全氟和多氟烷基化合物的危害及在食品中的污染研究進展

丁林玉,雷素珍,曾紅亮

(福建農林大學食品科學學院,福建福州 350002)

PFASs是一類所有或部分氫原子被氟原子所取代的新型持久性有機污染物。PFASs主要包括全氟羧酸(Perfluoroalkyl carboxylic acids,PFCAs)和全氟磺酸(Perfluoroalkane sulfonic acids,PFSAs)。PFASs具有高能量的C-F共價鍵,難以水解、光解、被微生物降解和被動物體代謝,因此其在環境中具有持久存在,并可通過食物鏈蓄積的特點。這種物質常被用作某些商品的防護涂層,如不粘鍋、食品防油涂料和食品包裝材料,是常見的家庭用品。研究顯示,空氣、水源和土壤中都含有PFASs,這種化合物甚至在植物、動物和人類中都被檢測到[1-2]。早在二十世紀就發現環境中存在PFASs,隨著研究的逐漸深入,出現了許多關于PFASs的動物模型、毒理學等方面的研究,說明PFASs已經對生物體產生毒害作用[3]。

近年來,研究者們不斷在人體中發現PFASs的存在,PFASs的累積問題日趨嚴重。Kannan等[4]分別測量了全氟辛烷磺酸鹽、全氟己基磺酸鹽、全氟辛酸和全氟辛烷磺酰胺的濃度,所選樣本為來自美國、比利時和韓國等國家的九個城市的473份人體血液/血清/血漿樣本。在這四種含氟化合物中,全氟辛烷磺酸鹽(Perfluorooctane sulphonate,PFOS)是血液中含量最高的物質,全氟辛酸(Pentadecafluorooctanoic acid,PFOA)次之。PFOS濃度最高(>30 ng/mL)的國家為波蘭和美國;濃度最低(<3 ng/mL)的國家為印度;其他國家的濃度范圍為3～29 ng/mL。這些結果表明,四種含氟化合物濃度之間的關聯程度隨樣品來源的不同而存在差異,不同國家對這些化學品的暴露模式存在差異,發達國家血清樣本中的含氟化合物含量較發展中國家高。以我國9個城市85個血清樣本進行分析的研究顯示:9個城市樣品中不同全氟化合物(Perfluorinated compounds,PFCs)的含量之間存在差異,其中最主要的為PFOS,金壇樣本中的PFOS平均濃度最低(3.72 ng/mL),沈陽樣本中的平均濃度最高(79.2 ng/mL)[5]。2019年一項對武漢市一般人群血清的檢測數據表示,年齡會導致人體內PFOS和PFOA出現差異,其中兒童組的PFOS和PFOA檢出率分別為75.4%和80.5%,成人組分別為83.3%和82.9%[6]。

本文概述PFASs的累積情況,重點分析PFASs對人體的危害和PFASs的最新研究。了解PFASs在食物和環境中的累積情況對科學研究具有重要意義,綜述PFASs的污染來源和危害等,可以加深對PFASs的了解,從而為減少人體內PFASs的殘留、開創新的檢測方法、提高檢測標準和檢測方法的準確性提供參考,為我國食品產業的開展和疾病預防提供依據。

1 PFASs的特性及毒性通道的探索

PFASs又被稱為碳氟化合物,是一種脂肪烴化合物,具備較高的熱力學穩定性和化學穩定性,C-F鍵賦予PFASs耐水解、光解、微生物降解的特性[7-10]。PFASs根據其碳鏈長度可分為短鏈(C2～C5)、中鏈(C6-C10)、長鏈(>C10)。目前PFASs在全球范圍內的人類血液、母乳及某些偏遠地區如北極等均被檢測到,相比于有機氯農藥和二噁英等持久性有機污染物,PFASs在動植物體內的積累程度是前者的數百到數千倍,聯合國環境規劃署已將其列入《斯德哥爾摩公約》禁止的持久性有機污染物(Persistent organic pollutants,POPs)名單[11-13]。PFASs的不可降解性、危害性、生物積累性,使得人們對它的擔憂日益增長。目前世界上已知的PFASs有3000多種,全氟辛酸和全氟辛烷磺酸鹽是其中影響最大、最重要的兩種[14-16]。研究表明,PFASs已經進入環境,并通過食物鏈進入人體組織器官,可能造成不可預估的危害[17-18]。北美和歐洲的居住者也許會經歷無處不在和長期攝入PFOS和PFOA的風險,劑量范圍分別為每天每千克體重3～220和1～130 ng/kg bw/d[19]。同時由于其不可分解的特性,可能會在人體長久存在并積累。

