飲用水中碘乙酸和碘仿的檢測識別、遺傳毒性和潛在致癌性研究.pdf

1、碘系消毒副產(chǎn)物是飲用水消毒過程中新發(fā)現(xiàn)的一類未受控消毒副產(chǎn)物。原水碘離子含量高和氯胺消毒是形成碘系消毒副產(chǎn)物的重要直接因素。上海市地處長江入?？?水源水質(zhì)易受咸潮影響,而且多數(shù)水廠以常規(guī)水處理工藝(預氧化、混凝、沉淀、沙濾和消毒)生產(chǎn)飲用水,特殊的環(huán)境條件和所采用飲用水加工工藝易于形成碘系消毒副產(chǎn)物。盡管飲用水中碘系消毒副產(chǎn)物含量低至納克,但毒性極大。有研究表明碘系消毒副產(chǎn)物比受控的消毒副產(chǎn)物具有更強的細胞毒性和遺傳毒性,因此,本研究以

2、上海市飲用水加工過程中代表性的碘系消毒副產(chǎn)物(碘乙酸和碘仿)的生成水平和影響因素為切入點,通過檢測飲用水中碘乙酸和碘仿含量,了解人群碘乙酸和碘仿的暴露水平;利用四噻唑藍試驗、CCK-8試驗、鼠傷寒沙門氏菌回復突變試驗、細胞內(nèi)γ-H2AX含量測定和胞質(zhì)分裂阻滯法微核試驗等系列組合實驗研究碘乙酸和碘仿的細胞毒性和遺傳毒性特征及它們可能的作用機制;繼而通過細胞惡性轉(zhuǎn)化實驗研究碘乙酸和碘仿的潛在致癌性及可能機制。研究結(jié)果將為今后上海市不同水源消

3、毒副產(chǎn)物的過程控制,制水工藝的升級改進提供重要的科學依據(jù),也為碘乙酸和碘仿健康風險評價和飲用水水質(zhì)衛(wèi)生標準的研制奠定基礎(chǔ)。
　　第一部分，上海市飲用水中碘乙酸和碘仿的檢測識別
　　1、飲用水中氯、溴和碘離子檢測方法的建立
　　本研究在借鑒美國環(huán)保局推薦的300.1方法基礎(chǔ)上,建立基于離子色譜法測定飲用水中氯和溴離子的檢測方法;通過質(zhì)譜對碘化衍生物進行精確定性,繼而建立基于氣相色譜電子捕獲檢測器測定水中碘離子的檢測方法。

4、離子色譜分析結(jié)果顯示,氯離子和溴離子分離度良好,峰形對稱,無拖尾,溶劑和雜質(zhì)峰干擾少,整個色譜分析歷時12min。采用標準曲線法進行定量,氯離子與溴離子的方法線性范圍分別為1～1000mg/L和1～1000μg/L,確定系數(shù)均為0.999。平均加標回收率在89.7％～112.3％之間,精密度小于2.9％,氯離子和溴離子方法檢出限分別為55.6和0.37μg/L。連續(xù)校準值為87.9％～113.2％,替代物響應(yīng)值為93.2％～103.4％

5、,平行雙樣測定的相對偏差在0.0％～8.0％。含碘物質(zhì)經(jīng)衍生化后,質(zhì)譜鑒定發(fā)現(xiàn)碘離子衍生化后生成碘代丁酮存在2個同分異構(gòu)體,即1-碘-2-丁酮和3-碘-2-丁酮。采用雙毛細管柱定性分析顯示,碘代丁酮分離度好,整個色譜分析歷時19.33min。選擇響應(yīng)值較高的3-碘-2-丁酮進行定量檢測,方法線性范圍為1～100μg/L,確定系數(shù)r2=0.999;方法檢出限為0.13μg/L;平均加標回收率為102.0％,相對標準偏差為5.1％,連續(xù)校準

