船舶防污涂层浸出液对目标和非目标海洋微藻物种的毒性研究：多分类群及多层次生物学方法测试

《Marine Environmental Research》：Toxicity of vessel antifouling coating lixiviates in target and non-target marine microalgal species: multi-taxa and biological multi-level approach testing

微藻在两种商用抗污涂料（传统生物基BC与 foul-release FR）下，表现出不同的生长抑制、光合效率降低及氧化应激反应，BC涂料导致更显著的色素含量变化和金属吸附差异。多物种、多层级方法揭示了涂料类型与生物响应的关联。

　　

马·桑托斯-西蒙（Mar Santos-Simón）、塞尔吉奥·塞奥阿内（Sergio Seoane）、内斯托尔·埃切巴里亚（Nestor Etxebarria）、阿格涅塞·马尔基尼（Agnese Marchini）、埃斯特her·布兰科-拉永（Esther Blanco-Rayón）和玛伦·奥尔蒂斯-萨拉戈蒂亚（Maren Ortiz-Zarragoitia）

西班牙巴斯克大学（UPV/EHU）科学与技术学院动物学与动物细胞生物学系CBET+ CRG团队，莱奥亚（Leioa）

摘要

微生物膜的形成是生物演替过程中的第一步，这一过程发生在暴露于水环境中的裸露表面上，其中微藻（尤其是硅藻）是最早出现的殖民者之一。为了防止或减少人工结构上的这种不希望出现的生长，人们采用了防污（AF）措施，其中涂层是最常见的方法。本研究从多分类群和多层次生物学的角度，考察了两种市售涂层的效果：一种传统的基于杀生物剂的涂层（BC），另一种则是释放抑制剂的涂层（FR）。选择了三种微藻进行实验，包括浮游的非目标物种和一种底栖的目标硅藻，并将它们暴露在防污浸出液中72小时，以测量各种生物学指标。毒性筛选试验表明，BC浸出液抑制了所有测试物种的生长，并对光合作用效率产生了不同的影响，其中硅藻最为敏感；而FR浸出液主要引发了亚细胞反应，而非严重的生理障碍。此外，暴露还改变了三种测试藻类的总色素含量，尤其是在BC处理下。亚细胞反应显示，在BC和FR处理之间，微藻的氧化应激生物标志物（过氧化氢酶和谷胱甘肽S-转移酶活性以及脂质过氧化水平）存在差异。细胞对金属的吸附水平在不同处理和物种之间没有明显差异。总体而言，BC和FR防污浸出液直接影响了目标和非目标微藻物种，尽管反应的类型和程度因物种和处理方式而异。利用微藻进行的多分类群和多层次研究方法能够提供生物反应的全面概述，是水生毒理学中的宝贵工具。

引言

暴露于湿润或水环境中的裸露表面容易被各种生物体定殖，这一过程最终形成成熟的生物群落。当这种生物群落在人工基底上出现时，就被称为生物污损（Railkin, 2003）。浸入水中后，有机大分子会被吸附，从而开始表面条件的形成和随后的细菌定殖。这一阶段相对较快，随后单细胞真核生物出现，增加了初始微生物膜的复杂性。微藻（尤其是硅藻）与真菌和原生动物一起成为最早出现的生物，构成了所谓的生物污损（Railkin, 2003; Salta等人, 2013）。生物演替过程非常复杂，其背后的机制尚未完全理解。然而，普遍认为某些分子和生物体的存在及其相互作用决定了后续污损物的定殖（Yebra等人, 2004; Salta等人, 2013）。生物膜的动力学不仅影响微生物的定殖，还影响大型污损物的招募，进而影响生物污损的发展（Dobretsov和Qian, 2006），这对生物技术应用（特别是防污技术）具有重要意义（Dobretsov等人, 2006）。

生物污损是一个跨行业问题，影响着蓝色经济的多个领域（IMO, 2025），并对系统的最佳性能和功能产生重要影响，进而影响相关成本，如操作性、效率、维护等（Schultz等人, 2011）。此外，生物污损还可能带来重大的生物安全风险（Davidson等人, 2016; Georgiades等人, 2020），并与压载水（Bailey, 2015；有害藻类：Bilbao等人, 2026）一起，被认为是非本地物种（NIS）引入和传播的主要人为媒介（Hewitt等人, 2009; Ros等人, 2023）。然而，与其他媒介（如压载水）不同，尽管存在相关成本，目前仍缺乏针对生物污损的标准和监管措施，尤其是针对休闲船只（Santos-Simón等人, 2025）。

因此，采取防污（AF）措施对于防止或减少人工表面上不希望出现的污损生物群落的生长及其带来的影响至关重要。防污涂层是最常见的措施之一，尤其是基于杀生物剂的涂层（BC）应用最为广泛。在全球禁止使用三丁基锡（TBT）后（IMO, 2001），铜（以氧化铜的形式）目前是最常用的杀生物剂（Jones和Bolam, 2007; Ytreberg等人, 2020; Paz-Villarraga等人, 2022），通常与锌和吡硫铜等辅助杀生物剂结合使用。

