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全氟化合物以及典型异构体的人体暴露和肾排泄研究

作　者: 张义峰
导　师: 祝凌燕
学　校: 南开大学
专　业: 环境科学
关键词: 全氟化合物同分异构体人体暴露肾排泄血清/全血分配率
分类号: R114
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

由于长期生产和使用,全氟化合物(perfluoroalkyl substances, PFASs)在环境中广泛存在并在世界各国人体样本中检出。全氟辛烷磺酸(perfluorooctanesulfonate, PFOS)和全氟辛酸(perfluorooctanoate, PFOA)是环境中检出频率最高的两种PFASs. PFASs具有持久性和生物累积性,可能导致多种不良健康结果。历史上主要有两种生产方式用来生产PFASs及其前体物,即调聚法(telomerization)和电氟化法(electrochemical fluorination, ECF)早在1947和1949年,电氟化法就应用于生产PFOA和PFOS,该方法的最终产品一般含有稳定比例的直链(约70%PFOS和80%PFOA)和支链(约30%PFOS和20%PFOA)异构体。而由杜邦公司于1970年开发了调聚法生产的产品通常是纯的直链结构。由于PFOS和PFOA异构体的环境行为、药代动力学、毒性等具有一定的差异,研究人体中PFASs异构体的组成和清除效率对于追溯人体暴露来源和评估健康风险具有重要意义。本文首次应用一种新的PFASs异构体分析方法对来自我国典型城市(石家庄、邯郸和天津)的229名志愿者提供的血清样本进行分析。目标是分析我国人体中的PFASs以及PFOS和PFOA异构体,阐明性别和年龄对典型异构体累积的影响,评估这些人群中的PFOS和PFOA来源。随后,为了评估PFASs以及PFOS和PFOA异构体在人体中的肾排泄能力,对来自石家庄和邯郸的86对血样和尿样进行了分析,对肾清除率和半衰期进行了估算。最后,对30对来自石家庄的夫妇提供的60个成对全血和血清样本进行分析,用于研究PFASs以及PFOS和PFOA异构体在全血和血清中的分布。在石家庄和邯郸的129个血清样本中,PFOS (平均值33.3ng/mL)是最主要的PFAS,依次是全氟己烷磺酸(PFHxS,2.95ng/mL), PFOA (2.38ng/mL)和全氟壬酸(PFNA,0.51ng/mL)。PFOS的平均水平比近些年北美地区的人群还要高。石家庄市区(59.0ng/mL)和邯郸市区(35.6ng/mL)人群中PFASs的总浓度显著(p<0.001和p=0.041)高于石家庄农村地区人群(24.3ng/mL);青年女性组主要PFASs的浓度比男性、老年女性组都低。石家庄和邯郸(n=129)人群中的全氟烷基磺酸(perfluoroalkane sulfonates, PFSAs)比天津(n=100)人群中高,而天津人群中全氟羧酸(perfluoroalkyl carboxylates, PFCAs)则高于石家庄和邯郸人群。这些暗示着不同地区PFASs不同的暴露源和暴露途径。石家庄和邯郸人群中的直链PFOS平均比例(n-PFOS)仅占48.1%,比天津人群低(59.2%),都低于历史上主要PFOS生产商的工业品(约70%直链)。此外,在229个样本中,n-PFOS比例随着PFOS总浓度的增加而显著下降。所得数据支持之前的推论：i)人体血液中高比例支链PFOS异构体是PFOS前体物(PreFOS)的生物标记物；ii)高暴露水平人群中PFOS来源于高浓度的PreFOS不等比例的暴露。石家庄和邯郸人群血清中的直链PFOA (n-PFOA)比例为96.1%,明显高于工业品(约75-80%直链),但是低于2007-2008年的美国人群(接近100%直链),这说明我国仍然存在ECF方式生产的PFOA的使用。建立了高灵敏度的分析尿液中PFASs及异构体的方法,并首次在尿液中发现了多种PFASs。大多数PFASs在尿液中的浓度与血液中的浓度有较强的正相关性(p<0.05),因此尿液可以用于监测人体中PFASs的暴露水平。短链的PFCAs比长链的更容易排泄,而同等碳链长度的PFCAs比PFSAs排泄更快。但是,PFOS (C8)比PFHxS (C6)排泄更快。在PFOS和PFOA的异构体中,除一个PFOS的支链异构体(lm-PFOS)外,各主要支链异构体都比直链异构体更易排泄。尿液中的直链全氟辛基磺酰胺(perfluorooctane sulfonamide, PFOSA)(中位值,84%)显著(p<0.001)高于血液中(65%),说明直链PFOSA相对其支链异构体优先通过尿液排泄,这与PFOS和PFOA的异构体肾排泄方式相反。通过一室药代动力学模型估算PFASs的生物半衰期从0.5±0.1年(5m-PFOA)到90±11年(lm-PFOS)。肾排泄是PFOA的主要排泄方式,但是对于PFOS和PFHxS(以及一些其他长链的PFCAs)来说,月经或者其他排泄途径可能对整体排泄有贡献。除了PFHxA和PFNA外,大多数PFASs在全血和成对血清中有很好的正相关性(n=60, r=0.49-0.87,p<0.001). PFHxA在血清中的浓度显著(p<0.001)低于成对全血；PFOA (p=0.105)和PFNA (p=0.237)没有显著差异；对于更长碳链的PFCAs,全氟癸酸(perfluorodecanoate, PFDA)和全氟十一酸(perfluoroundecanoate, PFUdA)在血清中的浓度显著(p<0.001)高于全血。这说明短链的PFCA更倾向于分布于血细胞中。与PFHxA (C6)和PFOA(C8)不同,尽管有相同的碳链长度,PFHxS (C6)和PFOS (C8)在血清中的浓度显著(p<0.001)高于全血,说明官能团(羧酸和磺酸基团)在血清和全血分配中也起着重要作用。