【科研进展】南京大学Water Research:基于太湖流域毒性效应的优先有机磷酸酯及优先控制区识别

Water Research

基于中国太湖流域毒性效应的优先有机磷酸酯及优先控制区识别

文章标题：Identification of priority organophosphate esters and priority control areas based on toxic effects in the Taihu Basin, China

作者：王欣怡 等

单位：南京大学

期刊：Water Research

出版日期：2025 年 11 月 17 日

doi：10.1016/j.watres.2025.124993

有机磷酸酯（OPEs）作为阻燃剂、增塑剂和消泡剂，被广泛应用于家具、塑料、电子设备等各类产品中。随着多溴联苯醚等溴化阻燃剂在全球范围内逐步受限，OPEs 成为其主要替代品之一，产量和应用量急剧增加。但 OPEs 主要通过物理混合方式添加到材料中，易通过磨损、浸出、溶解和挥发等途径释放到环境中，在地表水中被广泛检出。

毒理学研究表明，许多 OPEs 化合物可能对生态系统和人类健康构成潜在危害，包括内分泌干扰效应、神经毒性、发育毒性、生殖毒性和遗传毒性（如 DNA 损伤效应）等。部分 OPEs 已被证实会导致发育和生殖损伤、心脏毒性及神经毒性。

全球范围内 OPEs 污染已被广泛报道，中国作为 OPEs 生产和消费大国，2011 年产量已达 10 万吨，且年增长率为 15%，其在各类环境介质中广泛检出。太湖流域是中国重要经济区，也是 OPEs 阻燃剂的主要生产和使用区域，太湖作为中国第二大淡水湖，是周边地区重要饮用水源地，其水质和生态健康至关重要。该流域西北部入湖区域 OPEs 浓度显著升高，主要污染源来自电子制造和阻燃剂生产等工业活动，且近年还发现了生物累积和生物放大潜力更高的新型 OPEs。

目前 OPEs 的生态风险评估常采用基于浓度的风险商（RQ）法，通过比较实测环境浓度（MEC）与预测无效应浓度（PNEC）来评估生态风险，但该方法缺乏代谢途径、DNA 转录等终点相关毒性数据，仅能基于急性死亡率终点进行风险比较，导致 OPEs 相关的遗传毒性风险和内分泌干扰毒性风险被大量忽视。

地表水中的 OPEs 以混合物形式存在，会对生态环境造成不利毒性风险。基于效应的分析已被证实是识别优先控制化学品的有效方法，通过计算 OPEs 浓度与特定毒性效应的相关性，可识别对毒性效应有显著贡献的优先控制 OPEs。本研究旨在太湖流域开展基于效应的优先 OPEs 识别和基于高效应风险的优先区域筛选，为降低流域生态风险提供支撑。

化学品与材料：选取 13 种 OPEs，涵盖 6 种烷基类（TMP、TBP、TEP、TBOEP、TEHP、TPP）、3 种芳香族类（TPHP、TMPP、EHDPP）和 4 种卤代类（TCEP、TCIPP、TDCIPP、TDBPP），均为环境中频繁检出的类型。实验所用 Oasis HLB 固相萃取小柱、HPLC 级甲醇、二氯甲烷等试剂均来自对应专业供应商。

采样区域与采样：采样区域位于中国江苏省东南部的太湖流域，以望虞河、新孟河为支流，该区域受渔业、航运和休闲活动等人为影响显著，且望虞河和新孟河区域存在大型工业区，对太湖影响较大。2024 年 5 月，使用高密度聚乙烯瓶（HDPE）采集 79 个地表水样，每条河流设置 2-4 个采样点以保证代表性。采样前用河水冲洗 HDPE 瓶两次，在指定采样深度（0.5-1 m）完全装满，密封后用冰袋保存并尽快运回实验室，所有样品调节至 pH 约 3.0，4℃冷藏至预处理。

样品提取与仪器分析：水样经 0.45 μm 玻璃纤维滤膜过滤后，采用固相萃取（SPE）系统（Autotrace 280）结合 Oasis HLB 小柱进行富集，具体 SPE 方法详见补充材料。样品最终浓缩 1000 倍至 1 mL，经 0.22 μm PTFE-Q 滤膜过滤后，于 - 20℃保存待分析。采用超高效液相色谱 - 三重四极杆质谱联用仪（UPLC-TQ-MS）进行检测，使用 C₁₈色谱柱（1.7 μm，2.1×100 mm），柱温 35℃，流动相为超纯水（A 相）和甲醇（B 相），梯度洗脱，流速 0.3 mL/min，质谱采用正电喷雾电离模式和多反应监测（MRM）模式。

