OECD魚(yú)類(lèi)生物蓄積測(cè)試的優(yōu)化策略研究

楊婧，劉敏，趙華清，鄧蕓蕓，王綠平，張京佶，殷浩文

上海市檢測(cè)中心，上海201203

OECD魚(yú)類(lèi)生物蓄積測(cè)試的優(yōu)化策略研究

楊婧，劉敏，趙華清，鄧蕓蕓，王綠平，張京佶，殷浩文*

上海市檢測(cè)中心，上海201203

作為化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)管理中的重要環(huán)境行為參數(shù),生物蓄積性不僅是分類(lèi)、標(biāo)簽、評(píng)價(jià)和控制環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的基本指標(biāo),也是鑒別化學(xué)物質(zhì)持久性和環(huán)境危害性的重要標(biāo)準(zhǔn)。2012年OECD頒布了新的生物蓄積測(cè)試方法,由此給生物蓄積優(yōu)化策略帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn),原有的判別優(yōu)化策略的方法需要作出新的發(fā)展與調(diào)整。針對(duì)新生物蓄積測(cè)試方法引發(fā)的優(yōu)化策略挑戰(zhàn),通過(guò)層次研究及文獻(xiàn)分析,歸納了基于OECD新305生物蓄積測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化測(cè)試策略,為優(yōu)化、簡(jiǎn)化測(cè)試及化學(xué)品安全管理提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

魚(yú)；生物蓄積；優(yōu)化策略

目前,國(guó)際上主要采用的標(biāo)準(zhǔn)方法有經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)的生物蓄積測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(OECD 305)、美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(USEPA)1996年頒布的測(cè)定魚(yú)類(lèi) BCF的指南草稿[1]以及美國(guó)試驗(yàn)材料協(xié)會(huì)(ASTM)2013年頒布的與OECD方法相似性極高的識(shí)別魚(yú)類(lèi)和海洋軟體動(dòng)物中生物富集性的標(biāo)準(zhǔn)[2],使用最廣的為OECD 305標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)的化學(xué)品測(cè)試、評(píng)價(jià)與管理也主要依據(jù)OECD標(biāo)準(zhǔn)。

近35年間陸續(xù)頒布了3個(gè)不同版本的OECD 305標(biāo)準(zhǔn),1981年版[3]及1996年版[4]與USEAP和ASTM標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)似,均以水暴露方式下的生物富集因子(bioconcentration factor,BCF)評(píng)價(jià)蓄積性。2012版OECD新305[5]標(biāo)準(zhǔn)則有較大變化,將更多動(dòng)物福利、簡(jiǎn)化試驗(yàn)和節(jié)約成本的考慮體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)中,率先引入了攝食暴露這一不同暴露層面的生物蓄積測(cè)試方法,實(shí)驗(yàn)室獲取BMF(生物放大因子,biomagnification factor)值也首次作為測(cè)試及評(píng)價(jià)終點(diǎn)列入標(biāo)準(zhǔn)。

新305標(biāo)準(zhǔn)的變化與發(fā)展,為盡可能多地獲取化學(xué)品的生物蓄積數(shù)據(jù)提供了可能,同時(shí),也給測(cè)試策略的優(yōu)化及化學(xué)品安全管理帶來(lái)了新問(wèn)題及挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的魚(yú)類(lèi)生物蓄積性評(píng)估策略[6-11]均僅針對(duì)水暴露體系,尚無(wú)攝食暴露的優(yōu)化策略。并且,上述策略均以“3R”原則為出發(fā)點(diǎn),涵蓋非試驗(yàn)方法、替代試驗(yàn)及動(dòng)物試驗(yàn)等不同層次,未涉及測(cè)試技術(shù)層面的細(xì)化策略。因此,基于新305標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試技術(shù)層面的優(yōu)化、不同暴露層面所獲結(jié)果的評(píng)價(jià)與應(yīng)用等諸多技術(shù)細(xì)節(jié)仍需明確。

針對(duì)上述問(wèn)題與挑戰(zhàn),通過(guò)層次研究及文獻(xiàn)分析,研究了生物蓄積性測(cè)試及評(píng)估主要流程中的技術(shù)細(xì)節(jié)及關(guān)鍵影響因素,明確了OECD新305方法技術(shù)操作層面的細(xì)化策略及替代評(píng)估方式的使用,歸納了基于OECD新305標(biāo)準(zhǔn)、側(cè)重于測(cè)試技術(shù)層面的生物蓄積性評(píng)估策略,為優(yōu)化、簡(jiǎn)化測(cè)試及化學(xué)品安全管理提供了科學(xué)基礎(chǔ)。

