環(huán)境污染對(duì)水蚤、斑馬魚等水生動(dòng)物的影響

新冠疫情的爆發(fā)和蔓延，讓人類愈發(fā)認(rèn)識(shí)到生態(tài)健康的重要性。習(xí)近平總書記指出“小康全面不全面，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量很關(guān)鍵”，將實(shí)現(xiàn)全面小康建設(shè)和生態(tài)健康的重要標(biāo)志—生態(tài)環(huán)境質(zhì)量緊密聯(lián)系起來(lái)（方世南，2020）。

生態(tài)健康是人類自然環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境和生活環(huán)境及其賴以生存的生命支持系統(tǒng)的代謝過程和服務(wù)功能完好程度的系統(tǒng)指標(biāo)。包括人居物理環(huán)境、生物環(huán)境和代謝環(huán)境的生態(tài)健康，人體和人群的生理和心理的生態(tài)健康，產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)和城市系統(tǒng)代謝過程的生態(tài)健康；景觀、區(qū)域系統(tǒng)格局和服務(wù)功能的生態(tài)健康等（蔣正華，2005）。因此，生態(tài)健康與人類的生存和生活質(zhì)量息息相關(guān)。

作為生態(tài)健康領(lǐng)域的先行者，北京易科泰生態(tài)技術(shù)有限公司率先提出了“生態(tài)-農(nóng)業(yè)-健康”的發(fā)展理念和戰(zhàn)略方向并為之實(shí)踐。憑借近20年科研設(shè)備引進(jìn)和研發(fā)的豐厚經(jīng)驗(yàn)，北京易科泰向廣大科研單位、醫(yī)藥公司、檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供完備成熟的技術(shù)方案和服務(wù)，包括動(dòng)物能量代謝測(cè)量（包括斑馬魚、大小鼠等各類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物）、生物醫(yī)學(xué)成像、食品藥品檢測(cè)和藥用植物表型測(cè)量和中藥材鑒定等。

農(nóng)藥和殺蟲劑的廣泛使用，塑料的生產(chǎn)、加工、使用和焚燒，工業(yè)污水和城市污水的排放，經(jīng)常發(fā)生的化學(xué)品泄露和突發(fā)水污染事件，這些均給水生態(tài)系統(tǒng)和水生動(dòng)物帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅，對(duì)生態(tài)健康造成了巨大的影響（王乙震等，2015）。

本文摘選了環(huán)境污染對(duì)水蚤、斑馬魚等水生動(dòng)物影響的研究案例，涉及水生動(dòng)物的呼吸代謝測(cè)量和行為分析。希望能為生態(tài)毒理學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域的科研工作者提供些許借鑒。

重金屬 - 櫛水虱

受人類活動(dòng)影響，氣候變暖，加上污水排放、土地利用方式轉(zhuǎn)變等，導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)溫度升高。隨著水溫升高，水中溶解氧降低，而動(dòng)物的代謝率卻增加，從而使得動(dòng)物有更高的需氧量和呼吸速率。在這種情況下，重金屬等微污染物的對(duì)水生動(dòng)物的毒性增強(qiáng)，影響其進(jìn)食與生長(zhǎng)。另外，水溫升高還會(huì)影響膜的通透性、分配系數(shù)和擴(kuò)散速率等，導(dǎo)致水生動(dòng)物對(duì)重金屬的解毒能力下降。然而溫度對(duì)污染物毒性的影響規(guī)律仍有一些不確定性，越來(lái)越多的生態(tài)毒理學(xué)家聚焦于多種脅迫結(jié)合的毒性研究。

比利時(shí)安特衛(wèi)普大學(xué)發(fā)表的一項(xiàng)研究中，對(duì)櫛水虱在不同溫度、不同濃度的鎘、銅、鉛及其不同組合混合物溶液中的活動(dòng)時(shí)間、呼吸速率以及生長(zhǎng)速率、進(jìn)食率等進(jìn)行了分析，探究溫度對(duì)重金屬混合物毒性的影響。其中，櫛水虱的活動(dòng)時(shí)間使用了視頻跟蹤行為分析系統(tǒng)，呼吸速率則使用溶解氧測(cè)量系統(tǒng)分析計(jì)算。

