综述：应用效应导向方法评估消毒水中消毒副产物及其他化学物质的混合效应

本综述系统阐述了效应导向方法（EBM）在评估消毒水综合毒性中的应用。文章指出，EBM能有效检测消毒副产物（DBPs）等所有生物活性化学物的混合效应，弥补了传统化学分析仅针对特定物质的局限。推荐将细胞毒性、遗传毒性及氧化应激反应等生物测定纳入常规水质监测，并介绍了基于效应阈值（EBTs）的水质安全评估方法。该文为全面评估消毒水安全性提供了重要方法论指导。

　　

应用效应导向方法评估消毒水中消毒副产物及其他化学物质的混合效应

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   引言
   消毒副产物（DBPs）是消毒剂（如氯、氯胺）与水中有机或无机前体物反应生成的化合物，其在消毒饮用水中的浓度可能比其他有机微污染物（如全氟烷基物质（PFAS）、农药和药物）高出1000倍。自1974年以来，文献中已报道超过6000种DBPs，其中651种得到确认。传统的化学分析方法仅能检测水中潜在存在的一小部分DBPs，因此，结合化学分析与效应导向方法（EBM）（例如基于细胞的体外生物测定和基于微孔板的整体生物体内试验）来评估消毒水质量日益受到关注。EBM能够检测样品中所有活性化学物质（包括未知化学物质和浓度低于分析检测限的化学物质）的混合效应，并且其响应与化学物质的效力相关（即效力越强的化学物贡献越大）。这对于DBPs尤为重要，因为经常检测的受监管DBPs，如三卤甲烷（THMs）和卤乙酸（HAAs），通常比其他未受监管的DBP类别（如卤硝基甲烷（HNMs）和卤乙腈（HANs））毒性更低。与普遍看法相反，大量研究表明，只要应用适当的提取技术，EBM在评估饮用水质量方面是灵敏、稳健、可靠且经济有效的。当然，EBM本身无法识别导致效应的单个DBPs，因此建议与化学分析互补使用。
2. 2.
   效应导向方法在消毒水样品中的应用
   消毒水样品已在涵盖细胞毒性通路不同阶段的EBM中进行了测试。这包括指示外源物代谢的检测（例如芳烃受体（AhR）的激活和过氧化物酶体增殖物激活受体（PPAR）的结合）、受体介导的效应（例如雌激素受体（ER）的激活和神经毒性）、反应性毒性（例如遗传毒性）以及适应性应激反应（例如氧化应激反应和p53反应）。此外，一些研究应用中国仓鼠卵巢（CHO）细胞慢性细胞毒性试验来评估非特异性毒性。虽然细胞水平的效应可能不会导致更高层次的不良影响，但基于细胞的体外生物测定是灵敏的化学指标，因此可被视为慢性效应的替代指标。
   一些研究应用包含多种终点生物测定的综合测试组合来评估消毒水，但对于消毒水的常规水质监测，建议采用实用的测试组合，涵盖AhR激活、ER激活、氧化应激反应、遗传毒性或致突变性以及细胞毒性。AhR激活和氧化应激反应在处理的饮用水中常被检测到，而雌激素活性在处理后检测频率较低，但其对于确保源水中的人类污染物被去除仍然相关。虽然许多DBPs在氧化应激反应检测中有响应，但建议纳入指示遗传毒性或致突变性的检测以捕捉直接的遗传毒性和DNA损伤。
   除了DBPs，消毒水还可能含有药物、农药和工业化合物等有机微污染物。此外，消毒剂与有机微污染物反应还会形成转化产物。通过评估消毒前后的效应变化，可以评估生成的DBPs对观察到的效应的贡献。例如，在法国氯化饮用水分配系统中，生成的DBPs解释了17%至58%的氧化应激反应。尽管在消毒水中检测到效应，但许多研究表明原水通常比消毒水具有更大的响应，这将在生成的DBPs毒性与未处理水中存在的有机微污染物毒性置于一个更广阔的背景下进行评估。
3. 3.
   哪些消毒副产物贡献了混合效应？
   EBM本身无法识别水中混合效应由哪些化学物质贡献。然而，可以利用目标分析测得的每种检测出的DBP的浓度，并根据其在所研究检测中的效力进行缩放，来预测总效应。将观察到的效应与预测的效应进行比较，可以揭示已知化学物能解释多少效应，多少是由未知化学物（即未检测到的化学物或缺乏效力数据的化学物）造成的，这凸显了结合化学分析与EBM的效用。这种方法已应用于消毒水，被称为冰山或混合毒性模型、“TIC-Tox”方法或计算加和毒性。尽管术语不同，但这些方法都相似，并假设混合物中的所有化学物质以浓度加和方式作用。对包含多达24种DBPs的混合物在指示细菌毒性、氧化应激反应和p53反应的检测中进行测试，超过90%的混合物预测值落在实测效应的2倍范围内，表明浓度加和适用于预测DBPs的混合毒性，尽管DBPs具有不同的作用模式。
