全 文 ：第 3期
咪唑类ILs对天然水体中斜生栅藻的毒性效应
李俊峰， 胡翔 *， 李春喜
（北京化工大学化学工程学院，北京 100029）
摘 要：以生物监测方法，利用国际标准指示性生物斜生栅藻研究了六种咪唑类离子液体的毒性效应，得出了这几种离子液体对自然水
体中斜生栅藻 96h的半数影响浓度，并初步讨论了待测物的结构和性质对毒性效应的影响。实验结果表明：当固定一取代基为甲基时，咪唑
类离子液体对斜生栅藻的抑制作用随着另一烷基取代链长度的增加而加强；而当固定阳离子不变时，发现阴离子所表现出来的对斜生栅藻
的抑制作用并不是很明显。
关键词：斜生栅藻； 咪唑类离子液体； 毒性效应； EC50
中图分类号：X171.5 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2010.03.009 文章编号：1003-6504(2009)03-0037-04
Toxic Effect of Imidazolium-based Ionic Liquids on Scenedesmus
obliquus in Natural Water Bodies
LI Jun-feng， HU Xiang*， LI Chun-xi
（College of Chemical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China）
Abstract：Scenedesmus obliquus，the international standard indicator organism，is used to study acute toxic effects of six
imidazolium-based ionic liquids by means of biological monitoring method，resulting in EC50 values at 96h of these ionic
liquids on Scenedesmus obliques in natural waters respectively. Experimental results indicate that the toxic effects aggravate
with increase of length of the other alkyl chain when one alkyl chain is kept as methyl；on the other hand，toxic effect of anion
on the algae is almost negligible when the cation remains unchanged.
Key words：Scenedesmus obliques；imidazolium-based ionic liquids；toxic effect；EC50
离子液体（Ionic liquids，ILs），又称室温离子液体
（Room temperature ionic liquids，RTIL），是指在室温
或使用温度下完全由阴阳离子组成的液态盐。离子液
体一般是由较大的有机阳离子和较小无机阴离子组
成。当前研究的离子液体的阳离子主要有 4类，分别
是：烷基季铵离子、烷基季磷离子、二烷基取代的咪唑
离子或称 N，N-二烷基取代的咪唑离子，简记为
［R1R3im］+，和 N-烷基取代的吡啶离子记为［RPy］+，本
文所研究的是以二烷基取代的咪唑离子为阳离子的
ILs，通常称之为咪唑类离子液体。Jastorff等[1]指出，离
子液体的毒性主要有官能团，链长和无机阴离子三部
分影响。本文主要从后两个方面进行了研究。
离子液体因具备比较独特的物化性质而在工业
上得以广泛应用。与传统的有机溶剂相比，ILs蒸汽压
低，不挥发，不会因逃逸损失而导致污染，所以被喻为
“绿色”溶剂。事实表明，“绿色溶剂”的“绿”是很片面
的，仅仅局限于不污染大气环境而已。有文献指出[2]，
目前所制备的离子液体在设计应用方面存在一定的
危害，尤其对水生生物毒性影响比某些有机物还要
