鄔明霞 楊柳 陸依雯 孟祥天 依成武

摘要：PPCPs作為一類新興環(huán)境污染物，造成的影響已日益嚴(yán)重，其典型物質(zhì)——壬基酚（ NP ）是烷基酚類化合物中最有代表性的環(huán)境激素?，F(xiàn)通過強(qiáng)電離（SID）介質(zhì)阻擋放電法，同時結(jié)合斑馬魚幼魚暴露實(shí)驗(yàn)，分析·OH氧化降解NP的毒理學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SID法最優(yōu)降解條件為電壓：3.2 kV、氧氣流速：5L/min，此時NP在60min時降解率可達(dá)99%;降解率隨NP初始濃度升高而降低;低濃度NP（20微克每升）能顯著提高斑馬魚雌魚的占比（76%），高濃度NP（200微克每升）則影響不大;NP對斑馬魚的生長發(fā)育呈現(xiàn)低（20微克每升）促高（200微克每升）抑的效果;此外，NP初始濃度為5毫克每升 的組降解30min后對斑馬魚生長發(fā)育有明顯抑制作用，而60min 組對斑馬魚的影響與對照組無顯著差距，進(jìn)一步證明SID確實(shí)能有效降解NP，并緩解其生物毒性。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)電離放電、壬基酚、斑馬魚、毒理學(xué)

1 引言

藥物及個人護(hù)理品 （Pharmaceuticals and personal care products，PPCPs）是一類新興的環(huán)境污染物。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，PPCPs被大量生產(chǎn)使用，且隨各類廢水排放多途徑進(jìn)入水環(huán)境中，在自然環(huán)境中逐漸積累，會造成慢性毒性，對人體健康和生態(tài)環(huán)境安全構(gòu)成潛在威脅[1]。PPCPs中典型代表物質(zhì)——壬基酚（NP）結(jié)構(gòu)與雌二醇類似，可通過與雌二醇競爭，結(jié)合雌二醇受體，從而干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)，對機(jī)體多系統(tǒng)產(chǎn)生毒害作用。同時，水體中微量的NP可通過水生生物食物鏈進(jìn)入魚體，富集在生物體內(nèi)，對水生魚類產(chǎn)生毒害作用。斑馬魚的內(nèi)分泌、生殖、神經(jīng)系統(tǒng)以及發(fā)育模式和典型脊椎動物十分類似，加之遺傳背景清晰，基因組測序也已完成。因此，斑馬魚常常作為雌激素效應(yīng)檢測的模式生物[2]。

本研究以NP作為靶標(biāo)污染物，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，通過電子自旋共振（Micro ESR）實(shí)驗(yàn)證明，SID 過程中產(chǎn)生了大量的羥基自由基（·OH）和臭氧（O3）等活性粒子。同時以20天齡的幼魚為研究對象，進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)，記錄第90天的斑馬魚體長體重變化和性別比，分析其生長發(fā)育所受影響。本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處在于，從分子生物學(xué)方面探索NP經(jīng)強(qiáng)電離放電降解前后的水環(huán)境毒性效應(yīng)，建立其毒理學(xué)模型。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置以電介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器（DBD）為核心，氣—液循環(huán)系統(tǒng)提供動能、高壓高頻電源提供能量、電監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)。通過高頻高壓電源將工頻電壓220V/50Hz轉(zhuǎn)換成2.5～4 kV/15kHz～23 kHz的高頻電壓，并輸入到DBO發(fā)生器，將原料O2進(jìn)行電離，從而激發(fā)產(chǎn)生·OH、O3、·O等大量活性粒子。最后通過文丘里噴嘴被注入水相，與水分子發(fā)生反應(yīng)，形成以羥基自由基為主的活性物質(zhì)。

羥基自由基（·OH）具有強(qiáng)氧化性， 氧化電位高達(dá)2.80 V， 僅次于氟的氧化電位2.87 V;且·OH 能無選擇、直接與有機(jī)污染物發(fā)生親電加成、脫氫、電子轉(zhuǎn)移等反應(yīng)，發(fā)生快速的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而將廢水中難降解有機(jī)污染物，降解成CO2、H2O等無害小分子有機(jī)物和無機(jī)物 [3]，達(dá)到凈化有機(jī)物的目的。

2.2 試劑與儀器

2.3實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 NP降解分析

分別設(shè)置四組初始質(zhì)量濃度不同（5、10、15、20毫克每升）的含NP廢水，通過強(qiáng)電離（SID）介質(zhì)阻擋放電法進(jìn)行降解處理。利用紫外-可見分光光度計對不同時間（0、5、10、20、30、45、60min）的水樣進(jìn)行全波段掃描并進(jìn)行記錄處理整理，確定其最大吸收波長及濃度變化。

2.3.2斑馬魚毒性試驗(yàn)

選取180尾健康、無病害的20天齡斑馬魚，分別平均放入6 組處理組中：空白組，溶劑（甲醇）對照組，NP 低劑量組（20微克每升），NP 高劑量組（200微克每升），NP降解30min組（5 毫克每升），NP降解60min組（5 毫克每升）。每組設(shè)置三個平行，雌雄混合養(yǎng)殖，暴露于對應(yīng)濃度70天。在日常養(yǎng)殖中，應(yīng)注意用具的使用衛(wèi)生。暴露期間記錄斑馬魚畸形及死亡情況，暴露實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別測量記錄各組體長、體重與雌雄比;

