北极和亚北极淡水中微塑料和多溴联苯醚的吸附动力学建模及生态毒理风险评估

《Environmental Pollution》：Modeling sorption dynamics and ecotoxicological risk of microplastics and polybrominated diphenyl ethers in Arctic and subarctic freshwater

　　

•微塑料从北极淡水环境中的吸附多溴二苯醚（PBDEs）。
•由此形成的PBDE-微塑料复合物增加了北极淡水系统中物种遭受不良毒性效应的可能性。
•PBDE吸附微塑料对北方狗鱼（Northern Pike）的暴露导致细胞损伤和内分泌紊乱的高发生率。
•水中PBDEs的浓度对毒性结果的影响最为显著。

引言

微塑料的广泛存在，即使在偏远的北极和亚北极生态系统中也不例外，正日益成为一项重大挑战。微塑料已在北极所有主要生态系统成分中被检测到。Bergmann等人（2017年）、La Daana等人（2020年）、Tekman等人（2020年）以及Woodall等人（2014年）的研究报告了它们在北极沉积物中的存在。此外，它们也在海水中被记录下来（Cincinelli等人，2017年；Cózar等人，2017年；Granberg等人，2019年；Huntington等人，2020年；La Daana等人，2020年；Lusher等人，2015年；Morgana等人，2018年；Rist等人，2020年；Tekman等人，2020年）。La Daana等人（2018年）也在亚表层海水中检测到它们，而Obbard等人（2014年）和Peeken等人（2018年）则在海冰中发现了它们。此外，Bergmann等人（2019年）证实了它们在雪中的存在。

微塑料具有充当各种有机化学物质（包括多溴二苯醚）潜在汇的特性（Liu等人，2024年；Yan等人，2023年；Prajapati等人，2022年；Fu等人，2021年；Menéndez-Pedriza & Jaumot，2020年）。PBDEs是一组阻燃剂化学品，由联苯结构组成，溴原子连接在芳香环的各个位置上。它们是化学稳定、疏水的化合物，不易降解，使其在所有环境介质（包括空气、水和沉积物）中无处不在。即使在偏远的北极和亚北极环境中，它们的存在也得到了充分记录（de Wit等人，2010年；M?ller等人，2011年；Salvado等人，2019年）。微塑料的小尺寸和比表面积与PBDEs和微塑料的疏水特性相结合，促进了PBDEs从周围水体转移到微塑料上的过程，这一过程被称为吸附。多项研究表明，PBDEs容易吸附到塑料聚合物上（Liu等人，2025年；Cui等人，2023年；Palacio-Cortes等人，2022年；Li等人，2022年；Singla等人，2020年；Xu等人，2020年；Llorca等人，2020年；Xu等人，2019年）。近期研究表明，PBDEs和微塑料的共现可以改变微生物群落、影响生物地球化学循环并影响生态响应（Jia等人，2026年；Pan等人，2025年）。尽管关于北极和亚北极地区微塑料和PBDEs存在的证据已经充分，PBDEs在微塑料上的吸附能力也有定论，且共同污染物可能表现出与单一污染物不同的效应，但仍有大量关于协同污染潜力的研究缺失。

微塑料的大小与某些浮游生物和沉积物相似，易于被各种生物摄入，从而使其暴露于较高的PBDEs和微塑料浓度中（Ding等人，2018年；Green等人，2017年）。PBDEs是已知的内分泌干扰物，可导致生殖损伤和神经发育毒性，而微塑料可引起细胞毒性、胃肠道阻塞和上皮损伤，导致营养不良和生长迟缓。此外，迄今为止，海洋环境一直是污染物风险研究的重点。这可能在一定程度上归因于对淡水和陆地系统仅是最终海洋污染途径的认知。然而，Kallenbach等人（2021年）认为，湖泊可能成为微塑料和其他有机污染物的汇。尽管北方地区拥有全球最大的淡水系统，但其获得的科学关注有限。因此，评估北极和亚北极淡水生态系统中受PBDEs污染微塑料的生态毒理学风险至关重要。

现有的文献主要讨论微塑料和PBDEs在北极和亚北极水域中的存在，重点关注它们的吸附能力以及潜在的环境和生物影响。Li等人（2022年）发现PBDEs和微塑料的暴露可以改变石斑鱼（Epinephelus marginatus）的毒理反应和基因表达。Shi等人（2024年）指出，PBDEs和微塑料的联合暴露可导致鱼类生长迟缓和胚胎畸形。最近，Song等人（2026年）通过实验证明了PBDEs在微塑料聚合物上的吸附，并观察到水生生物的生物反应改变，尤其是鱼类早期生命阶段的发育异常。其他研究还表明，PBDEs和微塑料的共现可以改变微生物群落、影响生物地球化学循环并影响生态响应（Jia等人，2026年；Pan等人，2025年）。综合来看，这些研究表明微塑料和PBDEs的联合暴露可以诱发暴露生物的不良反应。然而，现有文献在很大程度上仅限于特定的塑料聚合物和PBDEs同系物，许多研究是在受控实验室条件下调查温带海洋物种。考虑到北方淡水生态系统独特的环境条件和栖息于其中的物种独特的生理特征，这一局限性尤为重要。北极和亚北极地区拥有全球最大的淡水系统，为适应极端环境条件的物种提供了栖息地。这些物种可能表现出与温带海洋生物显著不同的生理和生态特征，因此，不能假设它们对污染物暴露的反应相同。尽管微塑料增加的风险已引起一些关注，但关于PBDEs和微塑料在北极和亚北极淡水中的累积风险的研究仍然很少（Saeed等人，2022年；Saeed等人，2023年）。然而，据我们所知，迄今为止没有任何研究在北极或亚北极淡水条件下捕捉微塑料和PBDEs的累积风险。

