气相中γ-HBCD占主要成分（63.8%~75.1%)，而颗粒中则以α-HBCD为主（41.5%~59.1%)。其中γ-HBCD是室内空调过滤粉尘中最丰富的异构体。而气体中HBCD异构体所占比的不同可能取决于工业产品中各组分的相对含量，以及不同温度条件下三种异构体的相互转化。由于HBCD与塑料或纺织品没有化学结合，并且其生物降解性较低，在生产、使用或处置这些物质的过程中，HBCD可以从其表面分离并释放出来，并在环境中积累。然而由于HBCD是极疏水性/亲油性化合物，其在淡水水样中很少能够检测出来，而土壤由于辛醇-水分配系数高、水溶解度低、蒸汽压低，HBCD可以通过空气和水的运输，最终到达或富集到土壤中，土壤成为PBDEs、HBCD和其他溴代阻燃剂的主要蓄水池。在表层土壤中HBCD的含量均值为122.57ng•gdw-1左右，而在工厂附近的浓度高达6901ng•gdw-1，垃圾倾倒点则汇集来自生活中的未知物质中的HBCD，浓度达到60.74ng•gdw-1。此外，土壤中的HBCD含量还和风向及土壤垂直剖面深度有关，下风向浓度高于上风向，HBCD随剖面垂直深度的增加而降低。γ-HBCD在土壤中的含量高于另外两种对映体。2.HBCD在生物介质中的分布。空气、水质及土壤中的HBCD会被动植物吸收和富集，并通过不同等级的生物链最终到达人体。不同异构体具有不同的极性值、偶极矩值和水溶性，这会导致其在环境中的稳定性和生物吸收速率存在不同，使得三种异构体在不同生物体及不同组织中的富集、转化存在差异性。通过对鲫鱼的研究发现，HBCD存在于鱼体所有的组织中，其中α-HBCD是最主要的立体异构体，并且在肝脏中α-HBCD占总HBCD的比率为90%，远高于鱼卵组织中的比例（79%）。同样，鲤鱼不同组织中α-HBCD占比同样是最高的，并且存在着（+）α-HBCD和（+）γ-HBCD的选择性富集，而β-HBCD没有显示出明显的对映选择性。生活中人们主要通过饮食和粉尘摄入暴露于HBCD。通过呼吸和皮肤接触对HBCD进行摄入，Abdallah等通过使用3D人皮肤等效物，来评估人皮肤对某些溴化阻燃剂的吸收，其结果发现皮肤对HBCD三种异构体的渗透系数为γ-HBCD>β-HBCD>α-HBCD。此外人体的体液组织中也能够检测出HBCD。在不同的地区，人体血液中的HBCD含量检测0.46~3.1ng•g-1不等，并且在聚苯乙烯工厂工作的工人体内血液中HBCD的含量相对更高，处于6~856ng•g-1，三种异构体中α-HBCD在血液中占总HBCD的比率最大。和血清或血浆相比，母乳的脂质含量较高，亲脂性的持久性有机污染物更容易在人体脂含量高的部位富集。我国北京地区人体母乳中总HBCD含量在检出限到78.8ng•g-1范围内不等，并且α-HBCD是三种同分异构体中最为丰富的。此外，在比利时肥胖个体的内脏脂肪和腹部皮下脂肪中均检测到HBCD，在胎儿肝脏中HBCD的浓度范围为检出限到4500ng•g-1（脂肪），胎盘组织中的检测范围为检出限到5600ng•g-1（脂肪）。植物通过呼吸作用及自身根系的吸收，从空气和土壤中获得养分的同时，也会将介质中的HBCD富集到体内，和动物体内的富集趋势相似，α-HBCD也是植物体内首要富集的物质。在小麦根和茎中的富集呈现的顺序为α-HBCD>β-HBCD>γ-HBCD，其中α-HBCD和γ-HBCD的（-）-对映体和（+）-β-HBCD被选择性的积累，而白菜和萝卜茎组织中HBCD的积累大小顺序为α-HBCD>γ-HBCD>β-HBCD。此外，有些植物不同组织中对于HBCD不同对映体的积累也存在一定的差异，玉米根部和地上部三种异构体积累程度分别为：β-HBCD>α-HBCD>γ-HBCD、β-HBCD>γ-HBCD>α-HBCD。这种优先易位可能是由于单个HBCD异构体不同的立体化学性质以及植物体内摄取和运输的生理机制的相互作用。此外，关于藻类对于HBCD的富集的研究显示：盐藻中的积累趋势为α-HBCD>β-HBCD>γ-HBCD，而在斜生栅藻中为β-HBCD>α-HBCD>γ-HBCD，在藻类中未观察到斜生栅藻从β-HBCD或γ-HBCD到α-HBCD的生物异构化。