1 前期數(shù)據(jù)的收集、分析與利用

蓄積性評(píng)估前的已有信息收集、分析及利用,對(duì)測(cè)試的優(yōu)化及豁免具重要意義。GLP實(shí)驗(yàn)室獲取的可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)為前期數(shù)據(jù)的首選,還可參照Klimisch原則[12]對(duì)其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外,類(lèi)似物的試驗(yàn)數(shù)據(jù)、物質(zhì)/類(lèi)似物的軟件預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)也具一定的參考性。

1.1 物質(zhì)理化數(shù)據(jù)

需了解分子式及結(jié)構(gòu)(如可能)、純度、組分、辛醇水分配系數(shù)(Kow)、溶解性、穩(wěn)定性(如揮發(fā)性、光解、水解及降解性)、吸附性等數(shù)據(jù)。logKow小于3或具有快速生物降解性的物質(zhì)或組分,可直接豁免生物蓄積測(cè)試(見(jiàn)圖1)。此外,上述信息有助于初步測(cè)試方案的形成,如具一定吸附性的物質(zhì),水暴露時(shí)可考慮容器的預(yù)飽和,或與揮發(fā)性或水溶解度極低的物質(zhì)一樣,考慮攝食暴露。

應(yīng)注意,分子量、分子尺寸、Kow及溶解性等參數(shù)對(duì)化學(xué)品的蓄積行為有重要影響[13-15],可用于蓄積性預(yù)測(cè)及測(cè)試方案優(yōu)化,但對(duì)于logKow≥3的物質(zhì),上述參數(shù)作為生物膜透性及豁免蓄積測(cè)試的依據(jù)仍需科學(xué)驗(yàn)證。由不斷更新的文獻(xiàn)可知,這些參數(shù)的生物膜透性/蓄積性判定臨界值仍在不斷修正與完善,尚未形統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6,11,16-22]。隨著研究深入,不斷發(fā)現(xiàn)蓄積性與logKow相關(guān)性較低的物質(zhì)(如多氯聯(lián)苯類(lèi)等)[23],建立在BCF與logKow間關(guān)系基礎(chǔ)上的預(yù)測(cè)模型仍需根據(jù)日益增加的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷修正和調(diào)整。

1.2 物質(zhì)的生物毒性及其他生物數(shù)據(jù)

毒性效應(yīng)可能改變或影響受試生物的常規(guī)生理功能(如呼吸速率)而產(chǎn)生不可靠的BCF值,故生物毒性數(shù)據(jù)如魚(yú)類(lèi)急性毒性試驗(yàn)的LC50或長(zhǎng)期試驗(yàn)的LC50、NOEC或LOEC等為試驗(yàn)濃度設(shè)計(jì)的重要信息。

一般認(rèn)為,不能很快代謝轉(zhuǎn)化的物質(zhì)可能具生物蓄積潛能。模型研究認(rèn)為,代謝率相對(duì)低的物質(zhì),即使具極強(qiáng)的疏水性(lgKow＞6),仍有可能極大影響蓄積性[24]。因此,在蓄積測(cè)試中了解物質(zhì)的代謝信息,有利于試驗(yàn)結(jié)果的解釋。具有一定代謝性的物質(zhì),可依其代謝程度選擇豁免、簡(jiǎn)化或優(yōu)化試驗(yàn)(見(jiàn)本文3)。

2 OECD新305標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)細(xì)節(jié)的不確定性與測(cè)試策略研究

標(biāo)準(zhǔn)中整合了完整水暴露、簡(jiǎn)化水暴露及攝食暴露等3種試驗(yàn),從不同試驗(yàn)方法及暴露方式的大致適用范圍和操作原則可知,不同試驗(yàn)方法/暴露方式的選擇和使用并無(wú)絕對(duì)界限,仍存在技術(shù)細(xì)節(jié)上的不確定性。通過(guò)項(xiàng)目研究,逐一分析并明確了這些技術(shù)細(xì)節(jié),形成了側(cè)重測(cè)試層面的生物蓄積性評(píng)估策略(見(jiàn)圖1)。