尽管BC涂层被广泛使用，但其实际效果仍存在不确定性（Culver等人, 2021; Santos-Simón等人, 2024），并且它们对海洋环境的间接影响也尚未完全了解（Yebra, 2004; de Campos等人, 2021）。此外，来自海上航运和休闲船只的BC涂层被认为是环境中金属的重要来源（Ytreberg等人, 2022）。这些化合物的释放已被证明会影响某些非目标物种（Karlsson等人, 2010; Ytreberg等人, 2010; Oliveira, 2017），而且某些目标物种可能会对杀生物剂产生抗性（Floer等人, 2004; Culver等人, 2021; Santos-Simón, 2024），从而导致涂层性能下降。

为了避免传统BC涂层带来的潜在问题和风险，人们正在探索新的替代方案，这些方案避免使用有毒化合物。从基于海洋生物化学防御机制的天然化合物（Qian等人, 2015），到改变表面性质和排斥机制的物理方法，防污技术正在向可持续替代方案发展，并已进入市场（Yebra等人, 2004; Wezenbeek等人, 2018）。其中，释放抑制剂的涂层（FR）技术越来越普遍。大多数FR涂层基于硅橡胶弹性体、氟聚合物或两者的组合（Wezenbeek等人, 2018），通过降低污损物在表面上的附着强度来发挥作用（Magin等人, 2010; Tian等人, 2021），而不是依赖化学化合物。不过，一些产品将这种物理作用方式与杀生物剂结合使用，以提高涂层效果。

总体而言，可以假设涂层可能会通过水传播的成分对周围生物产生影响。根据涂层类型的不同作用机制，预期效果也会有所不同，其中BC涂层的影响最为令人担忧。此外，生物体的生物学特性将决定毒性的程度及其反应。微藻在水生环境中种类繁多且无处不在，在水生生态系统中起着关键作用。它们对环境变化的快速响应使它们成为理想的生物指示剂。几十年来，使用微藻作为测试生物的生物测定已成为生态毒理学中的重要工具（Nyholm和Peterson, 1997; Lee等人, 2023）。

本研究的主要目的是确定市售的基于杀生物剂的（BC）和无杀生物剂的释放抑制剂的（FR）防污涂层是否会在不同门类的微藻中引发不同的、可一致检测到的生物学效应。为此，我们采用了双层方法框架：首先进行毒性筛选，将生长和光合作用反应作为一般的生理指标；其次进行机制评估，重点关注与亚细胞氧化应激相关的指标。这种多层次、多分类群的设计旨在明确BC和FR涂层对非目标浮游微藻和“目标”底栖硅藻的影响差异，同时为未来的标准化工作提供有价值的参考。

部分内容摘录

培养基

直接用于研究基础设施的自然海水通过0.22微米孔径的硝酸纤维素过滤器（FisherScientific）过滤，并在80°C下杀菌1小时。冷却后，将其保持在4±1°C直到用于藻类培养和/或浸出液制备（使用时间不超过48小时）。培养基按每升1毫升的比例直接加入实验烧瓶中，使用f/2-silica富集培养基（Fitoplancton Marino公司的‘easy algae f/2 modified + silica’产品；加的斯）。

浸出液的化学分析

讨论

本研究评估了两种市售防污涂层对不同微藻物种的毒性，包括两种浮游非目标物种和一种底栖目标物种。研究旨在从多层次生物学的角度描述不同门类物种对防污涂层浸出液的反应，特别关注基于杀生物剂的涂层和释放抑制剂的涂层之间的差异是否具有一致性。

结论

本研究采用的多分类群和多层次生物学方法提供了暴露于防污涂层的微藻所发生生物反应的全面概述，证明这是一种有用的方法。研究表明，防污涂层浸出液直接影响目标和非目标微藻物种，尽管反应的程度因物种而异。在传统的基于杀生物剂的涂层下，观察到了明显的生理损伤。

CRediT作者贡献声明

塞尔吉奥·塞奥阿内（Sergio Seoane）：撰写——审稿与编辑、验证、资源准备、方法学设计、研究实施、资金获取、概念构思。马·桑托斯-西蒙（Mar Santos-Simón）：撰写——初稿撰写、可视化设计、方法学设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。内斯托尔·埃切巴里亚（Nestor Etxebarria）：撰写——审稿与编辑、验证、资源准备、方法学设计、研究实施、数据分析、概念构思。埃斯特her·布兰科-拉永（Esther Blanco-Rayón）：方法学设计、概念构思。

未引用的参考文献

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性声明

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利益冲突声明

?作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：玛伦·奥尔蒂斯-萨拉戈蒂亚（Maren Ortiz-Zarragoitia）报告获得了巴斯克政府的财政支持。塞尔吉奥·塞奥阿内（Sergio Seoane）报告获得了巴斯克政府的财政支持。马·桑托斯-西蒙（Mar Santos-Simón）报告获得了巴斯克政府的财政支持。内斯托尔·埃切巴里亚（Nestor Etxebarria）报告获得了欧盟的财政支持。

致谢

本研究由巴斯克政府通过博士前资助（参考编号PRE_2020_1_0373）、CBET+联合研究小组（参考编号IT1743-22）以及Stream功能研究小组（参考编号IT1471-22）资助。此外，该出版物也是欧盟NextGenerationEU/PRTR项目（资助编号MCIN/AEI/10.13039/501100011033）下的研究项目TED2021-132109B-C21的一部分。我们感谢Plentzia海洋站的员工和同事们的支持。