基于机制的沿海水体中邻苯二甲酸酯生态风险评估：通过AOP框架连接环境命运与分子毒性

《Marine Pollution Bulletin》：Mechanism-anchored ecological risk assessment of phthalates in coastal waters: Bridging environmental fate and molecular toxicity via an AOP framework

　　

韶阳Bu|李儒丹|陈衍山|林坤|王江涛

中国海洋大学化学与化学工程学院，青岛，266100，中国

摘要

邻苯二甲酸酯（PAEs）在沿海生态系统中的环境归趋和生态风险仍知之甚少，尤其是在对初级生产者的毒理机制方面。本研究系统地调查了青岛沿海水域海水、悬浮颗粒物（SPM）和沉积物中16种PAEs的存在情况，发现沉积物由于具有强烈的“清除作用”而成为主要的蓄积场所。海水中Σ16PAEs的平均浓度为866.0 ng/L，其中以二异丁基邻苯二甲酸酯（DIBP）和二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）为主。基于物种敏感性分布（SSD）模型的生态风险评估显示了一个关键差异：尽管丁基苯基邻苯二甲酸酯（BBP）的固有毒性最高，但由于其高暴露水平，DIBP和DBP造成的个体风险最为显著。重要的是，利用浓度加和（CA）模型进行的累积风险评估表明，混合物风险（RQ_mix）始终超过高风险阈值（RQ_mix），凸显了其普遍的生态威胁。此外，还开发了一种基于机制的混合毒理学模型，以阐明不利结果路径（AOP）框架内的毒性途径。SHAP分析确定超氧化物歧化酶（SOD）活性的破坏是导致生长抑制的主要关键事件（KE）。分子对接和动态模拟进一步探讨了一个可能的分子起始事件（MIE）：大体积的PAEs（BBP/DBP）通过稳定结合抗氧化酶（CAT/APX）的疏水口袋而起到竞争性抑制作用，形成持续的阻塞。本研究建立了一个“基于机制的风险评估”框架，架起了宏观环境监测与微观分子毒理学之间的桥梁。

引言

邻苯二甲酸酯（PAEs）是一类由邻苯二甲酸酐与醇反应生成的合成有机酯，被广泛用于各种工业领域的增塑剂和添加剂，包括食品包装、医疗设备、个人护理产品和涂料（He等人，2019年）。根据碳侧链的长度，PAEs被分为低分子量（LMW）和高分子量（HMW）同系物。由于其与聚合物基质的非共价结合，PAEs在生产、使用和处置过程中容易渗入环境，使其成为“伪持久性”污染物。因此，全球多种环境介质中都检测到了PAEs。最近的全面回顾表明，水生生态系统，特别是沿海地区，是这些污染物的关键蓄积场所，在那里它们不仅在水和沉积物中持续存在，还与水生植物发生相互作用，触发复杂的生物利用性和毒性途径（梁等人，2024年）。

由于河流排放和海洋微塑料的风化作用，沿海海洋环境特别容易积累增塑剂。最近的全球评估表明，PAEs在水柱、悬浮物和沉积物之间动态分布，形成了长期存在的蓄积源，不断威胁底栖和浮游海洋物种（高和文，2016年；梁等人，2024年）。

作为公认的内分泌干扰化学物质（EDCs），PAEs对生态系统健康构成重大威胁。新兴的流行病学和毒理学证据进一步强调了其在低环境浓度下干扰下丘脑-垂体-性腺轴的能力，导致严重的生殖和发育风险（潘等人，2024年）。

在海洋生态系统中，微藻是初级生产者，也是食物网的基础，使其成为评估水质和生态系统稳定性的不可或缺的指标。它们对亲脂性有机污染物如PAEs特别敏感。最近关于藻类与邻苯二甲酸酯相互作用的综述强调，虽然藻类可以降解某些PAEs，但急性暴露——尤其是来自受污染沿海水域的混合物——往往超过其代谢能力，导致显著的生理损伤（Lenarczyk，2025年）。暴露于PAEs（如二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）和双（2-乙基己基）邻苯二甲酸酯（DEHP）会引发一系列连锁反应，主要表现为活性氧（ROS）的过量产生。这种氧化应激导致膜脂质过氧化和光合作用抑制（程，2012a，程，2012b；顾等人，2017年）。