對于全氟烷基化合物毒性通道的探索現有研究如圖1所示,一方面,全氟烷酸化合物(Perfuoroalkyl compounds,PFAAs)能夠與凝血酶受體(Thrombin receptor,TR)結合,促進TR激活效應,從而干擾甲狀腺功能;另一方面,PFAAs與Src同源酪氨酸磷酸酶(Src homology phosphotyrosyl phosphatase-2,SHP-2)聯合,抑制P-Paxillin去磷酸化,提高paxillin磷酸化水平[20]。

圖1 全氟烷基化合物毒性通道機制

2 PFASs在食物中的存在情況

PFASs的半衰期時間長,人類血清中PFOS的半衰期可達約5.4年,PFOA的半衰期約為3.8年,其生物累積性和毒性使得這類含氟化合物的健康風險評估不可小覷[21]。經食物鏈的富集作用,各類食物中的PFASs暴露狀況存在差異。食品中PFOS和PFOA的平均濃度分別可達0.05～1.99 ng/g鮮重和0.06～12.5 ng/g鮮重[22]。PFASs相繼在飲用水、母乳及乳制品、肉類、蛋類、水產品等食品中被檢出[23-32]。其存在情況如表1所示。

表1 PFASs在我國各類食品中的存在情況

2.1 飲用水

除了最常見的PFOS和PFOA,許多短鏈PFCs在各個國家的飲用水中也普遍存在。根據2006年～2008年間從中國、日本、印度、美國和加拿大收集的自來水樣品進行定量分析,分析結果顯示:我國上海地區水樣中的全氟化合物含量最高(130 ng/L),日本富山水樣中的全氟化合物含量最低(0.62 ng/L),不同地區的污染水平和污染源存在差異,特別是工業發達的地域污染更為嚴重,這可能與當地工業化生產排放的大量有害氣體和廢水有關,通過大氣沉降和水循環進入表層水,進而滲入飲用水系統[23]。在飲用水中能檢出多種多樣的PFASs,但目前還沒有關于多種PFASs協同作用的研究及發現。對于飲用水中的污染問題,通過加強凈水處理系統,提高檢測標準,可以有效降低污染程度。

2.2 乳及乳制品

乳及乳制品的危害對象主要是嬰幼兒和老年人等特殊人群,特別是嬰幼兒這一群體。通過對PFASs從飼料中轉移到奶牛組織和乳中的情況的研究發現,PFASs能夠在體內聚集且轉移至乳汁[24]。Fujii等[25]收集了90個來自日本、韓國和中國的母乳樣本,并對中國和日本零售商店的嬰兒配方奶粉(n=9)進行了分析,發現在這三個國家60%以上的母乳和奶粉樣品中檢測到PFOA,其中PFOA的中位濃度在中國為51 pg/mL(61%)。在中國12個省份的1237個母乳樣本中發現,PFOS和PFOA是所有樣本中含量最多的PFCs[26]。PFOS濃度的幾何平均值(檢測數據x1,x2,…,xn之積的n次方根)為46 pg/mL;PFOA濃度的幾何平均值為46 pg/mL,黑龍江、遼寧、河北和上海等12個省份均受到不同程度的PFOA和PFOS污染。且這十二個省份中,來自上海的母乳中被發現有較高濃度的PFOA(農村樣本為814 pg/mL,城市樣本為616 pg/mL),上海PFOA的估計膳食參考攝入量(Estimated daily intakes,EDI)為88.4 ng/kg/d,而其推薦可耐受日攝入量約為100 ng/kg/d。在最近的研究檢測中發現,嬰幼兒乳制品中總PFCs(PFOS、PFOA和PFHxA)濃度為35.3～282.8 ng/kg[27]。PFASs在母乳和乳制品中的污染程度較高,將對嬰幼兒的生長發育產生危害。因此,應全面評估母乳喂養對嬰兒出生后接觸的潛在健康影響。