强。有关资料表明很多离子液体是难于生物降解的。
考虑到它们较好的稳定性，是不容易用传统的方法进
行去除的，因此它们很有可能成为一种新的持久性污
染物质而长期存在于水体中污染环境。
咪唑离子液体做为室温离子液体中的一个大类，
除了具备室温离子液体所有的性质之外，其独特的理
化性质，使其在有机化学、电化学和分离过程显示了
良好的应用前景，引起了研究者们的广泛关注。
目前，有关咪唑类离子液体对水生生物的毒性影
响的国内外报道还比较少。故在其大规模工业合成和
应用之前，找出其对水生生物产生毒性的因素和致毒
机理是很有必要的。这不仅有利于了解离子液体产生
危害的原因，还可以为离子液体的制备给予指导，以
便于离子液体的合成与应用朝着更“绿色”的方向发
展。本文以斜生栅藻为指示性生物，按照国家毒性试
收稿日期：2008-12-23；修回 2008－03－19
基金项目：国家自然科学基金项目资助（20776015）
作者简介：李俊峰（1982-），男，硕士研究生，主要从事水污染控制方面的研究工作，（电话）010-64427356（电子信箱）2006000177@grad.buct.edu.cn；
*通讯作者，（电子信箱）huxiang99@163.com。
Environmental Science & Technology
第 33卷 第 3期
2010年 3月
Vol. 33 No.3
Mar. 2010
第 33卷
验标准方法进行了六种咪唑类离子液体的毒性试验
研究[3-4]。所得成果可以为离子液体的水生生物毒性提
供相关数据，为将来对该类物质制定完善的环境影响
评价标准并对其进行风险管理提供毒理学数据。
1 材料与方法
1.1 斜生栅藻
本实验所用斜生栅藻（Scenedesmus obliquus）接
种于中国环境科学院水生生物研究所，在实验室用新
鲜的 M11培养基经过 2次无菌转接作为试验用藻，
毒性抑制试验藻细胞的初始浓度为 105个/mL左右。
1.2 受试离子液体
用于实验的离子液体由李春喜老师实验组制备
和提供，有 1，3-二甲基咪唑磷酸二甲脂盐；1-乙基，
3-甲基咪唑磷酸二甲脂盐；1-丁基，3-甲基咪唑磷酸
二甲脂盐；1-丁基，3-甲基咪唑盐酸盐；1-丁基，3-甲
基咪唑四氟硼酸盐；1-丁基，3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
1.3 仪器设备
LRH-250-GH恒温光照培养箱（广东省医疗器械
厂）；BH-2双目光学显微镜（日本 OLYMPUS公司）；
SW-CJ-2FD 型净化工作台；LDZX-40SBI 型立式自
动电热压力蒸汽灭菌锅（上海申安医疗器械厂）；
0.1mmXB-K-25血球计数框。各种型号量筒、容量瓶
和移液管；250mL三角瓶若干；胶头滴管。
1.4 试验方法
1.4.1 培养基的配制和预试验方法
将七种物质按表 1中的浓度配成储备液，分别移
取 1mL于1L的容量瓶中稀释 1000倍用作培养基，调
此培养基的 pH值到 8左右，之后在高压灭菌锅中于
121.3℃灭菌 30min。将灭菌后的培养基放置在超净工
作台上冷却至室温，用从环科院接种并生长到对数生
长期的纯种斜生栅藻进行接种，接种时控制藻的个数
为 105个/mL。整个接种过程在无菌条件下进行。
表 1 M11培养基的配制
Table 1 The composition of M11 culture medium
样品 化学式 用量(g) 浓度(mg/L)
硝酸钠 NaNO3 50 100
磷酸氢二钾 K2HPO4·3H2O 5 10
硫酸镁 MgSO4·7H2O 37.5 75
氯化钙 CaCl2·2H2O 20 40
碳酸钠 Na2CO3 10 20
柠檬酸铁 Fe·chtraie·xH2O 3 6
NaEDTA·2H2O EDTA 0.5 1
表 2 确定的离子液体的测试浓度
Table 2 The decided concentration of the tested ILs （mg/L）
[MMIM]DMP [EMIM]DMP [BMIM]DMP [BMIM]Cl [BMIM]PF6 [BMIM]BF4
