轮胎浸出液对海洋微藻与桡足类的急性生态毒性显著高于水产养殖塑料：基于广岛湾聚乙烯、发泡聚苯乙烯及轮胎的对比研究

《Fisheries Science》：Comparative toxicities of leachates from aquaculture plastics and automobile tires in Dunaliella primolecta and Tigriopus japonicus

　　

合成聚合物浸出液对海洋生态系统的化学影响日益受到关注。本研究评估了广岛湾三种常见材料浸出液的急性生态毒性：用作水产养殖间隔物的聚乙烯（PE）管道、用作浮体的发泡聚苯乙烯（EPS）以及来自道路径流和船舶护舷的汽车轮胎。研究人员将海洋微藻杜氏藻（Dunaliella primolecta）和桡足类日本虎斑猛水蚤（Tigriopus japonicus）暴露于上述浸出液，并采用非靶向气相色谱-质谱联用（GC-MS）筛查技术对其化学特征进行了表征。结果表明，PE和EPS浸出液在最高测试浓度（5.4 g/L）下对两种受试生物均未产生显著的急性毒性，表明在目前预测的水平下其生态风险较低。相反，轮胎浸出液表现出显著毒性，对D. primolecta的中位有效浓度（EC50）为2.7 g/L，对T. japonicus的EC50为0.67 g/L。桡足类约四倍更高的敏感性提示轮胎浸出液可能对甲壳类补充种群构成潜在威胁。化学分析鉴定出轮胎特有的成分，如苯胺、1,3-苯并噻唑、二环己胺和N-苯基-对苯醌亚胺。这些化合物可能通过对初级生产者和消费者诱导生理应激而促成毒性。研究结果表明，虽然所测试的水产养殖塑料在短期内化学风险较低，但未风化轮胎来源的化学物质对生产力较高的沿海生态系统中的渔业资源构成了显著的潜在威胁。

论文解读

一、研究背景与目的

近年来，塑料污染对海洋生态系统的影响日益加剧，每年约有2300万公吨塑料废物进入环境。尽管"塑料"通常指聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）等合成聚合物，但微塑料（MP）污染还包括汽车轮胎中使用的合成橡胶。轮胎在车辆运行过程中的磨损已被估计为微塑料排放的第二大来源（占28%），仅次于合成纺织品。以往关于这些持久性合成聚合物生态风险的研究主要集中在物理影响方面，如生物摄食和颗粒毒性。然而，近年来研究关注点已转向从这些聚合物中浸出的添加剂及其转化产物的化学影响。例如，已鉴定的2400余种塑料相关化学品中约四分之一因其毒性被归类为潜在关注物质。此外，城市河流中银大麻哈鱼（Oncorhynchus kisutch）在降雨后发生的原因不明的群体死亡，近期被证实与轮胎抗臭氧剂与臭氧反应形成的转化产物有关。

本研究聚焦于日本西部濑户内海内的半封闭海湾——广岛湾，该湾是日本最大的牡蛎养殖区，以高密度的牡蛎养殖筏为特征。PE管道和EPS碎片等塑料废弃物在该区域海岸线普遍存在。据估算，PE管道——主要来源于牡蛎养殖——约占濑户内海海洋垃圾总量的14%。除渔业来源塑料外，轮胎磨损颗粒（TWPs）也备受关注，因为海湾北岸存在主要干线道路。调查显示，广岛湾沉积物中TWP浓度（4260 μg/g）在日本十个沿海区域中最高。尽管这些合成聚合物在该特定海洋环境中普遍存在，但其对低营养级的比较化学影响在很大程度上仍然未知。

本研究旨在评估三种主要合成聚合物——PE、EPS和橡胶轮胎——的浸出液对海洋生态系统低营养级的化学影响。与以往通常关注微塑料物理效应的研究不同，研究人员假设这些材料浸出的化学添加剂根据聚合物类型的不同，对海洋生态系统的初级生产者微藻和一级消费者桡足类产生不同的毒性效应。由于微藻和小型桡足类体型较小，不太可能摄食MP颗粒，因此浸出液的化学影响预计是这些低营养级生物毒性的主要驱动因素。