2.3 肉類

肉類產品是優質蛋白質的來源,但肉類產品中大都含有PFASs,含量最多的是PFOA和PFOS,豬里脊肉中二者含量分別為0.04和0.08 ng/g,豬肝中為0.33和1.18 ng/g,雞肉中未檢出PFOA,雞肝中的PFOA(0.12 ng/g)高于雞胸(0.03 ng/g)[28-29]。可見,豬肉樣品中的PFASs含量高于雞肉樣品,肝臟組織中PFASs的含量高于肌肉組織。肉類食品是食品中PFOA的重要來源,肝臟是毒素積累的主要場所。身體的許多毒素會在肝臟積累,PFASs也不例外,隨著血液流動不斷遷移,PFASs最終停留在肝臟,從而導致肝臟組織中的PFASs含量高于肌肉組織。

2.4 蛋類

蛋類亦是優質蛋白質的來源之一,且使用廣泛,除三餐攝入之外,也是許多甜品、蛋糕的主要成分。對中國南京、金壇、山東等8個地區的雞蛋進行取樣分析發現,PFOS在雞蛋蛋黃中廣泛存在,而蛋白中檢測到的含量極少(<0.08 ng/g),PFOS在雞蛋中的含量水平為45.0～86.9 ng/g[30]。齊彥杰等[31]對雞蛋和鴨蛋進行了樣品采集,采集的樣本來自北京市14個主要蛋類批發市場中的59個攤位。該研究在雞蛋中測出9種PFASs,鴨蛋中測出10種PFASs,鴨蛋中PFCs的含量為雞蛋含量的3.4倍左右。許多研究表明,PFASs在我國蛋類產品中的聚集程度要比其他國家高,特別是一些污染情況嚴重的工業化地區。盡管蛋類食物不是飲食結構中的主要部分,但雞蛋常被用于制作其他食品,如蛋糕、面包、冰激凌等,對于喜愛蛋制品的人來說,攝入PFASs的風險加大。

2.5 水產品

在水中生活的生物始終生長在含有PFASs的水體中,這使得其體內的PFASs不斷聚集。以天津大黃堡濕地地區的魚為研究對象發現,魚體中有多種PFASs,其中PFOA含量低于PFOS含量,鯉魚對人體每日可貢獻2.6 ng PFOA和104 ng PFOS,而鯰魚的貢獻量分別為1.7 ng和39 ng[32]。這是由于PFOA的水溶性比PFOS好,生物富集能力低,不利于吸收利用,易于從體內排出。王旭峰等[33]曾在廣州市水產品體內檢出23類PFASs,結果顯示,PFASs在所有樣品中的檢出率為93.5%～100%。

2.6 其他

蔬果是每日飲食的主要組成成分,富含多種維生素和礦物質。但在馬鈴薯、大白菜和蘿卜等蔬菜中可檢測到PFASs,蔬菜中的PFOA含量約在0.05～0.84 μg/kg(濕重)之間,PFOS含量在0.051～0.42 μg/kg(濕重)之間,地下部位高于地上部位,污染物的含量較魚肉類低[32,34]。盡管在瓜果蔬菜類食品檢測出的PFASs含量較低,但按照中國居民膳食指南的倡導和建議,每日應攝取300～500 g蔬菜,200～350 g水果。即雖然蔬果類食品含PFASs較少,但攝入量大,最終通過蔬果類食品進入人體的PFASs總量不低。

