解析全氟丁基磺酸钾对小麦水稻的毒理学

　　1 材料与方法
　　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(SXMQHX-400BS-III);照度计(Testo 545);数字温度计(TES-1314);水份仪(Moisture analyzer HG 63)。
　　1.2 试验人工土壤
　　按每公斤高岭土 石英砂 泥炭=20% 70% 10%重量比例配制，高岭土为Sigma 医药级，石英砂粒径为0.5 1 mm，pH 约为6.5，泥炭为德国进口品牌，在使用前需打碎，去除粗大杂物。
　　1.3 受试植物
　　分别选用符合OECD guidelines for the testingof chemicals：Terrestrial Plant Test: Seedling Emergenceand Seedling Growth Test，Adopted:19 July2006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。本试验选择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，采用母液配制后按照比例添加至土壤搅拌，使受试物在土壤中分散均匀。样品母液浓度：1 g/L。量取5、50、500 mL 样品母液分别加入1 995、1 950、1 500 mL 纯水中，并与5 kg 人工土壤搅拌混合均匀，最终基质配置浓度分别为1.0、10.0、100 mg/kg 人工土壤。
　　根据OECD Terrestrial Plant Test: Seedling Emergenceand Seedling Growth Test，Adopted:19 July2006方法进行试验，2015 年9 月26 日试验开始，2015 年10 月19 日试验结束。试验期间人工气候箱温度范围为20.2 22.1  ，光照周期为L D=16 h 8 h，光照强度变化范围为2 500 3 000 lux。
　　所有试验均在人工气候箱内完成，试验种植容器为直径12 cm 塑料花盆，花盆底部有孔，每盆人工土壤约700 g。试验时，将同一浓度组的4 个平行放置在一个长方形的塑料托盘中，托盘定期补水，用以维持植物生长需要。试验中设置空白对照组(Blank1，Blank 2，Blank 3，Blank)和3 个浓度处理组，样品组的配制浓度梯度为1.0、10.0、100 mg/kg 人工土壤。每个处理组共放置40 粒种子，分成4 个平行，每个平行10 粒种子，每个浓度为一组。对照组出苗率达到50%后开始计算时间，14 d 后结束试验，试验共进行23 d。试验期间，每天观察和记录气候箱温湿度及光照，定期补水以满足植物生长所需。从空白对照组出苗率达到50%开始计算。试验结束后，按每个试验容器(花盆)计算出苗数，陆上茎叶总鲜重，并最终对比空白组计算14 d 出苗抑制率和14 d 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ToxCalc v5.0.23，Excel 2007 完成。
　　2 结果
　　从试验结果可知，全氟丁基磺酸钾(PFBSK)对小麦出苗和幼苗生长的抑制效应高于对水稻的影响。PFBSK 对小麦幼苗鲜重的抑制率在100 mg/kg 浓度组达到了44%(与空白组相比)，在1.0 mg/kg 浓度时也达到了17%;对出苗的抑制率在100 mg/kg 浓度组达到了80%(与空白组相比)，在10 mg/kg 浓度时达到了10%，1.0 mg/kg 浓度时影响较小，抑制率为0%。可以看出，无论对于出苗或生长，受试物PFBSK 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在100 mg/kg 浓度时为30%，1.0 mg/kg 浓度时抑制率为15%;对出苗的抑制率最高也仅达到22%，1 mg/kg 浓度组出苗抑制率为0。通过软件ToxCalc 的计算，水稻出苗终点和鲜重终点的LC50 和EC50 值分别为21 376 和8 624 mg/kg，而小麦出苗终点和鲜重终点的LC50 和EC50 值分别为35 和262 mg/kg
　　3 讨论
　　根据2002 年经济合作组织发布的PFOS 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。
　　PFBSK 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，PFBSK 不具物理危害性。20  时，PFBSK 水溶解度为49.30 g/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。PFBSK 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。CF 键是稳定的化学键之一，键能约110 kcal/mol。PFBS 的低蓄积性也被其它研究证实，Martin 等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。此外，PFBSK 在环境中的浓度值较低，一般只有10-9 甚至10-12 级，加之其吸附系数Koc 值仅为222(USEPAEPI 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。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(LE50，EC50)、无效应浓度(NOEC),通过这些值来进一步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-毒性效应试验可能性低，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。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主要归咎于2 种植物对该受试物敏感程度和适应性的差异。在测试过程中我们发现，由于PFBSK 本身的亲水性较强，样品混入人工土壤后导致人工基质吸水性增加，试验过程中同时刻加入相同水量条件下，不同浓度处理组的土壤水分含量有较大的变化，1mg/kg基质的水分含量为24.5%，10 mg/kg 基质水分含量为26.8%，100 mg/kg 基质水分含量为31.2%。根据经验，显然水稻更适应在多水环境下生长，这也可以解释为何对于100 mg/kg 浓度处理组，小麦出苗的抑制率远高于水稻出苗抑制率，除样品本身的影响外，生长环境的变化不容忽视。
　　同时，对于低浓度处理，1 mg/kg和10 mg/kg 产生的毒性效应差别不大，高浓度处理组100 mg/kg 对于2 种植物的发芽和幼苗生长抑制效应均较明显。水稻出苗的LC50 值为8 624 mg/kg，重量的EC50 值为21 376 mg/kg;小麦出苗的LC50 值为35 mg/kg，重量的EC50 值为262 mg/kg。结合浓度梯度的设置来看，一般情况下，受试物对2 种植物出苗和幼苗生长的抑制随浓度的升高而增加，样品产生了毒性效应。但模拟试验放大了受试物对植物的浓度效应影响，在真实环境中，几乎不可能在自然土壤中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，所选受试物的毒性效应也很有限。因此可以判断，PFBSK 在真实环境中的生态毒性效应有限，可以作为环境替代物合理使用。