雌激素活性评估：采用生物发光酵母报告菌株（BLYES）评估提取水样的雌激素活性，该菌株是整合了编码人雌激素受体 α（hERα）基因序列的转基因酿酒酵母。通过 log-sigmoidal 模型拟合 17β- 雌二醇（17β-E2）的浓度 - 效应曲线，以生物测定得出的 17β-E2 当量浓度（EEQ，ng/L）量化水样的雌激素活性，该指标直接反映样品的总内分泌干扰效应。

细菌回复突变试验：使用鼠伤寒沙门氏菌 TA98 和 TA100 组氨酸营养缺陷型菌株，菌株于 - 80℃保存，使用前经平板分离、纯化和富集。以 4 - 硝基喹啉 - 1 - 氧化物（4-NQO）为阳性对照，采用 Vogel-Bonner E 培养基等相关试剂。通过生物测定得出的 4-NQO 当量浓度（NEQ，ng/L）量化水样的 DNA 损伤效应；对于单一 OPEs，用米氏方程拟合浓度 - 响应曲线，将突变倍数达到 2 时的最低浓度定义为无观察到 DNA 损伤效应浓度（NOEC），并通过 NOEC 除以评估因子（AF=100）得出遗传毒性预测无效应浓度（PNEC）。

质量保证与质量控制：整个实验过程中执行严格的质量保证和质量控制程序，通过添加不同浓度的混合标准溶液完成化学回收率测试，目标化学品回收率在 9.7%-110.5% 之间，所有化学品在不同基质中的相对标准偏差（RSD）均低于 10%。仪器用 8 个浓度梯度（0.1、0.5、1、2、10、50、100、200 μg/L）进行校准，所有 OPEs 的校准曲线相关系数 R²>0.99。每批采样均分析仪器空白、过程空白、空白加标和基质加标，每 10 个样品后插入甲醇溶剂空白和 10 μg/L 校准标准品，确保仪器灵敏度。

统计分析：数据以平均值 ± 标准差（mean±SD）表示，采用单因素方差分析（ANOVA）比较不同区域的毒性效应水平和目标 OPEs 浓度差异；采用 Spearman 相关分析评估 OPEs 浓度与毒性效应的关联，计算 Spearman 等级相关系数（ρ）及其对应的原始 p 值，并通过 Benjamini-Hochberg 方法调整 p 值以控制错误发现率（FDR），FDR 调整后 p<0.05 为差异有统计学意义。所有相关图表采用 Origin 2023b 软件生成，统计分析采用 R 语言（4.3.0 及以上版本）完成。

1. 单一 OPEs 的毒性效应

遗传毒性：13 种 OPEs 中有 7 种（TCIPP、TPHP、TMPP、EHDPP、TDCIPP、TDBPP、TCEP）能显著诱导基因突变，可拟合出剂量 - 效应曲线，其余 6 种在实验浓度范围内未观察到明显的基因突变诱导效应，暂判定为遗传毒性阴性。TCIPP、TPHP、TMPP 等剧毒化合物在低浓度下效应快速上升，其 NOEC 分别为 4 ng/L、6 ng/L、6.5 ng/L，低于阳性对照 4-NQO 的 NOEC（4.8 ng/L），表明 TCIPP 是毒性最强的 OPEs；而 TCEP、TDBPP、TDCIPP 的 NOEC 较高，遗传毒性相对较弱。基于 PNEC 的遗传毒性排序为：TCIPP（0.04 ng/L）> 4-NQO（0.048 ng/L）> TPHP（0.06 ng/L）> TMPP（0.065 ng/L）> EHDPP（0.1285 ng/L）> TDCIPP（0.492 ng/L）> TDBPP（1.921 ng/L）> TCEP（4.083 ng/L），表明 TCIPP 具有最高的环境遗传毒性风险阈值。

雌激素活性：在 1-10000 ng/L 的实验浓度范围内（涵盖地表水中 OPEs 的常见暴露水平和潜在高暴露场景），13 种 OPEs 均未表现出显著的雌激素活性，与浓度之间无剂量 - 效应关系，推测原因是该实验中的酵母仅异源表达单一受体，无法激活或转化 OPEs 为雌激素代谢物，因此未产生荧光效应。

