《ACS ES&T Water》：Comparative Screening of Private, Public, and Bottled Drinking Water In Vitro Bioactivity
编辑推荐：
本研究采用高通量多重转录因子筛选，比较了私用自来水（51份样本）、公共自来水（143份样本）和瓶装水（31份样本）提取物的体外生物活性谱。在测试的48个生物学终点中，有25个显示出显著活性（高于现场空白≥50%）。频繁检测到（≥10%样本）的生物活性（按递减顺
本研究采用高通量多重转录因子筛选，比较了私用自来水（51份样本）、公共自来水（143份样本）和瓶装水（31份样本）提取物的体外生物活性谱。在测试的48个生物学终点中，有25个显示出显著活性（高于现场空白≥50%）。频繁检测到（≥10%样本）的生物活性（按递减顺序）包括异源代谢（孕烷X受体[PXR]、芳烃受体[AhR]）、抗氧化反应（抗氧化反应元件结合核因子红细胞2相关因子2[NRF2]、激活蛋白1[AP-1]）、内分泌信号（雌激素受体[ER]、过氧化物酶体增殖物激活受体[PPAR]）和金属响应（金属响应元件[MRE]）。在所有饮用水供应中都观察到显著的生物活性，并识别出一些统计差异。生物活性与几个个体暴露指标及相应的基准或活性加权指标呈中等至强相关，尤其是消毒副产物。测量到的生物活性相似性模式与无机-有机暴露、毒性商数（TQ）和暴露-活性比（EAR）相似性矩阵之间存在显著（α=0.05）但弱的相关性，表明广泛的靶向暴露评估未能捕捉到观察到的饮用水生物活性的关键驱动因素。结果强调了需要基于效应的监测结合改进的暴露分析，以更好地评估饮用水中低水平污染物混合物的健康风险。
**论文解读文章**
**研究背景**
环境污染物暴露是全球疾病和过早死亡的主要驱动因素。饮用水作为人类接触环境化学-生物危害的关键途径，其安全性和可持续性是全球优先事项。在美国，饮用水的终端用户通过三种主要供应链获得：私用自来水（主要来自私人水井）、公共自来水（社区供水系统）和瓶装水（主要源于公共自来水，经单次塑料容器包装）。三者在源水质量、基础设施、监管、监测、数据可及性和商业营销方面存在显著差异，这些差异影响公众对水质安全的认知及消费决策，并阻碍了基于客观数据的可持续发展行动。现有研究多聚焦于单一供应途径，缺乏可互比较的、覆盖所有三种供应的污染物暴露与健康风险数据集，难以真实反映环境污染物复杂性。此前针对同一研究队列的荟萃分析已发现，三种供应途径中均存在常见混合物暴露、可比的累积浓度范围，以及对敏感亚群的人类健康关切，且私用自来水中存在未被充分认识的一般人群健康风险（超过最大污染物水平等效浓度）。这些发现强调，需要更深入地理解在三种分配管道中观察到的无机-有机混合物暴露的潜在生物学效应。
**研究内容与意义**
研究人员基于美国地质调查局（USGS）与环境保护局（EPA）、食品药品监督管理局（FDA）等机构的合作，收集了来自美国不同社会经济和源水脆弱性背景下的51份私用自来水、143份公共自来水和31份瓶装水样本，采用高通量多重转录因子筛选（cis-Factorial测定，基于HepG2人肝癌细胞系，涵盖48个生物学终点）比较了三种供应途径的体外生物活性。同时，研究人员对样本进行了广泛的靶向无机-有机化学分析（3种无机方法含35种分析物，8种有机方法含465种独特分析物），并基于健康基准计算了毒性商数（TQ），基于ToxCast数据库计算了暴露-活性比（EAR），以评估目标化学物质覆盖度并预测生物活性驱动因素。研究得出以下结论：三种供水途径中均普遍存在显著的体外生物活性，尤其是异源代谢、氧化应激、内分泌信号和金属响应通路；生物活性与消毒副产物浓度呈中等到强相关，但多变量分析表明，广泛靶向暴露评估未能捕捉到关键驱动因素，这意味着需要结合基于效应的监测与改进的暴露分析。该研究发表在《ACS ES》，其重要意义在于首次系统比较了三种主要饮用水供应途径的体外生物活性，揭示了目标化学分析在预测复杂混合物生物效应方面的局限性，为未来基于效应的饮用水监测和健康风险评估提供了科学依据。