《Science of The Total Environment》：Ecotoxicological assessment of cement leachates from low-carbon cements in marine conditions
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对低碳水泥在海洋条件下的浸出液进行生态毒理学评估。主要元素（Ca、Al、Si和K）、pH值及碱度对毒性产生影响。多物种试验揭示了不同的影响效应，因此需要进行广泛的生态毒理学评估。低碳水泥总体上降低了毒性，但仍可诱发生物效应。生态毒理学标准对于可持续海洋基础设施
对低碳水泥在海洋条件下的浸出液进行生态毒理学评估。主要元素（Ca、Al、Si和K）、pH值及碱度对毒性产生影响。多物种试验揭示了不同的影响效应，因此需要进行广泛的生态毒理学评估。低碳水泥总体上降低了毒性，但仍可诱发生物效应。生态毒理学标准对于可持续海洋基础设施建设至关重要。
**低碳水泥浸出液海洋生态毒理学综合评估：多物种生物测定与化学表征的整合分析**
**1. 研究背景与科学问题**
在全球能源转型与海洋基础设施快速扩张的背景下，混凝土材料面临减少碳足迹与维持海洋环境耐久性的双重挑战。普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）以熟料为主要组分，其生产过程约占全球CO?排放的6–8%。为降低碳排放，采用辅助胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs）替代部分熟料已成为生产低碳水泥的普遍策略，如含磨细高炉矿渣（Ground Granulated Blast-furnace Slag, GGBFS）的CEM III及含矿渣和粉煤灰的CEM V水泥。然而，尽管低碳水泥的长期化学行为已有充分文献记载，其在海洋环境中的生态毒理效应仍鲜为人知。已有研究表明，从富含Ca的浸出液（CEM I）向富含Al/Si的溶液（CEM III和CEM V）转变可能改变暴露途径，使生态风险发生转移而非消除。此外，现有研究大多局限于单一生物模型或仅开展化学表征，难以全面揭示水泥配方、浸出液化学与生态效应之间的关联。由于海洋生态系统依赖于不同营养级生物间的相互作用，采用多物种生物测定对于捕捉水泥源污染物引发的多样化生物响应至关重要。据此，研究人员选取了三种具有生态相关性和敏感性互补的海洋生物模型——紫海胆（Paracentrotus lividus）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）和费氏弧菌（Aliivibrio fischeri），并结合化学表征与毒性优先指数（Toxicity Priority Index, ToxPi）整合框架，系统评估水泥配方对暴露条件和生物响应的影响，旨在填补低碳水泥在海洋条件下生态毒理学评估的知识空白。
**2. 研究开展内容与主要结论**
研究人员以三种水泥配方为对象，包括一种高熟料水泥（CEM I）和两种低碳水泥（CEM III和CEM V），在模拟海水盐度（33 g L?1 NaCl，pH 8.0）的静态浸出体系中开展42天浸出试验。通过化学表征明确浸出液中主要元素与阴离子组成，采用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）表征水泥浆体微观结构，并整合海胆受精试验、微藻生长抑制试验、细菌生物发光抑制试验、细菌生长动力学与生物膜形成试验以及群体感应（Quorum Sensing, QS）抑制试验等多物种生物测定，最终利用ToxPi模型将各生物终点归一化整合为综合毒性评分。研究发现：CEM I浸出液表现出最高的总体毒性（ToxPi=7.89），主要体现为对海胆受精、微藻生长、细菌代谢和群体感应的强烈抑制；低碳水泥CEM III和CEM V的总体毒性较低（ToxPi分别为3.12和0.76），但仍存在可测量的生物效应，尤其是对生物膜形成的残余影响。该研究证实了降低熟料含量不仅改变浸出程度，更改变了生态毒理学响应的性质；同时表明仅依赖化学表征无法充分评估水泥材料的环境安全性，多物种生物测定与化学分析相结合的方法对于全面评估低碳水泥的海洋环境相容性具有重要科学意义。该论文发表在《Science of The Total Environment》。