   尽管受监管的DBPs，即THM₄（氯仿、溴二氯甲烷、二溴氯甲烷、溴仿）和HAA₅（一氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、一溴乙酸、二溴乙酸），在消毒水中浓度较高，但预测的效应主要由未受监管的DBPs主导，特别是HANs和HNMs。例如，在氯化水中，受监管的DBPs平均约占检测到的DBPs总摩尔浓度的65%，但仅平均占预测细胞毒性、遗传毒性和氧化应激反应的0.6%至8%。即使分析了受监管和未受监管的DBPs，在饮用水和可回用水中，检测到的DBPs也只能解释不到5%至17%的实测细胞毒性，而检测到的DBPs最多可解释27%的实测遗传毒性。EBM同时考虑了化学物质的浓度和效力，这为了解DBP混合物的风险提供了更好的视角，凸显了EBM的一个关键优势。
   预测效应计算依赖于单一化学物的效应数据，有两项研究系统地记录了多种DBPs在一系列检测中的效应。可用单一化学物效应数据的范围将影响预测效应计算，有研究表明，纳入或忽略哪些DBPs会影响预测的细胞毒性和遗传毒性。
4. 4.
   消毒水样品用于效应导向方法的提取
   在进行EBM之前，通常需要对样品进行提取，以富集微污染物和DBPs的浓度，并去除水中的金属和其他无机物。用于化学分析和生物分析的DBPs样品提取方法不同，生物分析常使用XAD树脂或其他聚合物吸附剂进行固相萃取（SPE）。SPE能够提取非挥发性和疏水性DBPs，但不能有效捕获挥发性和半挥发性DBPs。使用吹扫和冷阱的更复杂提取方法可以捕获更多挥发性DBPs。然而，几项研究表明，（半）挥发性DBPs对细胞毒性、氧化应激和遗传毒性的贡献很小，这表明在提取过程中这些化合物的损失不会显著低估DBP混合物的效应。
5. 5.
   处理后的水质是否可以接受？
   推荐用于监测消毒水质量的基于细胞的体外生物测定非常灵敏，即使是深度处理的水也可能在检测中产生响应。这种响应并不一定意味着水质不可接受，效应基准值（EBTs）被用来区分可接受和不可接受的化学水质。EBTs类似于单个化学物的指导值，已有针对不同检测和保护目标（例如，饮用水的人类健康和环境水体的生态健康）的EBTs。几项研究已经推导出了与人类健康相关的饮用水和可回用水的EBTs，或者制定了在需要时推导临时EBTs的程序。处理后的饮用水通常低于拟议的用于激素受体介导效应（如雌激素活性和雄激素活性）的人类EBTs。此外，处理后饮用水中的氧化应激反应通常低于拟议的人类EBT，尽管有研究报道十分之五的澳大利亚自来水样品超过了人类EBT，最高达2.2倍。
   虽然大多数终点已有人类EBTs，但与遗传毒性和致突变性相关的终点（例如CHO细胞急性直接遗传毒性试验、umuC试验、体外微核试验）的EBTs尚不易获得，不过已有研究为指示p53反应的遗传毒性检测推导了初步的EBT。未来的工作应侧重于为这些终点制定稳健的EBTs，同时可以暂时使用相关方法估算临时EBTs。总体而言，与拟议的人类EBTs比较表明，在大多数情况下，处理后饮用水的化学水质是可接受的。
6. 6.
   结论
   EBM可以评估样品中所有活性化学物质的混合效应，当与化学分析结合时，可以提供更全面的水化学负荷信息。消毒水已被证明在涵盖多种终点的生物测定中具有活性，包括AhR激活、氧化应激反应、遗传毒性和细胞毒性。然而，处理水中的效应通常低于原水，消毒饮用水中的激素受体介导效应和氧化应激反应通常低于人类EBTs。虽然受监管的DBPs构成了消毒水中生成的大部分DBPs，但未受监管的DBPs主导了预测的细胞毒性、遗传毒性和氧化应激反应。这凸显了EBM的一个关键优势，即效力更强、因此毒理学相关性更高的DBPs在检测中的响应会比效力较弱的DBPs更大。