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：1）样本采集与富集：私用和公共自来水样本从厨房冷水龙头直接采集（未经预清洗或除网），瓶装水从原包装中倒出；所有样本经0.7μm玻璃纤维滤膜过滤，在36小时内用亲水-亲脂平衡（HLB）固相萃取（SPE）柱（6mL，200mg）进行富集，最终富集因子为10000倍。2）体外生物活性筛选：使用Attagene公司的cis-Factorial多重转录因子测定，基于HepG2细胞检测48个生物学终点，包括异源代谢（AhR、PXR）、氧化应激（NRF2）、内分泌信号（ER、PPAR）、细胞调控（AP-1）和金属响应（MRE），以1.5倍诱导（相对于21个有机自由水现场空白的50%增加）作为活性阈值。3）暴露分析与风险预测：采用与之前研究相同的3种无机和8种有机靶向分析方法；TQ基于最严格的人类健康饮用水基准（如MCLG、DWHA、WHO指导值等），通过浓度加和模型计算累积TQ（∑TQ）；EAR基于ToxCast数据库（invitroDBv4.1）中的活性浓度截止值（ACC），通过浓度加和模型计算累积EAR（∑EAR）。4）统计分析：采用单变量置换方差分析（permutational 1-way ANOVA）和序贯Bonferroni事后检验评估组间差异；采用Spearman秩相关评估双变量相关性；采用非度量多维尺度分析（NMDS）和置换多元方差分析（PERMANOVA）评估多变量模式；采用BEST(BVSTEP)多元逐步回归识别最佳解释变量子集。样本队列来源：所有样本来自美国USGS与EPA、FDA等合作研究项目，覆盖不同社会经济和源水脆弱性背景。
**研究结果**
**DW Cis-Factorial Bioactivity**
通过cis-Factorial测定，在225份样本中，除4份（2份瓶装水、2份私用自来水）外，均检测到显著活性（≥1.5倍诱导）。48个终点中有25个在至少一个样本中显示活性，其中7个终点在≥10%样本中检出，按频率递减顺序为：AhR（94%）、PXR（92%）、NRF2（75%）、ER（26%）、AP-1（22%）、PPAR（13%）和MRE（10%）。最大诱导倍数分别为15.6、27.9、6.8、9.7、2.2、5.2和3.1。AhR和PXR是配体调控的异源代谢主调控因子，NRF2是抗氧化应激主调控因子，三者活性最高且最频繁。ER、PPAR、AP-1和MRE活性较低且频率较低。NRF2活性与PXR强相关（ρ=0.837），与AhR中等相关（ρ=0.670）；PPAR与AhR强相关（ρ=0.721）；AP-1与NRF2强相关（ρ=0.802）和PPAR强相关（ρ=0.710）。这些结果与先前在富集饮用水提取物中的发现一致，表明在未富集条件下生物活性可能较低，但慢性低水平暴露的潜在健康后果值得关注。
**DW Cis-Factorial DW-Supply Group Comparisons**
单变量分析显示，在7个频繁活性终点中，除PPAR外，其余6个终点在三种供水途径间存在显著差异（p=0.0001–0.0069）。PXR和NRF2中位活性顺序为公共自来水 > 私用自来水 > 瓶装水；AhR和AP-1在公共自来水中最高，私用自来水和瓶装水间无差异；MRE在公共和私用自来水中相等且高于瓶装水；ER则私用自来水最高，公共自来水居中。所有终点均存在大幅重叠范围。多变量PERMANOVA支持单变量结果，显示出显著的组间差异（p=0.0001），但n维空间重叠明显。这表明尽管存在统计差异，但三种供水途径的生物活性谱具有相似性。