**3. 主要关键技术方法**
研究人员采用了以下关键技术方法：①基于静态浸出试验制备水泥浸出液，以33 g L?1 NaCl溶液（pH 8.0）模拟海水盐度，在液-表比5.6 mL cm?2、25 °C、持续 agitation（70 rpm）条件下浸出42天；②采用高效离子色谱（HPIC）定量分析阴离子，采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）定量分析主要元素与微量金属元素；③运用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）表征水泥浆体暴露表面与核心区域的Ca/Si摩尔比分布；④开展多物种生物测定，包括紫海胆（Paracentrotus lividus）受精试验（USEPA 1008.0方法）、三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）生长抑制试验（ISO 10253）、费氏弧菌（Aliivibrio fischeri）生物发光抑制试验，以及两种海洋细菌Tritonibacter mobilis subsp. pelagius和Alteromonas genovensis（均源自Banyuls细菌培养物保藏中心）的生长动力学与生物膜形成试验；⑤采用群体感应（QS）抑制试验，使用Pseudomonas putida F117（pRKC12）和Escherichia coli MT102（pJBA132）两种生物传感器菌株检测酰基高丝氨酸内酯（AHL）信号分子；⑥利用贝叶斯框架下的三参数对数-逻辑斯蒂模型拟合剂量-响应曲线并估算半数效应浓度（EC??），最终通过ToxPi模型实现多终点毒性数据的整合与可视化。
**4. 研究结果**
**4.1 水泥浆体浸出液的化学表征**
浸出42天后，三种水泥浸出液均呈现强碱性pH值：CEM I为12.86，CEM III为12.63，CEM V为12.55；总碱度（以H?SO?滴定至pH 4.5）依次为33.8、25.9和21.9 meq L?1，表明随熟料替代率增加，浸出液的缓冲能力和碱性物质释放量逐步降低。所测目标痕量金属（Cd、Pb、As、Cr、Ni、Cu、Zn）均低于ICP-OES法的定量检测能力。水泥源释放的主要元素中，Ca浓度以CEM I最高（272.73 ± 51.12 mg L?1），CEM V降至134.74 ± 5.28 mg L?1；Sr释放量从CEM I的3.21 ± 0.53 mg L?1降至CEM V的0.41 ± 0.02 mg L?1；K浓度范围为CEM III的37.78 ± 2.34 mg L?1至CEM V的133.99 ± 2.80 mg L?1；Al和Si浓度在低碳水泥中较高，CEM V的Al浓度达2.64 ± 0.11 mg L?1，CEM III的Si浓度达11.63 ± 1.03 mg L?1。阴离子方面，Cl?浓度与初始NaCl溶液基本一致（约26,000 mg L?1），表明无额外的Cl?从水泥基体释放；SO?2?浓度较空白溶液（8.63 ± 0.52 mg L?1）显著富集，范围为CEM III的21.51 ± 1.5 mg L?1至CEM V的34.35 ± 2.65 mg L?1；F?释放量低且各水泥间差异小（0.33–0.40 mg L?1）。
**4.2 水泥浆体的微观结构分析**
SEM-EDS分析显示，CEM I表面与核心区域的Ca/Si摩尔比均值分别为3.01和3.06，显著高于CEM III（1.84和1.76）和CEM V（1.91和1.85）。两种低碳水泥间无显著差异。表面与核心区域的Ca/Si比分布高度重叠（95%置信椭圆相互重合），表明42天浸出后水泥浆体在微观结构上保持均匀，未产生可测量的表面脱钙梯度。
**4.3 海胆（P. lividus）受精试验**
三种水泥浸出液均诱导浓度依赖性的受精抑制。CEM I浸出液在5%和2.5%终浓度下完全抑制受精（0%受精率）；CEM III和CEM V在5%浓度下完全抑制，在2.5%浓度下仍保留少量受精能力（CEM III：0.6 ± 0.9%；CEM V：3.8 ± 1.5%）。在0.5%暴露浓度下，CEM I的受精率为41 ± 6.4%，显著低于CEM III（82 ± 5.1%）和CEM V（81.8 ± 5.9%）。EC??值分别为CEM I 0.49% [95% CI: 0.48–0.49%]、CEM III 0.68% [0.62–0.76%]和CEM V 0.84% [0.76–0.91%]，表明海胆受精对水泥浸出液高度敏感，且CEM I毒性最强。
**4.4 微藻（P. tricornutum）生长抑制试验**
三种水泥浸出液均显著抑制微藻生长（Welch ANOVA，p < 0.05）。以对照（NaCl溶液）的100%为基准，CEM I、CEM III和CEM V处理组的生长率分别为50.8 ± 8.0%、53.5 ± 10.3%和54.8 ± 10.8%，对应生长抑制率为49.1%、46.5%和45.2%。Dunn事后检验显示三种浸出液均与对照显著差异，但三者间无显著差异。