血清/全血分配率的中位数如下,PFHxS (1.67), PFOS (1.68), PFHxA (0.34), PFOA (1.24), PFNA (0.85), PFDA (1.39)和PFUdA (1.60)。对于PFOS的异构体,除iso-PFOS外,其他单支链的PFOS异构体的分配率中位数接近或者大于2(1.94～2.69);n-PFOS,iso-PFOS和2-PFOS的分配率中位数都低于2(1.40-1.54)。对于PFOA的异构体,支链的PFOA分配率中位数都低于1,n-PFOA的为1.29。说明PFOS和PFOA异构体在血清和全血中分布具有较大的差异。把全血中的PFASs浓度直接乘以2转为血清中的浓度,会导致绝大多数的PFASs高估。采用血细胞比容计算的比率(女性1.69和男性1.85)去转化数据,对于PFSAs(PFHxS和PFOS)和长碳链的PFCAs(PFUdA)是合适的,但是对于其他的PFASs也会对结果产生偏高估算。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-16
第一章绪论  16-43
  第一节全氟化合物的基本性质  16-22
    1.1.1 全氟化合物的分类和理化性质  16-17
    1.1.2 PFASs的生产和应用  17-20
    1.1.3 PFASs典型异构体的结构  20-22
  第二节 PFASs异构体分析  22-26
    1.2.1 PFASs异构体分析技术  22-23
    1.2.2 PFASs产品中异构体比例分析  23-26
  第三节人体中PFASs的研究进展  26-37
    1.3.1 人体中PFASs的污染水平研究  26-33
    1.3.2 人体中PFASs的排泄途径研究  33-37
  第四节 PFASs以及异构体的半衰期和人体健康影响  37-40
    1.4.1 PFASs以及异构体的半衰期研究  37-38
    1.4.2 PFASs对人体健康的影响  38-40
  第五节典型PFASs异构体的毒性研究和应用  40
  第六节本文的研究目标、内容和意义  40-43
    1.6.1 研究目标  41
    1.6.2 研究内容  41-42
    1.6.3 研究意义  42-43
第二章实验材料和分析方法  43-61
  第一节实验药剂和设备仪器  43-46
    2.1.1 标准样品  43-44
    2.1.2 主要试剂和其他实验材料  44-45
    2.1.3 主要设备仪器  45-46
  第二节不同样品前处理方法  46-52
    2.2.1 人体血清的前处理  46
    2.2.2 人体全血的前处理  46-47
    2.2.3 人体尿液的前处理  47
    2.2.4 各个基质的回收率  47-52
  第三节仪器分析  52-60
    2.3.1 色谱条件的设定和优化  52-53
    2.3.2 质谱条件的设定  53-55
    2.3.3 典型异构体质谱谱图  55-60
    2.3.4 仪器和方法的检出限  60
  第四节本章小结  60-61
第三章人体血液中的PFASs以及典型异构体的暴露水平  61-87
  第一节前言  61-62
  第二节实验与分析方法  62-64
    3.2.1 样品的采集和保存  62-63
    3.2.2 目标物的分析  63-64
    3.2.3 统计学方法  64
  第三节结果和讨论  64-84
    3.3.1 PFASs在人体血液中的暴露  64-76
    3.3.2 典型PFASs异构体在血液中的比例分析  76-83
    3.3.3 人体血清与3M PFOS产品中对应的异构体比例的比率  83-84
  第四节本章小结  84-87
第四章 PFASs以及典型异构体在人体的肾排泄  87-108
  第一节前言  87-89
  第二节实验与分析方法  89-93
    4.2.1 样本的采集和保存  89-90
    4.2.2 目标物的分析  90-91
    4.2.3 肾清除率计算方法  91
    4.2.4 血液中半衰期的估算方法  91-92
    4.2.5 统计学方法  92-93
  第三节结果和讨论  93-106
    4.3.1 人体成对血样和尿样中的PFASs  93-98
    4.3.2 典型异构体在人体血液和尿液中的组分  98-101
    4.3.3 PFAS及典型异构体的肾清除率  101-105
    4.3.4 PFAS及典型异构体在人体的半衰期估算  105-106
  第四节本章小结  106-108
第五章 PFASs以及典型异构体在人体全血和血清中的分布  108-123
  第一节前言  108-109
  第二节实验与分析方法  109-112
    5.2.1 全血和血清的采集和保存  109-110
    5.2.2 目标物的分析  110-111
    5.2.3 统计学方法  111-112
  第三节结果和讨论  112-120
    5.3.1 各种PFAS在成对的血清和全血中暴露水平  112-113
    5.3.2 异构体在成对全血和血清中的组分  113-118
    5.3.3 各个PFAS在成对的血清和全血中分配率  118-120
  第四节本章小结  120-123
第六章结论与展望  123-128
  第一节研究结论  123-126
  第二节研究特色和创新点  126-127
  第三节研究展望  127-128
参考文献  128-140
致谢  140-141
个人简历在学期间发表的学术论文和研究成果  141-142

全氟化合物以及典型异构体的人体暴露和肾排泄研究

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