二、研究设计与技术方法

研究人员选用了三种未使用的合成聚合物：作为牡蛎养殖间隔物的PE管道（由广岛县立技术研究所水产海洋技术中心提供）、商业预发泡EPS珠粒（直径1 mm）以及新型商用车辆夏季轮胎（住友橡胶工业株式会社）。所有材料均以未风化形式使用，以标准化评估其化学浸出潜力。PE管道和轮胎胎面通过锯锉研磨获得细小颗粒碎片，EPS珠粒则直接使用以确保一致的比表面积。

浸出液制备中，将6 g各聚合物材料加入900 mL灭菌海水中（终浓度6.7 g/L），在25 °C黑暗条件下连续搅拌孵育14天。孵育后经GF/F滤膜过滤，所得滤液分别命名为PE、EPS和轮胎浸出液，储存于-20 °C备用。基础海水采自日本海沿岸开放海域，经GF/F滤膜过滤并高压灭菌（121 °C，20 min）以最大限度减少人为化学污染物的影响。

藻类生长抑制试验以海洋绿藻Dunaliella primolecta（NIES-2256株）为受试生物，依据OECD测试指南201进行。采用24孔板小规模测试系统，每孔工作体积1 mL，初始细胞密度为2×10³ cells/mL，72小时暴露期间每24小时通过微板读取器测量体内叶绿素a荧光以估算细胞密度。桡足类固定化试验以日本虎斑猛水蚤Tigriopus japonicus为受试生物，采用12孔培养板，每孔工作体积2 mL，每孔5只新生无节幼体（<24 h），24小时暴露后以15秒内不能移动定义为固定化。

化学分析采用非靶向GC-MS筛查。100 mL浸出液经二氯甲烷液-液萃取两次，浓缩后以HP-5MS UI毛细管柱进行色谱分离，全扫描模式（m/z 35–550）采集数据。每个样品选取总离子流色谱图（TIC）中十个最强峰与NIST14质谱库进行比对鉴定。统计分析使用R 4.4.0，采用Dunnett检验比较对照组与处理组差异，使用drc包估算EC₅₀值。

三、研究结果

藻类生长抑制

在所有毒性试验中，对照培养物的生长均满足OECD测试201号规定的有效性标准。PE和EPS浸出液在各测试浓度下均未对D. primolecta产生显著抑制效应。相比之下，轮胎浸出液在≥1.3 g/L浓度下显著降低生长速率，呈现明显的浓度依赖性抑制，EC₅₀为2.7 g/L。PE和EPS浸出液的EC₅₀值推断超过最高测试浓度5.4 g/L。

桡足类固定化

与藻类响应一致，PE浸出液在各测试浓度下均未对T. japonicus产生显著影响。EPS浸出液在最高浓度（5.4 g/L）下观察到少数个体活动力轻微下降，但未达统计显著水平。轮胎浸出液在≥0.7 g/L浓度下显著降低活动力，EC₅₀为0.67 g/L，约为藻类EC₅₀的四分之一，表明该海洋桡足类对轮胎浸出液化学组分显著更敏感。

GC-MS非靶向化学筛查

三种浸出液的TIC离子强度顺序为轮胎浸出液>PE浸出液>EPS浸出液，表明轮胎胎面颗粒向海水中释放的化学添加剂浓度远高于PE或EPS。各浸出液峰强度约为基础天然海水对照的5至20倍，确认检测物质主要来源于聚合物材料。

