在鱼类介导的营养盐富集条件下，河流生物膜的功能会受到1H-苯并三唑的损害

《Aquatic Toxicology》：Fluvial biofilm functioning is impaired by 1H-benzotriazole under fish-mediated nutrient enrichment

　　

**摘要**

微生物生物膜对环境压力作出响应，并驱动溪流中的关键生物地球化学过程，支撑着污染物去除、碳固定和养分循环等生态系统服务。1H-苯并三唑（B1H）是一种广泛存在的新型污染物，已知对微生物、植物和动物有影响，且在受废水影响的水体中常与养分富集同时出现。本研究利用河流微宇宙实验，评估了在低于已报告毒性阈值（标称浓度：200 μg/L；实测浓度：175±12 μg/L，均值±标准差）的条件下，B1H对动态鱼类介导的养分富集环境中石上生物膜结构和功能的影响，其中以蚊鱼（*Gambusia holbrooki*）作为污染物受体和养分来源。结构响应有限，B1H增加了胞外聚合物（EPS）基质中的蛋白质含量，但对与生物量相关的指标未产生显著影响。相比之下，多种功能过程受到B1H暴露的影响。B1H特别降低了磷的摄取和生物量特异性的群落代谢，表明石上生物膜的效率降低。在长期暴露后发现了硝化和异养碳利用方面的影响。所有处理组中鱼类介导的铵盐逐步富集和磷的逐渐耗竭导致了严重的化学计量失衡，且该失衡与B1H暴露相互作用，共同塑造了生物膜的响应。到第3周时，暴露组和未暴露组的生物膜通过B1H暴露生物膜中部分响应的恢复以及未暴露生物膜在养分失衡下功能表现的下降而趋于一致。总体而言，我们的结果表明，污染物对淡水生物膜的影响取决于生态背景。B1H表明，即使在低于标准毒性阈值的浓度下，污染物仍可通过直接和间接途径的相互作用改变淡水生态系统的功能，这凸显了将生态相互作用纳入淡水生态风险评估的重要性。

**引言**

河流生态系统提供重要的生态系统服务，包括水质净化、碳固定和养分循环（Battin等，2016）。这些服务来源于执行互补生态功能的生物之间的相互作用（Leenhardt等，2023；Harrison等，2022）。然而，过量输入养分和合成化学物质已经改变了生态系统的结构和功能，损害了生态完整性和服务供给（Battin等，2016；McDowell等，2020；Cross等，2022）。随着气候变化和用水需求增加导致水资源短缺加剧，理解污染物如何在真实生态条件下影响生态系统功能，对于保障区域和全球尺度的水安全已变得至关重要（Guasch等，2009；McDowell等，2020；Cross等，2022；Leenhardt等，2023）。

生态系统功能和服务供给来源于自下而上和自上而下过程之间的相互作用（Collins等，2016）。在河流中，鱼类调节养分通量和营养级间相互作用，对初级生产和群落动态施加强烈控制（Collins等，2016）。同时，微生物生物膜是生态系统过程的关键驱动因素，介导污染物转化、碳固定和养分循环（Battin等，2016；Morin和Artigas，2023）。石上生物膜发育于石头和卵石表面，产生由多糖和蛋白质为主要成分的胞外聚合物（EPS）基质（Battin等，2016；Flemming等，2024；Wang等，2019）。这些由原核生物、藻类、真菌和原生动物组成的跨界聚合体，因其对环境变化的快速响应能力和在污染物暴露下发展污染诱导的群落耐受性（PICT）的能力，而被广泛用作生态指示物（Guasch等，2009；Tlili等，2016；Wang等，2019）。因此，生物膜为评估污染物如何影响生态系统功能提供了理想的模型系统（Battin等，2016；Tlili等，2016；Morin和Artigas，2023）。