本研究通过评估大奴湖中PBDEs和微塑料的协同污染、它们对北方狗鱼的暴露、在狗鱼胃肠道中的解吸以及由此产生的毒理学反应，填补了这一知识空白。所开发的模型采用随机的计算机模拟方法来模拟大奴湖中PBDEs在微塑料上的吸附动力学以及形成的PBDE-微塑料复合物对狗鱼构成的累积风险。该过程首先确定影响PBDEs在微塑料上吸附的所有因素，这可能包括区域环境因素、PBDEs特性和微塑料性质。然后，确定影响PBDEs吸附微塑料暴露的因素。之后，识别影响鱼类在肠道中解吸的生理因素。最后，确定影响毒性效应诱导的毒力动力学参数。然后将所有这些因素整合到贝叶斯框架中以评估相关的风险。

**风险评估方法**

提出了一种评估PBDE-微塑料复合物相关风险的框架，反映了它们的环境相互作用，如下文图1所示。该框架采用基于贝叶斯网络建模的随机方法来捕捉PBDEs吸附微塑料系统对亚北极湖泊生物构成的风险。它涉及识别影响PBDEs在微塑料上吸附行为的因素以及影响暴露中毒性结果的因素。

**地理区域和目标物种**

所提出的随机风险评估框架应用于根据文献数据推导的场景，代表大奴湖的亚北极淡水条件，符合传统风险评估方法（全国研究委员会，1983年，2007年）。大奴湖是生态敏感的北极和亚北极生态系统中一个大型、深水且具有代表性的淡水湖。该湖经历漫长的冬季，大部分时间被冰覆盖。

**结果与讨论**

由于微塑料的小尺寸和疏水特性，它们可能作为PBDEs的载体和汇。形成的PBDEs富集微塑料复合物具有毒性、持久性并倾向于生物蓄积。PBDEs和微塑料的存在已在大奴湖中得到记录，该湖是亚北极生态敏感的寡营养淡水湖。北方狗鱼在大奴湖食物网中是一种重要的鱼类，由于其强烈的贪食和机会主义摄食行为。

**结论**

本研究引入了一种随机框架来研究PBDEs在微塑料上的吸附机制并评估它们对北方狗鱼的累积风险，北方狗鱼是一种脆弱的鱼类，栖息于环极北极和亚北极地区的湖泊和河流中。所开发的模型整合了微塑料和PBDEs的物理化学性质以及当地环境条件，通过生物学相关的毒性途径评估不良反应。结果表明，暴露于...

**CRediT作者贡献声明**

Bing Chen：写作–审阅与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、方法论。Rehan Sadiq：写作–审阅与编辑、可视化、监督、方法论、调查。Faisal Khan：写作–审阅与编辑、可视化、方法论、资金获取、形式分析、概念化。Xing Song：写作–审阅与编辑、可视化、验证、方法论、形式分析、数据管理。Mohammad Sadiq Saeed：写作–审阅与编辑。

**未引用参考文献**

Aboola和Benson，2021年；有毒物质和疾病登记局，2017年；Banni等人，2009年；Bao等人，2011年；Brucka-Jastrz?bska，2010年；加拿大航海指南，ARC 400，加拿大北部的一般信息，2025年；Yellowknife市，2024年；原住民与北方事务及北部事务部，2024年；Diana，1979年；加拿大环境部，2006年；Granberg和Friesen，2019年；Hinck等人，2007年；Hirai等人，2011年；Ikenoue等人，2023年；Kaikkonen等人，2020年；Kanhai等人，2020年；Li等人。

**数据可用性声明**

所有相关数据和模型均在手稿中提供。

**利益冲突和人工智能工具的使用**

作者声明在项目和研究中没有利益冲突。该工作为原创，第一作者撰写了手稿的初稿。作者使用人工智能工具制作插图并改善手稿的语法和呈现。

**利益冲突声明**

? 作者声明以下财务利益/人际关系，可能被视为潜在的利益冲突：Mohammad Sadiq Saeed报告称由纽芬兰纪念大学提供支持。如有其他作者，他们声明没有已知的财务利益冲突或人际关系可能影响本文报道的工作。

**致谢**

作者感谢加拿大自然科学和工程研究理事会（NSERC）通过NSERC PEOPLE CREAT项目和加拿大纽芬兰纪念大学提供的财务支持。

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