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全氟酸类化合物(Perfluorinated acids,PFAs)是指有机化合物分子中与碳原子连接的氢原子全部被氟原子取代的一类有机化合物。由于其优良的化学稳定性、热稳定性、高表面活性及疏水疏油性能,因此被广泛用并广泛应用于工业、农业生产中的多种领域。含氟化合物产品的大量使用使得其以各种途径进入各种环境介质中,如土壤、水体、大气。研究表明PFAs在无脊椎动物,鱼类,鸟类和哺乳动物体内都有检出,而且具有一定的生物毒性和潜在致癌性。 作为一类全球性的新型污染物,PFAs已成为当前环境化学领域的研究热点和前沿。但是目前国内外有关PFAs的研究还主要集中在其来源、污染分布、迁移和毒性效应等方面,有关其在环境中的存在形态和生物有效性方面的研究较少。PFAs的碳氟链具有疏水疏油的特性,而其末端的羧基和磺基又具有亲水的特性,因此PFAs在水中具有较高的溶解度,广泛存在于各类水体中。水环境中溶解性有机质是影响有机污染物形态和生物有效性的关键因素,有机质对PFAs生物有效性的影响可能不同于传统的持久性有机污染物fpersistentorganic pollutants,POPs),但目前有关水环境中溶解性有机质对PFAs生物有效性影响的研究还未见报道。因此,本论文研究了典型全氟化合物在浮游动物(大型蚤)中的生物富集作用,剖析了溶解性有机质的含量和组成对全氟化合物生物富集作用的影响,为水环境中全氟化合物的归趋过程研究和生态风险评价提供科学依据。 论文选取全氟辛酸(PFOA),全氟辛烷磺酸(PFOS),全氟壬酸(PFNA),全氟葵酸(PFDA),全氟十一酸(PFUnA)和全氟十二酸(PFDoA)为研究对象,研究了不同碳链长度以及不同浓度的PFAs在大型蚤体内的生物富集规律,通过比较喂食组与不喂食组以及活体与死亡大型蚤对PFAs的富集来研究PFAs在大型蚤体内的富集途径。结合PFAs的性质,筛选出可能与之起作用的溶解性有机质(dissolved organic matter,DOM),研究了不同浓度的DOM(包括胡敏酸,HA;富里酸,FA;鸡蛋清白蛋白,albumin)对PFAs在大型蚤体内生物富集的影响,同时还研究了在DOM作用下pH和离子强度对富集的影响。通过透析实验研究了PFAs与HA和albumin的结合常数(Kp),然后利用荧光光谱,紫外/可见光光谱研究了PFAs与FA、HA以及albumin的结合作用,在此基础上分析了不同种类DOM对PFAs生物富集影响的机理。主要研究结果如下: (1)PFAs能很快被大型蚤吸收并在体内富集。不同种类的PFAs的吸收速率在178～1338 L·kg-1·d-1之间,而且吸收速率随PFAs碳链长度的增大而增大,相互之间差异显著(P＜0.05)。PFAs的排出速率在0.98～2.82 d-1之间,磺酸盐的排出速率要显著低于羧酸盐的排出速率(P＜0.05)。PFAs在大型蚤体内的生物富集因子(BAFs)在91～380 L·kg-1之间,随着碳链长度的增加而增加,而且与其正辛醇/水分配系数(Kow)呈正相关。PFOS的富集因子要显著高于与其碳链长度相同的PFOA。说明PFAs的疏水性是影响其生物富集的重要因子,而且其官能团在富集过程中也起到了重要的作用。 (2)PFAs的浓度对其BAFs的影响不显著,暴露在1～10μg·L-1的PFAs溶液中的大型蚤体内PFAs的生物富集因子之间差异不大,除PFDoA外,其它各组差异不显著。研究表明摄食条件对大型蚤体内PFAs的富集影响不显著,喂食组和不喂食组中大型蚤体内PFAs的BAFs之间差异不显著。相同暴露条件下,死亡的大型蚤吸附在体表PFAs的含量是活体大型蚤体内含量的1.08～2.52倍,而且这个比值随着PFAs自身疏水性的升高而升高,说明体表吸附是大型蚤生物富集的重要组成部分。 (3)溶解性有机质的种类和浓度都能显著影响PFAs在大型蚤体内的富集。FA在低浓度的时候(1～10 mg·L-1)增强了大型蚤对短链PFAs(碳原子数为8～9)的富集,但是浓度增加到20 mg·L-1时又抑制了其富集;对长链PFAs(碳原子数为10～12)来说,不同浓度的FA都显著抑制了其富集(P＜0.05)。当HA浓度为1 mg·L-1时促进了所有PFAs的富集,BAFs值增加了8～73％,而且对PFOA,PFUnA和PFDoA的促进作用显著(P＜0.05)。但随着HA浓度的升高,BAFs值随之显著降低,10 mg·L-1和20 mg·L-1组的BAFs降低了23～77％,说明高浓度的HA能抑制PFAs在大型蚤体内的富集。