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季銨類化合物是醫(yī)療、餐飲等行業(yè)在公共場所中廣泛使用的消毒劑,疫情更是加大了我們暴露在其中的頻率和時(shí)間。然而一些科學(xué)家發(fā)現(xiàn),一些生活在使用季銨鹽消毒的環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)動物,出現(xiàn)了令人擔(dān)憂的生育能力下降,它們的后代也有一部分存在神經(jīng)發(fā)育缺陷。盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)這種常用消毒劑和人類健康的直接聯(lián)系,但有學(xué)者認(rèn)為,是時(shí)候?qū)@種曾被認(rèn)為是“安全無害”的化合物提高警惕了。
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疫情中,工人給電影院消毒。圖片來源:路透社
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來源 C&EN(Chemical & Engineering News)
作者 XiaoZhi Lim
翻譯 賈楠
編輯 魏瀟
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乍看之下,這個(gè) 10 天大的小鼠胚胎看起來與其它胚胎沒有任何差別。不過,從顯微鏡觀察中,Terry Hrubec 發(fā)現(xiàn)了不對勁。胚胎的神經(jīng)管(會發(fā)育成小鼠的大腦和脊髓)存在微小的縫隙。它沒有完全關(guān)閉。
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這件事發(fā)生在 2009 年 1 月。作為美國弗吉尼亞理工大學(xué)(Virginia Tech University)和愛德華·維亞骨科學(xué)醫(yī)學(xué)院(Edward Via College of Osteopathic Medicine)的生殖與發(fā)育毒理學(xué)家, Hrubec 正在研究如何預(yù)防這種神經(jīng)管缺陷。她將一組懷孕小鼠暴露于會引起這種缺陷的藥物中,希望在它們的胚胎中看到這些缺陷。但是,這個(gè)缺陷胚胎卻來自她的對照組——健康的、且未暴露于藥物的小鼠。最后,Hrubec 在 10% 的對照組胚胎中發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)管缺陷。
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左圖為正常小鼠胚胎,右圖為神經(jīng)管發(fā)育缺陷胚胎。圖片來源:Birth Defects Res. | C&EN
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Hrubec 重復(fù)了實(shí)驗(yàn),以確保她沒有將實(shí)驗(yàn)組的孕鼠或胚胎混淆,但是結(jié)果依舊。這使她非常困惑,只能去找實(shí)驗(yàn)室的動物飼養(yǎng)員。
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答案依舊令人失望,這些實(shí)驗(yàn)鼠的來源沒有更換過,它們的飲食也沒有被改變,而且它們的食物和住所沒有受到病原體污染。
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最后, Hrubec 找到了學(xué)校動物實(shí)驗(yàn)設(shè)施的主管,詢問最近是否出現(xiàn)過任何變動。
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結(jié)果還真有:動物房使用了一種新的消毒劑。為了防止實(shí)驗(yàn)動物生病,動物護(hù)理人員通常會每周對地板、墻壁和架子進(jìn)行清潔,還會每天擦拭地板——他們一直用的是氯基消毒劑。但是在 2008 年秋季的某個(gè)時(shí)候,工作人員改用了含有烷基二甲基芐基氯化銨(ADBAC)和二癸基二甲基氯化銨(DDAC)的混合物。這些化合物屬于被稱做季銨類化合物或季銨鹽,在各類消費(fèi)品中都很常見。
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通過進(jìn)一步的研究, Hrubec 發(fā)現(xiàn)了 ADBAC 和 DDAC 與小鼠發(fā)育/生育問題的聯(lián)系。與此同時(shí),其他科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)季銨鹽會對細(xì)胞生命進(jìn)程產(chǎn)生負(fù)面影響?,F(xiàn)在,COVID-19 席卷全球,為了對抗疫情,醫(yī)院工作人員、學(xué)校門衛(wèi)、公共交通運(yùn)營者和業(yè)主都開始對建筑物進(jìn)行消毒。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)署(US Environmental Protection Agency)的建議,在可以有效對抗新冠病毒的消毒劑中,活性成分為季銨鹽的占一半。