結(jié)果顯示，溫度明顯影響除活動(dòng)以外其他所有特征，但是不同的重金屬以及不同的重金屬組合混合物對(duì)這些特征的影響有所不同。在15℃時(shí)，呼吸速率隨重金屬濃度升高而下降，反之在20℃時(shí)，兩者則呈現(xiàn)正相關(guān)，表明溫度升高促進(jìn)了氧氣消耗。在銅、鉛處理中，隨著水溫升高，呼吸速率升高，櫛水虱對(duì)重金屬的吸收和積累升高。結(jié)合進(jìn)食率等分析，證明溫度與重金屬對(duì)櫛水虱的毒性相互影響。研究表明，當(dāng)前基于化學(xué)方法進(jìn)行水生生態(tài)系統(tǒng)毒性監(jiān)測(cè)的方法有效性有限，應(yīng)當(dāng)補(bǔ)充基于效果的監(jiān)測(cè)手段(M. Van Ginneken et al., 2020)。

苯甲酰愛康寧（可卡因代謝物）-大型溞

苯甲酰愛康寧（BE）是公認(rèn)的人體中可卡因代謝物，可通過尿液等進(jìn)入生活污水，排放后進(jìn)入地表水，對(duì)水生動(dòng)物和水生態(tài)系統(tǒng)造成威脅。

Marco等人從生物分子、個(gè)體、種群等水平研究了BE對(duì)大型溞的影響，發(fā)現(xiàn)與水生生態(tài)系統(tǒng)相同劑量的BE會(huì)引起大型溞的氧化應(yīng)激，抑制乙酰膽堿酯酶的活性，影響個(gè)體的游泳行為和繁殖。其中個(gè)體水平的游泳行為便是使用了視頻跟蹤行為分析的方法（上圖），借助動(dòng)物行為觀測(cè)分析軟件自動(dòng)計(jì)算了活動(dòng)性（以活動(dòng)時(shí)間/跟蹤時(shí)間表示）和游泳速率。

由下圖可知，BE暴露顯著降低了大型溞個(gè)體的活動(dòng)性：相比于對(duì)照組，高濃度BE處理的大型溞活動(dòng)性降低了5%。相反游泳速率顯著增加。因?yàn)锽E有毒分子的作用機(jī)制，盡管高濃度BE降低了大型溞的游泳活性，但同時(shí)促進(jìn)了其高速不穩(wěn)定的活動(dòng)，最終導(dǎo)致整體上大型溞游泳速率增大。類似的行為特征（如跳躍、抽搐）也在小鼠身上發(fā)現(xiàn)過�；顒�(dòng)性降低說明BE對(duì)大型溞的健康造成了損害，使其減少活動(dòng)的能量消耗，而將更多能量用于維持其他生理活動(dòng)以應(yīng)對(duì)毒害脅迫(Marco, 2018)。

原油（水溶性部分）-大型溞

商業(yè)化的微小生物體高通量呼吸測(cè)量系統(tǒng)的問世使得水生無(wú)脊椎動(dòng)物、魚類等水生動(dòng)物的胚胎呼吸測(cè)量變得高效、精確。高通量呼吸測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量時(shí)單個(gè)樣品被放置于氣密性良好24孔板的微孔里（相當(dāng)于24個(gè)呼吸室），每個(gè)孔內(nèi)部都配備有可無(wú)損測(cè)量氧氣、可重復(fù)利用的氧氣傳感貼片，用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量耗氧率（上圖）。為了實(shí)現(xiàn)高通量，該套系統(tǒng)可以被升級(jí)成包含10件讀取器/24孔板的串聯(lián)組合，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量240個(gè)組織的呼吸。

 

芬蘭圖爾庫(kù)大學(xué)研究了原油水溶性部分（WSF）與可孤雌生殖的大型溞表型個(gè)體差異的關(guān)聯(lián)，包括劑量效應(yīng)和世代影響(Nikinmaa et al., 2019)。結(jié)果顯示（上圖）：暴露于30%WSF 48小時(shí)的大型溞的耗氧率變異性低于暴露10%WSF的大型溞和對(duì)照組，但三者的平均值沒有變化；未暴露和10%WSF暴露的大型溞F1和F2代耗氧率低于親本F0，且低于30%暴露的子代，表現(xiàn)出了因環(huán)境污染導(dǎo)致的世代影響。大型溞耗氧率的測(cè)定采用了80μL的24孔板系統(tǒng)，對(duì)每種處理的21個(gè)個(gè)體（3個(gè)世代，每個(gè)世代7個(gè)個(gè)體）進(jìn)行了高通量呼吸測(cè)量。

鄰苯二甲酸酯（增塑劑）-斑馬魚-

鄰苯二甲酸酯（PAEs）是一種常用的增塑劑，常存在于墻紙、化妝品、醫(yī)療設(shè)備、食品包裝材料、服裝等中，我國(guó)PAEs消耗量極大且逐年增加。由于PAEs化學(xué)上不與塑料結(jié)合，因此很容易被釋放到水和土壤中，同時(shí)還存在于空氣、室內(nèi)灰塵等中，并通過呼吸、皮膚等方式進(jìn)入人類和動(dòng)物體內(nèi)。目前一些地區(qū)的PAEs環(huán)境濃度已嚴(yán)重超過健康標(biāo)準(zhǔn)，可導(dǎo)致生殖問題、發(fā)育缺陷、胚胎畸形等問題，對(duì)環(huán)境和公眾健康存在巨大危害。因此，對(duì)PAEs的負(fù)面影響及其相關(guān)毒理機(jī)制進(jìn)行鑒定意義重大。

