尼泊金酯类防腐剂被广泛用于化妆品、食品等领域,其对环境和人体健康的影响颇受关注[1-3]。 大约1932年尼泊金酯就已经开始被广泛用作各类食品制造中的防腐剂,到1965年,人们逐步意识到尼泊金酯有防腐剂功能,而后又将其广泛应用于食品、饮料、化妆品、家具和皮革等各类日用化工产品中[4-6]。 美国食品药品管理局认定尼泊金酯是一种普通安全性成分,被人体肠胃及皮肤细胞吸收后,可在体内进行水解并伴随着尿液而排出。 然而,因其致敏反应及潜在的老化肌肤风险,尼泊金酯安全性引起了诸多争论。 目前,在我国的医药和化妆品健康环境保护规范中,尼泊金酯类的防腐剂在所有医药和化妆品中单一酯的最大限量为0.4%,混合酯的限量为0.8%,过量的使用有可能直接引起严重的皮肤感染[7-8]。 di Poi 等[9]发现尼泊金酯类防腐剂对妇女具有潜在的内分泌干扰效应,可以直接模拟妇女的雌激素作用,与男性精子DNA 的损伤之间呈负相关,从而严重影响男性的生殖机能,并且还有可能与妇女乳腺癌的发病和形成等有一定的联系。 汪博林[10]研究发现,尼泊金乙酯会增加大型溞(Daphnia magna)的死亡率。 闫小雨等[11]发现尼泊金丙酯对鱼体有一定的毒性作用,且会破坏鱼体内钠钾泵的离子转运功能。 因此,考察尼泊金酯类防腐剂对水体的污染和影响具有重要的环境意义。
尼泊金酯类防腐剂通常以混合物的形式存在于环境中,混合物的联合毒性相互作用与单个化合物的毒性作用不同,甚至对环境的毒害作用更大[12-14]。因此,研究尼泊金酯类防腐剂混合物的毒性及其相互作用具有重要意义。 王滔等[15]研究了苯嗪草酮、草净津和特丁通的3 种二元混合体系对蛋白核小球藻的毒性相互作用随着暴露时间和混合物浓度的变化,由加和作用向协同作用转变。 黄子晏等[16]采用绝对残差模型(deviation from CA model, dCA)定量评估重金属铅和农药甲霜灵、草甘膦三元混合体系对青海弧菌(Vibrio qinghaiensis sp. -Q67, Q67)的拮抗作用强度。 因此,采用dCA 值表征毒性相互作用强度在评估环境污染物风险时具有一定的意义,并且将暴露时间和化合物的浓度相结合更具有一定的现实意义。
综上所述,本文拟以3 种尼泊金酯类防腐剂尼泊金甲酯(methylparaben, MET)、尼泊金乙酯(ethylparaben, ETH)和尼泊金丙酯(propylparaben, PRO)为研究对象,应用直接均分射线法(direct equipartition ray, EquRay)和均匀设计射线法(uniform design ray, UD-Ray),分别设计3 种尼泊金酯类防腐剂的3个二元混合体系(MET-ETH、MET-PRO、ETH-PRO)和一个三元混合物体系(MET-ETH-PRO),每个混合体系分别设计5 条不同浓度配比的射线(R1、R2、R3、R4 和R5),以发光菌Q67 为指示性生物,采用时间微板毒性分析法(t-MTA),测定5个暴露时间(0.25、2、4、8 和 12 h)Q67 的发光值。 使用浓度加和(concentration addition, CA)模型和dCA 模型进行混合物间的毒性相互作用的定性与定量分析,从而为尼泊金酯类防腐剂混合物的毒性研究或生态风险等研究提供合理的建议。
3 种尼泊金酯类防腐剂 MET、ETH 和 PRO,纯度均>99%,均购于国药集团化学试剂有限公司,其基本性质如表1 所示。 3 种试剂的储备液均采用蒸馏水配制,储备于棕色瓶中,保存于4 ℃冰箱中,备用。
表1 3 种防腐剂的分子式、分子量、CAS 号、储备液以及拟合函数 Weibull 的参数(α、β)、统计学参数(RMSE 和R)、半数效应浓度(EC50)及其负对数值(pEC50)
Table 1 The molecular formula, molecular weight, CAS number, stock, fitted parameters(α and β) and statistical parameters (RMSE and R) of fitted function Weibull,median effect concentration (EC50) and its negative logarithm (pEC50) values for three parabens
注:RMSE 表示均方根误差,R 表示相关系数;W 为Weibull 拟合函数的简写。
Note: RMSE stands for root mean square error; R represents the correlation coefficient; W is the abbreviation of Weibull fitting function.
