北京大学城市与环境学院在读博士生王俪西和麦吉尔大学博士后羊童博士在期刊Environmental Science & Technology上合作发表了题为“Critical Evaluation and Meta-analysis of Ecotoxicological Data on Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) in Freshwater Species”的论文。
研究问题
尽管人们越来越关注全氟和多氟烷基物质 (PFAS) 带来的生态风险，但对其实际生态毒性的全面了解仍然不足。PFAS作为一类化合物，由于其强大的碳氟键，它们通常在环境中具有高稳定性和抗生物降解性，能够通过食物链对水生生物产生长期影响。越来越多的研究也强调了PFAS对水生生物造成不利影响，这对淡水生态系统构成了重大风险。然而，在目前PFAS的范围不断扩展的背景下（从传统关注的PFOA和PFOS扩展至更复杂和更多样结构的PFAS），由于资源限制，不同种类PFAS的生态毒性数据相对缺乏，这给危害评估带来了很大的不确定性。基于现有的毒性数据资源，我们能否系统地量化 PFAS 的生态毒性，并评估不同分子特征（如碳链长度、官能团类型等）对其生态毒性强度的影响？如何在这些因子之间建立合理的模型，以揭示 PFAS 毒性机制的潜在模式？此类问题亟需进一步深入研究。此外，尽管目前已有标准化的毒性测试和数据报告协议，但低质量的毒性数据仍然存在，这可能导致错误的的结论和无效的风险管理。因此，迫切需要对PFAS的最新高质量生态毒理学数据进行更全面的统计分析。
研究方法
采用物种敏感度分布（SSD）模型来预测PFAS在淡水环境中的安全阈值：
1. 对同行评审的生态毒理学数据进行整理，建立数据库。基于欧洲化学品管理局REACH指导框架，对数据库进行筛选，并保留了对种群层面上的重要指标，如死亡，生长，生殖等毒性终点的结果，分子水平上的毒性结果不予考虑。同时，在数据库中排除了缺乏对测试生物来源和初始状态、仅测试单一浓度毒性效应、或通过摄入而非水环境进行物种暴露的研究。当同一研究中包含急性和慢性毒性数据时，优先考虑慢性毒性数据
2. 在测试方法、测试物质和测试生物体这三个维度用半定量的赋分方法对数据库中的毒性实验质量进行评价，并根据得分建立子集，探究毒性数据质量对PFAS危害评估结果的影响
3. 通过引入不确定性因子UF-time和UF-descriptor，将原始生态毒性数据统一转化成慢性无效应浓度值（NOEC）。使用蒙特卡洛模拟预测了每个物种的NOEC的概率分布，构建了对所有物种的概率物种敏感度分布（PSSD），并计算了预测无效应浓度（PNEC）
4. 基于PNEC的计算结果或同一淡水物种的生态毒性数据，使用控制变量法研究了PFAS的化学结构（包括官能团和碳链的长度）对于其生态毒性的影响
研究结果
·对91项同行评审的毒性研究数据质量审查的结果显示，仅有22%的研究数据质量较高，其中少于半数的研究测定了PFAS在水体中的实际浓度和生物体残留浓度。使用低质量的毒性数据构建物种敏感性概率分布（PSSD）会严重高估预测无影响浓度（PNEC），从而低估PFAS对水生生物的毒性（表1. PNEC随数据质量的变化）
·基于数据质量较高（评分≥7）构建PSSD结果（图1），PFAS在淡水中的PNEC范围是1.6 μg/L-18 μg/，平均值是7.9 μg/L。其中两栖类动物Ambystoma tigrinum和摇蚊属类Chironomus palmosus分别是对PFAS最敏感和最不敏感的淡水物种。
·PFAS的官能团和链长显著影响PFAS的毒性。与其他PFAS相比，含有磺酸基团的PFAS表现出相对较大的毒性（表1）。基于高质量毒性数据分析得到全氟烷基羧酸（PFCAs）和全氟烷基磺酸（PFSAs）在淡水中的PNEC范围分别是4.8-2000 μg/L和0.4-8.9 μg/L。对于PFCAs和PFSAs而言，碳链长度为4的PFAS的毒性均显著低于具有相同官能团的较长碳链的PFAS（图2）。这种毒性差异为优先监管相对生态毒性较大的PFAS提供了参考。
·目前PFAS在全球地表水中的大多数监管和生态影响的限值超过了本研究得出的PNEC，这凸显了未来监管过程中制定更严格的生态毒性安全阙值的必要性。由于不同PFAS存在毒性差异，将PFAS作为一个家族进行监管的方法需要更加谨慎和细致地考虑。
·本研究中得出的PFOA的PNEC高于微/纳米塑料和部分持久性有机污染物（包括有机氯农药OCPs、多溴二苯醚PBDEs和多环芳烃PAHs）的PNEC，表明PFOA在淡水环境中的毒性相对低于上述污染物；而PFOS的PNEC介于微/纳米塑料和其他持久性有机污染物之间，表明PFOS的毒性相对高于微/纳米塑料，但低于其他持久性有机污染物（图3）。
图文导读
图1. 基于数据质量较高的数据子集（评分≥7）构建的淡水中 PFAS 的 PSSD
图2. 探究不同碳链长度的PFCAs的毒性差异：(A)预测无影响浓度（PNEC）的中位数；（B）D. magna和D. rerio的归一化的未观察到影响浓度（NOEC）；（C）在不同物种的毒性研究中碳链长度对PFCA毒性的影响
图3. 基于当前研究和以往研究数据对PFAS与其他POPs、聚合物毒性差异的比较
小结
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