浓度 1 100 50 20 20 20 20
浓度 2 150 100 50 50 50 50
浓度 3 200 150 100 100 100 100
浓度 4 250 200 150 150 150 150
浓度 5 300 250 200 200 200 200
为确定试验中待测离子液体的适当浓度，按照等
差数列法确定五个浓度梯度进行预试验。然后根据低浓
度的待测 ILs与空白没什么差别，最高浓度的待测 ILs
对栅藻生长完全抑制的标准，确定试验浓度如表 2。
1.4.2 急性毒性试验方法（以一种离子液体为例）
取一灭菌消毒过的 50mL容量瓶于超净工作台
上，加入一定量的离子液体储备液体，用对数生长期
的藻液体进行稀释，使稀释后的离子液体的浓度与预
试验中确定的离子液体浓度一致，然后将稀释摇匀后
的藻液转移到 250mL的锥形瓶中并用封口膜封口。
离子液体浓度的配制从低浓度到高浓度，并每个浓度
设置 2个平行样，且做空白样做对照。以上操作均在
无菌条件下进行。
设置培养箱工作条件，温度控制在 23℃~25℃之
间，12h光照黑暗循环，光照强度控制在 2000Lux左
右，并确保气候室中无毒害气体和粉尘存在。将配置
好的样品放入人工气候室中，使其受光均匀。于试验
开始的 0h、24h、48h、72h、96h和 120h时振荡三角瓶，
摇匀锥形瓶中的藻液，并倒出少量，用胶头滴管吸取
1mL样品，滴到血球计数板上在显微镜下计数。每个
样品计数三次，要求计数相差不超过 5%。
2 结果与讨论
考察了[MMIM]DMP、[EMIM]DMP、[BMIM]DMP、
[BMIM]Cl、[BMIM]BF4、[BMIM]PF6六种咪唑类离子
液体在不同浓度条件下对斜生栅藻生长的影响，实验
38
第 3期
结果如图 1~6所示。
2.1 操作条件下离子液体对斜生栅藻的毒性效应
由图 1~6可以看出对于同一种待测的离子液体，
随着生长时间的增加，藻细胞浓度都有所增加，但是
相对而言，含有低浓度离子液体的藻液的藻细胞增加
比较快，随着离子液体浓度的增加和时间的推移，藻细
胞浓度的增加趋势逐渐减缓。根据如下公式[5]计算不
同浓度离子液体作用下斜生栅藻的生长速率 k。
k=（lgNt-lgN0）/t
式中 N0、Nt分别表示初始和 t时的单位体积细胞
数，104cells/mL；t为培养时间，h。
以 [BMIM]DMP为例做 k-（-lgρ）（ρ为离子液体
质量浓度，kg/L）曲线，见图 7。
曲线大致呈 S形，图 7中的高台区 H为对藻无影
响的范围；半高台区为离子液体对藻的 96h EC50；拐
点对应的是藻的无生长点。通过 6种离子液体的 k-
（-lgρ）曲线进行分析计算（数据见表 3，其中 k50表示
H/2处对应的 k值），得出六种离子液体的毒性顺序
（见表 3）。
对于[MMIM]DMP、[EMIM]DMP和[BMIM]DMP
三种受测的离子液体，由它们各自的 EC50值可以知
道，它们对斜生栅藻的生长都有抑制作用，且抑制作
李俊峰，等 咪唑类 ILs对天然水体中斜生栅藻的毒性效应 39
第 33卷
表 3 ILs对斜生栅藻的半数影响剂量 EC50
Table 3 EC50 of Scenedesmus containing ILs
离子液体 k50 -lgρ EC50(mg/L)
[MMIM]DMP 0.0718 3.659 219.280
[EMIM]DMP 0.0759 3.796 159.956
[BMIM]DMP 0.0902 3.999 100.231
[BMIM]Cl 0.0718 4.026 94.189
[BMIM]BF4 0.0827 4.048 89.537
[BMIM]PF6 0.0798 4.079 83.368
用随着烷基取代基碳链长度的增加而增强。这与
Chul-woong Cho等[6]的研究是一致的。同时也可以
由这些数据说明具有较短取代基链的离子液体，如
[MMIM]DMP对淡水藻类的毒性作用是很弱的。并
且其它类型的离子液体也具有这种抑制作用。
Pernak等[7]指出：吡啶、咪唑、季铵盐、季磷盐等类型