2.1 水暴露及攝食暴露方式的比較及選擇

標(biāo)準(zhǔn)中不同暴露方式的選取主要依據(jù)為操作的難易程度,認(rèn)為水暴露適用于logKow在1.5至6之間的多數(shù)物質(zhì),也可能適用于logKow＞6的物質(zhì),實(shí)際操作中,強(qiáng)疏水性物質(zhì)(logKow＞5且水溶解度低于0.01～0.1mg·L-1)水暴露與水溶液化學(xué)分析的難度大大增加,故可考慮攝食暴露。但操作難易程度的衡量并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),尤其2種暴露方式均滿足要求時(shí)如何選取,標(biāo)準(zhǔn)并未明確。

針對(duì)上述問(wèn)題,比較了含雌二醇(E2)、二甲苯麝香(MX)及六氯苯(HCB)在內(nèi)logKow4.0～6.1的物質(zhì)水暴露及攝食暴露的結(jié)果:吸收階段,水暴露下的魚(yú)體吸收速率k1均高于攝食暴露魚(yú)體的吸收速率,物質(zhì)更易在魚(yú)體達(dá)到吸收穩(wěn)態(tài)。鎳、鉈的黑頭軟口鰷生物蓄積研究[26]、多溴聯(lián)苯醚(logKow5.9～10)對(duì)鉤蝦[27]及雌二醇對(duì)金魚(yú)的生物蓄積研究中[28]均發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了攝食暴露的周期且未強(qiáng)制規(guī)定應(yīng)達(dá)到物質(zhì)的吸收平衡,因此,在有限的暴露周期內(nèi),攝食暴露獲取的動(dòng)力學(xué) BCF(kinetic bioconcentration factor,BCFK)值很可能低于該物質(zhì)水暴露下的BCF值。綜上,認(rèn)為試驗(yàn)操作及分析方法的精度滿足試驗(yàn)要求、物質(zhì)水暴露濃度能維持穩(wěn)定時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮水暴露方式。無(wú)法滿足水暴露試驗(yàn)條件或疏水性極強(qiáng)、水暴露無(wú)法在60 d內(nèi)達(dá)到一定體內(nèi)濃度的物質(zhì),可考慮攝食暴露。

2.2 簡(jiǎn)化水暴露與完整水暴露方法及選擇

標(biāo)準(zhǔn)中水暴露試驗(yàn)有常規(guī)水暴露及簡(jiǎn)化水暴露2種,后者以簡(jiǎn)化的小型試驗(yàn)(如減少取樣點(diǎn)等)取代完整水暴露試驗(yàn)獲取BCF數(shù)據(jù)。滿足水暴露條件并可預(yù)測(cè)物質(zhì)吸收及清除符合一階動(dòng)力學(xué)、logKow小于6或可能快速代謝的物質(zhì),通過(guò)簡(jiǎn)化水暴露有可能直接獲取科學(xué)的BCF數(shù)據(jù)。

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化、優(yōu)化水暴露試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)提出BCF值可能不受暴露濃度影響時(shí)(如高、低濃度BCF差異小于20%時(shí)),可僅設(shè)1個(gè)試驗(yàn)濃度組。標(biāo)準(zhǔn)還指出水暴露最初為非極性物質(zhì)設(shè)計(jì),此類(lèi)物質(zhì)通常設(shè)1個(gè)試驗(yàn)濃度即可。研究了logKow值在0.53～4.51之間不同物質(zhì)的水暴露結(jié)果后發(fā)現(xiàn):通常認(rèn)為的非極性物質(zhì)(logKow＞3的物質(zhì))[18,19],高、低濃度組間的結(jié)果差異最高可達(dá)1個(gè)數(shù)量級(jí)。可見(jiàn),以常規(guī)的極性判定標(biāo)準(zhǔn)(logKow＞3)作為水暴露試驗(yàn)僅設(shè)1個(gè)試驗(yàn)濃度的依據(jù)并不充分。尤其在對(duì)物質(zhì)信息知之甚少時(shí),僅設(shè)1個(gè)試驗(yàn)濃度需慎重。