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日常消費(fèi)品
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美國華盛頓大學(xué)的生物化學(xué)家 Libin Xu 對此非常擔(dān)憂。他補(bǔ)充說,公眾可能知道季銨鹽可以殺菌消毒,但 Xu 研究后發(fā)現(xiàn)季銨鹽還會破壞關(guān)鍵的細(xì)胞通路。
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到目前為止,研究人員尚未報(bào)告季銨鹽會對人體產(chǎn)生系統(tǒng)性毒性。但是,至少有一個(gè)監(jiān)管機(jī)構(gòu)希望了解更多有關(guān)這些化合物的信息。加利福尼亞州公共衛(wèi)生部于 7 月 17 日發(fā)布了針對學(xué)校的 COVID-19 指南,其中明確規(guī)定應(yīng)避免使用含有導(dǎo)致哮喘的化學(xué)物質(zhì)(包括季銨鹽)的消毒產(chǎn)品。衛(wèi)生部在給 C&EN 的聲明中說:“我們盡可能建議使用不含季銨鹽或其他有害化學(xué)物質(zhì)的消毒劑?!?/p>
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當(dāng)我們使用季銨鹽消毒劑來對抗冠狀病毒時(shí),它會帶來什么風(fēng)險(xiǎn)?
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強(qiáng)大的化合物家族
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季銨類化合物由數(shù)百種化合物組成,這些季銨鹽包含至少一個(gè)帶正電的氮原子,通常與四個(gè)烷基或芐基連接。1935 年,諾貝爾獎得主德國病理學(xué)家 Gerhard Domagk 發(fā)現(xiàn)了它們的殺菌性。Domagk 發(fā)現(xiàn),如果陽離子氮所帶的基團(tuán)中只要有一個(gè)是長鏈烷基,那么該化合物就可以殺死微生物。該分子的正電荷有助于其附著在細(xì)菌和病毒的帶負(fù)電荷的表面上。對于細(xì)菌來說,長烷基鏈會插入表面的脂質(zhì)膜,從而裂解細(xì)包膜,使內(nèi)部的物質(zhì)泄漏出去。對于病毒,季銨鹽則可以破壞它們包裹著遺傳物質(zhì)的蛋白質(zhì)和脂質(zhì)結(jié)構(gòu)。
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季銨鹽的這個(gè)特性被發(fā)現(xiàn)后不久,醫(yī)生們意識到具有 12 個(gè)碳原子烷基鏈的 ADBAC 可以在手術(shù)前對手和器械進(jìn)行滅菌,該化合物以 Zephirol(也叫苯扎氯銨)的名字進(jìn)入市場。到 了 1940 年,餐館和奶牛畜牧場也紛紛將季銨鹽應(yīng)用于相關(guān)設(shè)備的消毒中。
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而且,這類化合物的作用不止是消毒。ADBAC 的殺菌性使其成為木材處理和眼藥水中的有效防腐劑。另一種季銨鹽 1-16 烷基氯化吡啶鎓(CPC)則在漱口水、鼻噴霧劑和喉嚨含片中被當(dāng)做是殺菌的有效成分。還有一部分季銨鹽被用作農(nóng)藥,例如百草枯和敵草快。其他季銨鹽則成為了清潔劑和洗發(fā)劑中的表面活性劑性,還在石油和天然氣開采領(lǐng)域大放異彩。烘干紙和織物柔軟劑中也少不了它們——所攜帶的正電荷有助于防止衣物上的靜電積聚。根據(jù)兩個(gè)消費(fèi)品相關(guān)的公共數(shù)據(jù)庫,世界上成千上萬的家用產(chǎn)品中都可以找到季銨類化合物。據(jù)一項(xiàng)估計(jì), 2019 年季銨鹽的市場價(jià)值達(dá)到了 9.637 億美元。
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無處不在的季銨鹽。圖片來源:C&EN
