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1.生物监测
评价生物有效性的最直接方法是采用生物富集实验或毒性测试。生物富集作用受生物体代谢过程、食物构成、生物体型和毒性胁迫等因素的影响。虽然利用脂肪归一化可在一定程度上减小这些影响,但无法消除污染物在生物体内分布的特异性和不同物种的吸收特异性。用靶位点浓度 (即能与靶位点相互作用并最终产生毒理学响应的污染物量)来评价生物有效性,能排除由毒代动力学所导致的影响,但靶位点浓度通常很难测定。通常,对于非特异性作用基本毒物 (Nonspecific Acting Baseline Toxicants,即能在各种生物体内产生毒理学效应的污染物)可以用临界机体残留浓度 (Critical Body Residues,CBRs)作为靶作用位点浓度的最近似估计。
CBRs法测定的是以致死或半数致死效应为评价终点时生物体靶标内的目标化学物浓度,因而能将有机化合物的毒性和生物富集作用结合在一起。在效应评价方法中,死亡率对于反映野外暴露中污染物生物有效性存在一定局限性。事实上,土壤、沉积物和天然水体中的污染物浓度通常在痕量或超痕量级,因而很少能对微生物或大型生物,尤其是脊椎动物,引发致死风险。此外,生物活体暴露实验周期长,成本高,而且重复性差,样品处理步骤繁琐,给利用死亡率评价生物有效性的应用带来了许多限制。除了活体生物标志物之外,离体生物标志物方法也得到了越来越广泛的应用。离体测试方法相对于生物活体测试方法成本较低,可进行大量样品的测定,还能为深入了解复杂混合物的总体效应和毒性作用机理提供帮助。
利用生物标志物 (如暴露标志物)方法比较有效,为环境中污染物的生物有效性提供更准确的估计。如对虹鳟幼鱼利用加标沉积物进行暴露的活体实验中,探究了接触时间对鱼肝CYP1A活性诱导程度的降低,以此评价PAHs的生物有效性。使用小鼠尿液中的代谢水平和肺中化合物DNA 加合物水平作为生物标志物,评价了摄食土壤PAHs的系统生物有效性。
2.化学模型方法
为了从污染物总浓度中获得可被生物利用的部分,研究者结合了污染物的物理化学性质和生态系统的参数,将模型计算方法应用于生物有效性的评价中。利用有机污染物的平衡分配理论 (有机碳归一化平衡常数,Koc )可以模拟得到土壤和沉积物中有机污染物进入生物体的潜势。Koc和生物浓缩因子 (BCF)之间存在正相关关系,其数值可以通过实验室或野外试验测定,也常常通过辛醇-水分配系数 (Kow )估测得到。该方法已被用于从土壤或沉积物总浓度中估测生物体残留浓度或从间隙水浓度测定生物体动态浓度。
目前,已经有多种模型可以应用于预测生物效应和毒性终点,如 QSAR (Quantitative Structure Active Relationship)模型、QSPR (Quantitative Structure Property Relationship )模型和MMM (Multimedia Mathematical Model)模型。QSAR 模型可以将有机化合物的结构特征和测量所得的理化性质与生物评价终点如 BCF 及毒性联系起来。QSPR模型是在 QSAR模型基础之上发展的一个子模型,它根据有机化合物的结构来预测其理化性质、分配行为、归趋和在生物体内的富集趋势,可以用于校验化合物实测理化参数值中的错误,提高了 QSAR 模型中所用数据的质量,还有一些 QSPR 模型可用于估算生物在受化合物暴露时的可能途径。MMM模型则提供了一种整体研究手段,能够用于同时估测污染物在多个环境介质中的迁移、分布、归趋、生物浓缩和生物富集过程。
3.化学分析方法
用化学分析方法来评价有机污染物的生物有效性方法较多,如 Hatzinger 和 Alexander提出用温和的有机溶剂作为萃取剂来反映土壤中生物对有机污染物的生物有效性;Hawthorne用超临界流体萃取和加速溶剂提取仪作为工具来评价污染土壤中多环芳烃的生物有效性。在化学评价手段的发展中,一个重要的发现是污染物的自由溶解态浓度是生物有效性的主要部分。通过比较剂量效应关系,已经证明了自由溶解态浓度对于生物测试准确程度的重要性。同时还发现,污染物的自由溶解态浓度与以名义浓度表述的毒性终点浓度具有很好的一致性。因此,近年来,发展了多种采样技术用于选择性地测定自由溶解态化合物。相比于主动式采样技术,被动式采样技术的富集原理更接近污染物在生物有机体内的富集方式。被动式采样装置对污染物的获取或浓缩过程完全基于化合物从化学势或逸度高处 (即外界环境基质)向化学势或逸度低处 (即采样介质或吸附剂)的自动扩散。但应用被动式采样装置中目标化合物浓度来推断外界暴露介质中的浓度需要满足 3 个条件:①污染物在采样器中的浓度与其在周围暴露介质中的浓度成比例,而且化合物进入采样器中的交换速率与扩散常数应与其外界浓度无关;②必须要具有能满足现场监测所需的参数校准数据 (即采样速率常数和分配速率常数);③不破坏化合物在各相中的原有平衡,一般要求所提取的目标化合物的量小于该化合物在体系中总量的 10%。
目前,应用较广泛的被动式采样装置包括三油酸甘油酯半渗透膜被动式采样器(SPMD)、固相微萃取技术 (SPME)以及液相微萃取技术 (LPME )。SPME 作为一种平衡采样器,被广泛用于模拟水体和土壤环境中的无脊椎动物的富集行为,并以此预测环境介质中有机污染物的生物有效性。通过 SPME 能测定化学物质在孔隙水中真实的自由溶解态浓度和内暴露浓度。而LPME 结合了液液萃取和 SPME 的优点,可以灵活地选择萃取溶剂从而实现对极性有机污染物的萃取。
另一种新型被动式采样装置为三油酸甘油酯-醋酸纤维素复合膜 (TECAM ),采样原理则与SPMD 类似,即目标分析物从周围环境介质中通过扩散渗透作用透过外层膜,累积在脂相中直至达到分配平衡。但TECAM 的构造与 SPMD不同,三油酸甘油酯以脂滴的形式嵌于醋酸纤维素聚合物构造中,并与之紧密结合。这种镶嵌结构与 SPMD 的简单层叠结构相比,彼此结合更紧密,接触面积更大。TECAM的制备过程简单,而且提取目标化合物的前处理过程也比较简单,一般不需净化步骤,因此,有很好的应用前景。被动式采样技术与预测污染物富集势和基线毒性的传统方法相比,具有很多优点。
关于污染物对生物内在毒性或生物体内浓度的数据,仍然很难对复合污染物的生物有效性和它们之间的协同或拮抗关系有一个准确的认识。由于这一原因,为了确定毒性终点和自由溶解态浓度间的关系,生物测试数据就必不可少。虽然化学方法不能完全替代生物方法,但由于化学方法操作简单,结果重现性好,最重要的是比较容易进行标准化,便于建立相应严格的标准化实验方法和提出科学评价体系,使各个实验室得到的结果之间可以进行相互比较,而这正是环境中污染物生物有效性研究所急需解决的问题,所以用化学方法来模拟生物富集进行污染物生物有效性评价的研究具有广阔的发展潜力。表8-9 列出了不同研究机构对人体摄入的POPs的危害等级以及可能产生危害的摄入量限制标准。
表8-9 特定 POPs 的风险与健康评价
注:ADI 每天可摄入量;JMPR杀虫剂残留联合会议;WHO 世界卫生组织;IARC 国际癌症研究机构。
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