3 食品中PFASs的污染來源

隨著PFASs陸續在各類食品中被發現,研究者們開始關注食品中PFASs的來源。許多研究表示,PFASs主要通過環境進入動植物組織器官,并逐漸積累,而這些動植物經過人類的加工利用,成為餐桌上的食品,存在潛在危險。許多可供食用的動植物體內污染物的來源如表2所示:

表2 動植物體內PFASs的污染來源

3.1 大氣

大氣中的污染物不僅可以通過呼吸進入動植物體內,也可以隨雨水沉降在土壤中積累,滲入地下表層水,隨飲用水進入動植物體內。以北京大氣為例,北京地區大氣中的PFASs含量約為10.1～62.9 pg/m3,PFASs的富集程度與地區、氣候、以及化合物種類有關[35]。北京地區的PFASs由北至南污染程度逐漸增加;霧霾天氣大氣顆粒物中的PFASs濃度明顯高于晴天,約是晴天的三倍;不同種類的PFASs的聚集度根據顆粒物的大小不同;不同粒徑的大氣顆粒物對PFASs不同化合物的聚集能力不同,中鏈PFASs如全氟辛酸、全氟辛烷磺酸鹽、全氟壬酸和全氟癸酸等更易聚集[35]。同時許多人為排放的持久性有機污染物更偏向于集中在大氣顆粒物中,這可能與有機污染物多以煙霧形式排出有關,大氣相較于土壤和地表水可能含有更多的PFASs。

3.2 土壤

土壤中PFASs對食物的污染主要表現在植物性食物上,植物大多以土壤為媒介,吸收機體所需礦物質和水。在東部農村地區的所有樣本中均有PFASs的發現,其中以PFOA為含量最多的污染物,污染程度存在地區差異性,總體呈現由南到北遞減的趨勢,濃度范圍為0.34～14.5 ng/g,平均值為2.51 ng/g[36]。土壤污染可通過三個途徑發生,分別為施肥灌溉、廢棄物堆積、經其他介質向土壤中遷移轉化。由南至北土壤濕潤度和水量不斷下降,污染物經灌溉和水進入土壤的機會大大減少,成為PFASs污染物由南到北遞減的原因之一。

3.3 地表水

植物根系的吸收作用可以將污水中的有害物質一同吸收,并向上轉移至莖、葉和果實,不斷積累產生危害,動物飲用水后亦可使水中的污染物質在體內循環并積累。通過對中國東部農村地區和日本各地142個地表水樣品的測定發現,所有地表水樣本均檢出相關污染物,PFASs和其他化合物主要為PFOA和PFOS[36-37]。日本河流樣本中PFOS的均值為2.37 ng/L,濱海水樣的均值為1.52 ng/L,不同地區水樣中的污染物含量存在差異[37]。在中國東部農村地區,PFOA均值為2.9 ng/L,其含量在不同地區也存在差異,呈現南高北低的形勢,其中大氣沉降的貢獻較大,且不考慮耗散動力,受污染土壤中的大部分PFOA和PFOS被輸送到地下水和地表水水體[38]。

4 PFASs的危害

4.1 PFASs可致心肌發育毒性

張瑩瑩[39]以胚胎干細胞測試(Embryonic stem cell test,EST)體系為基礎,測得在PFOS、PFOA、全氟丁基磺酸(Perfluorobutane sulfonate,PFBS)三者中,心肌發育毒性最大的是PFOS,最小的是PFBS;隨著碳鏈長度的不斷增長,心肌發育的毒性大小也不斷增大,若碳鏈末端發生磺酰化,則其毒性將大于碳鏈末端非磺酰化的物質。該研究所測得的三種PFASs均會導致心肌發育毒性,且研究結果顯示毒性大小與碳鏈長度呈正相關關系,三者之間有明顯的構效關系。

