海洋生态与环境科学重点实验室知识库

海洋酸化是一个持续的环境问题，海水中二氧化碳分压（pCO₂）的升高和pH的降低将改变广泛分布于近岸海域的常见重金属铜（Cu）的形态，进而影响其对海洋生物的生物有效性或生物毒性。迄今为止，关于海洋酸化和Cu暴露的研究主要集中于海洋无脊椎动物，二者的交互效应范式尚在探索之中。海水鱼类由于早期生活史阶段（early life stages, ELSs）对环境的敏感特征及自然栖息地的分布特征，其生理功能易受到海洋酸化和Cu暴露的影响，目前很少有关于二者共同胁迫对海水鱼类ELSs的毒理作用的研究报道。

为探究海水酸化（seawater acidification, SA）条件和Cu胁迫对海水鱼类的复杂影响，本研究以重要海水鱼类褐牙鲆ELSs为研究对象，采用受控实验方法，（1）将褐牙鲆仔鱼分别暴露于环境水平（0；低浓度5 μg L^–1；中浓度10 μg L^–1；次高浓度20 μg L^–1和高浓度50 μg L^–1）和污染水平（极端浓度100 μg L^–1）Cu的非酸化或酸化海水（非酸化/pH 8.10；中度SA/pH 7.70，pCO₂ ∼1332 μatm；高度SA/pH 7.30，pCO₂ ∼3462 μatm）中35天；（2）将幼鱼分别暴露于环境水平（0；低浓度5 μg L^–1；中浓度10 μg L^–1和高浓度50 μg L^–1）和污染水平（极端浓度100和200 μg L^–1）Cu的非酸化或酸化海水（标定pH值同仔鱼实验）中28天。通过筛选多个功能密切相关的生物标志物系列，利用生化分析手段以及相关性分析、主成分分析（PCA）和整合生物标志物响应（IBR）分析方法，探究SA和Cu亚慢性暴露对仔鱼、幼鱼的离子调节、抗氧化和解毒、固有免疫等生理过程的效应，分析仔鱼生物体水平和幼鱼组织水平上的氧化还原、离子和酸碱平衡、基础免疫的状态及响应策略，识别对二元暴露积极响应的重要生物标志物或特征响应的敏感生物标志物。主要研究结果如下：

1、SA和Cu在褐牙鲆仔鱼的离子调节、抗氧化和解毒防御、固有免疫和细胞因子响应的大多数指标中均存在交互效应，共同胁迫增加其生理响应水平。SA和Cu暴露抑制仔鱼生长。仔鱼生物体内Cu蓄积量（2.64–6.87 mg kg^–1干重）与海水中的金属浓度呈显著正相关。非酸化情景时，仔鱼对海水环境水平金属胁迫的响应随其浓度的升高而增强，污染水平Cu（100 μg L^–1）的压力效应尤为显著。仔鱼CA受Cu抑制显著，并与阳离子泵（Na⁺/K⁺-ATPase和Ca²⁺-ATPase）异向响应；抗氧化和解毒、固有免疫与细胞因子防御受Cu诱导，但LPO水平随之升高。仔鱼对共同胁迫的整合生理响应水平高于对单因子胁迫，但二元环境因子的交互效应导致调节或防御功能的差异生理表现。中度SA缓解或逆转了Cu对CA的抑制效应，降低了阳离子泵、抗氧化和解毒防御对Cu的敏感性或诱导Cu毒性，出现氧化还原平衡的氧化向趋势，以及不依赖于Cu浓度的整体LPO水平升高；同时促使固有免疫和细胞因子指标的异向调节，并在部分指标中增加Cu效应。高度SA和Cu进一步提高了仔鱼的整合生理响应水平，指标的调动策略和抑制情况与中度SA和Cu共同胁迫中整体类似。但是，不同于中度SA，高度SA倾向于维持或加重Cu对CA的毒性；并引起较高浓度Cu中仔鱼抗氧化和解毒抗性指标的协同/互补响应不力，导致慢性氧化应激状态并进一步加剧了LPO损伤。另外，仔鱼CAT和GPx以及LZM和ACP的共同诱导、ACP和AKP的异向响应，指示了这些生物标志物在共同胁迫中的功能性特征响应。