尼泊金酯Parabens分子式Molecular formula CAS 号CAS number分子量/(g·mol-1)Molecular weight/(g·mol-1)储备液浓度/(mol·L-1)Stock concentration/(mol·L-1)时间/h Time/h拟合含数Fitted function α βRMSER EC50/(mol·L-1)pEC50 0.25 W 6.03 2.09 0.034 0.9948 8.70E-04 3.06尼泊金甲酯(MET)Methylparaben(MET)C8H8O3 99-76-3 152.20 9.20E-03 2 W 6.08 2.16 0.036 0.9941 1.04E-03 2.98 4 W 6.93 2.50 0.043 0.9920 1.21E-03 2.92 8 W 8.09 2.82 0.038 0.9942 1.00E-03 3.00 12 W 9.65 3.35 0.040 0.9944 1.02E-03 2.99尼泊金乙酯(ETH)Ethylparaben(ETH)C9H10O3 120-47-8 166.18 3.01E-03 0.25 W 7.11 2.06 0.020 0.9982 2.35E-04 3.63 2 W 7.74 2.27 0.033 0.9956 2.68E-04 3.57 4 W 11.12 3.34 0.044 0.9949 3.64E-04 3.44 8 W 10.91 3.31 0.042 0.9936 3.92E-04 3.41 12 W 10.90 3.37 0.047 0.9909 4.54E-04 3.34尼泊金丙酯(PRO)Propylparaben(PRO)C10H12O3 94-13-3 180.20 1.11E-03 0.25 W 7.04 1.96 0.028 0.9945 1.66E-04 3.78 2 W 7.63 2.12 0.040 0.9898 1.69E-04 3.77 4 W 11.12 3.11 0.064 0.9793 2.03E-04 3.69 8 W 12.10 3.41 0.051 0.9870 2.21E-04 3.66 12 W 14.70 4.18 0.055 0.9846 2.49E-04 3.60
主要实验仪器:Synery 2 Multi-Mode 酶标仪(美国伯腾仪器有限公司),JB-CJ-1FX 超净工作台(苏州佳宝净化工程设备有限公司,中国),FST-TOP-A24普力菲尔超纯水机(上海富诗特仪器设备有限公司,中国),YXQ-LS-100A 型立式压力蒸汽灭菌锅(上海博迅实业有限公司,中国),HYC-260 型立式冷藏箱(青岛海尔电冰柜有限公司,中国),BS-2H 立式单门双层恒温震荡器(金坛市天竟实验仪器厂,中国)。
Q67 购买于北京滨松光子技术股份有限公司。将Q67 冻干粉用活化液活化,并置于固体平板中涂布。 涂布完成后将平板置于培养箱中于(22±1) ℃培养24 h,然后将固体平板置于4 ℃冰箱中保存备用。 实验前接种于液体培养基中并置于恒温振荡培养箱中培养,温度为(22±1) ℃,转速为 120 r·min-1,待Q67 长到对数期后使用。 其培养基的具体配制方法与实验操作过程参考文献的方法[17-18]。
3 种尼泊金酯类防腐剂及其二元混合体系(MET-ETH、MET-PRO、ETH-PRO)和三元混合体系(MET-ETH-PRO)对 Q67 的毒性测定采用 t-MTA法[19]。 选择不透明96 孔白板为作实验载体,在其四周共36个微孔中加入200 μL 超纯水以此来避免边缘化效应。 在第 6、7、11 列分别加入 100 μL 超纯水作为空白对照组,其余列按预实验的稀释因子设置12个浓度梯度,最终在每个微孔中加入100 μL 处于对数生长期的Q67 菌液使得每个孔的总体积为200 μL,置于(22±1) ℃培养箱中,在暴露时间分别为 0.25、2、4、8 和 12 h 时取出,用酶标仪测定 Q67的发光值数据。 为减少实验误差,每个实验组均设置3个平行样。 具体过程详见参考文献[20]。