**DW Cis-Factorial Bivariate Correlations for Exposure, EAR, and TQ Metrics**
双变量Spearman相关分析显示，7个频繁活性终点中的6个（除ER外）与20种检测到的分析物（4种无机、16种有机，主要为消毒副产物）呈中等至强相关（ρ=0.406–0.763）。NRF2与16种分析物（含3种无机）呈至少中等相关，PXR与14种分析物相关。10种消毒副产物占所有中等-强相关的一半（21/42），其中三氯甲烷、溴二氯甲烷和二溴氯甲烷与NRF2呈强相关（ρ=0.763、0.737、0.704）。由于这些挥发性消毒副产物在SPE过程中被有效去除，其高预测性归因于与未分析的半挥发性/非挥发性成分（如卤乙腈、卤乙酸）的强共变关系。TQ和EAR相关分析得到类似模式，但相关变量更少，表明基准或活性加权并未改善预测效用。结果证实了消毒副产物作为饮用水体外生物活性预测因子的实用性，并支持异源诱导的氧化应激是重要驱动因素。
**DW Cis-Factorial Multiple Regression Models for Exposure, EAR, and TQ**
多元逐步回归（BEST(BVSTEP)）识别出最佳解释生物活性相似性矩阵的子集。基于无机-有机暴露指标的模型在Δρ<0.01停止准则下获得显著但中等程度的相关（ρ=0.590，p=0.01），包含9个预测变量（三氯甲烷、萘、1-丁醇、乙腈、叔丁醇、甲霜灵、可替宁、二氯碘甲烷、环酰菌胺）。TQ和EAR模型的相关系数略低（ρ=0.536–0.564），表明加权未改善预测能力。三个预测变量（三氯甲烷、萘、1-丁醇）在所有模型中共同出现。模型仅达到中等相关，进一步支持关键驱动因素未被靶向暴露评估捕获的结论。
**DW Cis-Factorial Multivariate Correlations for Exposure, EAR, and TQ**
RELATE检验显示，cis-Factorial生物活性相似性矩阵与无机-有机暴露、TQ和EAR相似性矩阵之间存在高度显著（p≤0.0006）但弱的相关性（ρ=0.221–0.339）。其中，基于ToxCast预测的体外生物活性相似性矩阵相关性最强（ρ=0.339）。弱相关再次表明，重要驱动因素未被靶向分析覆盖，因此直接测量饮用水生物活性作为污染物监测的补充至关重要。
**讨论与结论**
**研究局限性**：靶向分析范围仅覆盖商业生产中约35万种人造化学品的极小部分，且TQ和EAR均受限于权重因子（健康基准和ToxCast ACC）的可用性（分别约覆盖50%和46%的检测分析物）。HepG2细胞系代谢能力有限，可能无法反映转化产物的生物活性。SPE选择性富集亲水/亲脂有机化合物，会低估挥发性污染物和高度亲水离子，因此检测到的挥发性消毒副产物与生物活性的强相关被归因于与未测量的非挥发性共变物（如卤乙腈和卤乙酸）的共变关系。此外，cis-Factorial测定未以生物等效浓度（BEQ）量化响应，无法直接与效应基准值比较或提供健康风险直接证据。
**结论**：在48个测试终点中，25个观察到显著（≥1.5倍诱导）的cis-Factorial转录因子激活，其中异源诱导的氧化应激、内分泌信号、细胞调控和金属响应活性最高且最频繁。这些显著的体外生物活性在三种饮用水供应途径中普遍存在，单变量和多变量分析均识别出供应间的差异。中等至强的双变量相关证实了多种分析物（尤其是消毒副产物）作为饮用水体外生物活性（特别是氧化应激响应）预测因子的实用性。逐步回归模型对无机-有机暴露指标达到中等相关，而基准或ACC加权并未改善预测能力。测量到的生物活性相似性模式与无机-有机暴露、TQ和EAR相似性矩阵之间的显著但弱的相关性表明，观察到的饮用水生物活性的关键驱动因素并未被本次广泛的靶向暴露评估完全捕获。研究结果强调了需要结合基于效应的监测与改进的暴露特征分析，以准确评估长期暴露于三种分配管道中低水平无机-有机污染物混合物的人类健康影响。无论何种供水途径，加强公众参与水源保护、饮用水监测和处理，对于减轻长期暴露于饮用水污染物（尤其是敏感人群）相关的生物学效应风险至关重要。
