强电离放电降解壬基酚的毒理学分析

邬明霞 杨柳 陆依雯 孟祥天 依成武

摘要：PPCPs作为一类新兴环境污染物，造成的影响已日益严重，其典型物质——壬基酚（ NP ）是烷基酚类化合物中最有代表性的环境激素。现通过强电离（SID）介质阻挡放电法，同时结合斑马鱼幼鱼暴露实验，分析·OH氧化降解NP的毒理学过程。实验结果表明，SID法最优降解条件为电压：3.2 kV、氧气流速：5L/min，此时NP在60min时降解率可达99%;降解率随NP初始浓度升高而降低;低浓度NP（20微克每升）能显著提高斑马鱼雌鱼的占比（76%），高浓度NP（200微克每升）则影响不大;NP对斑马鱼的生长发育呈现低（20微克每升）促高（200微克每升）抑的效果;此外，NP初始浓度为5毫克每升 的组降解30min后对斑马鱼生长发育有明显抑制作用，而60min 组对斑马鱼的影响与对照组无显著差距，进一步证明SID确实能有效降解NP，并缓解其生物毒性。

关键词：强电离放电、壬基酚、斑马鱼、毒理学

1 引言

药物及个人护理品 （Pharmaceuticals and personal care products，PPCPs）是一类新兴的环境污染物。随着经济的高速发展，PPCPs被大量生产使用，且随各类废水排放多途径进入水环境中，在自然环境中逐渐积累，会造成慢性毒性，对人体健康和生态环境安全构成潜在威胁[1]。PPCPs中典型代表物质——壬基酚（NP）结构与雌二醇类似，可通过与雌二醇竞争，结合雌二醇受体，从而干扰内分泌系统，对机体多系统产生毒害作用。同时，水体中微量的NP可通过水生生物食物链进入鱼体，富集在生物体内，对水生鱼类产生毒害作用。斑马鱼的内分泌、生殖、神经系统以及发育模式和典型脊椎动物十分类似，加之遗传背景清晰，基因组测序也已完成。因此，斑马鱼常常作为雌激素效应检测的模式生物[2]。

本研究以NP作为靶标污染物，进行单因素实验，通过电子自旋共振（Micro ESR）实验证明，SID 过程中产生了大量的羟基自由基（·OH）和臭氧（O3）等活性粒子。同时以20天龄的幼鱼为研究对象，进行暴露实验，记录第90天的斑马鱼体长体重变化和性别比，分析其生长发育所受影响。本实验创新之处在于，从分子生物学方面探索NP经强电离放电降解前后的水环境毒性效应，建立其毒理学模型。

2 实验部分

2.1 实验装置

本实验系统流程如图1所示，实验装置以电介质阻挡放电发生器（DBD）为核心，气—液循环系统提供动能、高压高频电源提供能量、电监测系统监测调节各项参数。通过高频高压电源将工频电压220V/50Hz转换成2.5～4 kV/15kHz～23 kHz的高频电压，并输入到DBO发生器，将原料O2进行电离，从而激发产生·OH、O3、·O等大量活性粒子。最后通过文丘里喷嘴被注入水相，与水分子发生反应，形成以羟基自由基为主的活性物质。

羟基自由基（·OH）具有强氧化性， 氧化电位高达2.80 V， 仅次于氟的氧化电位2.87 V;且·OH 能无选择、直接与有机污染物发生亲电加成、脱氢、电子转移等反应，发生快速的链式反应，从而将废水中难降解有机污染物，降解成CO2、H2O等无害小分子有机物和无机物 [3]，达到净化有机物的目的。

2.2 试剂与仪器

2.3实验方法

2.3.1 NP降解分析

分别设置四组初始质量浓度不同（5、10、15、20毫克每升）的含NP废水，通过强电离（SID）介质阻挡放电法进行降解处理。利用紫外-可见分光光度计对不同时间（0、5、10、20、30、45、60min）的水样进行全波段扫描并进行记录处理整理，确定其最大吸收波长及浓度变化。

2.3.2斑马鱼毒性试验

选取180尾健康、无病害的20天龄斑马鱼，分别平均放入6 组处理组中：空白组，溶剂（甲醇）对照组，NP 低剂量组（20微克每升），NP 高剂量组（200微克每升），NP降解30min组（5 毫克每升），NP降解60min组（5 毫克每升）。每组设置三个平行，雌雄混合养殖，暴露于对应浓度70天。在日常养殖中，应注意用具的使用卫生。暴露期间记錄斑马鱼畸形及死亡情况，暴露实验结束后分别测量记录各组体长、体重与雌雄比;