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在 EPA 根據(jù) 1976 年頒布的《有毒物質(zhì)控制法》開始管制潛在有害化學(xué)物質(zhì)的生產(chǎn)和銷售之前,季銨鹽類化合物就進(jìn)入了市場。這讓季銨鹽被看作是市場上已經(jīng)出現(xiàn)的化學(xué)物質(zhì),可以繼續(xù)銷售而無需進(jìn)行安全性評估。而且,該類化合物已通過了廣泛的安全性測試。來自一家提供毒理學(xué)咨詢服務(wù)公司的專家 Keith Hostetler 稱, EPA 目前正在重新制定對于季銨類化合物的風(fēng)險(xiǎn)評估方案,并將于 2021 年發(fā)布以征詢公眾意見。
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累積證據(jù)
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在得知自己大學(xué)的動物設(shè)施改用季銨鹽消毒劑后,Hrubec 開始尋找有關(guān)該化合物毒性的數(shù)據(jù)。遺憾的是,她沒有找到任何有關(guān)季銨鹽的生殖毒性或發(fā)育毒性的研究,但《自然》(Nature)刊登的一篇 Q&A 讓她發(fā)現(xiàn),自己并不是唯一被這種化學(xué)物質(zhì)干擾到研究工作的人(Nature 2008,DOI:10.1038 / 453964a)。
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該文章詳細(xì)介紹了 Patricia Hunt 的經(jīng)歷。2005 年,Hunt 從不用季銨鹽給動物房消毒的凱斯西儲大學(xué)(Case Western Reserve University)醫(yī)學(xué)院轉(zhuǎn)到了使用季銨鹽的華盛頓州立大學(xué)(Washington State University)。她注意到,華盛頓州立大學(xué)的小鼠生育能力明顯下降,在一次寄生蟲爆發(fā)后,該設(shè)施使用季銨鹽消毒劑進(jìn)行霧化噴灑和清潔,這讓小鼠的生育力進(jìn)一步下降。
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與 Hunt 取得聯(lián)系后, Hrubec 檢查了自己的小鼠繁殖記錄,并意識到自從學(xué)校更換消毒劑以來,小鼠的生育能力也發(fā)生了下降。雖然 Hunt 當(dāng)時(shí)已經(jīng)停止了對季銨鹽毒性的研究,Hrubec 決定進(jìn)一步調(diào)查以了解這些常用化學(xué)物質(zhì)可能造成的風(fēng)險(xiǎn)。她說:“如果季銨鹽對小鼠有毒,那它很有可能在人類中也會引起問題?!?/p>
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Hrubec 收集了用特定劑量的 ADBAC 和 DDAC 喂養(yǎng)的小鼠和大鼠的繁殖數(shù)據(jù)。并且在2014 年與 Hunt 一起發(fā)表了最終結(jié)果:暴露于季銨鹽的動物生殖率比未暴露的動物更低(Reprod. Toxicol. 2014, DOI: 10.1016/j.reprotox.2014.07.071)。
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接下來, Hrubec 將小鼠轉(zhuǎn)移到了不使用季銨鹽消毒劑的設(shè)施中,子代動物的神經(jīng)管發(fā)育缺陷隨之消失。她跟蹤研究了這些缺陷,發(fā)現(xiàn)即使母親沒有暴露在季銨鹽下而只有父親暴露時(shí),胚胎依然會出現(xiàn)神經(jīng)管缺陷(Birth Defects Res.2017,DOI:10.1002 / bdr2.1064)。
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在關(guān)于生殖能力的第二項(xiàng)研究中,Hrubec 比較了生活在季銨鹽消毒設(shè)施和生活在沒有季銨鹽環(huán)境中的雄性小鼠的精子質(zhì)量(Reprod.Toxicol.2016 DOI:10.1016 / j.reprotox.2015.10.006)。Hrubec說,這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)7铝巳藗冊诩句@鹽消毒環(huán)境下的日常暴露。她發(fā)現(xiàn),居住在使用季銨鹽消毒環(huán)境中的雄性小鼠的精子數(shù)量降低了約25%,精子運(yùn)動性降低了10%。
