南京师范大学 海洋科学与工程学院 ES&T | 水生微无脊椎动物斧形臂尾轮虫暴露于废锂离子电池渗滤液后的世代毒性及不完全恢复效应!
研究背景：
全球锂离子电池应用与退役量激增，废锂离子电池成为快速增长的固体废物，其处置不当或回收过程中产生的富金属渗滤液会通过多种途径进入水生环境，对生态系统构成威胁；现有研究多聚焦于电池相关单一污染物的毒性，对真实渗滤液的混合物水平毒性、胁迫后生物恢复的可逆性，以及多世代 / 跨世代效应的探究存在显著空白，且缺乏分子到种群水平的整合研究，同时沿海电池回收厂的空间分布与海洋轮虫栖息地重叠，使得斧形臂尾轮虫成为研究该类渗滤液水生毒性的理想模式生物。研究目的：
阐明斧形臂尾轮虫对退役 18650 型电芯渗滤液在单代暴露、暴露后恢复、多世代繁殖三个维度的多水平（分子、生化、形态、摄食、生活史、种群）响应；探究渗滤液诱导的轮虫不利变化在胁迫去除后的持续与恢复程度；解析渗滤液毒性的作用机制；验证谷氨酸单钠（MSG）的营养补充是否能提升轮虫的渗滤液胁迫抗逆性，并影响其多世代演化轨迹，为渗滤液的混合物环境风险评估提供科学依据。
研究方法：
①制备退役 18650 型动力锂离子电池渗滤液，通过电感耦合等离子体发射光谱、气相色谱 - 质谱联用技术检测其金属及多环芳烃含量，确定 5% 体积分数为实验暴露浓度；②以斧形臂尾轮虫为受试生物，设置对照组、单代渗滤液暴露组、单代暴露后恢复组，以及多世代对照、多世代暴露、跨世代恢复、谷氨酸单钠营养恢复共 7 个实验组，开展系列毒理学试验；③测定轮虫形态（体长、个体体积）、摄食（滤水率、摄食率）、生活史（寿命、繁殖力）、种群（种群密度、增长率）等表型指标；④通过非靶向代谢组学鉴定差异代谢物并分析代谢通路，检测丙二醛含量、抗氧化酶活性等生化指标，利用实时荧光定量聚合酶链式反应分析渗透调节、细胞凋亡、金属结合相关基因的表达水平；⑤运用 Levene 检验、单因素方差分析、Fisher 最小显著差数法等统计方法处理实验数据，结合整合生物标志物响应指数分析生化指标的综合变化。主要发现：
①渗滤液中锂、铁、铝、钴、镍、锰等金属含量远高于海水背景值，还检测到低浓度多环芳烃，单一组分也会对轮虫产生浓度依赖性的致死和亚致死效应；②单代暴露会导致轮虫体型收缩、内脏萎缩，生长和摄食受抑，寿命缩短、繁殖力下降，暴露后恢复具有异步性，摄食性状可快速恢复至接近对照水平，而体型和生活史性状仅部分恢复，且损伤仍持续存在；③多世代持续暴露的轮虫品系出现渐进性的形态退化和生理损伤，第四代时种群完全崩溃；跨世代恢复品系的各项指标随世代逐步改善，第六代接近对照组水平，而添加谷氨酸单钠的营养恢复品系恢复速度显著更快，第四代即接近对照组水平；④代谢组学鉴定出 189 种差异代谢物，主要为氨基酸 / 衍生物和脂肪酸，暴露与恢复阶段的代谢特征均以氨基酸和能量代谢为核心，且二者存在特异性的代谢通路富集，如烟酰胺代谢是连接氨基酸与能量代谢的核心节点；⑤渗滤液暴露诱导轮虫产生显著的氧化应激，丙二醛含量升高，抗氧化酶系统发生重配置，金属硫蛋白相关基因（mtf1、mt2）显著上调，证实轮虫通过金属硫蛋白介导的解毒作用应对金属负荷，同时渗透调节、细胞凋亡相关基因的表达发生紊乱，且基因表达与差异代谢物之间存在显著的相关性；⑥谷氨酸单钠可通过补充外源性谷氨酸，转化为 α- 酮戊二酸参与三羧酸循环，提升能量供应并缓解氧化损伤，从而加速轮虫的恢复进程。结论：
废锂离子电池渗滤液对斧形臂尾轮虫存在从分子到种群水平的多水平毒性，其造成的生物损伤具有不完全、分阶段的恢复特征，且摄食性状的恢复速度显著快于体型和生活史性状；多世代持续暴露会加剧渗滤液的毒性效应，导致轮虫种群崩溃，而渗滤液造成的损伤存在跨世代传递效应，非遗传继承可能是其重要机制；谷氨酸单钠的靶向营养补充可有效提升轮虫对渗滤液胁迫的抗逆性和胁迫后恢复能力，其机制与氨基酸和能量代谢的调控密切相关；本研究证实了开展废锂离子电池渗滤液混合物水平环境风险评估的必要性，建议在电池处理和处置场地的环境监测中，对锂、铝、锰、铁、钴、镍等优先金属进行定量检测，并结合多指标、多世代的生物检测开展风险评估，该研究也为锂离子电池末端处置的生态风险防控和相关政策制定提供了实验依据与理论支撑。废锂离子电池是一类快速增长的固体废物，其管理不当会产生富含金属的渗滤液，对水生环境构成威胁。本研究评估了浮游动物斧形臂尾轮虫在单代暴露、暴露后恢复和多世代繁殖过程中，对退役 18650 型电芯渗滤液从分子到种群水平的响应，并验证了谷氨酸单钠（MSG）是否能加速其恢复进程。研究将轮虫暴露于体积分数 5% 的渗滤液中，检测其形态、摄食、生活史、种群、代谢组、生化及基因表达水平的指标。化学表征结果证实，渗滤液中锂、铁、铝、钴、镍、锰的含量均高于海水背景值。