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置性能

SID體系中，·OH以及各活性粒子是消除NP的關(guān)鍵氧化劑，主要是由O2通過放電間隙被電離而產(chǎn)生。本實(shí)驗(yàn)選擇出最優(yōu)降解條件為電壓：3.2 kV，氧氣流速：5L/min。往水樣中加入DMPO用以捕獲實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的自由基，根據(jù)其ESR圖譜可以·OH的特征峰，計算可得·OH濃度約為0.019mmol·L-1。

3.2 NP降解分析

3.2.1 不同初始濃度NP降解分析

根據(jù)降解曲線圖2可看出，隨著壬基酚初始濃度升高，SID降解率在降低。5毫克每升的實(shí)驗(yàn)組降解率為四組中最大，且在30min時，此組NP降解率已將近95%，60min時降解率可達(dá)99%。四個實(shí)驗(yàn)組的降解率在30min之后均明顯減緩，到60min時，降解速率基本不變，說明降解達(dá)到最大值。由上分析可知，SID法降解NP效率，隨NP初始濃度升高而降低;四組實(shí)驗(yàn)中降解率最低組，在60min時也能達(dá)88%左右，說明強(qiáng)電離（SID）介質(zhì)阻擋放電法確實(shí)是一種能高效、快速降解NP的方法。

3.3斑馬魚毒性試驗(yàn)

3.3.1 NP對斑馬魚體長體重及雌雄比的影響

暴露期間各組均未出現(xiàn)明顯的畸形與死亡現(xiàn)象。性別分化方面，90d暴露后，空白對照組和高濃度組（200微克每升）斑馬魚雌雄比例接近1：1，低濃度組（20微克每升）斑馬魚雌魚的占比顯著提高（76%），30min組和60min組的雌魚占比分別為56%和60%，似乎NP的毒性劑量對斑馬魚性別分化并沒有明顯正相關(guān)的關(guān)系。以往學(xué)者的研究也顯示，性別比例雖然受到激素水平調(diào)控，但同時還受到其他多方面影響的制約[4]。

各組斑馬魚的體長體重如下圖3所示。從體長體重角度可發(fā)現(xiàn)低濃度組（20微克每升）和60min組對斑馬魚的生長發(fā)育有少量促進(jìn)效果，而高濃度組（200微克每升）和30min組則顯著抑制了斑馬魚的生長發(fā)育。由此可推斷NP對斑馬魚的生長發(fā)育呈現(xiàn)低促高抑的效果;且再次證明強(qiáng)電離放電處理含NP廢水，降解效果顯著。

4 總結(jié)

本研究主要通過單因素實(shí)驗(yàn)，探究強(qiáng)電離（SID）介質(zhì)阻擋放電法對不同初始濃度NP的去除效果，并結(jié)合斑馬魚的毒理學(xué)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：（1）隨著氧氣流量的增大，·OH濃度先增大后減小;隨著電壓的增大，·OH濃度逐漸增大后趨于穩(wěn)定。（2）隨著壬基酚初始濃度升高，SID降解率在降低。SID技術(shù)對污水中NP的表觀去除率在30min時就已表現(xiàn)明顯，在60min時達(dá)到最大值（99%）。（3）壬基酚對斑馬魚生長發(fā)育有較大影響，高濃度壬基酚（200微克每升）能顯著抑制斑馬魚的生長發(fā)育。而較低濃度壬基酚（20微克每升）則能大幅提高斑馬魚性別分化過程中的雌魚占比。這些問題隨著NP濃度的升高也愈發(fā)凸顯。（4）斑馬魚毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)組對照顯示SID法降解含NP（5毫克每升）污水30min后，其影響與200微克每升組接近。降解60min后與對照組幾無區(qū)別，可以推測SID技術(shù)降解NP的過程中并未出現(xiàn)毒性更大的中間體，且基本可以完全降解，對緩解NP的環(huán)境毒性起到極大作用。

參考文獻(xiàn)

[1]范家誠，崔曉瑩，武亞男，李正炎.雌二醇、壬基酚和三丁基錫對斑馬魚雌激素響應(yīng)基因表達(dá)的影響[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，49（11）：66-73.

[2]Segner H. Zebrafish as a model organism for investigating endocrine disruption[J].Comparative Biochemistry and Physiology Part C：Toxicology and Pharmacology，2009，149（2）： 187-195.

[3]潘繼生，鄧家云，張棋翔，閻秋生.羥基自由基高級氧化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展綜述[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，36（02）：70-77+85.

[4]沈萬赟. 雙酚A、壬基酚慢性暴露對斑馬魚（Danio rerio）生長和生殖影響的研究[D].華東師范大學(xué)，2007.

作者簡介：

鄔明霞（1999.09-），女，漢族，云南昆明人，學(xué)生，本科生，主要從事強(qiáng)電離放電降解壬基酚的毒理學(xué)研究。

通訊作者簡介：依成武（1966.08-），男，漢族，遼寧大連人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事強(qiáng)電離放電降解環(huán)境有機(jī)污染物研究。