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但是 Hrubec 的研究受到了Hostetler 的質(zhì)疑。后者認(rèn)為該研究給小鼠喂食的季銨鹽劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類日常所接觸的劑量,并且在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中使用了無法量化的環(huán)境暴露形式。他還指出,EPA 曾根據(jù) 1989 - 1992 年進(jìn)行的六項(xiàng)對大鼠和兔子的研究,評估了 ADBAC 和 DDAC 的生殖和發(fā)育安全性。在這些研究中,未發(fā)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)動物的胎兒或母體有毒。
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東卡羅萊納大學(xué)(East Carolina University)的毒理學(xué)家 Jamie DeWitt 同意 Hostetler 的觀點(diǎn)。DeWitt 認(rèn)為,真實(shí)評估特定化學(xué)物質(zhì)對人類健康的危害很有必要,并且應(yīng)該在研究中使用與人類實(shí)際接觸的劑量相似的劑量范圍,同時(shí)選擇人類可能會經(jīng)歷的暴露模式。她補(bǔ)充說,但這并不代表 Hrubec 的研究無效:“這是一個(gè)很好的嘗試?!彼赋?, Hrubec 和 Hunt 關(guān)于季銨鹽的研究經(jīng)驗(yàn)反映了人們首次發(fā)現(xiàn)一種破壞內(nèi)分泌的化學(xué)物質(zhì)的過程?!拔艺J(rèn)為這些論文在開始識別與季銨鹽化合物相關(guān)的危害方面做得非常好?!?/p>
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獲得盟友
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在 Hrubec 于 2014 年第一次發(fā)表關(guān)于季銨鹽毒性的研究后,有兩名研究人員與她取得了聯(lián)系并開始合作。他們在這之前也有自己關(guān)于季銨鹽(毒性)的研究。
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加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校(University of California, Davis)的毒理學(xué)家 Gino Cortopassi 一直在研究涉及細(xì)胞的能量工廠——線粒體的疾病。線粒體功能障礙會導(dǎo)致過度疲勞,并且會造成衰老和大多數(shù)慢性疾病。從 2010 年左右開始,Cortopassi 和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一項(xiàng)大規(guī)模的高通量篩選活動,以尋找可以增強(qiáng)線粒體功能并作為此類疾病的新治療手段的化合物。他們對 MicroSource 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)(MicroSource Discovery Systems)的 Pharmakon 庫中的 1600 種化合物進(jìn)行了五項(xiàng)細(xì)胞測試,以觀察這些化合物對線粒體健康的各種指標(biāo)有什么影響,例如耗氧量和三磷酸腺苷(該分子可用于存儲能量)的合成。
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研究人員發(fā)現(xiàn)有 11 種化合物可以減緩這兩個(gè)過程。其中 6 個(gè)是季銨鹽,包括 ADBAC 和CPC(Environ. Health Perspect. 2017,DOI:10.1289 / EHP1404)。到 2015 年,該小組完成了數(shù)據(jù)收集工作后,認(rèn)為季銨鹽化合物是該庫中抑制線粒體功能效果最強(qiáng)的化合物。
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三種常見季銨鹽的分子式。圖片來源:C&EN
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與同時(shí),華盛頓大學(xué)的 Xu 偶然發(fā)現(xiàn)了一種不同的季銨鹽毒性模式。自從開始博士后生涯以來, Xu 就一直在研究一種名為 Smith-Lemli-Opitz 綜合征的疾病。這種罕見的疾病與嚴(yán)重的神經(jīng)功能障礙有關(guān),是由編碼 DHCR7 酶的基因突變引起的,該酶介導(dǎo)了膽固醇生物合成的最終反應(yīng)。膽固醇是神經(jīng)元膜和髓鞘的關(guān)鍵成分,后者是產(chǎn)生電活動的神經(jīng)細(xì)胞周圍的絕緣性包裹物。
