整合物种敏感度分布与毒性阈值：南海崖州湾微塑料污染的概率性生态风险评估

本研究针对南海崖州湾微塑料（MPs）污染现状及生态风险展开系统性评估。研究人员通过现场采样与毒性测试，首次构建基于单一氧化应激指标（SOD、CAT、MDA）的物种敏感度分布（SSD）模型，并结合风险商数（RQ）与联合概率曲线（JPC）方法进行多维度生态风险评价。结果表明，崖州湾水体MPs丰度为3,436.67 ± 1,581.37 n/m3，生物体内MPs丰度较低（0–0.40 n/Ind），JPC分析显示整体生态风险较低。该研究为MPs生态风险评估提供了新视角与数据支持，对热带海湾污染防控与可持续发展具有重要科学意义。

　　

在全球塑料产量持续攀升的背景下，海洋微塑料污染已成为备受关注的新兴环境问题。由于塑料制品耐用且用途广泛，全球产量预计将从2023年的4.138亿吨增长至2050年的14.8亿吨。然而，缺乏有效的塑料废弃物管理导致大量塑料碎片进入海洋环境。据估算，目前全球海洋中漂浮着约170万亿个塑料碎片，这些塑料在物理、化学和生物降解过程中形成尺寸小于5毫米的微塑料（MPs）。海洋微塑料污染来源多样，包括陆地输入、海洋活动和大气沉降。河流是微塑料从内陆输运至海洋的主要通道，约80%的海洋塑料垃圾来源于陆地。此外，渔业、航运活动和大气沉降也对海洋微塑料负荷有显著贡献。

一旦进入海洋，微塑料在风、海流和人类活动驱动下发生扩散和迁移，因而在海水、沉积物和海洋生物中被广泛检出。由于其尺寸小、分布广，微塑料容易被生物摄入，并可从低营养级向高营养级传递，引发一系列 adverse effects，包括氧化应激、炎症反应、神经毒性、生殖毒性和发育异常等。更令人担忧的是，微塑料还能通过食物链和食物网分散和积累，对不同生态位的生物构成威胁。由于其高吸附能力，微塑料能在其表面累积疏水性污染物，如多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）和双酚A（BPA）等。这些污染物随微塑料通过营养相互作用转移时，可能通过生物放大效应对生物体造成放大风险，最终威胁人类健康与安全。

鉴于微塑料的生态毒理效应，在不同区域开展全面的微塑料生态风险评估显得至关重要。尽管微塑料在海洋环境中无处不在，但其生态风险仍知之甚少。传统的风险评估方法，如污染负荷指数和潜在生态风险指数，主要关注暴露水平，而忽略了微塑料多样的理化特性（如类型、尺寸和形状）。物种敏感度分布（SSD）分析作为一种定量工具，整合了多个物种的暴露-效应数据，以确定保护大多数物种的浓度阈值。然而，早期研究未能考虑微塑料的特性变异，而近期研究开始关注微塑料性质（如形状、尺寸、类型和暴露时间）的分类，并揭示了5%物种危险浓度（HC₅）和预测无效应浓度（PNEC）的显著差异，强调了考虑这种变异性的重要性。

除了微塑料特性和暴露时间的影响，毒性终点对SSD模型的影响也研究不足。常用终点（如存活率、生长率、酶活性）之间的差异往往导致评估误差。为解决这一问题，本研究采用单一氧化应激指标作为毒性终点，构建改进的SSD模型，旨在提高准确性。同时，联合概率分析被认为是目前最有效的生态风险评估方法，通过将概率分析与点估计方法相结合，能够更全面地评估微塑料风险。优化SSD模型以提供精确的毒性数据，将进一步提高联合概率分析的可靠性，为微塑料生态风险评估提供科学准确的解决方案。