標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為開(kāi)展前期試驗(yàn)可能利于確定簡(jiǎn)化水暴露適用性,在簡(jiǎn)化水暴露試驗(yàn)中還指出:有時(shí)以超過(guò)1個(gè)濃度的簡(jiǎn)化水暴露試驗(yàn)作為前期試驗(yàn)確定BCF值是否受暴露濃度影響可能更具優(yōu)勢(shì)?？梢?jiàn),在對(duì)物質(zhì)信息了解較少的情況下,需開(kāi)展1個(gè)以上濃度的前期試驗(yàn)或簡(jiǎn)化水暴露試驗(yàn)確定簡(jiǎn)化水暴露適用性及濃度對(duì)BCF的影響。如開(kāi)展前期試驗(yàn),整個(gè)試驗(yàn)周期將長(zhǎng)于單次試驗(yàn)。如簡(jiǎn)化水暴露不適用、簡(jiǎn)化水暴露中任何跡象表明物質(zhì)與預(yù)測(cè)表現(xiàn)不同(如明顯偏離一級(jí)動(dòng)力學(xué))、獲得的動(dòng)力學(xué)BCF值(BCFKderived from a minimised test,BCFKm)小于穩(wěn)定階段BCFSS的70%、簡(jiǎn)化試驗(yàn)的BCF值(BCFKm,BCFKm略小于BCFSS時(shí)用BCFss)超過(guò)500等,仍需進(jìn)行完整水暴露試驗(yàn)。綜上,物質(zhì)信息了解有限時(shí),從科學(xué)性與試驗(yàn)成本、周期和受試生物用量的角度綜合權(quán)衡,直接進(jìn)行1個(gè)以上濃度的常規(guī)水暴露試驗(yàn)更為可行。

此外,水暴露試驗(yàn)通常不推薦使用溶劑或分散劑,這類(lèi)物質(zhì)可能增加試驗(yàn)水中的有機(jī)碳含量進(jìn)而顯著影響流水試驗(yàn)中自由溶解物質(zhì)的量,具快速生物降解性的溶劑(如丙酮)還可導(dǎo)致流水體系中細(xì)菌滋生。但溶解度極有限的物質(zhì)(如低于0.1mg·L-1),使用助溶物質(zhì)可能有助于獲取水暴露所需的試驗(yàn)貯備液,但應(yīng)注意,溶劑用量不可超過(guò)臨界濃度(100mg·L-1或0.1 mL·L-1),不應(yīng)顯著改變受試物在試驗(yàn)體系中的溶解度(如顯著高于其水溶解度),當(dāng)魚(yú)體對(duì)受試物生物利用度一定的時(shí)候,高于實(shí)際溶解度的試驗(yàn)濃度往往會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的低估BCF值。

2.3 攝食暴露與結(jié)果判定

攝食暴露可避開(kāi)水暴露中需面對(duì)的一些困難,包括在水暴露體系中各組分水溶性各異的多組分物質(zhì),但其測(cè)試終點(diǎn)為BMF,與水暴露終點(diǎn)BCF不具有直接可比性,并且,現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)管理法規(guī)中均未明確如何使用實(shí)驗(yàn)室獲取的BMF值進(jìn)行生物蓄積性判定。

野外數(shù)據(jù)的生物蓄積性判定標(biāo)準(zhǔn)通常為BMF＞1,但野外的BMF數(shù)據(jù)往往受水及攝食暴露雙重暴露的影響,與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下單純通過(guò)攝食途徑獲取BMF值存在一定差異。有研究[28]比較了實(shí)驗(yàn)室條件下鯉魚(yú)在9種低水溶性化學(xué)品暴露下脂肪校正后的BCF值(BCFL值)和BMF(BMFL值),除鄰三聯(lián)苯外(BCFL為810),其余物質(zhì)的BCFL均超過(guò)1 000,管理上判定為具有生物蓄積性,但僅六氯苯及4,4'-亞甲基雙(2,6-二叔丁基苯酚)的BMFL超過(guò)1,其余的BMFL值僅在0.03至0.4之間。綜上,管理上如對(duì)實(shí)驗(yàn)室BMF值繼續(xù)沿用BMF大于1的判定依據(jù)可能會(huì)低估一些物質(zhì)的生物蓄積性。

圖1 魚(yú)類(lèi)生物蓄積優(yōu)化評(píng)估策略Fig.1 The optimized strategy for assessment of fish bioaccumulation