在化学品的生态风险评估中增加真实性，需要纳入物种相互作用、适应性响应、生态系统功能和共现胁迫因素（Tlili等，2016；Fischer等，2013；Morin和Artigas，2023；Leenhardt等，2023）。即使在低剂量下，有毒物质也可改变能量分配、养分循环和食物网动态。重要的是，生态系统各组分之间的相互作用也可能调节毒性，使得一个营养级中的效应对其他营养级产生间接传播（Magellan等，2014；Tuulaikhuu等，2015；Peace等，2021）。例如，砷暴露已被证明可以减少蚊鱼的氮和磷排泄，从而对生物膜功能产生次生效应，说明有毒物质暴露如何重塑生态系统养分动态（Tuulaikhuu等，2015）。这些相互作用介导的途径凸显了在生态整合系统中而非孤立物种实验中评估污染物的必要性（Peace等，2021；Leenhardt等，2023；Morin和Artigas，2023）。

在新兴污染物中，苯并三唑类（BTRs）因其广泛使用、环境持久性和生物累积特性而近期引起关注（Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022）。BTRs是高产量化学品（年产量>9000吨），广泛用于工业和家庭应用中的防腐剂和紫外稳定剂（Pále?ová等，2024；Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022）。由于其亲水性（log Kow 1.17–2.26），BTRs具有高度迁移性，并在水体环境中频繁被检出（Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022；Pále?ová等，2024）。其中，1H-苯并三唑（B1H）是最普遍且具有生态相关性的之一（Struk-Soko?owska等，2022；Shi等，2019）。地表水浓度在全球范围内从0.2到8,530 ng/L不等（Shi等，2019），尽管在机场附近记录了异常高的水平（欧洲高达1.1 mg/L，北美高达126 mg/L），这是由于飞机除冰液所致（Jog等，2022；Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022）。污水处理厂中B1H的去除效率差异很大（19–95%），使得出水成为受纳溪流的重要来源（Jog等，2022；Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022）。

B1H对多种生物类群表现出毒性，包括抑制硝化微生物、减少藻类和植物生长、影响无脊椎动物表现，以及在脊椎动物中的亚致死效应，包括内分泌干扰、肝毒性和神经毒性（Jog等，2022；Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022）。尽管有广泛的毒性证据，但关于B1H暴露对生态系统过程或相互作用介导效应后果的研究有限（Shi等，2019；Struk-Soko?owska等，2022）。标准毒性试验报告的影响浓度在mg/L范围（Shi等，2019），远高于大多数环境水平，然而，长期低水平暴露可能改变生理过程、物种相互作用和生物地球化学通量，即使结构指标保持不变（Tlili等，2016；Peace等，2021；Morin和Artigas，2023）。鉴于B1H的广泛存在性、在多个营养级中记录的效应以及在活性污泥中对硝化微生物的抑制作用，B1H是检验低于标准效应阈值的浓度能否通过养分动态传播并改变生态系统功能的有价值模型污染物（Peace等，2021；Struk-Soko?owska等，2022；Aceves-Zamora等，2025）。

为应对这一问题，我们进行了一项河流微宇宙实验，评估标称浓度200 μg/L的B1H在鱼类介导的动态养分可利用性条件下对石上生物膜的影响。尽管地表水中B1H浓度通常低于10 μg/L，但所选浓度代表了真实的热点场景，同时仍低于标准毒性试验中水生微生物报告的影响浓度的6至780倍（Shi等，2019）。蚊鱼（*Gambusia holbrooki*）既作为污染物暴露的受体，又作为动态养分来源，提供了将污染物暴露与生物膜功能联系起来的自下而上途径。我们量化了石上生物膜的22个结构和功能指标，以确定B1H的直接效应和养分介导的间接途径如何可能改变生物膜功能，并评估其对三种生物膜介导的生态系统服务——污染物去除、碳固定和养分循环——的潜在影响。我们假设：i) 石上生物膜的结构指标对所选B1H浓度的敏感性有限；ii) 功能过程响应更为敏感；iii) 由鱼类驱动的养分动态介导的间接途径将调节这些效应。通过在动态养分环境中明确评估污染物效应，本研究通过将间接生态相互作用纳入考虑，扩展了传统生态毒理学评估的范畴，超越直接毒性，探索在低于标准毒性阈值的浓度下，间接生态相互作用如何调节污染物对生态系统功能的影响（Fischer等，2013；Leenhardt等，2023；Morin和Artigas，2023）。