6、值在97.2％～108.8％,內(nèi)標物響應(yīng)值在92.00％～110.05％,平行雙樣測定的相對偏差在4.4％～11.6％。研究結(jié)果表明所建立的氯、溴和碘離子的檢測方法靈敏度高,定性定量準確,質(zhì)量控制符合美國EPA檢測方法的要求,適用于水中微量氯離子、溴離子和碘離子的分析。
　　2、氣相色譜電子捕獲檢測器法測定飲用水中碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸
　　借鑒美國環(huán)保局推薦的檢測方法551.1和552.3,經(jīng)優(yōu)化前處理和檢

7、測條件,建立基于雙柱定性氣相色譜電子捕獲檢測器法測定飲用水中碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷(氯仿、溴仿、二氯一溴甲烷、二溴一氯甲烷)和9種鹵乙酸(氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、溴乙酸、二溴乙酸、三溴乙酸、二氯一溴乙酸、二溴一氯乙酸、溴氯乙酸)的檢測方法。氣相色譜電子捕獲檢測器法檢測結(jié)果顯示,碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸分離度好,峰形對稱,無拖尾,溶劑和雜質(zhì)峰干擾少,基線平穩(wěn)。碘仿和4種三鹵甲烷整個色譜分離時間為40.67min,而碘

8、乙酸和9種鹵乙酸整個色譜分離時間為23.50min。采用內(nèi)標工作曲線法定量,碘乙酸和碘仿的方法線性范圍分別為0.01～2.5μg/L和0.05～5μg/L,4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸的方法線性范圍均為1～100μg/L,確定系數(shù)均大于0.994。碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸的平均加標回收率在93.5％～111.1％之間,精密度小于7.0％。碘乙酸和碘仿的方法檢測限分別為6.2和17.7ng/L,4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸的方法檢測

9、限為191.4～502.2ng/L。碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸的連續(xù)校準值在87.1％～114.0％,內(nèi)標物平均響應(yīng)值在85.2％～120.0％,替代物響應(yīng)值在85.8％～116.5％,平行雙樣測定的相對偏差在0.1％～10.3％。改進后的碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸測定方法分離度好、分析時間短、靈敏度高、準確度高、重現(xiàn)性好。儀器條件簡單,可自動化批量處理,適合于普通實驗室分析。
　　3、上海市飲用水中碘乙酸

10、和碘仿的污染現(xiàn)狀研究
　　為了解上海市以長江和黃浦江為水源水廠各工藝環(huán)節(jié)水中碘乙酸和碘仿的水平,評價水源水質(zhì)、生產(chǎn)工藝、消毒劑種類對碘乙酸和碘仿形成的影響,本研究以上海市中心城區(qū)13家水廠(11家水廠采用常規(guī)生產(chǎn)工藝,2家采用深度處理工藝)為對象,分別于枯水期和豐水期采集水廠不同工藝過程水樣,測定水樣的pH值、氨氮、可溶性有機碳、UV254、特征紫外吸光度、氯離子、溴離子、碘離子、碘乙酸、碘仿、4種三鹵甲烷和9種鹵乙酸的水平生成和

11、變化情況。
　　研究結(jié)果顯示,黃浦江和長江水質(zhì)呈弱堿性(pH=7.34),氨氮含量小于0.5mg/L,有機物含量未見偏高,DOC、UV254和SUVA的中位數(shù)分別為6.00mg/L、0.231/cm、3.90L/(mg·m)。黃浦江pH值稍低于長江,豐水期高于枯水期;豐水期黃浦江和長江的氨氮濃度相近,枯水期黃浦江的氨氮含量高于長江。黃浦江可溶性有機碳和UV254含量均高于長江,其中兩江可溶性有機碳含量豐水期略高于枯水期,而兩江UV