目前,尚無(wú)較系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)研究建立實(shí)驗(yàn)室BCF值與BMF值的關(guān)聯(lián)。因此,現(xiàn)階段攝食暴露試驗(yàn)中,可嘗獲取動(dòng)力學(xué)BCF值(BCFK),該數(shù)據(jù)有助于當(dāng)下的化學(xué)品安全管理對(duì)物質(zhì)蓄積性的判定。但應(yīng)注意該數(shù)據(jù)適用于物質(zhì)吸收或清除符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的情況,并且需通過(guò)證據(jù)權(quán)重法衡量相關(guān)參數(shù)的適用性后方可用吸收速率常數(shù)k1估算BCF。隨研究深入,通過(guò)數(shù)據(jù)積累建立實(shí)驗(yàn)室BCF數(shù)據(jù)與BMF數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)后,有望明確并細(xì)化實(shí)驗(yàn)室BMF數(shù)據(jù)的蓄積性判定并運(yùn)用于化學(xué)品的安全管理。

攝食暴露并非水暴露困難時(shí)的萬(wàn)能解決方案,該方法受餌料處理溶劑、餌料加標(biāo)技術(shù)、定量化學(xué)分析方法以及相應(yīng)的前處理方式等因素的限制。當(dāng)水及攝食暴露均無(wú)法滿足生物蓄積性評(píng)估要求時(shí),可考慮其他替代評(píng)估方式(見(jiàn)本文3)。

2.4 化學(xué)分析方法的選擇與方法適用性、精確度及準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)

化學(xué)分析技術(shù)及分析數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響暴露方式的選擇及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)指出分析方法需有適用性、精確度及準(zhǔn)確性,但未列出判定依據(jù),僅指出試驗(yàn)前期應(yīng)建立化學(xué)分析方法并獲得較高的回收率(比如,通常大于85%)。

通常,蓄積試驗(yàn)要求分析的樣品涉及試驗(yàn)用水、魚(yú)體和餌料3種成份差異較大基質(zhì),針對(duì)物質(zhì)的不同,需采用不同的前處理方法。對(duì)于餌料和魚(yú)體等相對(duì)復(fù)雜的基質(zhì),往往需增加必要的凈化過(guò)程,常用有凝膠滲透色譜和固相萃取等。前者簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高,對(duì)蛋白質(zhì)等大分子基質(zhì)的凈化作用較好,但對(duì)極性小分子化合物的凈化能力不明顯。后者可根據(jù)各物質(zhì)的特性,針對(duì)性地選取凈化柱、靈活選取各種試劑達(dá)到較好的凈化效果,但過(guò)程復(fù)雜,目前自動(dòng)化有限,需要操作者具有較好的專(zhuān)業(yè)背景。因此,分析方法的選擇,需要在科學(xué)性及可操作性之間尋求平衡。

研究選取了10種logKow在0.53至6.2之間溶解性、揮發(fā)性及蓄積性各異的代表性物質(zhì),分別建立相應(yīng)基質(zhì)體系中的分析方法。涉及液相/氣相色譜、液相/氣相色譜-質(zhì)譜等儀器分析手段,包括直接分析和液液萃取、加速溶劑萃取、超聲萃取、固相萃取、凝膠凈化等多種常規(guī)前處理方法,實(shí)現(xiàn)了不同介質(zhì)中化學(xué)物質(zhì)的特異性分析及高靈敏度檢測(cè)。上述研究給出了分析方法適用性、精確度及準(zhǔn)確性的基本評(píng)價(jià)依據(jù):

(1)相關(guān)系數(shù):氣相色譜和液相色譜分析,相關(guān)系數(shù)R≥0.99；氣相色譜-質(zhì)譜和液相色譜-質(zhì)譜分析,相關(guān)系數(shù)R≥0.95。

(2)回收率:方法的平均回收率范圍 70% ～120%,理想狀態(tài)為80%～110%。難分析樣品,在精密度可接受范圍內(nèi),可允許更低的回收率。

(3)精密度:通常,精密度RSD≤20%。特殊條件下,可接受更高的精密度值。

2.5 多組分物質(zhì)生物蓄積性的簡(jiǎn)化測(cè)試思路

多組分物質(zhì)一直是生態(tài)毒性測(cè)試中的難點(diǎn)。這類(lèi)物質(zhì)在試驗(yàn)前期可供試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考的信息往往較少,難以像單一物質(zhì)一樣在早期形成簡(jiǎn)化/優(yōu)化方案。組分明確的多組分物質(zhì),可從其lgKow＞3、不具生物降解性組分的水溶性及其水溶液穩(wěn)定性的角度綜合考慮,選擇合適的試驗(yàn)暴露方式；組分不明的物質(zhì),如有合適的水暴露體系的制備及分析方式,仍可嘗試水暴露,反之,則采用餌料暴露方式以避免不同組分水溶解性各異給定量分析帶來(lái)的困擾。測(cè)試中,化學(xué)分析方法的適用性及靈敏性起著關(guān)鍵作用,為對(duì)多組分的物質(zhì)的蓄積測(cè)試進(jìn)行優(yōu)化,可在試驗(yàn)前期進(jìn)行包括水、餌料或溶劑中的物質(zhì)穩(wěn)定性在內(nèi)研究以便優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.6 生物蓄積測(cè)試結(jié)果的重要影響因素及控制

