浅谈增塑剂DEHP生物毒性及控制策略的研究进展

　　1 DEHP 的毒性及机制
　　DEHP 可通过食物链在生物体内富集，可经口、皮肤、静脉注射、呼吸道等途径进入人体，对人体造成危害。大量实验数据证明DEHP 具有生殖毒性、肝脏毒性、免疫毒性、神经毒性和致癌性等，是环境内分泌干扰物，对人类尤其是儿童有潜在的发育毒性。
　　1.1 生殖毒性
　　DEHP 通过破坏生殖结构，妨碍睾丸发育与精子生成这3 个方面影响雄性生殖过程。Pradons 等发现孕期暴露于DEHP 会导致老鼠精子减少，且DEHP 会诱导老鼠精子DNA 甲基化。由于DEHP 可以在胎儿睾丸发育时期进入幼鼠的身体，诱导幼小精母细胞DNA 甲基化从而对精子相关基因表达带来长期不利的影响;国内外许多研究发现，DEHP 有抗雄激素活性，可导致男性睾丸发育不全综合征(TDS)。DEHP与其代谢产物MEHP 可通过PPAR 途径导致睾丸氧化损伤，激活代谢相关酶引起细胞能量代谢障碍，甚至引起睾丸间质细胞肿瘤。Kasahara 等研究发现DEHP可增加睾丸活性氧产生，诱导精母细胞凋亡，引起睾丸萎缩;DEHP 在胎儿性分化、新生儿睾丸发育、青春期性发育及性成熟阶段引起T(睾酮)分泌水平的下降，孕期暴露还会引起相关酶与基因表达障碍，从而导致婴儿肛门和生殖器之间距离缩短、尿道下裂、隐睾等症状。在针对雌性动物生殖毒性研究中发现，PAEs 进入人体和动物体内有类似雌激素的作用，从而干扰体内性激素分泌，而且卵巢是DEHP 的靶器官之一。有研究发现，DEHP 代谢产物MEHP 通过PPARs 途径阻止卵巢雌二醇生成而导致不排卵，影响自然排卵周期，其是通过影响与雌二醇相关的mRNA 合成进而减少血液中雌二醇含量。不仅如此，DEHP 使得女性乳腺过早发育而影响卵泡正常发育，无法形成成熟卵泡，干扰卵巢内分泌，引起病理性变化如子宫内膜异位症，妊娠并发症，甚至增加流产率。此外，在对大鼠的研究中，DEHP 暴露导致大鼠引道开放时间推后，动情期缩短、动情间期延长。进一步的机理研究表明，DEHP 可通过改变雌性激素相关蛋白LHR 和GnRHR的表达来干扰雌性大鼠激素代谢。
　　DEHP 的暴露剂量可能对新生儿与成人带来显著差别，其剂量效应和毒性作用机制也会因年龄差异而有所不同。婴幼儿与孕产妇是易感人群，较低剂量的DEHP 即可能会对生殖系统造成危害。为减少人群危害暴露，明确不同人群对DEHP 生殖毒性-剂量效应，完善流行病学研究对于DEHP 的健康风险评估与管理至关重要。
　　1.2 肝脏毒性
　　众所周知，肝脏是人体以及动物体内重要的代谢器官。DEHP 及其代谢产物MEHP 分布于肝肾、胃肠等，其在肝脏中的半衰期为28.4 h，在脂肪组织中长时间无法代谢完全。研究表明，DEHP 会导致(1)啮齿动物肝脏明显肿大，脏器系数增加，肝脏SOD(超氧化物岐化酶)活性降低;(2)肝细胞内相关酶如P450 酶、过氧化氢酶PBOX、血清中碱性磷酸酶等活力增加;(3)啮齿动物肝脏细胞DNA 恶性增殖、DNA 甲基化、DNA-蛋白质交联，肝脏癌变。
　　通过对大鼠和小鼠低剂量口服DEHP 的慢性肝脏毒性研究，Cristina 等发现300 mg/kg 的暴露剂量可以显著提高老鼠肝脏肿瘤发生率，而且存在明显的剂量-效应关系，进一步的机理研究表明DEHP 是通过作用于肝脏过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)而导致病变的，因DEHP 的饲喂并未对PPAR基因敲除后的小鼠造成肝组织损失或肝癌症状。因此，DEHP 被认为是一种过氧化物酶体增殖剂(PP)，其产生的氧自由基会影响细胞分化、增殖从而损伤DNA，导致癌变。然而，DEHP 在不同种属的动物中是否有相同的作用并不十分明确，以老鼠作为实验模型也无法模拟DEHP 对人体的影响。在对体内移植有人体肝细胞的小鼠的研究中发现，经人类肝脏移植后的小鼠血浆中MEHP 的浓度低于正常小鼠，且其通过尿液排出的MEHP 数量远高于正常小鼠，通过粪便等排泄物排出的MEHP 数量则低于正常对照组的小鼠。也有研究发现MEHP 不能诱导人类肝细胞的过氧化物酶体活性增强。DEHP 在不同种属和器官的清除速率不同，代谢相关酶的活性亦有所差别，DEHP 在动物体内与人体内的代谢途径，毒性-剂量效应都可能存在较大差异，因此，DEHP 对人类肝脏产生的毒害作用及毒害机理仍有待探究。
