微生物对受采矿影响的溪流沉积物中重金属梯度的分类学和功能响应

《Environmental Research》：Microbial Taxonomic and Functional Responses to Heavy Metal Gradients in Mining-Impacted Stream Sediments

水污染是濒危鱼类物种灭绝的重要驱动因素，准确推导无效应浓度（PNEC）对制定环境标准至关重要。本研究系统比较了27种全氟化合物（PFASs）在长江流域97种濒危鱼类中的水基与组织残留毒性数据，发现高生物积累PFASs的水基PNEC与组织残留基PNEC差异显著：当log Kow>4.5或生物积累因子（BAF）>1000 L/kg ww时，两者偏差超50倍。研究揭示了生物积累对PNEC推导的影响机制，为保护濒危鱼类制定更精准的水质标准提供科学依据。

　　

王嘉宇|王晓蕾|曹庆源|王瑞|纪远普|张静|吴凤昌|刘祖根|赵晓莉

江南大学环境与生态学院，中国无锡214122

摘要

水污染是导致受威胁和濒危（T&E）鱼类物种灭绝的重要因素。准确的预测无效应浓度（PNECs）对于制定有效的环境标准和风险管理策略至关重要。然而，污染物的生物累积会显著影响基于水体的PNECs在保护T&E物种方面的可靠性。为了准确推导出具有生物累积性的污染物的PNECs，本研究系统地比较了长江流域97种T&E鱼类中27种全氟和多氟烷基物质（PFASs）的水体和组织残留毒性数据。基于水体毒性的研究结果显示，全氟丁烷磺酸（0.103 mg/L）、8:2氯代全氟烷基醚磺酸（0.118 mg/L）和全氟-2,5-二甲基-3,6-二氧壬酸（0.176 mg/L）是最具毒性的PFASs，其中中华鲟是对这些物质最敏感的物种。相比之下，基于组织残留毒性的研究结果表明，全氟-8-氯-1-辛烷磺酸（0.154 mg/kg）、全氟戊烷磺酸（0.360 mg/kg）和全氟辛烷磺酸（0.402 mg/kg）最具毒性，大头鲫、大卫鱼和小胸裂胸鱼表现出最高的敏感性。值得注意的是，对于敏感性分布曲线位于第5百分位以下的物种，PFASs的毒性排名与敏感性较低的物种明显不同。为了量化生物累积的影响，本研究比较了基于水体和基于组织残留的毒性数据得出的PNECs，并利用其比值来表示与基于水体评估相关的误差。结果表明，当PFASs的log Kow超过4.5或生物累积因子（BAF）超过1,000 L/kg ww时，基于水体和基于组织残留的PNECs之间的偏差超过了50倍。这项研究强调了生物累积在生态风险评估中的重要性，并为制定旨在保护T&E鱼类物种的水质标准提供了科学依据。

引言

根据国际自然保护联盟（IUCN）的濒危物种红色名录，大约有47,000种物种面临灭绝的威胁，占所有评估物种的28%[1]。淡水生态系统中的受威胁和濒危（T&E）物种比例高于陆地生态系统，约25%的淡水鱼类物种面临灭绝的风险[2]、[3]、[4]。水污染是生物多样性丧失的主要原因之一，直接或间接导致脆弱物种的数量减少甚至灭绝[5]。例如，Cassady等人发现加利福尼亚流域内的污水处理厂数量与T&E物种的存在存在正相关[6]。尽管许多国家和地区（如美国[7]、加拿大[8]和澳大利亚[9]）已经制定了法律和/或法规来保护T&E物种，但缺乏具体的环境标准来保护它们免受污染物的危害。

污染物的预测无效应浓度（PNEC）表示水中不会对目标生物产生不良影响的最高浓度。它是制定环境标准和风险管理策略的重要基础。然而，由于污染物的复杂特性和水生环境的物理化学条件，准确确定PNECs仍然具有挑战性。例如，2024年，美国环境保护署（EPA）根据基于水体毒性的数据发布了全氟辛烷磺酸（PFOS）的最终水生生物标准，并进一步利用现场测量的生物累积因子（BAFs）将其转化为鱼类和无脊椎动物的组织标准[10]。这种方法的优点在于有大量基于水体毒性的毒性数据可供使用。然而，生物累积性污染物的毒性可能受到溶解有机物质（DOM）、水动力条件和其他环境因素的影响，这在使用基于水体毒性的指标推导PNECs时可能引入显著的不确定性。为了更好地保护水生生物免受高生物累积性污染物硒的伤害，EPA直接从组织残留毒性数据中得出了组织标准，这些数据代表了生物活性污染物浓度，可以提供更精确的保护[11]。然而，这种方法的应用受到可用组织残留毒性数据稀缺和实验程序复杂性的限制。对于T&E鱼类物种的保护来说，一个关键问题是是否存在一个生物累积阈值，在该阈值以下，基于水体的毒性数据可以可靠地推导出PNECs；而在该阈值以上，则必须使用基于组织残留的毒性数据。确定这一转折点可以提高生物累积性污染物PNECs的准确性和适用性。