除試驗(yàn)方法/暴露方式選擇和化學(xué)分析技術(shù)(見(jiàn)本文2.5節(jié))外,試驗(yàn)魚(yú)種的內(nèi)在生物學(xué)特性也是蓄積性結(jié)果的重要影響因素。

不同的物質(zhì)在魚(yú)體組織中的濃度分布狀況差異較大:不同抗生素因作用模式不同,在肌肉、消化組織、魚(yú)膽、血漿及肝臟等不同部位均可能存在顯著生物蓄積[14,21]。鎘[22]在腎臟中的生物蓄積性大于肝臟、腸道、鰓及肌肉等組織,而卡馬西平[29]及有機(jī)氯[30]則顯著蓄積在不同魚(yú)種的肝臟中。因此,在選取特定組織(如肌肉或肝臟)進(jìn)行濃度分析前需對(duì)物質(zhì)的組織分布有一定程度了解,選取代表性組織。對(duì)于小型魚(yú),取全魚(yú)進(jìn)行分析有利于獲取真實(shí)、準(zhǔn)確的生物蓄積性數(shù)據(jù)。

不同研究中物質(zhì)的魚(yú)體含量與性別的關(guān)系各異,有研究表明不同性別魚(yú)體中銅[31]、鎘[32]和汞[33-34]的含量有顯著差異,也有研究表明鉛、汞、鎘和砷的魚(yú)體含量與性別無(wú)關(guān)[35]。多氯聯(lián)苯(PCBs)的生物蓄積研究[36]中也發(fā)現(xiàn)PCBs在肌肉中的濃度無(wú)顯著性別差異,但雄魚(yú)的PCBs濃度隨魚(yú)齡增加而增加,且在生命周期各階段均有顯著差異,而雌魚(yú)的PCBs濃度則始終維持在一恒定水平。推測(cè)這種差異是雌魚(yú)和雄魚(yú)的生長(zhǎng)速率及能量(食物攝入)需求不同所致。此外,雌魚(yú)可能通過(guò)產(chǎn)卵將體內(nèi)的PCBs濃度部分轉(zhuǎn)移。魚(yú)齡60 d至150 d的稀有鮈鯽及斑馬魚(yú)雌、雄魚(yú)的差異研究也證實(shí)了上述推測(cè),90 d日齡的稀有鮈鯽雌、雄成魚(yú)體脂有顯著差異。此外,雌魚(yú)的體脂含量與體重相關(guān)性較好,而120 d以上雄魚(yú)可能因精巢發(fā)育成熟后營(yíng)養(yǎng)分配變化的原因致使體脂含量反而下降；性腺發(fā)育階段120 d和150 d的斑馬魚(yú)雌、雄魚(yú)體重差異顯著。綜上,可知性別對(duì)蓄積性影響的實(shí)質(zhì)為不同性別的魚(yú)(或處于生育階段不同性別的魚(yú))生長(zhǎng)速度、對(duì)能量的需求量各異致使體重、體脂等出現(xiàn)明顯差異所致。因此,雌、雄個(gè)體差異較大的魚(yú)種應(yīng)盡量避免雌、雄魚(yú)混用的測(cè)試方式；雌、雄個(gè)體差異較小的小型魚(yú)種,繁殖期前、個(gè)體差異較小階段,可混用進(jìn)行測(cè)試。