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Xu 想找出諸如環(huán)境化學(xué)物質(zhì)之類的非遺傳因素是否也可以在 Smith-Lemli-Opitz 綜合癥中起作用。他對可能抑制 DHCR7 并可能導(dǎo)致類似上述疾病的化學(xué)候選物進(jìn)行了計(jì)算搜索。
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Xu 發(fā)現(xiàn) ADBAC 與 DHCR7 的抑制劑 AY9944 在結(jié)構(gòu)上相似度為 72.9%(Toxicol. Sci. 2016, DOI: 10.1093/toxsci/kfw041)。接下來, Xu 觀察了膽固醇的前體——7-脫氫膽固醇在細(xì)胞內(nèi)的累積情況,來以此確認(rèn) ADBAC 抑制 DHCR7 的能力。由于大腦會自行產(chǎn)生所需的膽固醇,因此 Xu 后來檢查了食物中的 ADBAC 是否可以擴(kuò)散到大腦并抑制膽固醇的生物合成。他將帶有氘(一種氫的同位素)標(biāo)記的 ADBAC 添加到懷孕小鼠的食物中,隨后在新生小鼠的腦組織中發(fā)現(xiàn)了該化合物,并且這些小鼠的總膽固醇水平也降低了(Toxicol. Sci. 2019, DOI: 10.1093/toxsci/kfz139)。
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Cortopassi 和 Xu 的發(fā)現(xiàn)都可以幫助解釋 Hrubec 在其小鼠生育力研究中觀察到的現(xiàn)象。Cortopassi 的博士后 Sandipan Datta 解釋說,“精子高度依賴線粒體”來產(chǎn)生游動所需的能量。他和 Cortopassi 認(rèn)為,季銨鹽可能會破壞線粒體功能,從而導(dǎo)致 Hrubec 實(shí)驗(yàn)中的雄性小鼠的生育力下降。由于所有類固醇激素(例如睪酮和雌激素)均來源于膽固醇,因此,四舍五入季銨鹽也可能破壞動物體內(nèi)的激素信號傳導(dǎo)。
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這些研究表明,季銨鹽有可能在細(xì)胞水平上擾亂正常的生理過程。她說,科學(xué)家現(xiàn)在需要探究這些作用是否會改變器官的功能。
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人體暴露
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到目前為止,Hrubec、Xu 和 Cortopassi 尚未將他們在細(xì)胞和動物中的發(fā)現(xiàn)與人體中處于這些現(xiàn)象下游的健康效應(yīng)聯(lián)系起來。
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與對 Hrubec 的研究所持的態(tài)度一樣,Hostetler 認(rèn)為 Cortopassi 和 Xu 的發(fā)現(xiàn)與人類健康無關(guān),因?yàn)樗麄儨y試了人類通常接觸不到的高劑量季銨鹽。由于季銨鹽對微生物非常有效,因此(日常生活中)通常以低濃度配制,約占溶液質(zhì)量的 0.1% ,Hostetler 說。他認(rèn)為,細(xì)胞中的季銨鹽化合物濃度不會達(dá)到 Cortopassi 在線粒體研究中使用的水平。工業(yè)界進(jìn)行的動物研究并未觀察到膽固醇生物合成受抑制所造成的對健康的后續(xù)影響。
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相反, Hostetler 說,人們應(yīng)該更加關(guān)注季銨鹽的刺激性。在日常使用濃縮消毒液的門衛(wèi)或護(hù)士等職業(yè)人群中,與使用季銨鹽有關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)已得到充分證實(shí),其中包括皮膚刺激、皮膚過敏和職業(yè)性哮喘。
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Hostetler 說,最小化這些負(fù)面影響的關(guān)鍵是按照指導(dǎo)意見使用季銨鹽消毒劑。他指出,這些化合物在皮膚表面造成的危害是最大的,但只有約 10% 被人體吸收。他說,如果它們進(jìn)入血液,就會被“迅速清除”?!坝捎谒鼈兾盏貌皇翘貏e好,所以不會造成全身的毒性風(fēng)險(xiǎn)?!彼€補(bǔ)充說,由于它們的分子量較大,因此也不易揮發(fā),很難被人體吸入。他認(rèn)為:“我們應(yīng)該更加關(guān)注控制致病生物的生長?!?/p>