当albumin浓度为1 mg·L-1时促进了PFAs在大型蚤体内的富集(除PFDoA),BAFs增加了6～60％,但是浓度为10mg·L-1和20 mg·L-1的albumin却显著抑制了PFAs的富集,BAFs降低了2～62％。通过比较在不同浓度的HA作用下PFAs在大型蚤体内的吸收和排出速率,发现与没有加HA的对照组相比,HA的加入不仅显著降低了PFAs在大型蚤体内的吸收速率,也显著降低了其排出速率。随着HA浓度的增加,吸收速率(Ku)持续降低,且相互之间差异显著(P＜0.05),但是在不同浓度HA作用下,排出速率(Kd)相互之间差异不显著(P＞0.05)。说明HA的加入降低了自由溶解态PFAs的浓度,而且降低量与HA的浓度成正比。然而,由于大型蚤的滤食特性,HA也随呼吸作用而进入大型蚤体内,进入体内的HA会在体内与PFAs再结合,或者改变大型蚤体内细胞膜的通透性,进而降低PFAs的排出。由于HA的浓度高出PFAs三个数量级,所以当HA浓度在1-20 mg·L-1时,浓度影响可能不显著,所以在不同浓度的HA作用下其排出速率无显著差异。由此可以推知,DOM能影响PFAs在大型蚤体内的吸收与排放,进而影响其在大型蚤体内的生物富集,导致在不同种类以及不同浓度的DOM作用下PFAs的富集差异。 (4)透析实验结果表明HA对PFAs的吸附为线性吸附,但albumin对PFAs的吸附为强烈的非线性吸附,其Freundlich指数在0.49～0.85之间。中性条件下不同种类的PFAs与HA的结合常数(Kp)在4.66～4.86之间,而与albumin的结合常数在5.77～6.42之间,PFAs与两种DOM的Kp值都与其疏水性呈正相关。通过紫外-可见光和荧光光谱分析了PFAs与HA和FA之间的结合,研究表明PFAs对HA和FA紫外光谱的影响相对较小;对荧光光谱有一定影响,降低或者升高了HA和FA的荧光峰强度,说明两者之间发生了反应,但是这种反应是成键反应,静电引力还是疏水作用力还有待进一步研究。通过三维荧光光谱分析表明,PFOA对HA和FA荧光峰的峰位置和峰强度都没有显著影响,而PFOS的影响相对较大,既改变了峰位置也改变了峰强度,说明磺酸官能团与HA作用更强,这也是导致PFOS的生物富集受HA和FA影响更大的原因。 (5)pH和离子强度能显著影响PFAs在大型蚤体内的富集。在没有DOM存在时,中性(pH=7.5)条件下的PFAs富集量要显著低于酸性(pH=6.5)和碱性条件(pH=8.5)。在有DOM(HA和albumin)存在时,碱性条件下的富集量要低于中性和酸性条件,PFAs的生物富集量随着pH的升高而降低。但是对于FA来说,正好相反,酸性条件时的富集量要显著低于中性和碱性条件,PFAs生物富集量随pH的升高而升高。在有DOM(HA和albumin)存在时,Na+和Ca2+的加入在大部分情况下都降低了PFAs的生物富集:在HA溶液中,与对照组相比,当Ca2+的含量从0.25 mmol·L-1增加到1 mmol·L-1时,PFAs的富集量分别降低了7.1-19％和25-67％;当Na+的含量从1 mmol·L-1增加到10 mmol·L-1时,PFAs的富集量分别降低了0.8-13.6％和20.8-50.3％,Ca2+的影响要显著大于Na+;在FA溶液中,短链PFAs的富集量随着Na2+的升高而升高,但是长链PFAs的富集量与之相反。Ca2+的加入降低PFAs的富集,而且富集量随着Ca2+浓度的增加而降低。透析实验的结果表明,PFAs写HA之间的结合常数随着pH的升高而升高,但是PFAs与albumin的结合常数随着pH的升高而降低。结合PFAs的结构特征以及前面的研究结果,我们推测HA在酸性条件下收缩聚合,进而与PFAs分子的结合面积也减少,而且导致分子间的空隙变小,因此与PFAs的结合降低。在碱性条件下HA分子分散开,接触面积增加,与PFAs的结合增强。对于albumin来说,由于它对于大型蚤来说是一种营养物质,而且极易在体内被消化降解,因此除自由溶解态的PFAs被吸收外,结合态的PFAs进入体内后其中的蛋白部分被消化降解,进而也可能被大型蚤富集。因此,对于PFAs的富集,pH对albumin的影响可能要小于对大型蚤本身的影响。在低pH时,大型蚤受应激反应的影响而加快其呼吸频率,导致吸收的PFAs增加,进而导致在碱性条件下的富集量要低于在酸性条件下的富集量。透析实验的结果表明,PFAs与:HA在1 mM的Ca2+溶液中的结合常数为在0.25 mM溶液中的1.80～2.73倍。据此结果我们推测,离子强度的增加使PFAs的电负性减弱,进而PFAs与DOM之间的静电斥力减小,因此两者之间的结合增强。结果表明,一定条件下,静电作用力在PFAs与DOM结合时发挥了至关重要的作用。