物質(zhì)的潛在生物蓄積性一般與其親脂性有關(guān),其BCF/BMF或在魚(yú)體內(nèi)濃度與脂肪含量有良好的正相關(guān)性[37,38]。相同魚(yú)種及不同魚(yú)種間因脂肪含量導(dǎo)致的BCF差異可達(dá)2至5倍[38-39]。因此,試驗(yàn)期間魚(yú)體脂肪含量變化較大或使用自身脂肪含量較高的魚(yú)種,脂肪校正非常必要。此外,暴露期間,可能存在因試驗(yàn)魚(yú)生長(zhǎng)、體重增加而導(dǎo)致物質(zhì)在單位魚(yú)體濃度降低的生長(zhǎng)稀釋現(xiàn)象,這種偽清除的過(guò)程致使過(guò)高估算k2(清除速率常數(shù)；d-1)從而低估動(dòng)力學(xué)BCFk或BMFk。故可通過(guò)生長(zhǎng)-校正清除速率常數(shù)(k2g)計(jì)算生長(zhǎng)-校正生物放大因子或在在計(jì)算k2時(shí)以每尾魚(yú)(整尾魚(yú)為基礎(chǔ))所含化學(xué)物質(zhì)的質(zhì)量數(shù)據(jù)替代濃度數(shù)據(jù)以降低或避免生長(zhǎng)稀釋對(duì)結(jié)果的影響。近期一項(xiàng)不同魚(yú)種甲基汞生物蓄積的大樣本(約2 538個(gè))調(diào)查發(fā)現(xiàn),對(duì)不同體重、體長(zhǎng)魚(yú)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理后,雌、雄魚(yú)體內(nèi)的甲基苯含量無(wú)顯著性差異[40]。二甲苯麝香(MX)的稀有鮈鯽、斑馬魚(yú)及虹鱒(rainbow trout)的攝食暴露、六氯苯(HCB)的稀有鮈鯽、虹鱒及鯉魚(yú)幼魚(yú)攝食暴露,也發(fā)現(xiàn)經(jīng)生長(zhǎng)及脂肪校正后不同魚(yú)種的BMFg(生長(zhǎng)-校正生物放大因子)和BMFL(脂肪-校正生物放大因子)無(wú)顯著差異。因此,為進(jìn)一步減少個(gè)體差異對(duì)結(jié)果的影響,有必要對(duì)BCF/BMF結(jié)果進(jìn)行生長(zhǎng)及脂肪校正。

圖2 生物蓄積性評(píng)價(jià)中的代謝研究策略Fig.2 The strategy of metabolism study during the assessment of fish bioaccumulation

3 生物蓄積性測(cè)試及評(píng)估的優(yōu)化與替代評(píng)估方式

在測(cè)試前期或同期開(kāi)展魚(yú)體代謝研究有利于生物蓄積性評(píng)估的優(yōu)化。獲取代謝信息的途徑有2種:(1)現(xiàn)有數(shù)據(jù)(包括已有的毒代動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù))收集、分析、文獻(xiàn)檢索或軟件預(yù)測(cè)等；(2)在蓄積試驗(yàn)前期或試驗(yàn)期間開(kāi)展代謝相關(guān)的試驗(yàn)研究?？山梃b藥物代謝的研究手段,開(kāi)展組織、細(xì)胞或亞細(xì)胞水平的體外或體內(nèi)研究[41-45],還可從細(xì)胞響應(yīng)、分子及蛋白水平的反應(yīng)中篩選識(shí)別出與代謝相關(guān)的生物標(biāo)識(shí)[46],揭示物質(zhì)在魚(yú)體中的代謝性。根據(jù)物質(zhì)的代謝信息,豁免、中止或優(yōu)化蓄積測(cè)試(見(jiàn)圖2)。

