创新木材保护处理方法在早期演替大型附着生物群落中的实地应用效果

《Marine Environmental Research》：Field performance of innovative wood protection treatments on early successional macrofouling communities

　　西蒙娜·伊安努奇|苏卡伊娜·凯迪|费德里卡·卡米萨|罗科·奥雷马|费德里卡·纳西|塔玛拉·奇比克
国家海洋学与应用地球物理研究所 – OGS，海洋学部门，奥古斯特·皮卡德街54号，34151 特里埃斯特，意大利

**摘要**
海洋生物污损长期以来一直威胁着沿海和敏感泻湖地区常用的木质结构的完整性。为了提高软木的耐久性同时减少环境影响，开发了创新的防污处理方法（例如Silvanolin?和热处理（TM）作为传统铜基产品的替代品。在这项研究中，我们评估并比较了这些创新处理方法与市场上销售的铬酸铜硼酸盐（CCB）在宏观生物污损群落早期发展阶段的现场表现。共有72块挪威云杉（Picea abies）木板，分为四组（每种处理方法12块样本：CCB、Silvanolin、TM和对照组），在格拉多泻湖的两个不同水动力条件下浸泡了20天和40天。总共发现了36种宏观生物污损物种。根据PERMANOVA测试，两个地点之间的生物群落存在显著差异，这表明当地水动力条件对处理效果和污损生物的定居动态起着关键作用。水流较大的地点表现出更强的宏观生物污损定殖和招募能力，表明处理效果较差；而水流较小的地点则表现出较低的总体定殖率以及铜耐受性物种（如蔓足类和管虫）的优势，表明处理效果仍然有限。不同处理方法下的分类组成也有所不同，其中热处理对某些物种的选择具有显著影响。本研究强调了当地水动力条件在影响木材处理效果和宏观生物污损群落结构方面的多方面作用，并为在高敏感沿海地区测试创新且环保的防污解决方案提供了宝贵的实地见解和实用的方法论框架。

**引言**
海洋生物污损是由微生物和宏观生物在自然和人工水下硬表面上进行的动态定殖过程（Callow和Callow，2002；Walls等人，2017）。这一过程始于微生物生物膜的形成，这促进了幼虫的附着，并促进了由软性宏观污损生物（如藻类、软珊瑚、海绵、被囊动物和水螅）、硬性宏观污损生物（如藤壶、贻贝和管虫）以及可能参与生物侵蚀过程的内生海洋蛀虫组成的复杂附生生物群落的逐步定居和发展（Gizer等人，2023；Li等人，2023；Yebra等人，2004）。在污损定殖的各个阶段，微生物和宏观生物之间的相互作用释放的化学物质（Qian等人，2007；Qian等人，2022；Salta等人，2013），加上宏观生物逐渐积累造成的机械应力，会导致包括金属、钢铁和木材在内的水下材料的物理化学性质发生变化（Little和Lee，2015；Videla和Herrera，2005）。这些过程会损害材料的完整性和功能效率，最终导致海洋基础设施的长期生物降解和性能下降（Railkin，2003；Schultz等人，2011）。

海洋生物污损受到高温、营养物质可用性、盐度梯度和水动力条件等环境因素的强烈影响（Cao等人，2011；de Souza等人，2025；Portas等人，2023；Veiga等人，2025）。这些典型的沿海和河口地区条件促进了多种海洋污损生物的繁殖、幼虫招募和定居，而广泛存在的人工海洋结构为它们的定殖提供了适宜的表面，进一步加剧了这一问题（Cima，2023；Lawes等人，2018；Martell等人，2018）。

木材，尤其是软木，因其加工性和多功能性而在咸水中被广泛用于各种结构，但极易受到海洋蛀虫的侵蚀（Monaco等人，2018）。这些生物通过穿透木材获取营养或庇护所，破坏其结构完整性，大大降低了其耐久性（Humar和Lesar，2013；Pournou，2020；Rao和Kuppusamy，2022），给维护工作带来了重大的经济和环境成本（Macchioni等人，2016）。这一现象在亚得里亚海北部的沿海泻湖环境中尤为严重，由于软木生长速度快且成本较低，被广泛用于建造码头、桩基、系泊设施和围栏等木质结构（Forti?等人，2021；Underwood等人，2022）。在该地区，软木也是一种极具价值的自然资源，对当地文化遗产具有重要意义，体现了区域的美学、艺术、历史、民族学、科学和社会特征（Alfarè等人，2014；Ljaljevi? Grbi?等人，2024；Monaco等人，2018；Olmo等人，2022）。因此，延长软木的耐久性对于保护区域遗产和确保可持续的资源供应和管理至关重要。