的离子液体的生物抑制性都会随着烷基链的增长而
加强。
在比较烷基链长度对离子液体毒性的影响之后，
以阳离子为 BMIM，比较了阴离子分别为 Cl-，DMP-，
PF6-，BF4-时，对离子液体毒性的贡献情况。通过试验，
由所得到的 EC50值，可以看到，[BMIM]Cl，[BMIM]
DMP，[BMIM]PF6，[BMIM]BF4四种离子液体对斜生
栅藻的毒性影响差别不大，由此可以知道阴离子对离
子液体的毒性贡献有限。这与M.Teresa[8]等的研究是一
致的。阴离子对离子液体的毒性影响很小。Ranke[9]等
在以两种哺乳动物细胞对离子液体进行毒性研究中
发现，相同的阳离子和四种不同的阴离子组成的 ILs
的 EC50相近，说明阴离子对毒性的影响没有一般性的
规律。因此 ILs毒性决定因素是阳离子。
根据所得 EC50值可以看出，这四种离子液体的毒
性顺序是 [BMIM]PF6 >[BMIM]BF4 >[BMIM]Cl >
[BMIM]DMP。鉴于这四种离子液体的有机阳离子
一样，毒性产生差别主要是阴离子的影响。由此可
以得出这四种无机阴离子对离子液体毒性贡献的大
小顺序是 PF6-> BF4->Cl->DMP-。这与 Chul-Woong
Cho等[10]的研究 PF6->BF4->Cl-是相同的。另外，Ranke
等[11]发现某些阴离子在与烷基取代链较短的阳离子
配对时，毒性会被削弱，随着烷基取代链增加到适
当的长度，其毒性和所形成的离子液体的毒性相
当。而再随着烷基取代链的增加，阴离子的毒性影
响越来越小。这可能是由于阴阳离子所形成的 ILs
的结构所致。
在用显微镜观察斜生栅藻生长的过程中，发现
斜生栅藻有膨胀和破碎的情况出现，对于含有低浓
度离子液体的藻液，出现栅藻细胞膨胀和破碎的时
间比较晚，且膨胀和破碎的藻细胞比较少。而随着浓
度的增加，破碎和膨胀的时间逐渐提前，且破碎和膨
胀的藻细胞逐渐增多。有的藻细胞膨胀由四个排列
在一块的梭型变形成了四个排列在一块的小球，除
此外，很多是破碎了的一个或两个连着的膨胀后的
小球体。也有一部分破碎的藻细胞只是一般藻细胞
的解体，一个或两个的存在藻液中，但大部分是两个
连在一起的。在所进行的所有毒性试验中，发现，烷
基取代链越长则毒性越强。这是因为离子液体的烷
基链越长，其脂溶性就越强[12]。一般的，咪唑类化合
物的结构和阳离子表面活性剂相似。而据相关资料
显示：阳离子表面活性剂的脂溶性会随着碳链的增
长而加强，同时其麻醉毒性也会加强。所以，咪唑类
离子液体的致毒机理很可能与此相关。斜生栅藻的
膨胀和破碎情况的出现，应该是离子液体透过斜生
栅藻的细胞壁，渗透到含有大量脂类的细胞膜中，影
响了细胞的正常生长，当取代链较短的离子液体作
用的时候，脂溶性低，麻醉效果不高，但是也对细胞
膜的功能进行了破坏，导致了细胞的畸形生长，出现
了膨胀。在细胞膨胀不严重的时候，细胞壁不会受到
影响，而此时细胞所呈现的形状就是四个排列在一
起的椭球体；而当细胞膨胀到一定的程度时，则有可
能撑破细胞壁的束缚而破碎。同时，离子液体的麻醉
毒性也有可能破坏斜生栅藻四分体连接处的细胞
膜，导致其破碎。
3 结论
通过六种咪唑类离子液体对斜生栅藻的毒性研
究得到以下结论：
咪唑类离子液体对淡水生物是存在一定的毒性
的，且毒性效应会随着其烷基取代链的增加而有所加
强。这是因为随着烷基链的增长，咪唑类离子液体的脂
溶性也被加强，导致其在脂肪组织的累积，从而进去细
胞影响其新陈代谢而产生毒性。另外，在考虑阴离子对
毒性的影响的时候，发现具有相同阳离子而阴离子不
同的 ILs的毒性效应大致相当，从而知道了阴离子对毒
性的影响是比较小的，ILs的毒性主要由有机阳离子所
影响。同时发现，阴离子对毒性的影响也有大小之分，
但这并不能说明阴离子对毒性的影响是有规律的。
（下转第 53页）
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第 3期
（上接第 40页）
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