發育毒性會導致個體生長發育遲緩,對組織器官有致畸作用,通過對核酸翻譯和表達的干擾,一些化學物質甚至對胎兒有致死作用,造成自然流產或死產、死產率增加。

4.2 PFASs可使細胞膜病變

Wen等[40]發現PFOS影響細胞壽命的作用機制為:通過對細胞膜和線粒體功能的破壞,阻斷細胞間的連接。2016年,有研究進一步分析探索了PFOS對心肌細胞生長發育中線粒體的損傷作用和機制,該研究基于PFOS致小鼠胚胎干細胞(Embryonicstem cell,ES cell)定向心肌細胞分化毒性作用差異蛋白表達譜結果發現,PFOS的損傷作用機制為:一方面,通過降低線粒體膜電位使腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine triphosphate,ATP)產量減少,乳酸產量增加,脂肪酸堆積;另一方面,PFOS激活Rictor信號分子,促進膽固醇調節元件結合蛋白(Sterol-regulatory element binding proteins,SREBPs)裂解,脂肪酸堆積,線粒體內質網Ca2+濃度減少[41]。

細胞膜作為半透膜,能進行膜內膜外的物質交換、吸收和利用營養物質,排出代謝產物,通過胞吞胞吐運輸大分子物質。它不僅能使細胞維持細胞內環境的穩態,還能調節和選擇細胞內外的物質。一旦細胞膜功能被破壞,將導致細胞內環境失衡,細胞代謝失衡,甚至導致細胞死亡。

4.3 PFASs可使人體膽固醇水平變化

一組研究人員依據美國健康和營養考察的資料,探究了血液中膽固醇含量與四種普通PFASs(全氟辛酸、全氟壬酸、全氟辛磺酸和全氟己磺酸)之間的相關性[42]。研究發現,PFASs含量高的調查者體內的“壞膽固醇”(低密度脂蛋白膽固醇)含量明顯高于PFASs含量低的調查者。

該研究表明,PFASs使人體內的低密度脂蛋白膽固醇(Low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)含量增加,而“壞膽固醇”含量若高于正常水平常會引發冠心病等心腦血管疾病,若LDL-C含量超過推薦的安全閾值,多余的LDL-C會吸附在動脈壁上,逐步形成硬化斑塊,堵塞血管,減慢血流速度。對于肝功能不全的特殊人群,“壞膽固醇”含量長期偏高,將誘發脂肪肝等疾病。

5 食品中PFASs的研究進展及應對措施

5.1 改變飲食習慣

過去,研究者們發現大多數食物中含有PFASs,污染物主要是通過環境的大氣、土壤和水源進入食物鏈,由此在人體積累并產生潛在危害。近年來,研究者們意識到,食品包裝材料和一次性餐具等消費品中隱藏著大量PFASs化合物,這類產品與食物直接接觸,在高溫條件下遷移到食物表面,隨飲食進入人體[43]。經常在家就餐的人血液中所含的PFASs水平較低,而經常在外就餐的人,血清中的PFASs含量更高[44-45]。這些研究表示,餐廳的食物很有可能受到了PFASs的污染,而污染的來源可能是食品接觸材料,PFASs存在于食品接觸材料中,在使用過程中會殘留或轉移出一部分副反應產物或短鏈氟化物,經過與食品的接觸進入消化道,吸收利用后殘留在血液和組織器官中,危害人體健康。因此,要降低PFASs對機體的危害,首先應改變不健康的飲食習慣和不規律的生活方式。血液中合成化學物質的來源可能包括外賣食品包裝,包裝中的PFASs通過遷移進入食物,增加在家就餐的頻率,減少在外就餐的次數,可以降低PFASs的危害。

5.2 開發有益的生物活性成分及菌株

許多生物活性成分及菌株被證明對PFASs引起的相關疾病有減緩作用。多功能干酪乳桿菌對PFOA具有較好的吸附性,在發酵食品中使用可以緩解PFOA對人體造成的各種損傷,對于PFOA相關的各種潛在疾病也有減緩作用[46]。在生物活性成分枸杞多糖(Lycuim barbarum polysaccharides,LBP)的動物學實驗中發現,LBP對緩解由于PFASs引起的生殖毒性起作用,且效果最佳量為80 mg/kg[47]。新物質的開發可為預防PFASs引起的潛在疾病提供參考,減緩PFASs對人體的危害。

