城市径流污染物对淡水生物膜群落的结构与功能影响：基于真实径流与单一污染物暴露的对比研究

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Impacts of urban runoff pollutants on biofilm communities

本研究聚焦于城市径流对淡水生态系统的潜在威胁，通过两项互补实验系统评估了真实城市径流及其代表性污染物对生物膜群落的影响。研究发现，城市径流对生物膜的影响呈现复杂的非线性关系，其中25%的稀释度表现出最强的抑制作用。在单一污染物暴露实验中，敌草隆(Diuron)和16种多环芳烃(16PAHs)的混合物对生物膜的光合效率抑制最为显著。该研究揭示了城市径流中污染物与营养盐的协同与拮抗作用，强调了控制新兴污染物排放的必要性。

　　

想象一下，一场暴雨过后，城市街道上的积水裹挟着轮胎磨损颗粒、农药残留、工业化学品以及我们日常生活中的各种废弃物，最终汇入清澈的河流。这些看似不起眼的“城市径流”，其实是一个复杂的化学混合物，对水生生态系统构成了巨大的潜在威胁。然而，我们对于这些污染物如何影响河流中至关重要的“基础生产者”——生物膜，却知之甚少。生物膜是由藻类、细菌、真菌等微生物组成的复杂群落，它们附着在石头、水草等基质上，是河流食物网的基础，也是物质循环的关键环节。

为了填补这一知识空白，来自西班牙加泰罗尼亚水研究所(ICRA)的研究团队在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上发表了一项研究，系统评估了城市径流污染物对淡水生物膜群落的结构与功能影响。他们通过两项精心设计的实验，不仅揭示了真实径流对生物膜的复杂影响，还深入剖析了其中关键污染物的“罪魁祸首”。

关键技术方法概览

为了回答上述问题，研究人员设计了两项独立的72小时暴露实验。实验一(EXP1)直接使用从西班牙赫罗纳(Girona)商业区采集的“初雨径流”(first-flush urban runoff)，通过系列稀释(0%至100%)来模拟不同污染程度对生物膜的影响。实验二(EXP2)则更具针对性，选取了城市径流中常见的代表性污染物，包括铜(Cu)、敌草隆(Diuron)、邻苯二甲酸丁苄酯(BBP)、双酚A(BPA)、双氯芬酸(Diclofenac)以及16种多环芳烃(16PAHs)的混合物，分别测试了它们单独作用以及混合作用下的毒性效应。研究团队对生物膜进行了全面的生理生态指标监测，包括利用脉冲调制荧光仪(Diving PAM)测量叶绿素a基础荧光(F₀)和光合效率(Y_eff)，通过分光光度法测定叶绿素a(Chl-a)含量，利用流式细胞术(Sysmex CyFlow Cube6?)计数细菌密度，并采用放射性同位素示踪法(H¹⁴CO₃^-)评估初级生产力。同时，他们对径流水样和污染物溶液进行了精密的化学分析，利用液相色谱-高分辨质谱(LC-HRMS)和气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)等技术，全面鉴定了其中的有机污染物和金属成分。

研究结果

3.1. 城市径流的化学组成

对赫罗纳商业区采集的径流水样分析发现，其中含有来自9个不同家族的47种化合物。其中，1,3-二苯基胍(一种轮胎相关添加剂)、咖啡因和锌(Zn)的浓度最高，均接近30 μg L^-1。此外，溶解性有机碳(DOC)的浓度高达25 mg L^-1，表明径流中含有丰富的有机物质。

3.2. 实验一(EXP1)：城市径流对生物膜的影响

城市径流对生物膜的影响呈现出非单调的“U型”或“倒U型”曲线，而非简单的线性关系。在25%的稀释度下，生物膜的生理指标表现出最强的抑制作用。具体而言，叶绿素a基础荧光(F₀)和光合效率(Y_eff)在25%浓度下均显著降低。细菌密度也表现出类似的模式，在中等浓度下显著下降。这表明，在中等污染水平下，径流中污染物的抑制作用超过了其中营养物质(如DOC)的刺激作用，从而对生物膜造成了最显著的负面影响。

3.3. 实验二(EXP2)：单一污染物对生物膜的影响

在测试的单一污染物中，敌草隆(Diuron)和16种多环芳烃(16PAHs)的混合物对生物膜的影响最为显著。敌草隆从最低测试浓度(6.3 μg L^-1)开始，就显著降低了生物膜的光合效率。而多环芳烃(PAHs)在较高浓度下虽然抑制了藻类的光合作用，却显著刺激了细菌密度的增加，这可能是由于部分细菌能够利用PAHs作为碳源进行降解。值得注意的是，当这些污染物混合在一起时，它们对光合效率的抑制作用比单独使用敌草隆时更强，表现出明显的协同毒性效应。

结论与讨论

这项研究揭示了城市径流对淡水生物膜影响的复杂性。研究结果证实了研究人员的假设，即城市径流对生物膜的影响是污染物抑制效应与营养物质刺激效应相互博弈的结果。在中等污染水平(如25%稀释度)下，污染物的毒性效应占据主导，导致生物膜功能受到显著抑制。而在低浓度或高浓度下，营养物质的刺激效应或生物膜的耐受机制可能掩盖了部分毒性效应。

特别值得关注的是，在单一污染物暴露实验中，敌草隆(Diuron)表现出极高的毒性，在环境相关浓度下即可显著抑制生物膜的光合作用。而多环芳烃(PAHs)虽然对藻类有抑制作用，但其对细菌的刺激作用以及污染物混合后表现出的协同毒性，都强调了评估污染物混合物整体效应的必要性，而非仅仅关注单一化合物的毒性。

这项研究的意义在于，它强调了城市径流管理的重要性。仅仅关注营养盐或单一污染物的控制是远远不够的，必须从整体上控制径流中污染物的种类和数量，特别是像敌草隆这样的高毒性农药以及多种污染物混合后产生的协同效应。随着气候变化导致极端降雨事件频发，城市径流对淡水生态系统的冲击将更加频繁和剧烈，因此，开发有效的径流处理技术，如雨水滞留池或人工湿地，对于保护水生生物多样性至关重要。