水处理系统中对p-苯醌氧化副产物的生态毒性评估：氧化应激反应及其机制

《Environment International》：Ecotoxicological assessment of p-benzoquinone oxidation byproducts in water treatment systems: oxidative stress responses and mechanisms

苯醌类副产物2,6-DCBQ和2,6-DMBQ通过自由基介导的氧化应激机制诱导斑马鱼胚胎急性毒性和发育畸形，协同抗氧化剂可显著缓解毒性。

　　本研究聚焦于一类广泛存在于水处理系统中的氧化副产物——对苯醌类化合物，特别是卤代与非卤代的对苯醌衍生物。通过对斑马鱼胚胎的系统性实验，揭示了2,6-二氯对苯醌（2,6-DCBQ）与2,6-二甲基对苯醌（2,6-DMBQ）的毒性差异及作用机制，为理解这类氧化副产物对生态环境的影响提供了重要依据。研究发现，2,6-DCBQ和2,6-DMBQ在24小时和48小时内的半数致死浓度（EC50）相近，表明两者在急性毒性方面具有相似性。然而，在更高浓度下（如250 μg/L），2,6-DMBQ会引发斑马鱼幼鱼出现心脏水肿和脊索畸形等发育异常，提示其对生物体发育的影响可能更为显著。

在实验过程中，研究人员利用斑马鱼作为模式生物，对2,6-DCBQ和2,6-DMBQ的多种毒性指标进行了评估。这些指标包括死亡率、形态异常、活性氧（ROS）水平、抗氧化酶活性以及氧化应激相关基因的表达情况。结果表明，两种对苯醌类化合物均能引发ROS水平的显著升高，且其浓度越高，毒性越强。例如，在2.5 μg/L和25 μg/L的浓度下，2,6-DCBQ引起的ROS水平分别比对照组高出30.7%和63.5%，而在250 μg/L时，ROS水平更是达到193.8%。相比之下，2,6-DMBQ在25 μg/L时才表现出显著的ROS升高（37.7%），在250 μg/L时达到127.3%。这种差异可能与两者结构上的细微差别有关，如卤素取代基的电子效应和空间位阻等。

为了进一步揭示这两种化合物的毒性机制，研究还引入了抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）和还原剂亚硫酸钠（Na?SO?）进行协同处理实验。结果表明，NAC和Na?SO?在250 μg/L浓度下能够显著降低2,6-DCBQ和2,6-DMBQ的毒性，使斑马鱼胚胎的死亡率和形态异常率恢复至对照组水平。NAC通过促进谷胱甘肽（GSH）的合成，增强细胞对氧化应激的抵抗能力；而Na?SO?则通过与对苯醌的α, β-不饱和羰基结构发生反应，生成毒性较低的磺化产物。这些发现表明，ROS的过度产生是2,6-DCBQ和2,6-DMBQ导致胚胎死亡的主要机制之一，同时揭示了抗氧化和还原处理策略在缓解其毒性方面的有效性。

此外，研究还通过高分辨率质谱（HRMS）和电子自旋共振（EPR）技术，对两种对苯醌类化合物在水溶液中的转化产物及自由基生成进行了深入分析。HRMS检测结果显示，2,6-DCBQ和2,6-DMBQ在水环境中会发生多种反应，包括与GSH和Na?SO?的结合反应，以及通过单电子还原或双电子还原生成不同的衍生物。这些转化产物在结构上表现出多样性，其生成机制与分子的电荷分布、电子亲和力以及取代基的性质密切相关。EPR分析则进一步证实了两种化合物在水溶液中会生成多种自由基，包括半醌自由基和羟基自由基。这些自由基的形成和积累是导致ROS水平上升的关键因素，而自由基的类型和强度则受到分子结构的调控。例如，2,6-DCBQ由于其氯原子的强电负性，能够通过诱导电子转移反应形成更多的半醌自由基，从而引发更强烈的氧化应激。

在基因表达层面，研究通过PCR芯片技术分析了78个与氧化应激相关的基因。结果显示，两种化合物均能引起大量基因的表达变化，其中一些基因表现出协同上调，而另一些则表现出下调趋势。例如，在2,6-DCBQ暴露组中，NADPH醌氧化还原酶1（nqo1）和磷酸酶1（dusp1）的表达显著增强，这可能与细胞对氧化应激的防御机制有关。而在2,6-DMBQ暴露组中，一些与氧化应激相关的基因如myeloperoxidase（mpx）和neutrophil cytoplasmic factor 1（ncf1）的表达受到抑制，这可能与该化合物对某些抗氧化酶活性的抑制作用相关。这些基因表达的变化进一步支持了氧化应激在毒性机制中的核心地位。

本研究还探讨了对苯醌类化合物在水环境中的生态风险。尽管非卤代对苯醌类化合物在结构上与卤代衍生物相似，但其在环境中的存在形式和毒性表现却未受到足够重视。研究表明，2,6-DMBQ虽然在急性毒性方面略逊于2,6-DCBQ，但其对斑马鱼胚胎的发育毒性却显著高于传统消毒副产物，如三卤甲烷、溴酸盐和卤乙酸等。这提示我们，非卤代对苯醌类化合物可能在生态毒性方面同样具有重要影响，尤其是在长期暴露条件下，可能对人类健康和生态环境构成潜在威胁。因此，有必要对这类化合物进行全面的生态毒理学评估，并采取相应的工程措施，如优化氧化工艺参数或引入先进的处理技术，以减少其在水处理系统中的产生和排放。

从更广泛的视角来看，本研究不仅揭示了对苯醌类化合物的毒性机制，还为水处理系统的风险管理提供了科学依据。在饮用水处理、污水处理和工业废水处理等过程中，氧化工艺虽然能有效去除污染物，但也可能生成具有更高毒性的副产物。这些副产物的生成与反应条件密切相关，如pH值、氧化剂种类和反应时间等。因此，未来的研究应进一步探讨如何通过调整工艺参数，降低副产物的生成率，并开发高效的后处理技术，以确保水处理系统的安全性。此外，对苯醌类化合物的生态毒理学评估还应扩展至更广泛的生物模型，如哺乳动物和鱼类，以全面了解其对生态系统的影响。

总体而言，本研究通过系统的实验设计和先进的分析手段，揭示了对苯醌类化合物在水环境中的毒性机制及其对生物体的潜在危害。这些发现不仅有助于理解氧化副产物的生态风险，还为开发更有效的处理技术提供了理论支持。未来的研究应进一步关注这类化合物在不同环境条件下的行为特征，以及其在生物体内的代谢路径和毒性机制，以实现对水处理系统中潜在危害物质的全面评估和有效控制。