长期以来，使用铜基防腐剂对木材进行浸渍一直是减少木材腐朽和抑制海洋污损生物附着及定居的最广泛和最有效的方法。铜作为主要杀菌剂的存在使得这些防腐剂在保护木材免受生物降解方面非常有效（Khademibami和Bobadilha，2022）。然而，长期在自然环境中使用这些防腐剂引发了关于铜渗漏及其高生物可利用性的重大环境问题，因为铜会被活细胞被动吸收，并且在高剂量下具有高度毒性（Freeman和McIntyre，2008）。为了减少铜向环境中的释放，人们开发了含有固定剂和较低浓度铜的混合溶液（Freeman和McIntyre，2008）。其中，铬酸铜硼酸盐（CCB）作为铬酸铜砷酸盐（CCA）的替代品出现，因使用硼酸而非砷而成为更有效且毒性较低的选项（Gerengi等人，2014；Lebow，2007；Yamaguchi，2003）。尽管基于铬的杀菌剂效果显著，但2006年实施的《杀菌产品指令》（98/8/EC）导致某些欧盟国家对其进行了限制或禁止。因此，为了满足法规要求，铬化合物逐渐被胺类和乙醇胺取代，据报道，符合现行环境法规允许浓度的铜-乙醇胺水溶液（Silvanolin，Silvaprodukt，卢布尔雅那，斯洛文尼亚?）在防海洋蛀虫方面有效（Humar和Lesar，2013）。此外，铜基杀菌剂在效果和毒性之间的良好平衡使其在木材保护行业中继续得到应用。根据EN 335（2006），木材防腐剂根据使用条件被分为不同的类别；铜基杀菌剂适用于所有类别，包括第5类（海水应用）。

然而，尽管有相关法规限制铜基防腐剂的使用，但由于铜离子在水体、沉积物和非目标水生生物中的积累，铜的渗漏仍会对生态系统构成生态风险和污染（Nesto等人，2025；Picone等人，2024）。这对于过渡性生态系统（如沿海泻湖）尤其构成威胁，因为这些生态系统具有极高的生态重要性，对全球生物多样性和生态系统服务至关重要（Rodrigues-Filho等人，2023）。这些环境的水动力条件变化（介于中等和低水平之间）可能一方面有利于木材防腐剂渗滤物的扩散和稀释，另一方面又会导致沉积物中污染物的积累（Kennish，2002；Ong等人，2021），从而直接影响泻湖的生物多样性并增加其对各种人为压力的脆弱性（Pesce等人，2025）。因此，开发创新、有效且环保的木材处理方法至关重要。热处理（TM）等木材改性方法已被证明是有效的替代浸渍木材保护方法的创新方案（Picone等人，2024）。与杀菌产品不同，这种处理方法通过可控的热解过程改变木材细胞壁结构，使木材更加致密、尺寸稳定、吸湿性和渗透性降低（Nesto等人，2025）。高温会降解半纤维素中的营养物质，生成对食木生物有效的降解产物，从而使木材更耐生物降解。由于不添加杀菌化学物质，与传统铜基处理相比，这种方法可能减少有毒物质的释放，从而降低对非目标物种的潜在负面影响（Hill等人，2021；Nesto等人，2025；Picone等人，2024）。

大多数研究创新木材保护效果的研究依赖于在受控条件下进行的生态毒理学测试，这些测试使用特定的污损生物作为目标（Cima和Ballarin，2013；Cima和Varello，2023；De Vetter等人，2008；Nesto等人，2025）。然而，这些实验未能充分考虑自然界中存在的非生物和生物因素之间的复杂相互作用，这些因素可能影响木材处理的效果。温度、pH值和水动力条件会显著增加驱避剂的渗漏，从而可能降低木材保护处理的长期有效性（Barbero-Lopez等人，2021；Freeman和McIntyre，2008）。此外，这些过程不仅可能促进宏观生物的定殖，还可能选择更耐受的物种，同时抑制更敏感的物种，从而改变污损群落的演替动态和组成（Cima和Varello，2023）。尽管人们对新的环保防污解决方案越来越感兴趣，但在自然条件下直接比较不同商业配方（如CCB和铜-乙醇胺）和木材改性技术（如热处理）效果的现场研究仍然有限。因此，这些创新防污处理方法对宏观生物污损群落在现场的数量、多样性和早期演替组成的影响仍知之甚少。

