生物质衍生碳吸附剂对紫贻贝（*Mytilus galloprovincialis*）的生态毒理效应

《International Journal of Molecular Sciences》：Ecotoxicological Effects of a Biomass-Derived Carbon Adsorbent on the Mussel Mytilus galloprovincialis

　　

碳基材料如活性炭（AC）常被用于水处理和修复。随着AC的使用和功能化增加，特别是近期要求实施四級处理以去除有机微污染物（指令2024/3019），可能导致AC或沥出产物意外进入水体。此类事件对栖息生物构成潜在风险，但相关研究尚不充分。本研究评估了一种通过微波热解和碳酸钾活化从废啤酒糟（SBG）——一种木质纤维素生物质——获得的AC（SBG-AC）的环境安全性。研究人员将所得SBG-AC经洗涤、过筛（粉末，粒径≤180 μm），并测试其对海洋贻贝*Mytilus galloprovincialis*在5、25和50 mg/L剂量下的生态毒理效应。暴露28天（每周换水）后，评估了与贻贝代谢能力和氧化状态相关的生化参数。暴露于SBG-AC刺激了*M. galloprovincialis*的能量代谢，但以消耗内部能量储备（如糖原）为代价。尽管SBG-AC暴露诱导了抗氧化反应，但在较高剂量（特别是50 mg/L）下，脂质过氧化和蛋白质羰基化显著增加，表明这些保护机制不足以防止氧化损伤。总体而言，虽然SBG-AC为水处理提供了一种有效替代方案，但其在较高剂量下的生态毒性引发担忧，强调了仔细进行风险评估和采取遏制措施的必要性。

**论文解读：生物质衍生碳吸附剂对紫贻贝的生态毒理效应**

**研究背景与问题**
碳基材料如活性炭（activated carbon, AC）因其低成本、高比表面积、多孔结构和多功能性，广泛应用于水处理与修复。然而，随着AC的广泛应用和功能化，尤其是欧盟第2024/3019号指令要求城市污水处理厂实施四級处理以去除有机微污染物，AC及其沥出产物可能意外进入水体，对水生生物构成潜在风险。现有研究多集中于AC作为土壤改良剂对底栖生物的原位影响，但关于AC通过水相暴露（如污水处理厂泄漏）对海洋/河口无脊椎动物的亚致死效应知之甚少，且结果不一致。此外，多数AC生产与应用研究未充分评估其生态毒性。因此，本研究旨在评估一种由废啤酒糟（spent brewery grains, SBG）通过微波热解和碳酸钾活化制备的AC（SBG-AC）对海洋贻贝*Mytilus galloprovincialis*的生态毒理效应，填补该领域知识空白。

**研究内容与结论**
研究人员将SBG-AC（粉末，粒径≤180 μm）以5、25和50 mg/L剂量暴露于*M. galloprovincialis* 28天（每周换水），评估能量代谢、抗氧化防御、氧化损伤和神经毒性等生化指标。结果表明：SBG-AC暴露显著刺激了能量代谢（电子传递系统活性增加），但消耗了糖原储备；抗氧化酶（超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、谷胱甘肽过氧化物酶GPx）和总抗氧化能力（TAC）在低剂量下部分上调，但高剂量（50 mg/L）下SOD和GPx活性受抑，导致脂质过氧化（LPO）和蛋白质羰基化（PC）显著升高，提示氧化损伤；未观察到明显的神经毒性（乙酰胆碱酯酶AChE活性无显著变化）。该研究首次报道了SBG衍生AC的亚慢性暴露对海洋贻贝的不良影响，强调在应用前需进行生态毒性评估，并为优化剂量以最小化生态风险提供依据。论文发表在《International Journal of Molecular Sciences》。

**主要关键技术方法**
- **材料制备**：SBG经干燥、研磨、碳酸钾（K₂CO₃）浸渍（1:2 w/w）、微波热解（800°C，N₂气氛，20 min），随后酸洗、水洗至中性，干燥、粉碎、过筛（≤180 μm）。材料表征参见前期研究（Sousa et al.）。
- **生物测试**：采集自葡萄牙Ria de Aveiro（Mira channel）的*M. galloprovincialis*（壳长60±4 mm，壳宽36±3 mm），经10天驯化后，随机分配至对照组（CTL）及3个SBG-AC剂量组（5、25、50 mg/L），每组3个水族箱（每箱5只），暴露28天，每周换水并重新投加材料。
- **生化指标分析**：取全软组织匀浆，测定能量代谢参数（ETS活性、GLY含量、PROT含量）、抗氧化指标（TAC、SOD、CAT、GPx活性）、氧化损伤（LPO、PC水平）及神经毒性（AChE活性）。具体协议见补充材料。
- **数据分析**：采用PERMANOVA检验处理间差异，PERMDISP检验组内离散度，显著性水平p<0.05。

**研究结果**
**2.1 能量相关参数**
- ETS活性：所有SBG-AC剂量组均显著高于对照组，呈剂量依赖性增加。
- GLY含量：仅50 mg/L组显著低于对照组，其余剂量组呈下降趋势但不显著。
- PROT含量：各组间无显著差异，但SBG-AC暴露组数值略高于对照组。

**2.2 抗氧化响应指标**
- TAC：仅50 mg/L组显著高于对照组，其余剂量组升高但不显著。
- SOD活性：25 mg/L组显著高于5 mg/L组，但与对照组无显著差异；50 mg/L组显著低于其他处理组，呈抑制模式。
- CAT活性：SBG-AC暴露组较对照组升高，但均未达统计显著。
- GPx活性：25 mg/L组显著低于对照组，50 mg/L组与对照组及5 mg/L组无显著差异。

**2.3 细胞损伤指标**
- LPO水平：25和50 mg/L组显著高于对照组，呈剂量依赖性。
- PC水平：50 mg/L组显著高于对照组，其余剂量组升高但不显著。

**2.4 神经毒性指标**
- AChE活性：各组间无显著差异，但50 mg/L组数值略高于对照组。

**讨论与结论**
讨论部分指出，SBG-AC暴露导致能量代谢增强（ETS上升）和糖原消耗，可能源于颗粒物过滤、摄食或吸附食物导致能量失衡。抗氧化酶SOD和GPx在高剂量下受抑，而CAT和TAC部分维持，但氧化损伤（LPO、PC）显著增加，表明防御机制不足。未观察到明显神经毒性，可能与剂量或物种敏感性有关。研究强调，尽管SBG-AC在水处理中有效，但其释放至环境可能对水生生物产生不良影响，需在优化剂量下谨慎应用并采取遏制措施。

**结论部分翻译**：本研究结果表明，通过微波热解和化学活化木质纤维素生物质获得的SBG-AC，在慢性暴露后改变了生物指示物种*M. galloprovincialis*的能量代谢和抗氧化能力。显著影响主要出现在最高测试剂量（SBG-AC 50 mg/L）。这些发现强调了在环境应用前评估活性炭潜在生物效应的重要性。当在操作过程中适当遏制并妥善处置时，其潜在环境影响可降至最低。通过表征剂量依赖性响应并划定与最小效应相关的暴露水平，本研究增进了对碳材料生态毒性的理解，并为废物衍生活性炭在修复策略中的更安全、更可持续部署提供了信息。