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但是一些科學(xué)家已經(jīng)開始質(zhì)疑這些有關(guān)季銨鹽的假設(shè),其中就包括了究竟會有多大量的季銨鹽可以進(jìn)入人體。加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的代謝組學(xué)研究人員 Oliver Fiehn 及其實(shí)驗(yàn)室每年會處理來自人類和動物研究的 30,000 份血液、組織和尿液樣本。他們對樣品中所含化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行了全譜分析,為希望鑒定重要代謝產(chǎn)物或環(huán)境化學(xué)物質(zhì)的其他實(shí)驗(yàn)室提供了支持。他們在 10-20% 的樣本中發(fā)現(xiàn) 5-10 種不同的季銨鹽。但是,這些樣本全部來自其他實(shí)驗(yàn)室,因此 Fiehn 無法排除實(shí)驗(yàn)室污染的可能性。
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季銨鹽的廣泛使用,再加上它們在人體樣品中出現(xiàn)的觀察結(jié)果以及對動物和細(xì)胞潛在毒性的發(fā)現(xiàn),促使一些研究人員進(jìn)一步審查這些化學(xué)物質(zhì)。3 月 4 日,在聽取了 Hrubec 和 Xu 的陳述以及 Hostetler 的反對之后,由 9 名科學(xué)家組成的小組一致投票通過,將季銨鹽納入加州生物監(jiān)測計(jì)劃。加利福尼亞州于 2006 年制定了該計(jì)劃,以減少加利福尼亞人接觸有害化學(xué)物質(zhì)的機(jī)會。通過該計(jì)劃,加利福尼亞公共衛(wèi)生部可以收集進(jìn)入名單的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)的有關(guān)數(shù)據(jù),包括測量居民體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的水平,跟蹤接觸源以及調(diào)查不同人群之間接觸的變化情況。該計(jì)劃中的化學(xué)物質(zhì)包括鉛、砷、鄰苯二甲酸酯以及全氟和多氟烷基物質(zhì)(PFAS)。
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Hrubec、Cortopassi 和 Xu 也一起開始了一項(xiàng)小型的生物監(jiān)測試點(diǎn)研究,以評估人們體內(nèi)的季銨鹽水平并尋找任何相關(guān)影響。Xu 說,“我認(rèn)為現(xiàn)在迫切需要填補(bǔ)這些知識方面的空白?!?/p>
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Hrubec 從弗吉尼亞理工大學(xué)校園所在的弗吉尼亞州布萊克斯堡募了一批志愿者,并從每個(gè)人的身上收集了三份血液樣本。她將其中一份郵寄給了 Cortopassi ,另一份郵寄給了 Xu 。Xu 分析了血液中的季銨鹽水平和膽固醇生物標(biāo)志物,Cortopassi 評估了線粒體功能,Hrubec 自己尋找炎癥反應(yīng)的生物標(biāo)記。他們發(fā)現(xiàn),80% 的參與者血液中都含有季銨鹽。血液中季銨鹽含量較高的的人,線粒體功能較低、炎癥生物標(biāo)志物較高(medRxiv 2020, DOI: 10.1101/2020.07.15.20154963)。該預(yù)印本目前正在同行評審中。
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同時(shí),一個(gè)重大的研究問題仍然存在:季銨鹽是如何進(jìn)入人體的?Cortopassi 和 Datta 認(rèn)為,噴灑消毒劑時(shí)吸入了小液滴可能是最重要的吸收途徑。
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對于 Hrubec、Xu 和 Cortopassi 而言, COVID-19 提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會來研究疫情對布萊克斯堡人群中的季銨鹽水平的影響,并尋找任何有關(guān)跡象。但是目前,這些科學(xué)家所在的大學(xué)已經(jīng)暫停了所有與人類有關(guān)的研究。Hrubec 說:“目前,我們無法監(jiān)測所有事情。但是我們確定一旦禁令解除,就會馬上開始下一步研究?!?/p>
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原文鏈接:
https://cen.acs.org/safety/consumer-safety/know-enough-safety-quat-disinfectants/98/i30
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