为有效地考察混合物随浓度和时间的毒性变化规律,实验采用直接均分射线法(EquRay)[21]设计了3个二元混合物体系(MET-ETH、MET-PRO 和ETHPRO),应用均匀设计射线法(UD-Ray)[22]设计了一个三元混合体系(MET-ETH-PRO),每个混合物体系均安排了5 条不同浓度比的射线(R1、R2、R3、R4 和R5),各组分浓度比(pi)如表2 所示。
表2 混合物体系各物质组分浓度比(pi)
Table 2 Concentration ratio of each component in mixture system (pi)
射线Ray pMET pETH射线Ray pMET pPRO射线Ray pETH pPRO射线Ray pMET pETH pPRO R1 9.19E-01 8.15E-02 R1 9.54E-01 4.63E-02 R1 9.01E-01 9.88E-02 R1 4.24E-01 3.16E-01 2.61E-01 R2 8.19E-01 1.82E-01 R2 8.92E-01 1.08E-01 R2 7.85E-01 2.15E-01 R2 5.07E-01 3.98E-01 9.51E-02 R3 6.93E-01 3.07E-01 R3 8.05E-01 1.96E-01 R3 6.46E-01 3.54E-01 R3 6.59E-01 1.27E-01 2.14E-01 R4 5.30E-01 4.70E-01 R4 6.73E-01 3.27E-01 R4 4.77E-01 5.23E-01 R4 6.63E-01 2.30E-01 1.07E-01 R5 3.11E-01 6.89E-01 R5 4.52E-01 5.49E-01 R5 2.67E-01 7.33E-01 R5 5.93E-01 2.63E-01 1.44E-01
通常情况下,常用Weibull 函数拟合在不同暴露时间点的S-型浓度-效应关系[19],函数Weibull[19]表达式见公式(1):
式中:E 表示效应(0≤E≤1),c 表示单一化合物或者混合物浓度,α 和β 是函数Weibull 公式的参数。
1.6.1 浓度加和(CA)模型
CA 模型常用来评估污染间的联合毒性相互作用[23]。 CA 预测线位于置信区间内部、上方和下方,分别代表混合物的毒性相互作用为加和作用、拮抗作用和协同作用[24]。 CA 模型公式如下:
式中:ci 表示混合物产生某一效应x%时组分i 的浓度,ECx,i 表示混合物中第i个组分单独存在时产生效应x%时所需要的浓度。
1.6.2 绝对残差模型(dCA)
dCA 模型基于CA 模型衍生而来,可用来定量评估混合物体系的联合毒性作用强弱,dCA>0、dCA<0 和dCA=0 时,分别表示拮抗作用、协同作用和加和作用,dCA 的绝对值越小,毒性相互作用越弱[19]。dCA 模型公式如公式(3)所示:
式中:EPRE,CA 为CA 预测效应,EOBS 为实验观测效应。
污染物对Q67 在不同暴露时间的浓度-效应数据可以用非线性函数 Weibull 有效拟合(RMSE <0.070, R>0.9700)[19],其中拟合的参数(α 和 β)和统计学参数(RMSE 和R)如表1 所示。 3 种防腐剂MET、ETH 和PRO 对Q67 在不同暴露时间的浓度-效应观测值及其非线性拟合结果如图1 所示。 由图1 可知,3 种尼泊金酯类防腐剂(MET、ETH 和PRO)均呈现出明显的“S”型浓度-效应特征,且随着化合物浓度的增大,抑制率也在增大,即具有浓度依赖毒性。由表1 中的半数效应浓度(EC50)和图1 可知,MET、ETH 和PRO 3 种防腐剂毒性的时间依赖性均不明显,即急性毒性和长期毒性无明显差异,这说明一定浓度的MET、ETH 和PRO 防腐剂在短时间内即可产生明显的毒性。
图1 3 种防腐剂对Q67 的浓度-效应图
Fig.1 The concentration-response curves of three parabens on Q67