3 结果与讨论

3.1 实验装置性能

SID体系中，·OH以及各活性粒子是消除NP的关键氧化剂，主要是由O2通过放电间隙被电离而产生。本实验选择出最优降解条件为电压：3.2 kV，氧气流速：5L/min。往水样中加入DMPO用以捕获实验过程中产生的自由基，根据其ESR图谱可以·OH的特征峰，计算可得·OH浓度约为0.019mmol·L-1。

3.2 NP降解分析

3.2.1 不同初始浓度NP降解分析

根据降解曲线图2可看出，随着壬基酚初始浓度升高，SID降解率在降低。5毫克每升的实验组降解率为四组中最大，且在30min时，此组NP降解率已将近95%，60min时降解率可达99%。四个实验组的降解率在30min之后均明显减缓，到60min时，降解速率基本不变，说明降解达到最大值。由上分析可知，SID法降解NP效率，随NP初始浓度升高而降低;四组实验中降解率最低组，在60min时也能达88%左右，说明强电离（SID）介质阻挡放电法确实是一种能高效、快速降解NP的方法。

3.3斑马鱼毒性试验

3.3.1 NP对斑马鱼体长体重及雌雄比的影响

暴露期间各组均未出现明显的畸形与死亡现象。性别分化方面，90d暴露后，空白对照组和高浓度组（200微克每升）斑马鱼雌雄比例接近1：1，低浓度组（20微克每升）斑马鱼雌鱼的占比显著提高（76%），30min组和60min组的雌鱼占比分别为56%和60%，似乎NP的毒性剂量对斑马鱼性别分化并没有明显正相关的关系。以往学者的研究也显示，性别比例虽然受到激素水平调控，但同时还受到其他多方面影响的制约[4]。

各组斑马鱼的体长体重如下图3所示。从体长体重角度可发现低浓度组（20微克每升）和60min组对斑马鱼的生长发育有少量促进效果，而高浓度组（200微克每升）和30min组则显著抑制了斑马鱼的生长发育。由此可推断NP对斑马鱼的生长发育呈现低促高抑的效果;且再次证明强电离放电处理含NP废水，降解效果显著。

4 总结

本研究主要通过单因素实验，探究强电离（SID）介质阻挡放电法对不同初始浓度NP的去除效果，并结合斑马鱼的毒理学试验，得到以下结论：（1）随着氧气流量的增大，·OH浓度先增大后减小;随着电压的增大，·OH浓度逐渐增大后趋于稳定。（2）随着壬基酚初始浓度升高，SID降解率在降低。SID技术对污水中NP的表观去除率在30min时就已表现明显，在60min时达到最大值（99%）。（3）壬基酚对斑马鱼生长发育有较大影响，高浓度壬基酚（200微克每升）能显著抑制斑马鱼的生长发育。而较低浓度壬基酚（20微克每升）则能大幅提高斑马鱼性别分化过程中的雌鱼占比。这些问题随着NP浓度的升高也愈发凸显。（4）斑马鱼毒理学实验组对照显示SID法降解含NP（5毫克每升）污水30min后，其影响与200微克每升组接近。降解60min后与对照组几无区别，可以推测SID技术降解NP的过程中并未出现毒性更大的中间体，且基本可以完全降解，对缓解NP的环境毒性起到极大作用。

参考文献

[1]范家诚，崔晓莹，武亚男，李正炎.雌二醇、壬基酚和三丁基锡对斑马鱼雌激素响应基因表达的影响[J].中国海洋大学学报（自然科学版），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，邓家云，张棋翔，阎秋生.羟基自由基高级氧化技术应用进展综述[J].广东工业大学学报，2019，36（02）：70-77+85.

[4]沈万赟. 双酚A、壬基酚慢性暴露对斑马鱼（Danio rerio）生长和生殖影响的研究[D].华东师范大学，2007.

作者简介：

邬明霞（1999.09-），女，汉族，云南昆明人，学生，本科生，主要从事强电离放电降解壬基酚的毒理学研究。

通讯作者简介：依成武（1966.08-），男，汉族，辽宁大连人，教授，博士生导师，博士，主要从事强电离放电降解环境有机污染物研究。