溴系阻燃剂是世界消费量最大的一类有机阻燃剂，其阻燃效果具有无可争议的优越性。目前生产的溴系阻燃剂约有70多种，其中最重要的是多溴联苯醚（polybrominated diphenyl ethers，PBDEs）。然而研究表明，PBDEs具有内分泌干扰作用和生殖系统、发育神经等毒性^[1]以及持久性和蓄积性，具有明显的持久性有机污染物（persistent organic pollutants，POPs）特性，对环境和职业人群构成巨大的危害。2009年5月斯德哥尔摩公约认定五溴和八溴联苯醚为POPs物质。欧盟2015年修订的《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》，对电子电器产品中的PBDEs含量进行了严格的限制，要求PBDEs的含量不得超过0.1%^[2]。我国也做了相同规定^[3]。

我国是PBDEs生产、使用和拆解大国^[4]。生产环境中PBDEs污染对从业者已经产生了明显的健康危害，尤其是电子垃圾拆解厂是PBDEs污染的重灾区。孙刚涛等^[1]对生产环境中的多溴联苯醚的水平与健康危害进行了全面的综述，文中指出广东省贵屿镇的电子垃圾拆解工人体内七溴~十溴联苯醚的暴露水平为对照组的11~20倍，工人体内十溴联苯醚（BDE-209）的最高含量达到3 100 ng/g。随着人们对PBDEs的认识不断深入及国际社会的限制使用，对我国企业造成了极大的冲击。研发新的潜在替代品成为企业产品更新换代和产业升级的当务之急。其中无卤素的有机磷杂环化合物是一类重要的替代物，例如10（-2，5-二羟基苯基）-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO-HQ）就是典型代表。

9，10-二氢-9-氧-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO）及其衍生物属有机磷杂环化合物^[5]，近年来被广泛应用于聚酰胺、聚碳酸酯和环氧树脂等高分子材料的阻燃^[6]，以DOPO和对苯醌为原料合成的DOPO-HQ，具有很好的阻燃性能和热稳定性^[7]。作为PBDEs的潜在替代品，它在环境中的持久性是首先要关注的。因为持久性这个前提的存在，后续的生物蓄积性和毒性才能产生极大的环境安全及人群健康隐患。因此，持久性被列为POPs替代品评估中的优先评估特性。

化学品在环境中的持久性主要取决于其水解性和降解性，这对化学品在环境中迁移、转换和削减过程研究具有十分重要意义。欧盟建立REACH化学品监管体系，对于化学品的POPs特性评估，其技术体系主要依赖于经济合作与发展组织（OECD）的技术指南，为化学品提供统一、有效的评估技术手段。

本研究以欧盟REACH化学品监管体系的持久性评估方法为基础，以OECD化学品测试导则为依托，在良好实验室规范（good laboratory practice，GLP）质量保证体系下，对DOPO-HQ在环境中的降解性（非生物降解性和生物降解性）进行研究，并与PBDEs进行比较，进而对其持久性进行评估。

1.   材料与方法

1.1   仪器和试剂

高效液相色谱仪（HPLC）（Thermo，美国），AL204天平（MettlerToledo，瑞士），A10纯水器（MilliQ，德国），HZS-HA水浴振荡器（一恒，中国），HVE-50高压灭菌锅（Hirayama，日本），CIMO QHX-400BS-Ⅲ恒温霉菌培养箱（Echo therm，美国），xiTop 110C生化需氧量呼吸计（WTW，德国），MJ-250I霉菌培养箱（一恒，中国）。

醋酸铵（分析纯，Sigma，美国）；甲醇（HPLC级，Sigma，美国）；纯水（由MilliQ A10纯水机制备）；邻苯二甲酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、二水合磷酸氢二钠、氯化铵、氯化钙、七水合硫酸镁、六水合氯化铁、苯甲酸钠、盐酸、氢氧化钠均为分析纯，购自上海国药集团；硼酸（分析纯，上海凌锋化学试剂公司）。DOPO-HQ（纯度≥ 95%）由中国阻燃剂协会提供。