南海崖州湾作为连接中国内地与东南亚的重要海上通道，其半封闭的地理结构限制了湾内水体交换，导致污染物扩散速率较慢。作为南海重要的热带渔场，崖州湾近年来近岸渔业资源衰退，捕捞强度增加，水产品消费需求迅速增长。然而，密集的近海网箱养殖活动无疑对环境造成了显著压力。受多种人类活动（包括传统渔业、现代水产养殖、港口航运、城市建设和旅游业）的影响，崖州湾代表了面临复杂生态挑战的典型热带海湾生态系统。系统研究其环境状况不仅可以揭示快速城市化和海洋开发背景下热带海湾的生态演变模式，还能为海洋环境保护、污染控制和可持续发展提供科学依据。

本研究旨在调查崖州湾表层海水和生物体中微塑料的丰度和特征。通过检索氧化应激数据并进行毒性试验，构建了相同毒性终点的SSD曲线。基于这些曲线，采用RQ方法和JPC方法评估了崖州湾水体的生态风险。该研究首次使用相同的氧化应激毒性终点构建SSD曲线，为微塑料生态风险评估提供了新视角和数据支持。此外，通过多维生态风险评估方法，揭示了微塑料污染对生态系统的潜在威胁，为未来暴露策略的制定提供了科学依据。

研究人员在2022年3月对崖州湾15个监测站进行了水样采集，使用5升不锈钢采水器在0.5米深度采集海水，每20升作为一个样本，每个站点设三个平行样。生物样本通过底拖网采集，每网拖拽30分钟，平均航速3–4节。环境参数如温度、盐度、pH和溶解氧也被记录。样本处理后，通过显微镜和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）进行微塑料的识别与表征。毒性试验采用5微米聚苯乙烯（PS）微塑料，对珍珠龙胆石斑鱼和凡纳滨对虾进行不同浓度暴露，检测氧化应激生物标志物（SOD、CAT、MDA、GSH）。数据收集通过多个数据库检索氧化应激相关文献，统一单位转换后用于SSD构建。采用幂律分布估算微塑料丰度，并通过蒙特卡洛模拟和JPC方法进行生态风险评价。

研究结果显示，崖州湾表层水体微塑料丰度范围为1,800.00 ± 519.62 至 6,650.00 ± 1,040.43 n/m3，平均为3,436.67 ± 1,581.37 n/m3。空间分布上，西部区域高于东部，近岸区域高于远岸，这可能与崖州湾作为居民区、本地码头和渔港的角色有关，日常活动和渔业操作导致近岸微塑料水平升高。水文因素也起作用，近岸水体交换需70天完成90%更新，而远岸仅需10天，使得沿海区域微塑料更易积累。值得注意的是，尽管S13站位于远岸，却显示出高微塑料丰度，可能与湾内密集的海水养殖活动有关。

与全球其他水体相比，崖州湾的微塑料污染处于中等水平，低于太湖、珠江口和锦海湾等高影响区域，但高于长江口和圣路易斯河口。这种差异可能源于经济工业活动强度和人口密度的不同，以及崖州湾较小的表面积和有限的水体交换能力，导致微塑料积累。此外，依赖渔业和水产养殖的经济模式进一步加剧了微塑料负荷，使该地区的污染压力不可忽视。

微塑料尺寸分布显示，1–2毫米占比最高（43.14%），其次为0–1毫米（31.63%），2–3毫米（20.05%），3–4毫米（4.27%）和4–5毫米（0.45%）。与常见假设相反，较小尺寸的微塑料丰度并未占主导，这可能源于其较大比表面积吸附环境污染物后沉积，或生物对较小微塑料的较高摄取率。聚合物类型鉴定出27种，聚酯（85.13%）为主导，其余包括PE、PP、PS、PVC、PET、PA、PMMA等。聚酯的主导地位可能源于日常纺织品洗涤释放，而PE、PP、PS和PET则与本地渔业和水产养殖活动相关。颜色上，透明微塑料占90.43%，其余为黑、红、蓝、绿和黄。形态上以纤维、碎片、薄膜和不规则形状为主。透明微塑料主要来自透明塑料制品降解或生活污水直接释放，而有色微塑料可能来自彩色塑料包装材料。纤维微塑料可能来自渔网破裂和人类活动（如废水排放），碎片状微塑料可能来自包装材料和容器的直接降解。