12、254含量則是豐水期低于枯水期;黃浦江的特征紫外吸光度水平在豐水期稍高于長江,枯水期則低于長江:黃浦江氯、溴和碘離子高于長江,且豐水期低于枯水期。各水廠出廠水碘乙酸和碘仿含量在0.03～1.66μg/L。9種鹵乙酸和4種三鹵甲烷含量范圍在0.28～63.74μg/L。以黃浦江為原水的水廠出廠水中碘乙酸和碘仿含量高于以長江為原水的水廠,而豐水期又低于枯水期。多元線性回歸分析結(jié)果顯示,pH值與碘乙酸和碘仿的形成呈負相關(guān),碘仿的形成還與UV2

13、54和碘離子水平呈正相關(guān)。
　　氯胺預氧化較臭氧產(chǎn)生更多的碘乙酸和碘仿,濃度范圍在0.2～1.7μg/L,而與液氯預氧化的差異無統(tǒng)計學意義。各水廠生產(chǎn)工藝對水質(zhì)pH值、氨氮、可溶性有機碳、氯離子、溴離子濃度影響不大,但UV254、特征紫外吸光度水平明顯下降。常規(guī)生產(chǎn)工藝水廠的出廠水中碘離子濃度明顯下降。未在原水中發(fā)現(xiàn)碘乙酸和碘仿,但各水廠出廠水均檢出碘乙酸和碘仿。常規(guī)生產(chǎn)工藝可形成碘乙酸、碘仿、9種鹵乙酸和4種三鹵甲烷;深度處理工

14、藝在活性炭工藝前均未檢出碘乙酸和碘仿,但可檢出微量9種鹵乙酸和4種三鹵甲烷。上述結(jié)果表明上海市主城區(qū)各水廠的出廠水中均檢出碘乙酸和碘仿,含量處于納克至微克水平。低pH值、高有機物、高碘離子及以氯胺預氧化有利于形成碘乙酸和碘仿。常規(guī)和深度處理工藝對水質(zhì)pH值、氨氮、可溶性有機碳、氯離子和溴離子影響不大,不能有效去除飲用水加工過程生成的碘乙酸和碘仿。
　　第二部分，碘乙酸和碘仿的細胞毒性研究
　　采用一組不同細胞毒性終點的試驗研

15、究碘乙酸和碘仿的細胞毒性及其可能的作用機制。分別以不同劑量的碘乙酸和碘仿對NIH/3T3細胞染毒72h后,以四噻唑藍試驗測定碘乙酸對NIH/3T3細胞增殖和線粒體損傷的影響,以CCK-8試驗測定碘仿對NIH/3T3細胞增殖和線粒體損傷的影響;并在顯微鏡下觀察細胞形態(tài)學的變化;測定碘乙酸和碘仿對細胞乳酸脫氫酶、ATP、還原型谷胱甘肽含量的影響;以流式細胞儀分析細胞周期和凋亡的改變。研究結(jié)果顯示,碘乙酸和碘仿染毒72h后可導致NIH/3T3

16、細胞存活率下降,呈劑量-反應(yīng)關(guān)系;碘乙酸的細胞毒性分別比溴乙酸和氯乙酸強2、218倍,碘仿的細胞毒性比溴仿強81倍。碘乙酸和碘仿染毒72h后,光鏡下觀察到細胞增殖受抑制,出現(xiàn)細胞凋亡或壞死現(xiàn)象:還可引起細胞外乳酸脫氫酶含量上升和細胞內(nèi)ATP含量下降(P＜0.05),并呈劑量.反應(yīng)關(guān)系;對細胞內(nèi)還原型谷胱肽無明顯影響(P＞0.05)。流式細胞儀分析結(jié)果顯示,碘乙酸和碘仿可分別導致細胞凋亡和壞死比例增多,碘乙酸可使細胞出現(xiàn)S期阻滯,而碘仿則