5.3 選擇適合的檢測方法,嚴格執行標準

盡管有近3000種PFASs,但美國環保局只對兩種物質進行了健康評級:PFOA和PFOS。對于其他類型的PFASs,世界各國還沒有統一標準和合適的檢測方法。當前已被用于檢測PFASs的方法有:固相萃取-超高效液相色譜-電噴霧串聯質譜法、液相萃取-高效液相色譜-串聯質譜聯用法、分散固相萃取結合高效液相色譜-串聯質譜法等,這些方法大多被用于檢測環境、動植物體內的PFASs含量[48-50]。在檢測奶類、蛋類食品中PFASs含量的研究中,通過優化色譜質譜條件,運用固相萃取結合高效液相色譜串聯質譜技術,目標物可以獲得較好的回收[51]。對于食品包裝材料中的PFASs,固相萃取-液相色譜-串聯質譜方便、快速,是較好的檢測方法,使用該檢測法檢測的16種PFASs具有良好的線性關系,相關性強[52]。

我國現行的國家標準使用液相色譜-串聯質譜法對食品接觸材料及制品中的PFOS和PFOA進行檢測,規定PFOS和PFOA的檢出限均為1.0 ng/g,定量限均為2.0 ng/g[53]。美國環保署發布的健康公告表示,水中PFOA和PFOS含量之和不應超過70 ng/L[54]。我國暫未制定水質方面的相關標準,但我國已對動物源性食品中的PFOA和PFOS出臺標準(檢出限分別為0.002和0.02 μg/kg,定量限分別為0.01和0.1 μg/kg)[55]。目前世界各國尚未制訂具體食品中的限量要求,加強各種產品,特別是食品包裝材料中PFASs的風險管理,嚴格標準,可減少PFASs的濫用。

5.4 尋找更合適的替代物

PFASs的危害主要表現在難降解和易積累,特別是長鏈PFASs,因此許多國家和地區開始限制長鏈PFASs的使用,并尋找新的替代品。目前已知的替代品主要分為三類:短鏈PFASs、碳氫雜型替代品、氧雜型替代品。這三類替代品由于官能團、碳鏈長短等結構不同,對人體蛋白質的結合能力、組織器官的毒性作用存在差異。化合物碳鏈越強,與蛋白質的結合能力越強,對生物體的危害越大。相比于典型的PFOA和PFOS,碳氫雜型替代品與蛋白質的的結合能力較弱,危害較小[56]。許多傳統的PFASs已經逐漸退出市場,新的替代品開始被廣泛使用,但尚未有足夠的研究表明這些替代品的危害更小、蓄積能力更弱。

6 展望

近年來國際上不斷加強對PFASs的管理,尤其是隨著外賣行業的快速發展,食品接觸材料的使用越來越頻繁,來自食品接觸材料和包裝中的污染進一步擴大了氟暴露程度。這些材料在生產和使用過程中,除了常見的PFOA和PFOS化合物發生遷移,許多的前體物質也會被釋放到環境中,其持久性、積累性、潛在性,使得暴露風險不斷加大。雖然許多研究顯示,目前環境和動植物體內的PFASs含量尚達不到致死劑量,每日PFASs攝入量低于歐盟設定的健康標準(PFOS:150 ng/kg/d,PFOA:1500 ng/kg/d)[57]。但是動植物體內的PFASs并非單一存在,而大多數研究都集中在單一化合物上,多種化合物同時存在的協同效應方面的研究亟待補充和進一步探討,PFASs的生物積累性,不可消解性,難以預估其潛在危害。另外當前研究多以動物為研究對象,外推至人的毒理學研究和風險仍需進一步探討,應切實展開相關健康風險評估。