3 种尼泊金酯类防腐剂构成的3个二元混合体系(MET-ETH、MET-PRO 和 ETH-PRO)对 Q67 在不同暴露时间的浓度-效应如图2 所示。 由图2 可知,3个二元混合体系(MET-ETH、MET-PRO 和 ETHPRO)对Q67 的毒性均呈现出良好的浓度-效应关系,且浓度效应曲线均为“S”型。 随着混合物体系浓度的增大,3个二元混合体系的抑制率都增大,即毒性均具有浓度依赖性。 此外,随着暴露时间的延长,3个混合体系中各条射线的毒性在0 ~12 h 有逐渐减小的趋势,即具有时间依赖性,但METPRO 和ETH-PRO 混合体系的5 条射线比 METETH 混合体系的5 条射线对Q67 的毒性在0 ~12 h 变化明显。
图2 3个二元混合物体系在不同暴露时间对Q67 的浓度-效应曲线
Fig.2 The concentration-response curves of three binary mixture systems in different time for Q67
混合物组分浓度比依赖毒性已有报道[25]。 以半数效应浓度的负对数(pEC50)值为毒性大小指标,本研究中的3个二元混合体系15 条混合射线在不同暴露时间的pEC50 值与组分浓度比(pi)之间具有明显的线性关系(表3)。 由表3 可知,暴露时间为12 h时,MET-ETH 混合体系的5 条混合物射线的pEC50值与混合物组分MET 的浓度配比均呈负相关关系(R=-0.9477,RMSE=0.0007),与混合物组分ETH 的浓度配比均呈正相关关系(R =0.9477, RMSE =0.0007);MET-PRO 混合体系的5 条混合物射线的pEC50 值与混合物组分MET 的浓度配比呈现负相关关系(R=-0.9889, RMSE=0.0003),且与混合物组分PRO 的浓度配比呈现正相关关系(R=0.9889,RMSE=0.0003);ETH-PRO 混合体系的5 条混合物射线的pEC50 值与混合物组分ETH 的浓度配比呈现负相关关系(R=-0.9905, RMSE=0.0002),且与混合物组分 PRO 的浓度配比呈现正相关关系(R =0.9905, RMSE=0.0002)。 进一步分析发现,含有组分MET 的混合物体系的射线毒性与MET 的浓度比负相关,而含有PRO 组分的混合物体系的射线毒性与PRO 的浓度比正相关(表3)。
表3 3个二元混合物体系的毒性(pEC50 值)与组分浓度比(pi)之间的线性关系
Table 3 The linear relationship between the toxicity (pEC50) and the component concentration ratio (pi) of three binary mixture systems
混合体系Mixture system组分Component函数Function R RMSE MET-ETH MET pEC50=-0.2923pMET+3.4499 -0.9477 0.0007 ETH pEC50=0.2923pETH+3.1576 0.9477 0.0007 MET-PRO MET pEC50=-0.4952pMET+3.3957 -0.9889 0.0003 PRO pEC50=0.3450pPRO+2.9005 0.9889 0.0003 ETH-PRO ETH pEC50=-0.3210pETH+3.5395 -0.9905 0.0002 PRO pEC50=-0.3210pPRO+3.2185 0.9905 0.0002
采用CA 模型对3个尼泊金酯类防腐剂二元混合物体系(MET-ETH、MET-PRO 和 ETH-PRO)的 15条混合射线的毒性相互作用进行分析,3个混合物体系中具有毒性相互作用(协同作用/拮抗作用)的代表性混合物射线的实验观测值及其95%置信区间、拟合曲线以及CA 预测结果如图3 ~图5 所示,其余未列出的混合物射线均为加和作用。