全氟和多氟烷基物质（PFASs）是一类具有多种结构和广泛物理化学特性的污染物。它们被用于200多个行业，如纺织品、涂料、润滑油、半导体、石油和消防产品，并可能在水生生物中引起生殖毒性、神经毒性、肝脏毒性等不良影响[12]、[13]、[14]。美国环保署（USEPA）的CompTox化学品仪表板中包含了超过8,000种具有独特结构的PFASs[15]、[16]，这些物质在生物体内的累积程度各不相同[17]、[18]。中国是全球氟化化合物的主要生产和消费国之一，长江中下游地区集中了大量的氟化化学品工业园区[19]。例如，江苏省常熟市拥有中国最大的氟化工厂，长江三角洲地区的PFAS浓度范围为31至902 ng/L[20]。然而，长江流域拥有中国三分之一的淡水鱼类物种，仅次于亚马逊河流域，其淡水鱼类物种数量约为密西西比河流域的1.5倍。该流域也是T&E鱼类物种的重要栖息地，包括具有重大科学、经济和生态价值的中华鲟和亚洲鲦鱼等濒危物种[21]。

因此，以长江流域T&E鱼类物种对PFASs的慢性毒性为案例研究，本研究调查了污染物生物累积对PNEC推导的影响。具体而言，使用机器学习模型预测了97种T&E鱼类中27种具有不同生物累积潜力的PFASs的水体和组织残留毒性数据，系统地评估了这两种毒性指标之间的差异，并深入分析了它们对PNEC推导准确性的影响。为了减少由于毒性终点变化引起的不确定性，选择了具有最丰富组织残留毒性数据的发育毒性数据进行PNEC计算。这项研究创新性地比较了基于水体和基于组织残留的毒性数据得出的PNECs，揭示了不同生物累积性污染物标准推导方法的差异。这对于保护全球T&E鱼类物种和制定更严格的水质标准（WQC）具有重要意义。

部分摘录

目标化学物质和物种

本研究预测了长江流域97种T&E鱼类对27种PFASs的慢性发育毒性数据。目标PFASs包括9种全氟羧酸（PFCAs）：全氟己酸（PFHxA）、全氟庚酸（PFHpA）、全氟辛酸（PFOA）、全氟壬酸（PFNA）、全氟癸酸（PFDA）、全氟十一酸（PFUnA）、全氟十二酸（PFDoA）、全氟十三酸（PFTrDA）和全氟十四酸（PFTeDA）。

PFASs对T&E鱼类的基于水体的毒性数据

使用Model-1模型预测了长江流域97种T&E鱼类对27种PFASs的基于水体的慢性发育毒性，并提取了每种鱼类最敏感的毒性数据以进行进一步分析。结果显示，PFASs对T&E鱼类的预测发育毒性范围为0.041至5.297 mg/L，中位值为0.366 mg/L。基于个别PFASs的中位毒性值，PFBS的发育毒性最高（0.041-0.202 mg/L，中位数：

结论

以长江流域97种T&E鱼类对27种PFASs的慢性发育毒性为案例研究，本研究探讨了如何准确推导出保护T&E鱼类的PNEC。通过对基于水体和基于组织残留的毒性数据的综合分析，发现PFBS、8 Cl-PFOS、8:2 Cl-PFESA和PFPeS对长江中的T&E鱼类更具毒性，而PFHxA、PFOA和PFHpA的毒性相对较低。总体而言，C₄-C₁₀类的PFASs以及新兴的PFASs

CRediT作者贡献声明

王晓蕾：撰写——审稿与编辑、软件使用、资金获取、概念构思。王嘉宇：撰写——初稿、可视化、软件使用、资源获取、方法论设计、调查实施、数据分析、数据管理。王瑞：验证、软件使用、数据分析、数据管理。曹庆源：软件使用、数据分析、数据管理。张静：验证、数据管理。纪远普：验证、软件使用、数据分析、数据管理。赵晓莉：项目协调、资金筹集

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本项工作得到了国家自然科学基金（NSFC，项目编号：42394152、42394154、42430714）和中国国家重点研发计划（2022YFC3204800和2023YFC3205700）的财政支持。