鱼类鳃过程影响全氟烷基酸吸收的毒代动力学模型

《Environmental Science: Processes and Impacts》：A toxicokinetic model for gill processes affecting the uptake of perfluoroalkyl acids by freshwater fishOpen Access

　　

全氟烷基酸（PFAA）是研究较为充分的全氟和多氟烷基物质（PFAS）亚类。部分PFAA在食物网中具有生物富集性，鱼类消费是人类暴露的重要途径。然而，关于PFAA在鱼类中鳃吸收、组织分配和肾脏排泄相对重要性的机制研究仍然有限。研究人员开发了一种机制性毒代动力学（TK）模型，以考察鳃转运作为PFAA在鱼类中吸收和消除潜在限速步骤的作用。该模型模拟实验室条件，并明确考虑了鳃上皮膜处水边界层（ABL）的跨膜转运以及与溶解性有机碳（DOC）的共转运。含4–10个全氟化碳（ηpfc）的PFAA模拟生物富集因子（BCFs）与实验室数据在单位数标准差范围内一致。BCFs对组织结合最为敏感（各PFAA的归一化敏感系数[NSCs]为69%–102%）。消除半衰期对组织结合（57%–76%）和有效鳃通透性（?30%至?96%）均敏感。鳃上皮膜处ABL厚度而非上皮膜本身决定了短链PFAA（ηpfc < 6）的扩散屏障，并且是影响消除半衰期的最敏感参数（97%）。鳃占组织结合PFAA的5%–47%，主要由蛋白质结合和磷脂分配驱动。当水相DOC浓度为100 mg L?1时，模拟BCFs降低最多达22%。综合来看，这些结果表明组织结合和鳃通透性对PFAA生物富集均具有重要性，且吸收和交换受鳃上皮膜处ABL跨膜流动依赖性转运的影响。

论文解读：鱼类鳃过程影响全氟烷基酸吸收的毒代动力学模型

一、研究背景与问题

全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类在工业过程和消费品中大量生产的氟化有机化学品，广泛存在于鱼类和贝类中，食用受污染水产品对人类和生态健康构成风险。全氟烷基酸（PFAA）是PFAS中研究较为充分的亚类，包括不同全氟化碳链长（η_pfc）的全氟烷基羧酸（PFCA）和全氟烷基磺酸（PFSA）。链长η_pfc ≥ 6的PFAA主要蓄积于鱼类血液和肝、肾等高灌注组织。已有建模研究提示鳃转运可能是PFAA在鱼类中吸收的限速步骤。

现有监管生物蓄积研究（如OECD测试指南305）主要针对中性疏水性化学物质设计，这类物质通过被动扩散快速穿透鱼鳃并在富脂脂肪组织中蓄积。然而，PFAA在环境pH下主要以阴离子形式存在，膜通透性低，优先与白蛋白等功能蛋白及磷脂结合，而对储存脂质亲和力可忽略。鱼鳃由双侧对称的鳃丝构成逆流呼吸腔，在上皮膜处形成非搅动水边界层（ABL），层流缓慢形成吸收的扩散屏障。以往PFAA鳃吸收模型假设特定鳃层存在扩散阻力或不可渗透性，但未考虑ABL厚度的影响。此外，溶解性有机碳（DOC）对PFAA跨ABL转运和生物可利用性的双重作用也未得到充分表征。

二、研究目的与意义

该研究旨在更好地理解鳃过程（包括ABL厚度和与DOC的共转运）如何影响淡水鱼中PFAA的吸收和消除，明确鳃交换相对于内部组织分布和肾脏排泄是否为限速步骤。研究开发了一种两室TK模型，将鳃保留为水和血液间自由溶解PFAA的交换屏障，并从ABL扩散、鳃上皮膜通透性和DOC介导转运中解析其有效通透性。该模型可用于调整实验室测试设置以代表自然条件，包括调控鳃上皮ABL跨膜转运的流动条件和DOC水平。论文发表在《Environmental Science: Processes and Impacts》。

三、主要技术方法

研究人员构建了两室毒代动力学模型，包含血液和组织两个隔室，组织隔室整合所有血管外器官。模型模拟实验室条件，明确考虑鳃上皮膜处ABL转运和与DOC的共转运。模型参数化基于8 g虹鳟（Oncorhynchus mykiss）的生理数据，包括组织和生物体液体积、蛋白质和脂质含量及鳃膜形态。评估了九种PFAA（磺酸和羧酸，η_pfc = 4至10），采用蒙特卡洛模拟（n = 10 000次迭代）考察分配系数变异性影响，并通过归一化敏感系数（NSCs）量化参数相对重要性。模拟在R（版本4.4.1）中使用deSolve包（版本1.40）完成。