由图3 ~图5 可知,3个二元混合物体系的协同或拮抗作用均具有时间依赖性和浓度依赖性。 由图3 可知,在 MET-ETH 混合体系中,除混合射线 R5在整个暴露时间段内未呈现毒性相互作用外,其余混合射线在8 h 均出现混合射线落在置信区间的下方,即呈现协同作用,其中在暴露时间4 h 和12 h时,混合射线R2 和R1 的CA 预测线分别位于置信区间的下方,即呈现协同作用;在暴露时间8 h 时,混合射线(R1 ~R4)在中高浓度区域均呈现协同作用,其余浓度区域为加和作用,说明随着暴露时间的延长和浓度范围的增大,由加和作用转变为协同作用。 由图4 可知,在 MET-PRO 混合体系中,射线R1、R3、R4 和 R5 均出现了拮抗作用,且其拮抗作用都是在长期暴露时间内和中高浓度范围内呈现。 由图5 可知,ETH-PRO 混合体系也呈现了毒性相互作用:拮抗作用。 混合射线(R1、R3、R4 和 R5)均出现了拮抗作用,且随着暴露时间的延长而变化。 随着暴露时间的延长,射线 R1、R3、R4 和 R5 拮抗作用越来越不明显,甚至由拮抗作用转变为加和作用。
dCA 可用来定量评估混合物体系的毒性相互作用强度[26]。 3个二元混合物体系(MET-ETH、MET-PRO 和 ETH-PRO)的 dCA 变化如图 6 所示。由图6 可知,dCA 三维曲面图的颜色渐变情况可以很明显地表述出污染物毒性作用,即协同或拮抗作用随浓度和时间因素的变化规律,拮抗和协同作用分别采用蓝色和红色表示,随着拮抗/协同作用的增强,即随着dCA 绝对值的增大,蓝色/红色越深。 由图6 可知,3个二元混合物体系dCA 值受暴露时间和混合物浓度的影响。 Zhang 等[27]的研究证明了dCA 曲线的协同效应受暴露时间和混合物浓度的影响。 3个二元混合物体系(MET-ETH、MET-PRO和ETH-PRO)均呈现相同的规律。 在同一暴露时间点,在低浓度、中浓度区域蓝色/红色越来越深,dCA绝对值随着浓度的增加而不断增大,即拮抗(协同)作用强度在低浓度、中浓度区域不断增强。 在高浓度区域,蓝色/红色先变深后变浅,dCA 绝对值先增后减,即在高浓度区域拮抗(协同)作用强度先增后减;在同一浓度作用下,蓝色/红色越来越深,dCA 绝对值随着暴露时间的延长而缓慢增大,即拮抗(协同)作用强度随着暴露时间的延长而不断增强。 在MET-ETH 混合体系中,R2 射线的协同作用强度最大,其混合物体系浓度为7.14E-4 mol·L-1,在暴露时间为4 h 时,dCA 绝对值的最大值为0.164;在MET-PRO 混合体系中,R5 射线的拮抗作用强度最大,其混合物体系浓度为6.26E-4 mol·L-1,在暴露时间为12 h 时,dCA 绝对值的最大值为0.380;在ETH-PRO 混合体系中,R2 射线的拮抗作用强度最大,其混合物体系浓度为3.67E-4 mol·L-1,在暴露时间为4 h 时,dCA 绝对值的最大值为0.204。 与图3、图 4 和图 5 的结果比较可知,CA 和 dCA 对 3 种防腐剂的毒性相互作用定性分析结果基本一致,dCA 三维曲面可以直观且定量地评估污染物毒性相互作用。 因此,dCA 三维曲面图可以推荐用于客观评估混合污染物的环境风险。
图6 3个二元混合物体系中具有毒性相互作用射线的dCA 三维曲面图
Fig.6 Three dimensional dCA diagram of rays with toxicity interaction in three binary mixtures
MET-ETH-PRO 三元混合体系的毒性数据可用Weibull 函数有效拟合,拟合的时间-浓度效应曲线如图7 所示。 由图 7 可知,MET-ETH-PRO 三元混合体系对Q67 的毒性均呈现良好的浓度-效应关系,且浓度效应曲线均为“S”型。 MET-ETH-PRO 三元混合体系共15 条混合射线对Q67 的抑制率随着混合物体系浓度的增大而增大,说明毒性均随着混合物体系浓度的增大而增大,即MET-ETH-PRO 三元混合体系的毒性具有浓度依赖性。 MET-ETH-PRO混合体系的 5 条射线(R1、R2、R3、R4 和 R5)随暴露时间延长,毒性逐渐减弱,即短期毒性(暴露时间为0.25 h)明显大于长期毒性(暴露时间为12 h),说明MET-ETH-PRO 三元混合体系的毒性具有一定的时间依赖性。 但与二元混合物体系不同,混合物体系的毒性与组分浓度比之间的关系分析结果显示不具有明显的线性关系。
图7 MET-ETH-PRO 混合物体系在不同暴露时间对Q67 的浓度-效应曲线
