轮胎磨损颗粒与镍联合暴露增强水生大型植物耳叶槐叶萍（Salvinia auriculata Aubl.）的毒性与矿质营养积累

《Aquatic Toxicology》：Combined exposure to tire wear particles and nickel enhances toxicity and mineral nutrient accumulation in aquatic macrophyte Salvinia auriculata Aubl

　　

摘要：轮胎磨损颗粒（TWPs）在城市环境中普遍存在，并常与城市水生生态系统中的金属共存。然而，这些污染物之间的相互作用及其对水生大型植物的联合效应仍未被充分理解。本研究旨在评估未经处理（来自废旧轮胎胎面）和生物老化后的TWPs与镍（Ni）单独及联合暴露对浮水大型植物耳叶槐叶萍（Salvinia auriculata）的生长、光合色素和矿质营养元素浓度的影响。研究人员将植物暴露于环境相关浓度（5000颗粒/L）的未经处理和老化TWPs及/或Ni（60 μg/L）下。结果表明，未经处理和老化TWPs均释放了相当量的Zn，但两者均未释放或吸附Ni。仅在TWPs与Ni联合暴露下观察到特定生长率降低，表明存在协同毒性效应。光合色素的改变，表现为叶绿素减少和类胡萝卜素含量升高，表明植物处于胁迫状态并激活了非酶促防御机制，尤其在TWPs和TWPs+Ni处理组中。单独或同时暴露于TWPs和Ni增加了多种必需元素（Ca、Cu、Fe、Mg、Mo和Zn）的积累，同时降低了K的吸收，这可能反映了胁迫诱导的营养元素再分配或金属吸收过程中的竞争性相互作用。未经处理和老化TWPs均未显著影响Ni在植物组织中的积累。值得注意的是，老化仅轻微改变了TWPs诱导的响应，表现为与未经处理TWPs相比，类胡萝卜素、Mg和Zn含量更低。总体而言，结果表明TWPs和Ni相互作用加剧了S. auriculata的胁迫，强调了水生环境中多胁迫情景的生态毒理学重要性。

**论文解读：轮胎磨损颗粒与镍联合暴露对水生植物耳叶槐叶萍的毒性效应与矿质营养积累机制研究**

**1. 研究背景**

轮胎磨损颗粒（TWPs）是道路交通产生的主要非尾气颗粒物之一，已成为水环境中新兴的微塑料（MPs）污染物。随着城市化进程加速，TWPs通过雨水径流大量进入水生生态系统，其环境浓度可达0.03至56 mg/L，在严重污染区域甚至超过500 mg/L。与此同时，镍（Ni）作为工业活动（如金属冶炼、电池制造、化石燃料燃烧）释放的典型重金属污染物，在受污染水体中浓度可高达200 μg/L。由于TWPs和Ni常常在城市水环境中共存，它们之间可能产生复杂的相互作用，对水生生物带来难以预测的复合生态风险。然而，目前关于TWPs与Ni联合暴露对水生植物的毒性效应及机制，尤其是对植物光合作用、矿质营养平衡及两者协同作用的理解尚不充分。因此，开展此项研究对于评估多污染物共存场景下的水生生态风险具有重要意义。

**2. 主要技术方法**

* **颗粒老化与表征：** 将未经处理的TWPs在斯洛文尼亚卢布尔雅那的Glin??ica溪流水中进行为期6周的生物老化培养，以模拟自然老化过程。利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对老化前后TWPs的表面化学组成和形态进行表征。
* **暴露实验设计：** 以浮水植物耳叶槐叶萍（*Salvinia auriculata* Aubl.）为模式生物，设置6个处理组：对照组、未经处理TWP（TWP）组、老化TWP（agTWP）组、Ni组、TWP+Ni联合组以及agTWP+Ni联合组。TWPs浓度为5000颗粒/L，Ni浓度为60 μg/L，暴露周期为7天。
* **效应指标测定：** 通过计数叶片数计算特定生长率（RGR）；采用乙醇提取法测定叶绿素a（Ca）、叶绿素b（Cb）、总叶绿素（Ca+b）和总类胡萝卜素（Cx+c）含量；利用石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）和火焰原子吸收光谱法（FAAS）测定溶液及植物组织中的Ni、Zn及多种矿质元素（Ca、Cu、Fe、K、Mg、Mn、Mo）浓度。

