轮胎磨损颗粒浸出液对黑头呆鱼幼虫的急性亚致死与致死效应研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Acute sublethal and lethal effects of tire wear particle leachate on larval fathead minnows ( Pimephales promelas)

本刊推荐：为解决轮胎磨损颗粒(TWP)浸出液对水生生物的影响问题，研究人员开展了TWP浸出液对黑头呆鱼(Pimephales promelas)幼虫的急性(24小时)毒性研究。结果表明，14天浸出液致死率最高(LC50为76%)，并引发运动能力下降、行为异常等亚致死效应，揭示了TWP浸出液对早期生命阶段鱼类的神经及代谢功能潜在危害，对水体微塑料污染风险评估具有重要意义。

　　

在我们日常的交通出行背后，隐藏着一种广泛存在却常被忽视的环境污染物——轮胎磨损颗粒（Tire Wear Particles, TWP）。每当车辆行驶时，轮胎与路面摩擦就会产生这些微小的塑料颗粒，它们随着雨水冲刷进入河流、湖泊，成为水环境中微塑料（Microplastics）的重要来源。更令人担忧的是，这些颗粒并非惰性物质，它们含有合成橡胶、重金属、抗氧化剂等多种化学物质，在特定环境条件下会析出形成浸出液（Leachate），对水生生态系统构成潜在威胁。近年来，诸如6PPD-醌（6PPD-quinone）等轮胎添加剂被证实对某些鲑鱼幼苗具有剧毒，凸显了轮胎磨损颗粒污染问题的复杂性和紧迫性。然而，目前关于TWP浸出液对鱼类早期生命阶段，特别是行为层面的亚致死效应（Sublethal Effects）研究尚存空白。

为了深入探究轮胎磨损颗粒浸出液对淡水鱼类的毒性效应，研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了一项研究，重点关注浸出液对黑头呆鱼（Pimephales promelas）幼虫的急性亚致死与致死影响。黑头呆鱼是北美常见的淡水鱼种，对水质变化耐受性强，常被用作环境毒理学研究的模式生物。其幼虫阶段神经系统更为敏感，对污染物暴露可能表现出更明显的行为反应，因此是研究TWP浸出液神经毒性（Neurotoxicity）的理想对象。

本研究主要采用了几个关键技术方法：首先，按照美国环保署（EPA）Method 1315标准制备了7天和14天两种不同浸出时间的TWP浸出液；其次，使用来自 Aquatic BioSystems Inc. 的黑头呆鱼幼虫作为实验样本，进行了24小时急性毒性测试，设置了对照组、100% 7天浸出液和100% 14天浸出液处理组，并进行了不同浓度（0%、25%、50%、75%、100%）的14天浸出液稀释实验以评估致死效应；再者，利用Noldus EthoVision XT 11.5动物行为追踪软件对暴露后存活的幼虫进行游泳行为自动化分析；此外，还进行了摄食实验（Feeding Assays）以评估其摄食能力；最后，通过人工编制的行为谱（Ethogram）对视频录像进行细致观察，记录痉挛、方向突变等特定行为事件。

3.1. 急性毒性测试：死亡率

急性毒性测试结果显示，不同处理组之间的死亡率存在显著差异。14天浸出液处理组的死亡率最高，达到69%，显著高于7天浸出液处理组（22%）和对照组（0%）。这表明浸出时间越长，浸出液的毒性越强。

3.2. 急性毒性测试：稀释研究

稀释实验旨在评估更接近环境实际浓度的浸出液毒性。结果表明，死亡率随着浸出液浓度的升高而增加。25%浓度的浸出液与对照组相比死亡率无显著差异，但当浓度达到50%及以上时，死亡率显著上升。75%与100%浓度之间的死亡率无显著差异。通过计算得出14天浸出液的半致死浓度（LC₅₀）约为76%。

3.3. EthoVision行为学分析

通过EthoVision软件分析发现，与对照组相比，暴露于浸出液的幼虫在平均移动速度（cm/s）、处于移动状态的时间（s）和处于静止状态的时间（s）上均存在显著差异。暴露组幼虫移动速度更慢，静止时间更长，移动时间更短，表明其整体活动性下降。热图（Heatmap）分析直观显示，对照组幼虫活动轨迹较有规律，而暴露组幼虫活动范围小且路径杂乱无章。

3.4. 摄食实验

摄食实验结果显示，不同处理组之间的幼虫在15分钟内摄食卤虫（Artemia sp.）的数量没有显著差异。这表明在本次实验条件下，24小时的浸出液暴露并未显著影响幼虫的短期摄食能力。

3.5. 人工行为谱分析

人工行为观察揭示了EthoVision未能捕捉到的更细微的行为异常。与对照组相比，暴露于浸出液的幼虫表现出显著更多的痉挛/抽搐（Twitching/Spasms）、从静止状态自发加速（Spontaneous acceleration from immobility）以及自发改变游泳方向（Spontaneous changes in swimming direction）等行为事件。这些行为均属于加速性运动活动（Accelerated locomotor activity），是神经系统和代谢功能失调的典型表现。

研究结论与讨论部分强调，轮胎磨损颗粒浸出液对黑头呆鱼幼虫具有显著的致死和亚致死效应。致死效应与浸出液的浓度和浸出时间呈正相关，14天浸出液的毒性远大于7天浸出液。在亚致死水平上，浸出液暴露导致幼虫活动能力普遍下降，这会影响其捕食和逃避天敌的能力，从而降低其在自然环境中的生存率。更为重要的是，尽管总体活动减少，但暴露幼虫表现出的少数行为却显得异常 erratic（不规律），包括痉挛、突然加速和方向突变等。这些行为模式与代谢功能障碍（例如抑制ATP合成）和神经毒性（例如乙酰胆碱酯酶AChE抑制）的典型症状高度一致。

本研究的重要意义在于，它不仅量化了TWP浸出液对鱼类早期生命阶段的急性致死风险，更重要的是揭示了其亚致死行为毒性，为全面评估TWP的环境风险提供了行为毒理学（Behavioral Toxicology）层面的证据。随着气候变化可能导致更频繁的高温天气，可能加剧轮胎颗粒在环境中的化学物质浸出，因此理解其生态毒理效应变得愈发关键。未来的研究需要进一步明确TWP浸出液中具体是哪些化合物导致了这些毒性效应，并致力于确定环境中实际存在的、具有生态相关性的浸出液浓度水平，为制定有效的环境管理策略提供科学依据。