　　2 DEHP 的控制途径
　　由于没有化学键合至聚合物基体，DEHP 较易在生产、使用及废弃后转移至各种环境介质中。DEHP的化学性质稳定，半衰期达10 年以上，常规氧化技术无法有效降解DEHP，因此必须寻求安全有效的方法应对DEHP 污染。目前，针对DEHP 的控制途径主要从4 个方面进行：(1)对DEHP 进行末端治理;(2)生产工艺的优化;(3)DEHP 产品回收循环利用;(4)环保型DEHP 替代品的研发。现阶段针对末端治理包括吸附分离、高级氧化、生物降解及环保型DEHP 替代品研发的研究居多，下文对这2 点进行概括论述。
　　2.1 DEHP 末端治理
　　2.1.1 吸附分离
　　目前常用的吸附剂材料包括活性炭、壳聚糖、生物质以及碳纳米管等。因DEHP 疏水性高、溶解度低，活性炭吸附DEHP 已得到广泛应用。张锐坚等考察了不同种类的粉末活性炭(PAC)对DEHP 吸附效果的影响，发现木屑PAC 因具有较高比表面积优于煤质PAC。Chan 等在前期研究中采用海藻生物质吸附DEHP，pH、海藻生物质的量以及DEHP 的初始浓度等一系列物化因素都对DEHP 的去除率带来影响，吸附机制符合朗格米尔吸附模型。Salima 等采用壳聚糖吸附DEHP，红外光谱表明壳聚糖通过疏水基，团相互作用吸附DEHP。
　　吸附效果受限于吸附剂的比表面积，因此，改善吸附剂的表面特性可大大提高DEHP 的去除效率。Mehdi 等采用淹没式膜生物反应器去除合成市政废水中的DEHP，去除效率高达91%~98%，因污泥具有较大的空隙率，对DEHP 有较强吸附作用;Zhang 等采用聚乙烯亚胺修饰纳米多空金固定的角质酶吸附降解DEHP，去除效率为90.9%。纳米材料的大孔隙率与比表面积赋予其吸附能力强，且角质酶的固定化改善了其稳定性，可重复使用。
　　考虑被吸附的DEHP 容易脱附及二次污染的安全性，一些组合工艺如活性炭吸附结合高级氧化法去除DEHP 应运而生，较常用的有臭氧氧化与颗粒活性炭吸附组合工艺去除PAEs，活性炭/纳滤工艺深度处理污水厂尾水中的DEHP 等微量有机污染物。为了解决解吸后的DEHP 仍存在毒性的问题，Chan 等尝试光催化氧化方法将解吸后的DEHP 降解为无毒物质例如邻苯二甲酸酐或2-ethyhexanol。结果表明生物吸附与光催化氧化去除DEHP 是不错的选择。吸附法适应性强且吸附剂可循环再生，适用于应急处理DEHP 污染重大事故，设备简单，但存在吸附容量小、易产生二次污染且容易中毒等缺点。对吸附剂本身性能优化、与其他工艺耦合等可提高吸附法对DEHP 的去除效率。
　　2.1.2 高级氧化
　　20 世纪80 年代，高级氧化法(AOPs)作为一种处理有机污染物的新兴技术问世。DEHP 的高级氧化降解技术包括光催化氧化作用、催化臭氧氧化作用、催化湿式过氧化物氧化作用、纳米催化氧化作用、超声波微波氧化作用等。其作用机理是通过催化剂、紫外光、电、超声波、高温高压等产生具有强氧化能力的羟基自由基(OH)与有机物加成取代等降解有机物。芬顿过程(Fenton)为湿式过氧化物氧化技术中的典型方法，包括均相催化过程、异相芬顿过程、光助芬顿过程等。