對(duì)于受限于自身性質(zhì)、試驗(yàn)條件等、難于開(kāi)展生物蓄積測(cè)試的物質(zhì),可采用軟件/模型預(yù)測(cè)(如生物蓄積性或毒代動(dòng)力學(xué)軟件/模型)、替代試驗(yàn)評(píng)估(如一些公認(rèn)度較高的體內(nèi)或體外評(píng)估方式)或文獻(xiàn)調(diào)研等方式獲取生物蓄積性的評(píng)估數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)現(xiàn)有策略中測(cè)試層面及OECD新305標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)不確定性進(jìn)行研究,明確了物質(zhì)(含多組分物質(zhì))不同試驗(yàn)方法/暴露方式的選擇及優(yōu)化測(cè)試原則:建議在可能的情況下,先考慮水暴露方式；前期信息較少時(shí),直接進(jìn)行1個(gè)以上濃度的完整水暴露試驗(yàn)；攝食暴露時(shí),通過(guò)獲取BCFSS或提供BCFK值(如適用)為現(xiàn)階段的化學(xué)品分類(lèi)及安全管理提供參考；明確了以分析方法標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性相關(guān)系數(shù)、回收率和精密度評(píng)價(jià)方法適用性、精確度及準(zhǔn)確性的方式及原則；為獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果,建議選取代表性組織或全魚(yú)(小魚(yú))進(jìn)行化學(xué)分析,對(duì)BCF/BMF結(jié)果進(jìn)行生長(zhǎng)和脂肪校正。建議引入代謝研究以簡(jiǎn)化、優(yōu)化或豁免試驗(yàn),對(duì)于難于開(kāi)展生物蓄積測(cè)試的物質(zhì),采用替代性評(píng)估方式獲取蓄積性信息。通過(guò)上述研究及文獻(xiàn)分析,形成了基于OECD新305標(biāo)準(zhǔn)的涵蓋前期數(shù)據(jù)收集、分析與利用,生物蓄積優(yōu)化測(cè)試策略,代謝性研究及替代評(píng)估方式等內(nèi)容的魚(yú)類(lèi)生物蓄積優(yōu)化評(píng)估策略。

隨著后續(xù)研究的深入及數(shù)據(jù)的積累,還可對(duì)策略中的以下方面進(jìn)行更為細(xì)化的補(bǔ)充:

(1)通過(guò)在攝食暴露中同時(shí)報(bào)道 BCFK或BCFSS,或通過(guò)對(duì)更多物質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室條件下的BCF與BMF比較研究,建立BCF與BMF數(shù)據(jù)間可靠性較高的轉(zhuǎn)化關(guān)系,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室BMF數(shù)據(jù)直接用于化學(xué)品的分類(lèi)管理；

(2)開(kāi)發(fā)科學(xué)性及操作性較好的代謝評(píng)價(jià)方法,為生物蓄積測(cè)試的豁免、簡(jiǎn)化、優(yōu)化或結(jié)果解釋提供科學(xué)依據(jù)；

(3)建立穩(wěn)定性、重復(fù)性及通用性較好的生物蓄積性體外替代評(píng)價(jià)體系,為無(wú)法通過(guò)OECD新305方法獲取數(shù)據(jù)的物質(zhì)的生物蓄積性評(píng)價(jià)提供較為可靠的數(shù)據(jù)支持。

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Study on Optimized Strategy of Fish Bioaccumulation Test Based on the OECD Guideline

Yang Jing,Liu Min,Zhao Huaqing,Deng Yunyun,Wang Lvping,Zhang Jingji,Yin Haowen*
Shanghai Academy of Public Measurement,Shanghai 201203,China

11 January 2016 accepted 5 April 2015

As one of the main parameters of environmental behavior in risk assessment,bioaccumulation is important to the classification,labeling,assessment and environmental risk control of chemicals,and it is also a criteria for identifying persistence and hazard of chemicals.A new OECD test guideline of bioaccumulation in fish,which was adopted in 2012,has brought new challenges to optimized strategy of bioaccumulation test.In this situation,a new test strategy should be developed and refined.An optimized strategy of bioaccumulation based on the new test guideline was studied based on analytic hierarchy process and literature research.Different from the traditional one, the suggested strategy focuses more on the testing levels,and provides a scientific basis for the optimization and simplification of bioaccumulation test as well as chemical safety management.

fish;bioaccumulation;optimized strategy

2016-01-11 錄用日期:2015-04-05

1673-5897(2016)1-117-09

X171.5

A

10.7524/AJE.1673-5897.20160111003

楊婧,劉敏,趙華清,等.OECD魚(yú)類(lèi)生物蓄積測(cè)試的優(yōu)化策略研究[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào),2016,11(1):117-125

Yang J,Liu M,Zhao H Q,et al.Study on optimized strategy of fish bioaccumulation test based on the OECD guideline[J].Asian Journal of Ecotoxicology,2016,11(1):117-125(in Chinese)

環(huán)保公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(2013167028):化學(xué)品富集環(huán)境行為參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究

楊婧(1982-),女,工程師,研究方向?yàn)樯鷳B(tài)毒理學(xué),E-mail:yangj@apm.sh.cn；

),E-mail:yinhw@apm.sh.cn

簡(jiǎn)介:殷浩文(1959—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榛瘜W(xué)品生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及生態(tài)毒理學(xué)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，專(zhuān)著及合著6部。