**3. 研究结果**

**3.1 老化TWPs的特性**
FE-SEM图像显示，老化TWPs表面附着微生物并出现微小裂纹，表明其表面发生了生物膜定殖和物理化学改性。FTIR光谱显示，老化后出现了与微生物胞外聚合物（EPS）相关的O-H、C=O和C-N等新吸收峰，同时部分橡胶特征峰消失，表明老化过程改变了颗粒表面化学性质。

**3.2 溶液中镍和锌的浓度**
在无植物的阴性对照中，Ni浓度未发生变化，表明TWPs既不释放也不吸附Ni。添加TWPs的处理组中，Zn浓度显著增加（36-60%），证实了Zn从TWPs中浸出。在有植物的处理组中，Ni浓度下降约三分之一，表明植物吸收了Ni。

**3.3 对耳叶槐叶萍相对生长速率的影响**
仅TWPs（无论是否老化）与Ni的联合暴露显著降低了S. auriculata的RGR，而单独暴露于TWPs或Ni均未对生长产生显著影响，表明联合暴露产生了协同毒性效应。TWPs的老化程度对RGR无显著影响。

**3.4 对耳叶槐叶萍光合色素的影响**
未经处理TWPs及其与Ni的联合暴露显著降低了叶绿素a含量，同时联合暴露还降低了叶绿素b含量。所有含TWPs的处理组（单独或联合）均显著提高了类胡萝卜素含量，暗示植物激活了非酶促抗氧化防御机制。老化TWPs与Ni联合暴露对类胡萝卜素含量的影响显著低于未经处理TWPs与Ni联合暴露。

**3.5 耳叶槐叶萍的矿质营养元素含量**
与对照相比，暴露于TWPs及/或Ni显著增加了植物组织中Ca、Cu、Fe、Mg、Mo、Zn等多种必需元素的积累，但显著降低了K的含量。其中，Fe含量的增加仅在TWPs与Ni的联合处理组中显著，而Ca和Mo含量的增加仅在TWP+Ni处理组中显著。Ni单独或联合暴露均显著增加了植物体内Ni的积累，但TWPs单独暴露未影响Ni的吸收。老化TWPs处理显著降低了Mg和Zn的含量，与未经处理TWPs相比，表明老化过程轻微改变了TWPs的效应。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 研究表明，生物老化导致TWPs表面形成微生物生物膜，但并未显著改变其毒性效应及其与Ni的相互作用。尽管TWPs浸出的Zn浓度远低于对浮水植物的半数抑制浓度（IC₅₀），但TWPs可能通过物理粘附（在叶片表面大量附着）和浸出化学物质（如有机添加剂）共同对植物造成机械损伤和化学胁迫，导致光合色素含量降低和类胡萝卜素含量升高。在TWPs和Ni共存时，植物生长受到显著抑制，表明两者产生了协同毒性。这种协同作用并非源于Ni吸附于TWPs表面而增强的生物可利用性，而是两种污染物独立胁迫效应的叠加。矿物质元素（如Ca、Mg、Fe、Zn）的吸收增加，推测是植物应对氧化胁迫的防御性反应，即通过增强这些元素（作为抗氧化酶辅因子）的摄取来缓解伤害。而K含量的下降可能反映了细胞膜损伤导致的钾离子外流。TWPs本身并不影响Ni的吸收，但Ni的存在及其与TWPs的联合作用，通过干扰离子转运过程，显著改变了宏量及微量元素的稳态。

**研究结论：** 本研究推进了对TWPs和Ni所构成的多维生态风险评价。TWPs单独未影响植物生长，而联合暴露显著降低了相对生长速率，表明在Ni吸收量不变的情况下，共暴露产生了更强的效应。TWPs的毒性体现在光合色素的改变，包括叶绿素a和b的减少以及类胡萝卜素含量的增加，而Ni单独未影响这些参数。这些效应表明可能诱导了氧化应激，这需要在后续研究中通过直接的生化证据加以证实。单独或联合暴露于TWPs和/或Ni，调节了Fe、Mo、Ca、Mg和Zn的吸收，且在联合污染场景下这种调节作用增强，表明当Ni和TWPs共存时，代谢紊乱更为严重。因此，TWPs与Ni的共污染对生长、光合色素含量和元素含量产生了增强效应。重要的是，与生物膜形成相关的TWPs生物老化，既未减轻也未加剧其毒性及与Ni的相互作用。这些发现强调了评估多污染物相互作用的重要性，因为这种相互作用可能产生单污染物暴露所无法预测的生态风险。