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全氟辛酸(PFOA)与全氟辛烷磺酸(PFOS)是目前全球范围内应用最为广泛、环境检出浓度最高的全氟化合物(PFCs),这两种新型持久性有机污染物(POPs)对不同营养级生物的种群、个体、组织和细胞水平毒性已成为环境科学研究领域的热点之一。本论文选取PFOA与PFOS为目标化合物,采用传统静态暴露研究化合物对大型蚤的急性毒性,参照急性毒性实验的24h-LC50与48h-LC50,选择3种毒性单位配比进行PFOA与PFOS联合毒性试验,并使用毒性单位和混合毒性指数法讨论两种化合物联合毒性的作用机制。应用流式细胞术研究化合物对斜生栅藻细胞膜特性影响。此外,为寻找一种准确、易检测的大型蚤行为指标,并使这种指标最终应用到实际水体水质的在线生物监测和污染物早期生物预警,搭建一套感应大型蚤运动行为变化的电流强度双通道流动式在线生物监测系统,进一步应用搭建的生物在线监测系统研究PFOA与PFOS对大型蚤行为强度胁迫影响,主要研究内容和结果如下:
1.选取大型蚤作为受试生物、个体死亡作为毒性终点,进行PFOA与PFOS急性和联合静态暴露实验。研究结果表明:(1)急性毒性实验数据显示,PFOA的24h-LC50与48h-LC50分别为227.93 mg·L-1和114.27 mg·L-1,PFOS的24h-LC50与48h-LC50分别为91.70 mg·L-1和33.76 mg·L-1。(2)PFOA与PFOS毒性单位比1:1时,两种化合物联合毒性呈现部分相加作用的机制;毒性单位比4:1时,两种化合物之间作用机制仍为部分相加作用;而毒性单位比为1:4时,PFOA与PFOS联合毒性作用方式则表现为协同作用。
采用流式细胞仪测定PFOA与PFOS暴露对数生长期斜生栅藻对细胞膜完整性、细胞膜选择透过性和膜电位等膜指标影响。研究结果显示:(1)PFOA显著增强碘化丙啶(PI)染料荧光强度作用,栅藻细胞膜受损几率随暴露浓度升高呈现上升趋势;高PFOA浓度暴露下细胞膜的选择透过性受到明显抑制,具体表现为表征酯酶活性指标的二乙酸荧光素(FDA)荧光强度出现先升后降的变化;反映膜电位指标的碘代3,3’-二己氧基羰花青(DIOC6(3))荧光强度指标在高浓度PFOA暴露下显著性上升,预示栅藻细胞处于异常的生理状态。(2)PFOS对酯酶活性FDA荧光强度的影响与全氟辛酸呈现相同的变化规律,即随着暴露浓度不断增加,细胞膜的选择透过性受到抑制引起胞内酯酶活性显著降低;而PFOS对细胞膜完整性与膜电位荧光指标的影响并未随浓度增加显现规律性变化,高浓度PFOS暴露没有引起细胞膜完整性的破坏和细胞膜正常生理状态的改变。
2.基于静态暴露实验得到的急性毒性数据,测试不同浓度梯度下在线生物监测系统对照通道与实验通道输出电极端感应电流强度变化趋势,判断大型蚤行为是否受到化合物的胁迫。结果显示,该在线生物监测系统对PFOA与PFOS感应电流输出信号的响应不同:当PFOA暴露浓度超过160mg·L-1时,实验通道感应电流随暴露时间延长呈现一定下降趋势,当实验通道内PFOA浓度达到320mg·L-1时,感应电流随时间变化形式表现为持续下降,而对照通道感应电流输出则保持随时间递增的趋势;而PFOS暴露感应电流变化幅度在实验预设浓度范围内与对照组感应电流变化幅度只在高作用浓度组显现较小的差异,也说明大型蚤行为强度因PFOS暴露受到抑制或刺激作用有限。两种全氟化物对大型蚤在线生物监测系统输出信号变化规律不同,说明PFOA与PFOS对大型蚤行为强度的影响不同,提示本研究搭建的在线生物监测系统更适合于应用到PFOA污染现场的在线监测与早期预警。当然,这套双通道大型蚤在线生物监测系统自身还存在需要改进的地方。