渗滤液在单代及多世代暴露中均会抑制轮虫的生长与摄食，且胁迫后的恢复过程具有异步性，其中摄食性状的恢复速度快于体型和生活史性状。多世代实验结果显示，持续暴露的轮虫品系在第四代时种群崩溃，而恢复品系的各项指标则逐步改善，其中跨世代恢复品系在第六代左右各项指标接近对照组水平，添加谷氨酸单钠的营养恢复品系在第四代即接近对照组水平。代谢组学分析鉴定出 189 种差异代谢物，且暴露和恢复阶段存在以氨基酸和能量代谢为核心的独特代谢特征。基因表达结果表明，在实验检测的金属负荷下，轮虫可通过金属硫蛋白介导的解毒作用应对渗滤液胁迫。本研究结合短期和长期研究视角，证实了废锂离子电池渗滤液对斧形臂尾轮虫存在多水平毒性，且其造成的损伤呈现不完全、分阶段的恢复特征，同时发现靶向营养补充可提升轮虫的抗逆性及胁迫后的生存表现。该研究为锂离子电池渗滤液的混合效应环境风险评估提供了科学依据。全球锂离子电池的应用规模持续激增。2019 年，全球锂离子电池市场总量约为 120 万吨，预计到 2030 年将突破 1270 万吨。锂离子电池的在用存量与人均电动汽车保有量呈正相关，随着使用年限的增加，大规模的退役与处置将不可避免。废锂离子电池是增长最快的固体废物类别之一，其末端处置管理体系仍不完善：退役电芯往往进入正规资源回收渠道、垃圾填埋场、焚烧炉，或流入非正规处理领域。渗滤液不仅在处置不当或长期储存过程中产生，在常规回收作业中也会因不可避免的水相接触而形成，如电池放电与冲洗、工艺水辅助破碎、火法冶金中的湿法洗涤与急冷，以及湿法冶金中的浸出和洗涤工序。渗滤液一旦产生，雨水冲刷、渗漏或溢流会使其通过地表径流、入渗、渗透和渗漏等方式进入地表水、包气带和地下水。渗滤液中含有重金属和溶解气体，不仅具有直接毒性，还会改变土壤性质，进而促进金属的释放。
对含有锂离子电池的垃圾填埋场的实地检测发现，溶液中锂的含量占总锂含量的 42.50%，锰占 11.45%，而钴、镍、铝、铜、铁的溶解占比均低于 4%。钴酸锂和镍钴锰酸锂纳米颗粒对大型溞具有毒性作用，且这种毒性无法仅用溶解态金属含量来解释，这表明离子释放和纳米颗粒的摄取与吸附均是关键的毒性作用途径。近期针对钴酸锂纳米颗粒的单细胞研究进一步证实了 “双重打击” 机制：完整的纳米颗粒首先被细胞内吞，成为活性氧的强效来源，激活氧化应激响应相关基因；而从颗粒中释放的锂离子和钴离子随后会抑制这些基因的转录，削弱细胞对活性氧的防御能力。这些研究证据均表明，有必要开展基于混合物水平的风险评估，以真实的废锂离子电池渗滤液为研究对象，而非单一的组分。
轮虫作为连接浮游植物和更高营养级生物的初级消费者，会从低营养级富集污染物并推动其在食物网中的传递，因此斧形臂尾轮虫作为褶皱臂尾轮虫物种复合体的海洋浮游类群，是浮游动物群落底层生物生态毒理学评估的理想模式生物。该物种还具备诸多实验优势，如体型结构简单、个体微小、体细胞数量固定、繁殖速度快、世代周期短、可克隆繁殖且易于培养，能够支撑可重复的生态毒理学试验。许多锂离子电池材料回收厂因物流便利和运输成本较低，选址于沿海地区，其潜在影响区域与海洋和河口轮虫的分布范围重叠，这种空间关联性为废锂离子电池渗滤液影响沿海水生生态系统提供了合理的传播路径。18650 圆柱形电芯是应用最广泛的锂离子电池类型之一，其退役过程中产生的渗滤液可作为实验研究的代表性研究对象。
尽管学界对电池相关有毒物质的研究兴趣日益浓厚，但针对真实废锂离子电池渗滤液的研究仍存在关键空白。目前的研究极少将不同生物水平的混合物效应整合到统一的研究框架中，且对胁迫去除后生物响应的可逆性了解甚少。此外，暴露带来的长期影响，包括多世代和跨世代效应，仍未得到充分探究，暴露的作用机制也尚未得到系统阐释。填补这些研究空白，能让实验毒理学研究更贴合以混合物为核心的环境风险评估体系。
本研究旨在阐明斧形臂尾轮虫对退役 18650 型电芯制备的真实渗滤液在三个时间维度的多水平响应：单代暴露、暴露后恢复及多世代繁殖。研究重点探究富含金属的废锂离子电池渗滤液是否会诱导轮虫从分子到种群水平的不利变化，以及这些变化在胁迫去除后能在多大程度上持续或恢复。本研究将非靶向代谢组学、渗透调节、细胞凋亡和金属结合相关标记基因的实时荧光定量聚合酶链式反应分析，与摄食、形态、生活史和种群水平的指标相结合，建立分子水平变化与功能表现之间的关联。同时，本研究以谷氨酸单钠作为外源性谷氨酸来源进行营养补充，评估其在提升轮虫渗滤液胁迫抗逆性及影响多世代演化轨迹方面的潜力。通过在接近实际的暴露场景下，关联毒性机制、恢复模式和遗传效应，本研究深化了学界对废锂离子电池对生态关键类群轮虫影响的理解。
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