**4.5 细菌（A. fischeri）生物发光抑制试验**
CEM I浸出液在50%最高暴露浓度下导致近完全抑制（96.9%抑制），而CEM III和CEM V的抑制效应较温和（残余发光诱导分别为42.0 ± 0.4%和47.7 ± 1.1%）。CEM I在20–30%中低浓度区间呈现陡峭的发光下降，而低碳水泥则表现出渐变的浓度依赖性抑制。EC??值分别为CEM I 24.5% [22.0–27.1%]、CEM III 38.3% [34.3–42.5%]和CEM V 46.2% [43.7–49.3%]。
**4.6 细菌生长动力学与生物膜形成**
对于A. genovensis，三种水泥浸出液均显著降低其最大光密度（OD???），其中CEM I的抑制最强（0.309 ± 0.007 vs 对照0.561 ± 0.009）；CEM I和CEM III显著降低生长速率，而CEM V与对照无显著差异。生物膜形成方面，三种浸出液均显著抑制A. genovensis的生物膜产量，较对照分别降低16.6%（CEM I）、38.2%（CEM III）和27.7%（CEM V）。对于T. mobilis，所有浸出液均显著降低最大光密度，但三种水泥间的生长速率无显著差异；生物膜形成则呈现相反趋势：CEM I（+14.0%，p = 0.0099）和CEM III（+15.5%，p = 0.0035）显著促进T. mobilis的生物膜形成，而CEM V无显著效应。这表明水泥浸出液对生物膜的影响具有物种特异性。
**4.7 群体感应（QS）抑制效应**
在检测短链AHL（C6-HSL）的MT102–C6生物传感器中，CEM I浸出液的QS抑制率最高（73.0 ± 7.1%），显著高于CEM III（38.3 ± 1.9%）和CEM V（37.3 ± 5.7%）。在长链AHL检测中，MT102–C10传感器显示CEM I抑制率为49.0 ± 6.0%，CEM V为22.5 ± 5.0%，CEM III为15.0 ± 4.7%；F117–C10传感器同样显示CEM I抑制最强（69.5 ± 9.0%），而CEM III（13.0 ± 3.9%）和CEM V（15.8 ± 5.3%）低且相近。总体上，CEM I在整个AHL信号检测系统中表现出最强的QS抑制，CEM III始终较低，CEM V介于两者之间。
**4.8 综合毒性评估（ToxPi）**
将各生物终点的归一化毒性单位（Toxicity Units, TUs）整合为ToxPi综合评分：CEM I得分最高（ToxPi = 7.89），主要由A. fischeri生物发光抑制、P. tricornutum生长抑制和P. lividus受精抑制驱动；CEM III为中等毒性（ToxPi = 3.12），最大贡献来自生物膜形成的抑制；CEM V总体毒性最低（ToxPi = 0.76），但对生物膜形成仍存在可测量的残余效应。
**5. 讨论总结**
研究人员指出，尽管本研究的浸出体系为简化的海水模拟条件（仅NaCl溶液，缺乏Mg2?、Ca2?、SO?2?、CO?2?等天然海水主要组分，且无海水更新和动态水动力条件），但其为比较不同水泥配方的浸出行为和生态毒理学特征提供了受控且可重复的评估平台。化学表征结果证实低碳水泥的SCMs组分改变了浸出液组成而非简单降低释放量——Ca和Sr减少而Al和Si增加，同时pH和碱度降低；然而，即使在目标痕量金属未检出的情况下，显著的生物效应依然存在，提示主要驱动力可能来自高pH、碱度及主要离子组成的变化，而非痕量金属的单独作用。多物种生物测定揭示了物种依赖的敏感性差异：海胆受精对浸出液极为敏感（EC?? < 1%），而细菌生物膜形成则呈现物种特异性双向响应。ToxPi整合框架为比较水泥配方的总体生态毒理学特征提供了有效的多准则决策工具。研究人员强调，低碳水泥的环境绩效不能仅以碳足迹降低来评判，生态毒理学标准应纳入材料设计、环境风险评价和生命周期评估中，以支撑可持续海洋基础设施建设。
**6. 研究结论**
本研究在模拟海洋条件下，对三种水泥（CEM I、CEM III和CEM V）的生态毒理效应进行了整合评估。通过化学表征与多物种生物测定的结合，研究表明胶凝材料组成强烈影响浸出行为和生物响应。CEM I表现出最高的总体毒性，显著影响海胆受精、微藻生长、细菌代谢和群体感应；而低碳水泥（CEM III和CEM V）的总体毒性较低。这些发现强调，加入SCMs不仅改变了生态毒理学响应的强度，也改变了其性质。重要的是，在未检出痕量金属的条件下仍观察到生物效应，提示高pH和碱度是实验条件下毒性的主要驱动因素，但其他溶解组分的作用不能被完全排除。上述结果凸显了多物种方法在捕捉水泥浸出液多样化生物响应中的必要性。尽管低碳水泥有助于降低胶凝材料的隐含碳，其环境绩效还应从生态毒理学效应角度加以评价。将生态毒理学标准纳入材料设计、环境风险评估和生命周期评估，对于发展可持续海洋基础设施至关重要。