2. 水样中 OPEs 混合物的毒性

毒性效应与 OPEs 浓度的相关性：芳香族 OPEs 和卤代 OPEs 与遗传毒性呈较强正相关（ρ 分别为 0.56 和 0.44），表明二者可能是太湖流域地表水样高遗传毒性（DNA 损伤效应）的关键贡献者；而所有 OPE 类别与内分泌干扰毒性（EDT）的相关性均较弱，提示观测到的 EDT 可能来源于其他未知化学品。

OPEs 在太湖流域的时空分布特征：TCEP、TCIPP、TEP、TPP、TBP 这 5 种物质的检出频率（DF）≥84%（TCEP 达 99%），浓度水平相对较高（TCIPP 平均浓度最高，为 33.96 ng/L；TEP 最高浓度达 190.40 ng/L）；TDCIPP、TEHP 等 6 种物质的 DF 在 32%-78% 之间，浓度多为中低水平；TDBPP 和 EHDPP 的 DF≤9%（EHDPP 仅 3%）。15 个太湖入湖河口中，6、10、7 号河口的总 OPEs 浓度最高（分别为 200、156、148 ng/L），卤代 OPEs 占主导（80%-90%），烷基 OPEs 占 10%，芳香族 OPEs 可忽略不计，其中 TCEP 和 TCIPP 是主要卤代 OPEs；新孟河地区的丹金溧漕河总 OPEs 浓度最高（203.21 ng/L），其次是太滆运河（181.15 ng/L），望虞河地区浓度整体较低，工业区峰值为 116.68 ng/L。

总 OPEs 浓度对比：太湖入湖河口平均浓度（101.5 ng/L）低于中国北方辽河（560 ng/L），略高于中国南方闽江（100 ng/L）；望虞河（102.18 ng/L）和太浦河（103.09 ng/L）的浓度接近中国东部河流范围（167-320 ng/L），高于美国伊利湖（95.9 ng/L）；新孟河（102.95 ng/L）和黄溧河（99.36 ng/L）的浓度低于中国东部长江（320 ng/L）和加拿大河流（790-8100 ng/L）。太湖流域 OPE 水平低于部分德国和美国河流，但高于西班牙和瑞典河流。

3. 优先控制 OPEs 识别

水样总毒性：高遗传毒性区域集中在太湖西部和北部入湖河口，其中 4 号河口总遗传毒性最高，达 3774 ng/L；太浦河和望虞河部分站点表现出中等遗传毒性；丹金溧漕河、新孟河等河流的遗传毒性普遍低于 100 ng/L。内分泌干扰毒性在太湖 7 号河口（207.8 ng/L）和新孟河（182.1 ng/L）较高，但与 OPEs 无显著相关性。

OPEs 贡献的遗传毒性：OPEs 诱导的遗传毒性最高值出现在太湖 T15 采样点（471.8 ng/L），对应 10 号河口（430 ng/L）；太湖西北部入湖河口的 OPEs 计算遗传毒性当量浓度（SEQ）低于实测总遗传毒性当量浓度（TEQ），表明 7 种 OPEs 仅部分贡献遗传毒性，其余源于未知化学品；望虞河和新孟河地区 OPEs 是总遗传毒性的主要贡献者，太浦河 OPEs 贡献约 50%。

优先控制 OPEs 确定：基于 79 个采样点 OPEs 的计算遗传毒性当量浓度排序和累积概率分布曲线分析，结合 NEQs 和检出频率两个标准，确定 TCIPP 和 TCEP 为太湖流域最受关注的两种 OPEs。TCIPP 检出频率 95%，区域遗传毒性最强；TCEP 检出频率 97.5%，NEQs 也相对较高。7 种 OPEs 的遗传毒性排序为：TCIPP > TCEP > TMPP > TPHP > TDCIPP > TDBPP > EHDPP，因此 TCIPP 被确定为太湖流域的优先控制 OPEs。

4. 优先控制区域筛选

基于生态风险的筛选：采用风险商（RQ）法评估 OPEs 对鱼类、藻类和水蚤的生态风险，新孟河地区的总 RQ（0.04-0.24）显著高于入湖河口（0.00-0.02）和望虞河地区（0.00-0.03），但所有 79 个样品的总 RQ 均远低于 1（最高值为 X31 站点的 0.24），表明太湖流域 OPEs 对鱼类、藻类和水蚤的短期生态风险较低。