2、SA和Cu胁迫对褐牙鲆幼鱼肝脏的抗氧化和解毒防御产生的影响较复杂，相关酶和非酶分子指示二者的效应存在交互现象，肝脏对不同水平共同胁迫时的氧化还原状态有不同的适应性反应。肝脏中Cu蓄积量（30.22–184.90 mg kg^-1干重）与海水金属浓度呈正相关。在非酸化海水中，尽管抗氧化和解毒防御受Cu激活产生补偿反应，Cu浓度的增加仍显著引起了LPO水平的升高。中度SA有助于维持肝脏氧化还原稳态并减轻LPO，具体防御策略的调动取决于Cu浓度。在高度SA条件下，肝脏仍能够抵抗环境水平低浓度Cu的氧化压力，但对污染水平Cu毒性防御能力不足/受到抑制，导致LPO损伤加剧，与肝脏的金属蓄积相关。值得注意的是，肝脏硫醇（GSH和MT）在SA条件下对Cu毒性响应积极，肝脏中SOD、CAT、EROD和GST对二元环境因子胁迫压力响应敏感。

3、SA和Cu在幼鱼鳃的抗氧化和解毒防御、离子调节指标中存在交互效应。共同胁迫中SA效应高于Cu效应；Cu缓解中度SA的氧化压力和离子干扰；高度SA和较高浓度Cu则联合加剧压力。鳃中Cu蓄积量（3.13–8.24 mg kg^–1干重）与海水中金属浓度呈正相关；SA显著减少污染水平Cu（200 μg L^–1）暴露中的金属蓄积。非酸化海水中，Cu抑制了鳃的阳离子泵活力，但调动了GSH及其相关酶，维持了鳃内氧化还原稳态和LPO水平稳定。中度SA中，Cu恢复提高或协同加强了鳃阳离子泵、抗氧化介质的酶活力或含量，维持氧化还原稳态和LPO稳定或下降；高度SA加剧了较高Cu浓度的毒性，但鳃内抗氧化和解毒介质对Cu响应不足，LPO损伤加剧。结果提示Cu周转的生理过程比金属蓄积更易对鳃过氧化损伤产生影响。另外，CAT和GPx的协调互补可能是褐牙鲆幼鱼鳃在酸化海水中抵御Cu诱导ROS的积极策略，鳃Na⁺/K⁺-ATPase、Ca²⁺-ATPase和SOD对非酸化和酸化海水中Cu浓度的响应均具有敏感性和一致的剂量效应性，是表征SA和Cu共同胁迫的潜在生物标志物。

4、幼鱼鳃、肝脏和血浆的固有免疫响应对SA和Cu的交互效应具有组织间差异性。鳃和肝脏受Cu、鳃和血浆受SA的单独胁迫影响较显著。共同胁迫中，SA对幼鱼血浆免疫指标的影响高于Cu效应，且高度SA影响高于中度SA，血浆免疫指标在SA和Cu共胁迫中表现为非均匀响应模式，但响应的侧重点一致，响应模式较为相似。Cu在环境相关较低浓度时对鳃的固有免疫产生诱导效应，污染水平时则为抑制效应；中度SA和Cu共同胁迫倾向于免疫抑制；高度SA则减弱或引起了Cu的免疫诱导效应。肝脏应对不同共同胁迫的响应模式较为复杂，较高浓度Cu对肝脏具有一定的免疫诱导作用；中度SA则提高且复杂化肝脏对Cu浓度的免疫响应，诱导或抑制不同免疫侧面；而高度SA改变了固有免疫指标对Cu的敏感性，并显著诱导了HSP70标志的免疫监视力和修复力。另外，SA和Cu共暴露下幼鱼三个组织的水解杀菌酶响应敏感，ACP、AKP和LZM是潜在的生物指示物。

本研究表明，SA和Cu对褐牙鲆仔、幼鱼的影响存在交互效应，从而引起了生理层面的响应差异。仔鱼各生理功能对SA和Cu共同胁迫具有较高的敏感性；幼鱼肝脏和鳃调动复杂的抗氧化和解毒防御策略，以应对不同SA水平对Cu效应/毒性的缓解或加剧；幼鱼鳃、肝脏和血浆的固有免疫响应则表现出对交互效应的不同敏感性。另外，研究结果验证了共同胁迫效应在褐牙鲆中的氧化还原失衡和氧化损伤机制，并识别了对共暴露积极响应的重要生物标志物或具有特征响应模式的敏感生物标志物。SA和Cu在褐牙鲆仔、幼鱼中的交互效应及其对生物体或组织水平的复杂生理影响结果，为深入认识海洋酸化背景下海水鱼类应对重金属胁迫的防御机制及其对环境压力的抵抗力和适应性、识别和优化自然生态中气候变化的潜在“赢家与输家”提供科学依据。