土壤中脂环族溴代阻燃剂异构体及对映体选择性蚯蚓积累、代谢及毒性效应研究

With the new list of hexabromocyclododecane (HBCD) as a persistent organic pollutants (POPs) in the Stockholm Convention, much attention has been paid to the environmental and biological behaviors of HBCD, as well as other cycloaliphatic brominated flame retardants (CBFRs) with the similar molecular structures to HBCD, such as tetrabromoethylcyclohexane (TBECH). All CBFRs comprise diastereoisomers and enantiomers, which display different bioaccumulation, metabolism and toxicity. Thus, it is essential to investigate their environmental behaviors at the diastereoisomeric and enantiomeric levels. So far, a few studies have focused on the bioaccumulation of CBFRs in aquatic ecosystem. Limited information is available on the bioaccumulation and metabolism in terrestrial system. Therefore，this proposal intends to apply earthworm as model organism to study the mechanisms of diastereoisomer- and enantiomer-specific bioaccumulation of CBFRs in soils using a combination of advanced analytical technologies, bioinformatics tools and systems biology approaches. The following aspects are included: to investigate the distribution of CBFR diastereoisomers/enantiomers in soils and earthworms in CBFR contaminated field; to explore the key factors influencing the uptake and elimination of CBFRs by different earthworm species; to identify the diastereoisomeric and enantiomeric- specific bioisomerization and biodegradation products of CBFRs, screen the key enzymes and feature the metabolic pathways; to reveal the different metabolic responses and oxidative stresses to earthworm. This research will be an important step towards the understanding of behaviors and the effects of CBFRs in the environment, providing the scientific basis for the risk assessments of CBFRs.

随着六溴环十二烷（HBCD）作为《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》增列持久性有机污染物，HBCD及与其具有相似结构的四溴环己烷（TBECH）等脂环族溴代阻燃剂（CBFRs）的环境行为和生物效应受到关注。CBFRs均含有异构体和对映体，它们的生物累积、代谢、毒性存在显著差异，因此有必要从异构体和对映体水平进行研究。目前相关研究几乎全部集中于水生生态系统，在陆生生态系统行为认识非常匮乏。本研究拟以蚯蚓为模式生物，结合实际污染地测试及实验室机制研究，利用先进分析技术、生物信息学和系统生物学手段，在异构体和对映体水平研究CBFRs在土壤-蚯蚓中的分布特征；探索影响不同种属蚯蚓富集特异性的关键因素；鉴定蚯蚓体内的降解、异构化产物，甄别起关键作用的酶；阐明蚯蚓代谢响应的差异。最终揭示土壤中CBFRs选择性蚯蚓累积、代谢机制和毒性效应，为全面评价CBFRs的迁移、转化与归趋及生态风险提供科学依据。

随着六溴环十二烷（HBCD）作为《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》增列持久性有机污染物，HBCD及与其具有相似结构的潜在替代品四溴环己烷（TBECH）、四溴环辛烷（TBCO）等脂环族溴代阻燃剂（CBFRs）的环境行为和生物效应受到关注。CBFRs均含有异构体和对映体，它们的生物累积、代谢、毒性可能存在差异，因此有必要从异构体和对映体水平进行研究。.本研究建立了土壤、蚯蚓中TBECH、TBCO异构体和对映体的分析方法，以及二者异构体的制备方法。CBFRs在污泥施用土壤及蚯蚓中均有发现，在废弃化工厂土壤中也有检出。异构体和对映体水平的研究发现，β-TBECH和β-TBCO的生物土壤累积因子分别是α-TBECH和α-TBCO的1.62倍和1.26倍，表明蚯蚓对TBECH和TBCO的富集存在异构体选择性。在蚯蚓中未发现TBECH和TBCO的生物异构化现象。蚯蚓中α-TBECH和β-TBECH的对映体分数显著高于相应商品的EFs，表明蚯蚓会优先富集土壤中的E1-α-TBECH和E1-β-TBECH对映体。蚯蚓对β-TBCO对映体的富集不存在选择性。.鉴定了蚯蚓中TBECH和TBCO可能的脱溴代谢产物，TBECH的代谢产物，分别为两种脱一溴的三溴乙基环己烷，三种脱二溴的二溴乙烯基环己烷或二溴乙基环己烷；TBCO的代谢产物为脱溴代谢产物三溴环辛烯。暴露过程中，P450、EROD和PROD酶活性明显改变，意味着这些酶参与了TBECH和TBCO的代谢。.TBECH和TBCO 均能引起蚯蚓的生长抑制及死亡，TBCO 对赤子爱胜蚓的毒性效应略高于TBECH。二者均能引起蚯蚓体内的丙二醛（MDA）、磷酸化组蛋白 γ-H2AX 含量的增加，并能诱导蚯蚓产生·OH。蚯蚓体内·OH 水平与 MDA 含量存在显著正相关关系，说明·OH 的积累是产生脂质过氧化损伤的重要原因。暴露过程中，蚯蚓体内超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽 S 转移酶的活性显著改变，证明氧化胁迫是 TBECH 和 TBCO 对于蚯蚓的毒性机制，TBCO 的毒性比 TBECH 更强。代谢组学研究发现，TBECH 和TBCO能够引起蚯蚓能量代谢异常。本研究有助于深入认识土壤中CBFRs的迁移转化、生物积累和毒性效应，为TBECH、TBCO成为HBCD替代品的生态风险评价提供科学依据。