Fig.7 The concentration-response curves of MET-ETH-PRO mixture systems to Q67 in different time
对MET-ETH-PRO 三元混合物体系采用CA 模型进行毒性相互作用的分析,且采用dCA 值定量评估混合物体系的毒性相互作用强度,图8 给出了三元混合物体系中具有毒性相互作用的混合物射线的实验观测值及其95%置信区间、拟合曲线以及CA预测结果,其余射线均为加和作用。 由图8 可知,MET-ETH-PRO 三元混合物体系中共5 条混合射线(R1、R2、R3、R4 和 R5),其中 R1、R2、R3 和 R4 均呈现了毒性相互作用:拮抗作用,且拮抗作用均发生在高浓度区域。 混合射线R1、R2 和R3 在暴露时间8~12 h 出现拮抗作用,射线R4 在整个暴露时间段(0.25 ~12 h)均呈现拮抗作用,随时间延长,拮抗作用趋于明显。
图9 为 MET-ETH-PRO 混合体系的 dCA 三维曲面图。 由图9 可知,MET-ETH-PRO 三元混合物体系拮抗作用的强度受暴露时间和混合物浓度的双重影响。 在同一暴露时间点,在低浓度、中浓度区域蓝色变深,dCA 值随着浓度的增加而不断增大,在高浓度区域蓝色变浅,即dCA 值先增后减;在同一浓度作用下,蓝色越来越深,dCA 值随着暴露时间的延长而缓慢增大,即拮抗作用越来越明显。 dCA 值在MET-ETH-PRO 混合体系中,R4 射线的协同作用强度最大,其混合物体系浓度为6.43E-4 mol·L-1,在暴露时间为12 h 时,dCA 绝对值的最大值为0.384。 且 MET-ETH-PRO 三元混合物体系 dCA 绝对值的最大值(0.384)大于3 组二元混合体系的dCA 绝对值的最大值。 以上结果也说明dCA 三维曲面图不仅可以直观且可以定量地评估污染物毒性相互作用,可以推荐用于客观评估混合污染物的环境风险。
图9 MET-ETH-PRO 混合物体系中具有毒性相互作用射线的dCA 三维曲图
Fig.9 Three dimensional dCA diagram of rays with toxic interaction in MET-ETH-PRO mixtures
综上所述,本研究得出:
(1) 3个防腐剂 MET、ETH 和 PRO 对 Q67 的浓度-效应呈现“S”型,且其毒性大小具有浓度依赖性,具有明显的急性毒性,但不具有明显的时间依赖性。
(2)3 种防腐剂的二元和三元混合体系对Q67的毒性均具有浓度依赖性,即混合污染物的毒性随着混合体系的浓度增大而增大,但随暴露时间的延长毒性逐渐减小;二元混合体系的毒性与组分浓度比呈良好的线性关系,但三元混合体系的毒性与组分浓度比不具有明显的线性相关性。
(3) CA 和dCA 对3 种防腐剂的毒性相互作用定性分析结果一致,3个二元混合体系(MET-ETH、MET-PRO 和ETH-PRO)均表现出了毒性相互作用,其中MET-ETH 混合体系呈现协同作用,MET-PRO和ETH-PRO 混合体系出现拮抗作用,MET-ETHPRO 三元混合体系呈现拮抗作用,且均具有时间依赖性。
(4) 依据dCA 三维曲面图,二元和三元混合体系毒性相互作用强度(dCA 绝对值)受暴露时间和混合物浓度的双重影响。 在二元混合体系中,METPRO-R5 射线在混合物体系浓度为6.26E-4 mol·L-1、暴露时间为12 h 的拮抗作用强度最大,其dCA绝对值的最大值为0.380;在三元混合体系METETH-PRO 中,R4 射线在混合物体系浓度为6.34E-4 mol·L-1、暴露时间为12 h 时的协同作用强度最大,其dCA 绝对值的最大值为0.384。
(5) dCA 三维曲面图可以直观且可以定量地评估污染物毒性相互作用,可以用于客观评估混合污染物的环境风险。
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Quantitative Evaluation of Combined Toxicity Interaction of Three Parabens to Luminescent Bacteria Q67