传统的生态风险评估通常依赖于外部暴露浓度和描述性毒理学，缺乏对污染物-受体相互作用的机制理解。此外，PAE结构特征与其氧化应激潜力之间的精确分子起始事件和定量关系仍需探索（Ankley等人，2010年）。为了解决这一差距，我们采用了AOP框架，该框架概念上将MIE（如配体-受体结合）通过一系列细胞关键事件（KEs）与最终在群体水平上的不良结果（AO）联系起来（Ankley等人，2010年）。将该框架中的计算毒理学方法整合起来，为解码“结构-毒性-机制”联系提供了一种强有力的策略。与传统的“黑盒”模型不同，基于机制的混合模型纳入了特定的KEs（例如抗氧化酶活性），以更高的生物学可解释性预测毒性。此外，网络毒理学和分子对接可以在原子水平上阐明PAEs的潜在MIEs，为宏观风险表征提供微观视角。最近，将机器学习（ML）算法与AOP框架的集成彻底改变了机制生态毒理学。虽然传统的结构QSARs常受生物系统非线性复杂性的限制，但由ML驱动的AOPs可以将多维生物反应作为可量化的KEs进行处理，显著提高预测准确性和可解释性（林和周，2022年）。

青岛是中国北部一个快速发展的沿海大都市，面临着来自密集工业活动和旅游业的日益增加的环境压力。尽管在其邻近水域检测到了较高的PAEs浓度（刘等人，2020年），但缺乏综合评估，这些评估整合了多介质分布、物种敏感性和分子毒理学机制。因此，本研究旨在：（1）系统地调查青岛沿海水域海水、悬浮颗粒物（SPM）和沉积物中PAEs的存在、分配和空间分布；（2）使用SSD模型评估特定PAEs的生态风险；（3）在AOP框架内开发一个混合经验毒理学模型。与传统仅基于结构的QSARs不同，该模型整合了化学描述符和生物响应指标，定量评估特定KEs（如氧化应激生物标志物）对生长抑制的贡献。这种方法旨在为AOP链提供统计证据，而不仅仅是终点预测。

章节片段

采样和分析方法

2021年10月，从中国青岛沿海水域的九个站点（1、2、3、4、5、6、7、C和11）采集了海水和悬浮颗粒物（SPM）样本。同时从五个代表性站点（2、4、5、C和11）获取了沉积物样本。采样点的地理坐标和详细环境参数列在表S1中。表面（5米）和中间层（15米）的海水样本通过预燃烧的GF/F膜进行过滤。

研究区域中PAEs的存在

青岛沿海水域海水中、悬浮颗粒物（SPM）和沉积物中16种PAEs的浓度总结在表S4中。在溶解相（海水）中，PAEs的总量（Σ16PAEs）范围为301.7至1816.7 ng/L，平均值为866.0 ng/L。在这些同系物中，二异丁基邻苯二甲酸酯（DIBP）和二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）是主要污染物，检测频率为100%，分别占总质量的29.1%和31.3%。

结论

本研究结合了现场监测、生态风险评估和基于机制的计算建模，阐明了青岛沿海水域中邻苯二甲酸酯（PAEs）的环境归趋和毒理学机制。主要发现总结如下：

(1)

沉积物被确定为PAEs的主要蓄积场所，这得益于半封闭海湾中的强烈“清除作用”。DIBP和DBP是海水、SPM和沉积物中普遍存在的优势污染物，同时

CRediT作者贡献声明

韶阳Bu：撰写——原始草稿，可视化，软件制作。李儒丹：数据整理，概念化。陈衍山：方法学，研究。林坤：验证。王江涛：撰写——审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：王江涛报告获得了国家自然科学基金的支持。王江涛报告获得了国家重点技术研发计划的支持。王江涛报告获得了山东省自然科学基金的支持。如果有其他作者，他们也需声明

致谢

本研究得到了国家自然科学基金[批准编号 41876078]；国家关键技术研究与发展计划[批准编号 2019YFC1407802]；山东省自然科学基金[批准编号 ZR2018MD016]的财政支持。