三、HBCD毒性的研究现状

1.HBCD对动物及细胞毒性的研究。关于动物实验发现，HBCD通常可导致慢性毒性作用，如细胞毒性、神经毒性、肝毒性、生殖发育毒性和致畸性，会影响甲状腺分泌及能量代谢等过程，也会诱导基因的表达甚至DNA断裂。HBCD的暴露会影响小鼠对多巴胺的依赖行为，损伤小鼠听力，导致小鼠红细胞数和血红蛋白数增加，引发轻微型肾病，卵巢中卵泡减少，脾脏细胞增殖显著下降以及甲状腺有轻度的滤泡肥大等多种器官问题，其中甲状腺所受的影响最为显著，小鼠甲状腺轴受到破坏导致其激素的分泌受到干扰。HBCD的暴露还会对生物体的生长发育产生损害，并降低生物体内ATP含量及降低相应ATP合成酶、电子呼吸链中的酶的活性。HBCD会破坏生物体细胞内的氧化平衡，诱导体内大量活性氧簇（ROS）的生成，使生物产生氧化损伤，并且不同异构体之间对于动植物体的毒性效应也存在差异。有报道称HBCD异构体会诱导斑马鱼体内产生ROS，进而诱导细胞凋亡，并且毒性大小为γ-HBCD>β-HBCD>α-HBCD。目前关于HBCD影响动物体内基因表达的研究比较完善。暴露在HBCD下的蚯蚓的生长受到了抑制，并且抗氧化相关的超氧化物歧化酶（SOD）、热应激蛋白70（Hsp70）转录水平均发生了上调。此外，在HBCD暴露下，活性斑马鱼、蚯蚓体内超氧化物歧化酶（SOD）基因的表达量上升。HBCD通过影响SOD-3对秀丽隐杆线虫呈现慢性毒性，并促进细胞凋亡基因的表达。在HBCD对细胞毒性方面有人研究发现，HBCD会诱导HepG2细胞中ROS的生成以及乳酸脱氢酶（LDH）的释放，使细胞产生氧化损伤，异构体的毒性大小为γ-HBCD≥β-HBCD>α-HBCD，并且（-）毒性要高于（+）。也有研究稍有差异，HBCD异构体对HepG2细胞的毒性大小为γ-HBCD≥β-HBCD>α-HBCD。对人肝癌细胞HepG2进行毒性方面的研究发现，随着HBCD浓度的增加，人肝癌细胞HepG2内的微核率逐渐增加，意味着染色体断裂、分离和畸变率逐渐变化。2.HBCD对植物毒性的研究。当前关于HBCD异构体对动物及细胞损伤的研究表明，γ-HBCD的毒性更高，对于植物体影响的研究则呈现不同的结果。WuTong等的研究表明HBCD可能会破坏种子淀粉或抑制淀粉酶活性，进而对种子的萌发起到一定的抑制作用，并且会诱导羟自由基和组蛋白H2AX磷酸化，使玉米体内产生氧化应激和DNA双链断裂。此外，在HBCD胁迫下，拟南芥基因总表达量发生了显著变化，氧化磷酸化和光合磷酸化参与能量代谢以及核糖体相关途径均受到不同程度的影响。对于异构体及其对映体来讲，α-HBCD和γ-HBCD均会不同程度诱导玉米体内SOD及过氧化氢酶（CAT）等酶类抗氧化物质的活性，并且（+）构型的毒性要明显高于（-）构型的。此外，HBCD还能以基因特异性和非对映异构体特异性的方式影响细胞色素P450（CYP）的表达和细胞色素P450亚酶、EROD的活性，α-HBCD、β-HBCD、γ-HBCD会抑制cyp1a的表达，但增强cyp1b1和cyp1c1的表达，并且对同一CYP基因的影响程度呈浓度依赖性。

四、展望

当前关于HBCD的研究，主要集中在HBCD在不同区域介质中的分布及转化，以及在不同生物体中的富集分布，关于检测HBCD的方法及对其分布的研究已经足够完善和全面。相关HBCD毒性研究的关注点主要集中在动物体发育和人体细胞方面，针对其对植物毒性的研究很少，尤其是异构体及对映体水平上对植物影响的研究还有待完善，对植物基因水平的影响程度及机制还有待发现。作为生态系统中的第一营养级的植物，对污染物的吸收、转化和富集起着重要作用，研究HBCD对植物的毒性具有深远意义。

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作者:李 蝶 罗湘南 武 彤 张亚杰 张 南 单位:河北科技大学