幂律分布估算微塑料丰度为2.41 × 10⁵ n/m3，约为实测值的70倍，表明显著低估。尽管崖州湾位于重要养殖和渔业区域，其水体微塑料污染水平相对较低，但基于幂律分布的高估算值强调了对当地微塑料污染持续关注的必要性。

生物体分析涵盖2门13种生物，微塑料丰度范围0–0.40 ± 0.52 n/Ind，以Sillago chondropus最高，Eubleekeria splendens最低。鱼、虾、蟹的塑料摄取率分别为85.71%、66.67%和33.33%，摄取量低于中国平均水平，可能源于水体微塑料丰度较低及器官检测范围有限。微塑料成分中，PMMA、PA、PET、PP和聚酯等塑料约占20%，而非塑料成分（如黄麻、棉花、人造丝）占80%，其中人造丝最普遍（35.70%）。除微塑料外，人造丝等人工纤维也可能带来显著生物风险。尺寸上，小中型颗粒主导（<1毫米占36.02%，1–2毫米占36.56%），与水体样本分布高度相关，表明生物可能选择性摄取较小微塑料。颜色上有色颗粒比例（55.94%）显著高于透明颗粒，可能与生物误认食物有关。形态上仅纤维（98.60%）和碎片（1.40%）被检出，与水体形状特征一致。

统计与差异分析显示，微塑料在表层水与生物间在尺寸（p=0.011）、颜色（p<0.001）和类型（p<0.001）上存在显著差异，仅形状（p=0.076）无显著差异，表明生物摄入存在一定选择性。有色微塑料更易被误认为食物，较小微塑料可能通过呼吸或摄食被动摄入，尺寸0.40–0.90毫米的微塑料因类似天然颗粒而被误食。

生态风险评估方面，基于SOD、CAT和MDA毒性终点构建SSD，涵盖8门24种物种。HC₅值分别为14.22、8.98和30.49 n/L，对应PNEC值为1.42、0.90和3.05 n/L。海洋生物对CAT最敏感，对MDA最不敏感，敏感物种主要为贝类，较不敏感物种为某些藻类。氧化应激指标作为生物标志物有效，PNEC值变异显著。

RQ方法评估显示，在当前环境丰度下，SOD和CAT的RQ值在所有站点均超过1，MDA在8个站点超过1，表明潜在威胁。蒙特卡洛模拟预测整个崖州湾区域RQ值在0–1之间的概率为SOD 5.59%、CAT 3.21%、MDA 35.08%，与RQ计算结果基本一致，但考虑了动态波动。

JPC分析表明，崖州湾表层水体微塑料生态风险概率较低，MDA、SOD和CAT的整体慢性生态风险值分别为4.80×10^-4、4.60×10^-3和9.90×10^-3，远低于中国其他河流流域和国家的报告值。与RQ结果形成鲜明对比，凸显了传统生态风险评估与概率性生态风险评估的根本差异。JPC方法考虑了微塑料暴露浓度和生物效应的变异性与不确定性，提高了评估准确性，但其可靠性高度依赖准确的暴露和毒性数据。

研究结论指出，崖州湾微塑料污染处于中等水平，生物体内污染较低。首次基于单一氧化应激终点构建SSD，获得相应HC₅和PNEC值。概率评估显示整体生态风险较低，CAT对微塑料暴露最敏感。JPC分析证实表层水体风险概率低。尽管提出了使用一致毒性终点推导SSD的方法，但数据需求大，当前符合统一终点且反映微塑料多样特性的毒性数据有限。提高SSD数据的可及性和可用性仍是未来研究的关键问题。

该研究的意义在于为微塑料生态风险评估提供了新方法学和数据支持，突出了氧化应激指标作为敏感生物标志物的潜力，并对热带海湾污染防控与可持续发展提供了科学依据。通过多维风险评估，揭示了微塑料污染的潜在威胁，为政策制定和未来研究方向提供了重要参考。然而，仍需解决微塑料特性多样性、毒性终点选择和数据可用性等挑战，以进一步提升生态风险评估的可靠性和准确性。