1.2   实验材料

参照OECD111^[8]、OECD301F^[9]和OECD302C^[10]制备缓冲溶液和2种矿质培养基，另行制备2种生物降解接种物。

1.2.1   缓冲溶液0.05mol/L苯二甲酸氢钾，用1.0mol/L

盐酸调至pH4.0；0.05 mol/L磷酸二氢钾，用1.0 mol/L氢氧化钾调至pH7.0；0.05 mol/L硼酸，用1.0 mol/L氢氧化钾调至pH9.0。配制好的缓冲溶液经高压灭菌。

1.2.2   快速生物降解矿质培养基分别配制储备液a、

b、c、d，其中：储备液a中含4种成分（磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、二水合磷酸氢二钠和氯化铵），其质量浓度（以下简称浓度）分别为8.50、21.75、33.40、0.50g/L；储备液b为22.75 g/L氯化钙；储备液c为22.50 g/L七水合硫酸镁；储备液d为0.25 g/L六水合氯化铁。取储备液a 10mL和储备液b、c、d各1 mL，用纯水稀释至1 L，即为快速生物降解矿质培养基。

1.2.3   固有生物降解矿质培养基固有生物降解培养

基成分与快速生物降解矿质培养基的成分相同，但个别组分的浓度不同。其中：储备液a中二水合磷酸氢二钠和氯化铵浓度分别为8.50、21.75、44.60、1.70 g/L；储备液b为27.50 g/L氯化钙；其余组分浓度相同。取储备液a、b、c、d各3 mL，用纯水稀释至1 L，即为固有生物降解矿质培养基。

1.2.4   快速生物降解接种物活性污泥于试验当天采

自上海江桥污水处理厂。使用前，保持污泥处于曝气状态。采用快速生物降解矿质培养基（见“1.2.2”）清洗污泥，加入快速生物降解矿质培养基混匀后，4℃条件下2 204×g离心30 min后，去除上清液，重复上述操作3次。取少量（约0.4 g）洗过的活性污泥，用水份仪（测定条件为105℃、1 h）测定污泥干重。用快速生物降解矿质培养基配制活性污泥浓度为2 g/L的悬浮液，混匀后搅拌曝气，即为快速生物降解接种物。

1.2.5   固有生物降解接种物分别采集上海苏州河、

长江口、川杨河及淀山湖的水样，江桥、石洞口及中法水务污水处理厂的活性污泥，青浦农用、园林及湿地的土样等10个位点的混合物污泥。将水样和污泥混合，去除漂浮颗粒及杂质后，置于自制反应器中，（25±2）℃、通气、搅拌条件下人工驯养1个月，维持pH（7.0±1.0）。每日去除1/3上清液，并补充添加合成污水。污泥使用前，采用固有生物降解矿质培养基（见“1.2.3”）清洗污泥，清洗及测定干重（过程同“1.2.4”）。用固有生物降解矿质培养基配制干重浓度为2 g/L的混合接种物悬浮液，混匀后搅拌曝气，即为固有生物降解接种物。

1.3   试验方法

1.3.1   水解性

根据OECD 111^[8]方法进行水解测试。称取0.010 2、0.010 1、0.010 2 g DOPO-HQ，分别溶于250 mL pH4.0、7.0、9.0的缓冲溶液中，搅拌30 min，过滤后置于棕色瓶中，氮气曝气5 min，避光放置于20℃、35℃和50℃的培养箱中（35℃条件下设2个平行）。取样分析DOPO-HQ的初始浓度，并在不同的时间间隔内取样，分析样品浓度，考察DOPO-HQ的水解性。