基于遗传毒性风险的筛选：太湖西北部入湖河口为高风险区域，4、7、10、11 号河口的风险商最高，分别为 1610、1680、2090、1770；主要入湖河流（望虞河，818）、主要出湖河流（太浦河，1000）及附近工业区溪流的总 RQ 均远超 1，是污染物进入太湖的主要通道；东部河网风险相对较低，但丹金溧漕河（620）、新孟河（991）的 RQ 仍远超过安全阈值（RQ>1），且该风险几乎完全由 TCIPP 贡献。所有遗传毒性 RQ 值均超过 1，表明地表水中 OPEs 的环境浓度已超过安全阈值，对水生生物存在潜在基因突变风险。

单一 OPEs 的毒性特征：本研究通过统一的遗传毒性检测终点（突变倍数≥2 判定为具有遗传毒性），获得了 13 种 OPEs 的统一毒性数据，可直接用于科学评估 OPEs 造成的遗传毒性风险。而现有毒性数据库中 OPE 毒性数据存在端点不统一、缺乏可比性的问题，其毒性终点多集中于不同鱼类的转录组表达异常，且无统一的效应判定标准，导致风险评估结果无法科学合理地评价 OPEs 的潜在风险。

OPEs 混合物的毒性贡献与分布规律：芳香族 OPEs 和卤代 OPEs 与太湖流域地表水中的遗传毒性高度相关，是该区域遗传毒性的主要贡献者，这与单一 OPEs 体外测试得出的基于 PNEC 的遗传毒性结果一致。OPEs 在太湖流域的分布呈现明显的区域差异，西北部入湖河口和部分工业区河流的浓度较高，主要与该区域的工业活动（电子制造、纺织、塑料加工等）密切相关，这些区域的 OPEs 排放量较大，且受水流、稀释能力等因素影响，污染物易富集。

优先控制 OPEs 与区域的科学依据：TCIPP 之所以被确定为优先控制 OPEs，主要因其具有最强的遗传毒性、较高的检出频率和广泛的毒性贡献，对流域生态系统的潜在风险最大。太湖西北部入湖河口因 OPEs 浓度高、遗传毒性风险突出，成为优先控制区域，这些区域的污染控制对降低整个太湖流域的 OPEs 生态风险至关重要。

生态风险评估的局限性：基于死亡率的传统 RQ 评估模型显示 OPEs 的短期生态风险在可接受范围内（RQ<1），但本研究的体外证据表明 OPEs 可诱导生物体显著的 DNA 损伤，这种遗传毒性效应是传统 RQ 评估未捕捉到的慢性健康终点，提示仅依靠鱼类、藻类和水蚤的死亡率可能会低估 OPEs 的真实环境风险，未来需要更全面地考虑 OPEs 的慢性毒性效应。

研究局限性：本研究仅关注了 13 种常见 OPEs，可能遗漏了其他潜在高毒性 OPEs；采样仅在 2024 年 5 月进行，缺乏时间动态数据，无法反映 OPEs 浓度和毒性的季节变化；细菌回复突变试验和生物发光酵母试验均为体外测试，其结果与实际水生生态系统中的毒性效应可能存在差异；未明确 OPEs 与其他污染物的联合毒性效应。未来研究应扩大 OPEs 的检测范围，开展长期连续监测，结合体内毒性测试和现场观测，深入探究 OPEs 的生态风险及联合毒性机制。

本研究对太湖流域 79 个地表水样采样点进行调查，基于地表水的毒性效应识别出优先控制 OPEs 和优先控制区域。13 种单一 OPEs 中，7 种（芳香族和卤代 OPEs）具有遗传毒性，其中 TCIPP 的遗传毒性最强，而所有 OPEs 均未表现出显著的雌激素干扰效应。

太湖流域地表水样中检测到遗传毒性和雌激素内分泌干扰效应，卤代 OPEs 和芳香族 OPEs 与地表水中遗传毒性的分布高度相关，所有 OPEs 与雌激素干扰效应的相关性较弱。卤代 OPEs 是太湖流域分布的主要毒性 OPEs，西北部入湖河口的卤代 OPEs 检出浓度最高达 182.40 ng/L，主要成分为 TCIPP（最高 89.10 ng/L）和 TCEP（最高 145.90 ng/L）。

太湖流域 OPEs 的遗传毒性排序为：TCIPP > TCEP > TMPP > TPHP > TDCIPP > TDBPP > EHDPP，其中 TCIPP 被确定为太湖流域的优先控制 OPEs；太湖西北部入湖河口的遗传毒性风险最高，是太湖流域的优先控制区域。

这种基于毒性效应风险评估的 “优先物质识别与优先区域筛选相结合” 的方法，为降低太湖流域的生态风险提供了科学依据，也为类似流域的 OPEs 污染控制和环境管理提供了参考。