**实验设计与室内渠道搭建**

在西班牙赫罗纳省布拉内斯高级研究中心（CEAB-CSIC）进行了一项室内微宇宙实验。共设置了12个实验单元，每个单元由一条流动渠道和一个配备两台水泵的90L水族箱组成——一台用于在水族箱内循环水（Eheim compactON 300），另一台用于将水从水族箱泵入渠道（Hydor PICO 1200），类似于Tuulaikhuu等（2015）的方法（图S1.a）。使用CO?（JBL Proflora m603）稳定水体的pH值（7.40±0.06）。

**水体理化条件**

在整个实验过程中，各处理组之间的水温、pH、溶解氧和电导率保持相似（表S2）。水温在19.5至21.8°C之间。电导率在566±1至595±3 μS/cm之间波动。pH值随时间逐渐升高，从第0周的7.60±0.04升至第3周的8.20±0.06（均值±标准差）。溶解氧从第0–1周的7.2–7.7 mg/L（饱和度83–85%）增加到第2–3周的8.9–9.7 mg/L（饱和度99–108%），处理间无显著差异。

**养分浓度**

所有养分……

**讨论**

本研究采用河流微宇宙实验，评估了在动态鱼类介导的养分富集条件下，B1H暴露对石上生物膜结构和功能的影响。与我们的假设一致，石上生物膜的结构属性对B1H暴露的敏感性有限，而多种生物量特异性的功能过程对污染物暴露作出了响应。后期的有毒物质效应似乎仅降低了硝化作用并改变了异养碳利用。然而，……

**结论**

在本研究中，我们使用模拟污染热点场景的溪流微宇宙实验，全面考察了石上生物膜对新兴污染物1H-苯并三唑（B1H）的结构和功能响应。本研究证明，1H-苯并三唑即使在低于标准毒性阈值的浓度下也能改变河流生物膜的生态系统功能，尽管仅产生有限的结构响应。生物量特异性的代谢表现、磷的摄取……

**CRediT作者贡献声明**

N. Rubio：调查——微宇宙搭建与监测、生物膜指标测定；形式分析；数据管理；概念构思；论文撰写——初稿撰写、审稿与编辑。A. Khalid：调查——鱼类与微宇宙监测。B. Bonet：调查——微宇宙搭建与监测。L. Bláhova：调查——BTR检测与量化优化；论文撰写——审稿与编辑。A.M. Romaní：论文撰写——审稿与编辑、概念构思、指导监督。H. Guasch：论文撰写……

**数据可用性**

原始序列数据可在NCBI数据库中公开获取，登录号为PRJNA1265138。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本研究报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

**CRediT作者贡献声明**

Nuria Rubio：论文撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、资源、方法论、调查、形式分析、数据管理、概念构思。Amina Khalid：调查。Berta Bonet：资源、调查。Lucie Bláhová：论文撰写——审稿与编辑、方法论、调查。Anna Maria Romaní：论文撰写——审稿与编辑、指导监督、方法论、概念构思。Helena Guasch：论文撰写——审稿与编辑、指导监督、资源、项目管理……

Nuria Rubio | Amina Khalid | Berta Bonet | Lucie Bláhová | Anna Maria Romaní | Helena Guasch

西班牙布拉内斯高级研究中心-西班牙国家研究委员会（CEAB-CSIC），Carrer Accés Cala Sant Francesc, 14, 17300 Blanes, Girona, 西班牙