1.3.2   快速生物降解DOPO-HQ的快速生物降解能力

通过OECD 301F^[9]方法进行评估。采用快速生物降解矿质培养基稀释2 g/L的活性污泥悬浮液，得到污泥悬浮液的浓度为30 mg/L试验介质。通过直接添加样品粉末的方式，配制浓度为48.08 mg/L和48.04 mg/L的DOPO-HQ受试溶液，其理论耗氧量（theoretical oxygen demand，ThOD）分别相当于97.12 mg/L和97.04 mg/L，各设2个平行。同时设置空白对照和100 mg/L苯甲酸钠参比样品，也各设2个平行。另设1个含48.11 mg/L DOPO-HQ和100 mg/L苯甲酸钠的毒性对照。样品置于（22±1）℃培养箱中暗培养28 d。在磁力搅拌条件下，通过生化需氧量呼吸计测试各试验组的累积生化需氧量。

1.3.3   固有生物降解DOPO-HQ的固有生物降解能力

通过OECD 302C^[10]方法进行评估。采用固有生物降解矿质培养基稀释2 g/L的活性污泥悬浮液，得到污泥悬浮液的浓度为100 mg/L试验介质。通过直接添加样品粉末的方式，配制30 mg/L（ThOD相当于60.6 mg/L）的DOPO-HQ受试溶液，3个平行。同时设置空白对照，100 mg/L苯甲酸钠参比样品，各设置2个平行。同时增设1个含30 mg/L DOPO-HQ和100 mg/L苯甲酸钠的毒性对照和仅含30 mg/L DOPO-HQ及灭菌纯水的非生物对照组。置于（25±1）℃培养箱中暗培养28 d。温度维持在24.2~25.6℃连续培养，试验体系pH介于6.87~8.10之间。在磁力搅拌条件下，通过生化需氧量呼吸计测试各试验组的累积生化需氧量。0d和28d试验结束时，利用HPLC分别对各试验组样品进行浓度分析。

1.3.4   化学分析

水解试验和固有生物降解试验中，采用液相色谱对样品的浓度进行分析。分析条件如下：流动相，乙腈:水=67:33（体积比）；柱温，40℃；流速，1.0mL/min；进样量，25μL；扫描波长，270nm。测试过程中通过加标样品进行质量控制。

2.   结果

2.1   水解性

通过对pH4.0、7.0和9.0的缓冲体系分别进行加标回收率和精密度验证，结果表明在3种体系中的回收率分别为99.6%、95.6%和105%，精密度相对标准偏差（RSD）均小于5%。

在pH7.0和9.0的缓冲体系中，3个温度，即20℃、35℃（2个平行样）和50℃下，2 h后DOPO-HQ浓度均低于方法定量限（0.08 mg/L），表明DOPO-HQ在以上条件下均发生快速水解；在pH4.0的缓冲体系中，不同温度下DOPO-HQ呈现出不同的水解速率。观察DOPO-HQ初始浓度与不同时间点浓度比值的自然对数[ln（C0/Ct）]变化情况（图 1），可以看出：随温度升高，水解速率加快。水解方程分别为ŷ=0.000 8x-0.076 7（20℃），ŷ=0.003 5x-0.000 073 9（35℃，样品1），ŷ=0.003 4x-0.017 4（35℃，样品2）和ŷ=0.014 7x-0.034 7（50℃），线性相关系数分别为0.966 5、0.994 6、0.995 4和0.995 9。这表明DOPO-HQ水解呈一级动力学，具有良好的线性关系。通过水解方程斜率计算DOPO-HQ在20℃、35℃（样品1，样品2）和50℃时的半衰期分别为866、198、204、47.2 h。35℃条件下平行试验具有良好的重复性，半衰期平均值为201 h。