四、研究结果

4.1 模型评估

九种PFAA的模拟log₁₀ BCFs与文献报道的淡水鱼经验值在一个log₁₀单位内吻合。所有模拟在第28天达到稳态。稳态BCF_aq随PFAA链长增加而升高，PFBS为0.92 ± 0.05，PFUDA为2.8 ± 0.03。表观BCFs对PFBS、PFOA、PFOS和PFNA的预测效果良好，PFDA和PFUDA被中度低估，PFHxA、PFHpA和PFHxS略高于文献值。模拟血液浓度对PFHxS和PFOA约为实测值的两倍，但对PFOS、PFDA和PFUDA显著低估，对应41倍、28倍和110倍差异。模型预测的血液浓度排序（PFHxS > PFOA > PFDA > PFOS > PFUDA）与更新的体内研究一致。

4.2 敏感性分析

敏感性分析表明，模型预测的全身BCFs主要受组织-水分配控制，而鳃交换对消除半衰期有强烈影响。BCFs的NSCs以组织结合（K_tissue/w）最高，范围为69%（PFHxS）至102%（PFUDA）；鳃通透性（P_gill）对BCFs影响中等，NSCs最高达23%（PFUDA）；肾脏排泄（k_e）对短链PFAA影响较小，对η_pfc ≥ 7化合物可忽略。消除半衰期主要受鳃交换和组织结合控制，P_gill的NSCs从?30%（PFDA）至?96%（PFBS），K_tissue/w的NSCs为57%（PFDA）至76%（PFOS）。ABL厚度（x_ABL）对BCFs的NSCs为?2.1%至?23%，对半衰期为+31%至+97%，而鳃膜扩散（D_mem）、鳃膜结合（K_mem/w）和鳃膜厚度（x_mem）的NSCs大多低于±0.01%。DOC相关参数敏感性总体较低。

4.3 环境因素对BCFs的影响

模型模拟显示，水流变化引起的ABL厚度改变和高DOC浓度可影响PFAA BCFs。从流动条件（ABL = 0.016 cm）到静态条件（ABL = 0.082 cm），中位BCFs降低<0.01%–26%，短链PFAA影响最大。在DOC浓度为1 × 10^?4 g mL^?1时，BCFs降低最多达22%，与化合物log K_OC（1.51–4.20）相关。对于log K_OC < 3的PFAA，BCFs变化小于2%。

4.4 PFAA在鱼类组织中的分布

肌肉因体积大（占体重47%）而占PFAA全身负荷的最大比例（14–84%），尽管浓度相对较低。模拟浓度以肾脏最高，其次为鳃和肝脏，脂肪、肌肉和"其余"隔室较低。组织质量分数顺序为：肌肉 > 鳃 > 肾脏 > 肝脏 > 脂肪 > 其余。短链PFAA（η_pfc < 7）的肾脏浓度最高，鳃浓度为肝脏的1.2–1.3倍，为肌肉的25–50倍。亚隔室建模表明，PFAA主要与功能蛋白结合（占鳃中总PFAA的73–99%），其次为结构蛋白（0.48–14%）和磷脂（0.28–12%）。

五、讨论与结论

研究发现，对于长链PFAA（η_pfc > 7），组织结合主导BCFs，表明生物富集主要由组织组成（特别是蛋白质和磷脂含量）控制；而短链PFAA（η_pfc < 7）对鳃通透性（特别是ABL跨膜转运）更为敏感，水流、混合和通气速率等影响ABL厚度的过程可显著影响吸收和清除。这一机制性差异解释了短链PFAS实验室BCF测量中观察到的较高变异性，并强调了在实验系统中标准化湍流和流动条件的重要性。

经典食物网模型将生物蓄积表示为平衡分配过程，当组织结合参数化为富含蛋白质和磷脂的组织而非仅中性储存脂质时，可捕获长链PFAS行为；但此类模型不足以描述短链PFAS，因其吸收受鳃介导转运和水动力条件强烈控制。短链PFAA在低水流和厚ABL的环境（如静水系统或遮蔽海湾）中蓄积可能较低，而长链PFAS生物蓄积对流动基本不敏感，主要由组织组成驱动。

模型未考虑PFAS暴露与组织组成之间的反馈，也未纳入饮食暴露途径和前体生物转化。DOC结合参数化的不确定性仍是预测DOC丰富系统中PFAS吸收的关键限制。机制性模型可帮助指导实验设计，通过明确纳入水动力学、水相条件和组织组成，改善实验室生物蓄积测试与跨生态系统真实水相和生物条件之间的一致性。