Esmaeli 等以DEHP 为研究对象，研究了Fenton(H2O2/Fe2+)催化氧化DEHP 的影响因素，发现H2O2 浓度，Fe2+浓度，pH 等因素对DEHP 降解均有影响[36]，进一步机理研究表明Fenton 氧化DEHP 过程中，疏水性强的DEHP 通过产生亲水性基团而使其表面电荷降低，从而被去除。Fenton 氧化适用于难生物降解的有机物，反应迅速且氧化分解彻底，常与紫外法、电化学法等联用。紫外辐射与Fenton 氧化组合可以明显增加羟基产生，促进氧化反应。Beldean 等证实了这点，他们分别采用Fenton 氧化与Fenton-UV 组合工艺降解DEHP，结果表明UV/Fenton 组合工艺较单独使用Fenton 氧化对DEHP 的去除率提高了13%。臭氧氧化方法通过臭氧分子本身氧化污染物或者臭氧分解产生羟基自由基氧化污染物。Hammad 等分别采用均相与非均相催化剂催化臭氧氧化DEHP，对于均相催化剂诸如Fe2+、Co2+、Cr3+、Mn2+，Cr3+作为催化剂时对DEHP 去除率最高，120 min 之内达到75%。在氧化反应过程中，持续添加三价铬可DEHP 去除率得到进一步提高。
　　实验结果表明，三价铬的存在延缓了臭氧分子的衰退，可能为三价铬作为催化剂时臭氧氧化去除DEHP 效率最高的机制[39]。臭氧分子因氧化含特定基团的有机污染物而具有选择性，且该反应过程较为缓慢，常与紫外联用。Zarean 等比较了紫外辐射、臭氧氧化以及紫外/臭氧组合工艺去除水域中DEHP 的效果。单独UV 与臭氧氧化时DEHP 的去除率为43%和50%，UV/O3 组合对DEHP 去除提升到了80%，该实验结果与Byung 等之前所得出的结论一致。研究表明，UV/O3 对DEHP 去除效果优于两者单独的原因是紫外辐射增强了臭氧的分解从而使自由基的产生加快。
　　2.2 环保型DEHP 替代品的研发
　　DEHP 等邻苯二甲酸酯对人类健康的潜在威胁使引发公众对其制造过程，消耗情况的关注，绿色环保型增塑剂亟待替代传统邻苯类增塑剂。近年来，许多科研人员致力于研发出无毒性、可生物降解的增塑剂。Ou 等合成的DEHCH(环己烷二甲酸二异辛酯)为环境友好的无毒性增塑剂，其增塑效应可与DEHP 媲美;Hanno 等比较3 种与DEHP 结构相似的替代品琥珀酸二辛酯、马来酸二异辛酯、富马酸双(2-乙基己基)的生物降解速率与增塑性能，发现琥珀酸的脂类为最佳增塑剂替代产品。Hanno 等再后续研究中，发现烷基链的长度与分支影响琥珀酸酯类增塑剂的性能与降解速率。除此之外，柠檬酸酯类、植物油基及环氧酯类、聚酯类和新型非邻苯类增塑剂均为目前较热的替代型增塑剂。
　　3 结语与展望
　　DEHP 与塑料结合的化学键不紧密，在塑料制品生产、使用、废弃的过程中易释放到环境中，人类和动物可经多种途径终生暴露于DEHP。众多研究表明DEHP 对人和动物健康带来危害，且其在环境与人体内的代谢机制尚不明确，目前的污水处理厂也无法将其完全去除。未来有待研究者在以下几个方面继续深入探索，以便更好地评价DEHP 对环境与人体带来的影响，寻找更加有效的降解途径，造福人类与自然。
　　(1)虽然关于DEHP 毒理效应的研究众多，但多数集中在鼠类等啮齿动物实验，而对人体健康影响研究仍然很少，缺乏充分的人群流行病学证据。可对长期接触DEHP 的职业人群开展追踪调查研究，深入了解DEHP 对人体的毒性机制。
　　(2)微生物降解DEHP 是最经济有效的方法，尽管自然界中存在多种可降解DEHP 的微生物，但由于实际环境体系较为复杂，如何使实验室中分离得到的高效降解DEHP 微生物适应各种复杂环境是未来研究的重点。
　　(3)目前有关环保型增塑剂的合成与研发较多，但存在高分子有助于增塑性能和低分子有助于生物降解的矛盾，难以得到使两者最优的增塑剂。因此应加大研发投入，开发研究高性能与高可生物降解性的环保型增塑剂。同时，管理者应出台相应政策鼓励企业调整产品结构，促进环保型增塑剂产业化推广，加快淘汰传统增塑剂。