图  1 

不同温度下 DOPO-HQ在 pH4.0缓冲体系中的水解曲线

Figure  1.  Hydrolysis curve of DOPO-HQ in buffer system with pH4.0

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2.2   生物降解性

2.2.1   快速生物降解性

快速生物降解试验中，通过生化需氧量计算生物降解性。图 2分别给出了各试验组的累积生化需氧量曲线和快速生物降解曲线。根据累积生化需氧量计算生物降解率，参比样品第14天的生物降解率分别为74.4%和72.6%，平均值为73.5%；第28天的生物降解率分别为75.7%和77.5%，平均值为76.6%。同时，空白对照组的累积生化需氧量分别为43.5 mg/L和41.8 mg/L，平均值为42.7 mg/L；这表明，试验体系中快速生物降解接种物活性正常（生化需氧量 < 60 mg/L为活性正常）。毒性对照组第14天的生物降解率为47.1%；这表明DOPO-HQ在试验浓度下对微生物没有抑制作用（降解率 < 25%为有抑制作用），试验结果满足OECD 301F所有质控要求。DOPO-HQ在28 d内生物降解率分别为3.96%和8.30%，平均降解率为6.13%，不具有快速生物降解性（降解率>60%为有快速生物降解性）。

图  2 

DOPO-HQ的累积生化需氧量消耗曲线（A）及快速生物降解曲线（B）

［注］BLK1/2： 空白对照组； TS1/2： 样品组； PC1/2： 参比样品组； TC： 毒性对照组。

Figure  2.  Curves of biochemical oxygen demand（A） and ready biodegradation（B）of DOPO-HQ

［Note］BLK1/2： blank control group； TS1/2： sample group； PC1/2： reference group； TC： toxicity control group.

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2.2.2   固有生物降解性由于样品不具有快速生物降

解性，因而进一步评估其固有生物降解性。28 d的固有生物降解试验中，以累积生化需氧量计算各试验组的降解率，累积生化需氧量曲线及固有生物降解曲线见图 3。累积生化需氧量曲线显示，非生物对照组中样品生化需氧量基本为0。3个平行的样品组28 d内累计生化需氧量分别为120、123、116 mg/L。参比样品在试验第7天及第14天的平均降解率分别为75.2%和79.3%。这表明，降解试验体系中固有生物降解接种物活性正常（降解率第7天>40%，第14天>65%为活性正常）。毒性对照组第14天的降解率为53.3%，DOPOHQ在受试浓度下对接种物无明显毒性抑制作用（降解率 < 25%为有抑制作用）。试验结果满足OECD 302C所有质控要求。

图  3 

DOPO-HQ的累积生化需氧量消耗曲线（A）及 固有生物降解曲线（B）

［注］BLK1/2： 空白对照组； TS1/2/3： 样品组； PC1/2： 参比样品组； TC： 毒性对照组； AC： 非生物对照组。

Figure  3.  Curves of biochemical oxygen demand（A） and inherent biodegradation（B）of DOPO-HQ

［Note］BLK1/2： blank control group； TS1/2/3： sample group； PC1/2： reference group； TC： toxicity control group； AC： nonbiological control group.

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根据累积生化需氧量计算生物降解率，DOPO-HQ在28d内的生物降解率分别为13.2%、18.2%和6.60%，平均生物降解率为12.7%，未达到最终生物降解判定60%的标准。化学分析结果显示，28d后样品及非生物对照组中DOPO-HQ残留量分别为2.72mg/L和7.34mg/L；样品组DOPO-HQ平均残留率仅为8.80%，非生物对照根据累积生化需氧量计算生物降解率，DOPO-HQ在28d内的生物降解率分别为13.2%、18.2%和6.60%，平均生物降解率为12.7%，未达到最终生物降解判定60%的标准。化学分析结果显示，28d后样品及非生物对照组中DOPO-HQ残留量分别为2.72mg/L和7.34mg/L；样品组DOPO-HQ平均残留率仅为8.80%，非生物对照组DOPO-HQ残留率为24.5%。测试过程中，加标质控样品回收率为93.6%。