中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)院等四家單位就對(duì)此進(jìn)行了斑馬魚胚胎試驗(yàn)中鄰苯二甲酸鹽的脊髓效應(yīng)評(píng)價(jià)研究并聯(lián)合發(fā)表論文。斑馬魚胚胎的自發(fā)活動(dòng)有助于水生生物尋找食物和躲避天敵，是水生生物行為毒性的重要衡量指標(biāo)，論文對(duì)受增塑劑影響的斑馬魚胚胎的自發(fā)活動(dòng)進(jìn)行了行為研究，分析其平均速率、移動(dòng)距離、活動(dòng)時(shí)間等。DEHP、DBP等鄰苯二甲酸鹽是生活垃圾、垃圾滲濾液和沉積物中的PAEs的主要同源物。研究中，將2hpf（hours post-fertilization）的斑馬魚胚胎隨機(jī)轉(zhuǎn)移到24孔板后，分別暴露于0、50、250μg/L的DEHP、DBP中，處理6天后進(jìn)行分析，以評(píng)估DEHP、DBP的毒性(Qian et al., 2020)。

結(jié)果表明，DBP和DEHP改變了斑馬魚幼蟲在144 hpf時(shí)的自發(fā)活動(dòng)。結(jié)合脊柱、體長(zhǎng)等分析及轉(zhuǎn)錄水平分析的結(jié)果，推斷斑馬魚自發(fā)活動(dòng)的改變可能是由于脊柱和骨骼系統(tǒng)發(fā)育異常所致。綜上所述，PAEs導(dǎo)致斑馬魚胚胎脊髓出生缺陷，導(dǎo)致脊髓發(fā)育基因的轉(zhuǎn)錄改變與行為異常。

蛋硒（飼料添加劑）-斑馬魚

盡管微量的硒是維持動(dòng)物生理穩(wěn)態(tài)所必需的，但是在飲食中輕微增加硒的攝入會(huì)引起生物富集和隨之而來(lái)的毒性。

加拿大薩省大學(xué)毒理學(xué)中心的Thomas和Janz研究了過量蛋硒（Egg Se，在飲食的主要化學(xué)形態(tài)為硒蛋氨酸）對(duì)F1代成年斑馬魚游泳能力和代謝能力的持續(xù)影響。研究發(fā)現(xiàn)過量蛋硒（6.8 和12.7μg Se/g d.m.）會(huì)損傷其游泳能力，增加其耗氧和代謝率（下圖）。進(jìn)一步的基于蛋硒毒性閾值的物種敏感度分布研究揭示了斑馬魚是目前最為敏感的物種，因此是研究魚類早期生活史階段硒誘導(dǎo)毒性機(jī)制的絕佳實(shí)驗(yàn)室模型（Thomas and Janz, 2015）。

論文中斑馬魚游泳能力和代謝能力的測(cè)量使用了170mL的斑馬魚游泳呼吸測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同步測(cè)量斑馬魚的臨界游泳速度（Ucrit）和耗氧率/代謝率（SMR-標(biāo)準(zhǔn)代謝率、AMR-活動(dòng)代謝率及F-AS，即AMR/SMR）。

 

氧化銅納米粒子（防污涂層）-亞馬遜觀賞魚

氧化銅納米粒子（nCuO）廣泛應(yīng)用于船的防污涂料并由此釋放到環(huán)境，對(duì)水生生物具有潛在的毒害作用。

巴西國(guó)家亞馬遜研究所的Braz-Mota等人測(cè)量了短鯛和霓虹燈魚兩種亞馬遜觀賞魚的耗氧率，借以研究?jī)煞N形態(tài)的銅——溶解態(tài)銅（Cu）和氧化銅納米粒子（nCuO）對(duì)其影響。研究發(fā)現(xiàn)兩種魚的代謝應(yīng)激具有種特異性：僅暴露于Cu的霓虹燈魚耗氧率升高（nCuO未升高），而短鯛的兩種處理未見明顯變化。結(jié)合鰓滲透壓調(diào)節(jié)生理、線粒體功能、氧化應(yīng)激和形態(tài)學(xué)損傷等方面的數(shù)據(jù)，論文揭示了兩種亞馬遜魚對(duì)兩種形態(tài)的銅的不同代謝響應(yīng)，而代謝響應(yīng)的不同和兩種魚的生活史有關(guān)，意味著污染物不同的毒性作用機(jī)制與不同的滲透壓調(diào)節(jié)策略有關(guān)（Braz-Mota et al., 2018）。