为了填补这一知识空白，本研究的目的是通过调查三种木材防污处理方法对附生宏观生物群落的数量、组成和早期演替的影响，来评估和比较它们的现场表现。为此，使用欧洲常见的挪威云杉（Picea abies）心材木板（Thaler和Humar，2014），这种木材广泛用作建筑材料，分别进行了热处理（TM）和两种不同的铜基保护处理：一种新的商业铜-乙醇胺水溶液（Silvanolin，Silvaprodukt，卢布尔雅那，斯洛文尼亚?）以及市场上常见的CCB。每种铜基溶液的铜浓度分别为0.25%和1%，符合现行法规限制。处理过的木板和对照组木板（未经处理）随后被浸泡在格拉多泻湖（亚得里亚海北部）的两个不同水动力条件下（Acquavita等人，2024；Ferrarin等人，2010）长达40天，以促进早期宏观生物群落的定居。

在这项实验中，我们探讨了以下研究问题：1）这些创新木材处理方法需要多长时间才能在野外条件下影响宏观生物污损的最早发展阶段和定居？我们预计它们在短期暴露（几周）后就能对早期污损生物产生抑制作用；2）当地水动力条件在多大程度上影响处理效果？我们预计木材处理效果与当地水动力条件之间存在显著相互作用，这可能会降低处理效果；3）所测试的处理方法是否会影响宏观生物污损群落的物种数量和组成？由于这些处理方法使用不同的驱避剂，我们预计每种处理方法会导致不同的宏观生物污损数量和组成。本研究的总体目标是：i）更好地理解木材在野外条件下的处理行为；ii）为测试创新且环保的解决方案的有效性提供有用的方法论框架，以延缓高敏感沿海地区的海洋生物污损发展。

**研究区域**
格拉多-马拉诺泻湖是一个生态上重要的过渡性水系统，沿亚得里亚海北部海岸延伸约160平方公里，介于塔利亚门托河和伊松佐河口之间（Ferrarin等人，2010）。它是意大利第二大沿海泻湖，分为两个水文上不同的流域（图1）：西部的马拉诺流域，以浅水和大量淡水输入为特征；东部的格拉多流域。

**处理过的木板上的早期宏观生物污损群落**
在处理过的木板上观察到的宏观生物污损群落包括44个分类单元，其中43.2%为端足类，其次是固着多毛类（25.0%）和双壳类（6.8%）。藤壶和十足类甲壳动物（4.5%），以及海鞘、桡足类、刺胞动物和海绵（2.3%）构成了其余的生物群落。在这44个分类单元中，有36个被鉴定到物种水平（占总数的81%）（表S4）。根据Dajoz稳定性指数，大多数（68.2%）...

讨论
本研究考察了创新木材处理方法对Picea abies板材上形成的大型附着生物群落的丰度和组成的短期影响，这些板材在两个不同水动力条件下的环境中浸泡了20天和40天。我们的主要发现表明，局部水动力条件对木材保护效果以及大型附着生物群落早期演替阶段的形成具有主导作用。

结论
在本研究中，我们调查了不同创新木材处理方法在北部亚得里亚海过渡区生态系统中的早期附着生物群落上的表现，这些群落在野外暴露20天和40天后的情况。根据我们的研究结果，木材处理方法并未显著抑制早期附着生物群落的定居，这表明在短期暴露于自然条件后，其防附着效果有所下降。多样的水动力条件...

作者贡献声明
Simona Iannucci：撰写——原始草稿、可视化、调查、正式分析。
Soukaina Kaidi：撰写——原始草稿、调查。
Tamara Cibic：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资源管理、方法论、概念化。
Rocco Auriemma：正式分析。
Federica Nasi：撰写——原始草稿、验证、调查、正式分析。
Federica Camisa：调查、正式分析。

未引用的参考文献
Barbero-López等人，2021年；《杀生物剂产品指令》，1998年；Cardona-Gutiérrez和Londo?o-Cruz，2020年；CEN欧洲标准化委员会，2013年；Cossignani，1992a；Cossignani，1992b；WoRMS编辑委员会，2025年。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢
我们感谢同事Elena Di Poi、Edvino Cociancich和Gianluca Zazo在实验过程中提供的后勤支持。S. Kaidi衷心感谢TRIL（意大利实验室研究与培训项目）计划的支持。本研究得到了DuraSoft项目（用于提高传统木结构在社会生态敏感环境中的耐久性的创新技术）的支持，该项目由跨区域合作计划资助。