3.   讨论

根据欧盟化学品风险评价导则，化学品在海水中半衰期大于60 d，在淡水中半衰期大于40 d，具有持久性^[11]。DOPO-HQ水解结果表明，在中性和碱性条件下，无论是20℃、35℃还是50℃，半衰期均小于2 h，极易水解，不具有持久性。但DOPO-HQ在酸性环境中，常温下具有一定的持久性，并未达到POPs持久性标准^[11]；温度升至35℃，DOPO-HQ水解速度明显增加；当温度升至50℃，其半衰期仅为47 h。以上结果表明，DOPO-HQ在常见的中性环境条件下，具有快速水解能力，不具有持久性。

快速生物降解主要用于评估化学品排放到环境后，能否快速被环境中的微生物降解，采用当天采集的生活污水作为单一来源的微生物。累积生化需氧曲线（图 2A）显示，样品与空白对照组的生化需氧量基本一致；说明整个试验过程中，样品基本不消耗氧气，不发生降解。参比样品与毒性对照组的生化需氧曲线非常接近，表明样品不消耗氧气且对微生物无毒性抑制作用。从降解率曲线（图 2B）上可以看出，DOPO-HQ在28 d内一直基本保持稳定（降解率小于10%），28 d时的降解率仅为6.13%，不具有快速生物降解性。一旦排放在环境中，DOPO-HQ不会被环境中微生物快速降解。

固有生物降解用于评估化学品排放到环境中，经过一定的时间后，是否具备最终生物降解性。与DOPO-HQ快速生物降解率比较，采用多位点采集并经过驯养的接种物，固有生物降解率稍有增加。在试验前20 d表现为污泥的适应期，未显示出降解性；20 d后的降解率呈明显上升趋势，28 d时3个平行样品的降解率分别为13.2%、18.2%和6.60%，平均生物降解率为12.7%，但未达到初步固有生物降解20%的标准。考虑到前期的适应期和后期的降解率趋势，认为DOPO-HQ可能具有缓慢的固有生物降解能力。但化学分析结果表明，28 d后DOPO-HQ残留率不到10%，这表明DOPO-HQ发生了初级降解，与水解结果具有较好的吻合性。参照热稳定性研究结果，推测降解产物可能为DOPO（C₁₂H₉O₂P）^[12]和9-氢-9-氧-10羟基-10-磷杂菲-10-氧化物（DOPO-OH，C₁₂H₉O₃P）^[13]等。同时，比较样品组（含微生物）及非生物样品组（不含微生物）的残留量率，发现含有微生物的样品组的母体残留率低于仅发生非生物降解（水解）的非生物样品组，这表明微生物的作用有助于DOPO-HQ的初级降解。同时，根据水解结果可知，样品在中性常温条件下，具有快速水解性。固有降解结果表明，28 d后样品仍有一定的残留，这主要是因为DOPO-HQ难溶于水。对于降解试验，采用固体粉末直接添加方式制备试验体系；而对于水解试验，样品是经过超声过滤后制备得到的水溶液作为试验体系。这表明，固体DOPO-HQ样品在降解体系中是一个缓慢溶解的过程，溶解后的DOPO-HQ发生了初级生物降解。

欧盟对八溴二苯醚（octaBDE）、五溴二苯醚（pentaBDE）或十溴二苯醚（decaBDE）等典型的PBDEs进行了详细的风险评估，结果表明它们均不具有水解性^[14-16]，也不具有生物降解性。例如，采用密闭瓶法（OECD 301D），28 d测试期间未发现octaBDE被生物降解^[14]；pentaBDE在CO2产生试验（OECD 301B）测试期间，第29天未见降解^[15]；采用改进的MITII法，研究decaBDE的需氧条件下的生物降解情况，结果显示decaBDE不具有生物降解性^[16]。由此可见，PBDEs是一类性质稳定的化学物。而与之相比，DOPO-HQ在环境中易发生水解和初级生物降解，并且可能具有缓慢的固有生物降解能力，较被替代品PBDEs的持久性明显减弱，具有较好的替代前景。DOPO-HQ的环境稳定性研究结果也为后续的职业场所暴露评估和危险度评估提供了关键的基础信息。