PE浸出液鉴定出七种匹配率≥80%的物质：2-(2-丁氧基乙氧基)乙醇（DGBE）、2,4,7,9-四甲基癸-5-炔-4,7-二醇、2,4-二叔丁基苯酚（DTBP）、N-乙基-2-甲基苯磺酰胺、N-乙基-4-甲基苯磺酰胺、3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲醛和N-丁基苯磺酰胺。EPS浸出液鉴定出四种化学物质：苯乙酮、苯乙烯乙二醇、DTBP和三丙二醇正丁醚（TPnB）。轮胎浸出液鉴定出八种匹配率>80%的物质：苯胺、1,3-苯并噻唑、N-环己基甲酰胺、二环己胺（DCHA）、2,2,4-三甲基-1,2-二氢喹啉（TMQ）、TPnB、N-苯基-对苯醌亚胺和3-苯胺基苯酚（3HDPA）。其中除TPnB外，其余物质均仅在轮胎浸出液中检测到。

四、讨论与结论

合成聚合物浸出液的比较毒性

PE和EPS浸出液在最高测试浓度（5.4 g/L）下对两种受试生物均未产生显著急性毒性。该暴露浓度超过2066年预测的MP浓度1 g/L，表明所测试的特定PE和EPS产品的水溶性浸出液急性生态风险可能较低。这一低急性风险与此前关于其他常见聚合物的研究结果一致。然而，该评估仅限于水溶性化学暴露，颗粒介导毒性仍需进一步研究。

轮胎胎面浸出液对D. primolecta的EC₅₀为2.7 g/L，对T. japonicus的EC₅₀为0.67 g/L，与已有研究报道的生态毒性范围一致。基于2066年预测MP浓度1 g/L及轮胎颗粒占MPs的28%，表面浓度可能达到0.28 g/L，与EC₅₀的接近表明T. japonicus未来可能面临实质性风险。然而，当前城市化沿海地区的实地观测浓度（如大阪湾均值2.03 μg/L）比实验室EC₅₀低约六个数量级。由于广岛湾水柱中TWP浓度数据尚属空白，亟需开展本地化海水监测。

浸出液毒性的化学驱动因素

GC-MS分析鉴定出七种轮胎浸出液独有的化合物，这些独特的有机添加剂和转化产物可能促成了其显著毒性。苯胺可能解释桡足类较微藻更高的敏感性——苯胺对大型蚤（Daphnia magna）的48-h EC₅₀为0.1–0.68 mg/L，比对微藻Raphidocelis subcapitata的72-h EC₅₀（110 mg/L）低约160至1100倍。1,3-苯并噻唑和DCHA作为硫化促进剂的水解产物，在轮胎浸出液中分别占据第二和第三大峰。轮胎浸出液中最丰富的峰为N-苯基-对苯醌亚胺，是抗臭氧剂6PPD来源的4HDPA的氧化产物。4HDPA和N-苯基-对苯醌亚胺构成氧化还原对，4HDPA已知具有雌激素活性。尽管微藻和桡足类缺乏经典雌激素受体，但合成雌激素如17α-乙炔雌二醇（EE2）已被证明可抑制绿藻光合作用并干扰桡足类繁殖。此外，未在GC-MS中鉴定的物质如1,3-二苯胍（DPG）和重金属锌（Zn）也可能发挥重要作用。

对沿海生态系统的生态学意义

本研究结果表明，所测试的未风化轮胎胎面浸出液对海洋初级生产者和消费者构成的化学危害远大于所测试的特定未风化水产养殖塑料。轮胎浸出液对桡足类的影响发生在未来预测浓度范围内，表明潜在生态风险较高。广岛湾是日本最大的牡蛎养殖区，日本鳀（Engraulis japonicus）在天然渔获量中占绝对优势比例。为保护这些关键渔业资源，亟需对轮胎来源化学物质的毒性开展精确生态风险评估。

研究结论指出，环境风化是一个可能以非单向方式动态改变毒性的过程——既可能通过预先耗竭可溶性添加剂降低化学危害，也可能通过颗粒碎裂、光氧化和有毒转化产物的形成增强并质变毒性。未来研究应聚焦于轮胎浸出液中关键毒性成分的定量分析，结合对化学混合物协同效应的深入理解，以支持制定缓解策略，如开发"绿色"轮胎配方或改善道路径流管理，确保渔业资源的长期可持续性。