17、使細胞出現(xiàn)G2/M期阻滯。研究結(jié)果表明,碘乙酸和碘仿產(chǎn)生細胞毒性可能與線粒體損傷、ATP耗竭和胞膜損傷有關(guān)。線粒體途徑可能是碘乙酸和碘仿致細胞死亡的機制之一。而碘乙酸和碘仿致細胞周期阻滯提示碘乙酸和碘仿可損傷細胞DNA。
　　第三部分，碘乙酸和碘仿的遺傳毒性研究
　　應(yīng)用鼠傷寒沙門氏菌回復突變試驗、細胞內(nèi)γ-H2AX含量測定和胞質(zhì)分裂阻滯法微核試驗評價碘乙酸和碘仿的遺傳毒性。分別以不同劑量的碘乙酸和碘仿對鼠傷寒沙門氏菌TA1

18、00和TA98菌株進行染毒,其中碘乙酸采用非預培養(yǎng)法和預培養(yǎng)法,碘仿采用非預培養(yǎng)法,均培養(yǎng)48h后計數(shù)鼠傷寒沙門氏菌回變菌落數(shù)。先通過NIH/3T3細胞生長曲線確定碘乙酸和碘仿的染毒時間,再以CCK-8試驗明確碘乙酸和碘仿的染毒劑量,最后采用胞質(zhì)分裂阻滯法微核試驗測定不同劑量碘乙酸和碘仿染毒40h后誘導細胞微核形成數(shù)。先以CCK-8試驗確定碘乙酸和碘仿染毒24h后的染毒劑量,繼而以流式細胞儀測定不同劑量碘乙酸和碘仿染毒24h后NIH/3

19、T3細胞γ-H2AX表達量。結(jié)果顯示,碘乙酸在加或不加S9條件下均未能誘導鼠傷寒沙門氏菌TA100和TA98回復菌落數(shù)顯著增加;碘仿在加或不加S9條件下均可誘導鼠傷寒沙門氏菌TA100和TA98回復菌落數(shù)顯著增加。碘乙酸可引起NIH/3T3細胞γ-H2AX含量增加,并呈劑量-反應(yīng)關(guān)系;碘仿能引起NIH/3T3細胞γ-H2AX含量增加,但未見劑量.反應(yīng)關(guān)系。碘乙酸和碘仿均未能引起NIH/3T3細胞微核形成率增加。鼠傷寒沙門氏菌回復突變試驗

20、、微核試驗和γ-H2AX含量測定試驗表明碘乙酸和碘仿為可疑遺傳毒物。
　　第四部分，碘乙酸和碘仿的潛在致癌性研究
　　應(yīng)用體外細胞惡性轉(zhuǎn)化試驗研究碘乙酸和碘仿的潛在致癌性及其可能的作用機制。先通過細胞克隆形成試驗確定細胞惡性轉(zhuǎn)化試驗的染毒劑量,然后以不同劑量的碘乙酸和碘仿對NIH/3T3細胞染毒72h后繼續(xù)培養(yǎng)10天,觀察細胞轉(zhuǎn)化灶形成數(shù)。繼而以伴刀豆蛋白A凝集試驗、軟瓊脂試驗和裸鼠成瘤試驗驗證轉(zhuǎn)化細胞的惡變情況,并以流式細

21、胞儀分析惡性轉(zhuǎn)化后細胞的周期變化,以免疫細胞化學試驗分析惡性轉(zhuǎn)化后細胞p53蛋白表達情況。研究結(jié)果顯示,碘乙酸可誘導NIH/3T3細胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化細胞能引起伴刀豆蛋白A凝集,可在軟瓊脂中形成克隆,并能在裸鼠皮下形成腫瘤,腫瘤組織學檢查表明所形成腫瘤為分化程度較低的纖維肉瘤。細胞周期分析顯示轉(zhuǎn)化細胞出現(xiàn)G0/G1期阻滯,S期和G2/M期細胞比例下降。免疫細胞化學分析顯示p53蛋白表達未見增強。而碘仿在體外NIH/3T3細胞惡性轉(zhuǎn)化試