論文中代謝率/耗氧率（MO2）數(shù)據(jù)的采集使用了魚類呼吸代謝測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)試魚放于70mL的玻璃呼吸室中，測(cè)量系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行間歇、流通測(cè)量（automated intermittent flow respirometry），一個(gè)MO2數(shù)值的獲取包括3個(gè)階段：交換-等待-測(cè)量，每種處理的魚分別持續(xù)采集了4小時(shí)。

污水-藍(lán)腮太陽(yáng)魚

加拿大麥克馬斯特大學(xué)（McMaster University）的Du等人測(cè)量了污水處理廠下游兩處（50m和830m）的藍(lán)腮太陽(yáng)魚的耗氧率。發(fā)現(xiàn)受污染區(qū)域藍(lán)腮太陽(yáng)魚的標(biāo)準(zhǔn)代謝率相較于無(wú)污染的參照區(qū)域較高，即代謝成本升高。但代謝成本升高也伴隨著氧氣吸收、傳遞和利用等方面的生理補(bǔ)償性調(diào)整，如鰓表面積擴(kuò)大，血氧親和力降低，離體肝線粒體氧化磷酸化能力增強(qiáng)等等(Du et al., 2018)。

論文使用了魚類呼吸代謝測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了藍(lán)腮太陽(yáng)魚的標(biāo)準(zhǔn)代謝率，并通過控制溶解氧規(guī)律遞減，測(cè)定了臨界氧氣分壓值（PO2），評(píng)估其缺氧耐力。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供水生動(dòng)物行為與能量代謝測(cè)量研究全面解決方案：

1）斑馬魚等魚類行為與能量代謝測(cè)量研究

2）水蚤等水生無(wú)脊椎動(dòng)物能量代謝與行為觀測(cè)

3）易科泰生態(tài)健康研究中心依托Ecolab實(shí)驗(yàn)室，誠(chéng)邀生物醫(yī)學(xué)、中醫(yī)藥合作實(shí)驗(yàn)研究

參考文獻(xiàn)

1.蔣正華. 生態(tài)健康與科學(xué)發(fā)展觀[M]. 氣象出版社, 2005.

2.方世南. 生態(tài)健康與人民健康同構(gòu)關(guān)系中的生態(tài)政治哲學(xué)蘊(yùn)涵研究[J].蘭州學(xué)刊, 2020(3): 5-12.

3.孟紫強(qiáng). 生態(tài)毒理學(xué)[M]. 高等教育出版社, 2009.

4.王乙震, 黃歲樑, 林超, et al. 化學(xué)品對(duì)水生動(dòng)物的生態(tài)毒理學(xué)研究評(píng)述[J]. 海河水利, 2015, No.195(05):11-19.

5.M. Van Ginneken , R. Blust, L. Bervoets. The impact of temperature on metal mixture stress: Sublethal effffects on the freshwater isopod Asellus aquaticus[J]. Environmental Research ,2020，169:52-61

6.Marco, Parolini, Beatrice, et al. Benzoylecgonine exposure induced oxidative stress and altered swimming behavior and reproduction in Daphnia magna.[J]. Environmental Pollution, 2018.

7.Nikinmaa M , Suominen E , Anttila K . Water-soluble fraction of crude oil affects variability and has transgenerational effects in Daphnia magna[J]. Aquatic Toxicology, 2019, 211:137-140.

8.Le Qian,Jia Liu,Zhipeng Lin,et al. Evaluation of the spinal effects of phthalates in a zebrafifish embryo assay [J]. Chemosphere,2020

9.Thomas J K, Janz D M. Developmental and persistent toxicities of maternally deposited selenomethionine in zebrafish (Danio rerio)[J]. Environmental science & technology, 2015, 49(16): 10182-10189.

10.Braz-Mota S, Campos D F, MacCormack T J, et al. Mechanisms of toxic action of copper and copper nanoparticles in two Amazon fish species: Dwarf cichlid (Apistogramma agassizii) and cardinal tetra (Paracheirodon axelrodi)[J]. Science of the Total Environment, 2018, 630: 1168-1180.

11.Du S N N, McCallum E S, Vaseghi-Shanjani M, et al. Metabolic costs of exposure to wastewater effluent lead to compensatory adjustments in respiratory physiology in bluegill sunfish[J]. Environmental science & technology, 2018, 52(2): 801-811.