砷酸盐与亚砷酸盐对两种造礁石珊瑚的急性毒性研究：鹿角珊瑚和星孔珊瑚的敏感性差异与环境风险评估

《Toxicology Reports》：Acute Toxicity of Arsenate and Arsenite in Two Scleractinian Coral Species: Acropora cervicornis and Orbicella faveolata

本研究针对Port Everglades港口扩建工程导致的沉积物砷污染再悬浮风险，首次系统评估了砷酸盐[As(V)]和亚砷酸盐[As(III)]对两种濒危石珊瑚（鹿角珊瑚和星孔珊瑚）的急性毒性。研究发现两种珊瑚对砷形态的敏感性存在物种特异性差异，其LC50值显著低于多数海洋生物，揭示了珊瑚对砷污染的高度脆弱性，为修订沉积物质量指南和珊瑚礁生态风险评估提供了关键数据。

　　

在佛罗里达州绵延350英里的珊瑚礁，是美国大陆唯一的活体屏障礁，支撑着约25%的海洋物种，堪称海洋生物多样性的宝库。然而，这片珍贵的生态系统正面临着日益加剧的压力：过度捕捞、破坏性捕捞、污染、沿海开发、疾病以及热应力等威胁层出不穷。其中，化学污染物通过废水处理厂排放、工农业径流等途径进入海洋，尤其值得关注的是重金属污染，而砷（Arsenic）便是关键污染物之一。

位于佛罗里达州罗德岱堡的Port Everglades港口，紧邻佛罗里达珊瑚礁的最北端，其拟议的扩建工程计划通过机械和水力疏浚、打桩以及受限水下爆破等方式，扰动超过14英亩的硬底和沉积物。对Port Everglades沉积物岩芯的分析揭示，总砷浓度范围从0.607 μg g^-1到惊人的223 μg g^-1，平均值达16.1 μg g^-1，显著高于大陆地壳平均砷含量（1.5 μg g^-1）。令人担忧的是，96%的沉积物样本超过了阈值效应水平（TEL, 7.24 μg g^–1），38%的样本甚至超过了概率效应水平（PEL, 41.6 μg g^–1）。尽管大多数砷基农用化学品已被淘汰，但通过遗留和持续来源（如农药、肥料、铬化砷酸铜处理木材等）进入佛罗里达环境的砷估计高达61万公吨。沉积物中的砷在物理扰动（如疏浚、风暴、生物扰动）和环境变化（如pH、氧化还原电位、盐度、温度、微生物活动）下可能重新活化并进入水柱，对珊瑚等固着生物构成直接化学威胁，而这往往被疏浚活动导致的物理胁迫（如浊度增加）所掩盖。

在水生环境中，无机砷的两种主要形态——砷酸盐[As(V)]和亚砷酸盐[As(III)]——对生理和生化过程具有显著的干扰作用。传统观点认为As(III)通常对海洋生物更具毒性。然而，砷对珊瑚礁物种的具体影响却鲜有研究。在此背景下，研究人员首次针对两种受威胁的造礁石珊瑚——鹿角珊瑚（Acropora cervicornis）和星孔珊瑚（Orbicella faveolata）——开展了As(V)和As(III)的急性和亚急性毒性评估，旨在确定这两种生态特征迥异的珊瑚对无机砷的毒性响应范围，并阐明砷暴露对佛罗里达珊瑚物种的具体影响。这项重要的研究成果发表在《Toxicology Reports》上。

为了精准评估砷的毒性，研究人员设计了一套严谨的实验方案。他们从诺瓦东南大学岸上珊瑚苗圃获取了具有遗传多样性的鹿角珊瑚和星孔珊瑚片段，并使其在实验室条件下恢复两周。核心实验采用了四次独立的96小时静态更新暴露试验（每个珊瑚物种针对一种砷形态进行一次试验）。每个试验设置六个处理组（五个不同浓度的As(V)或As(III)以及一个阴性对照），每个处理组有六个重复的烧杯（玻璃，1.5 L），每个烧杯中随机放置两个珊瑚片段作为伪重复。暴露介质每日更新100%，以维持稳定的暴露浓度。至关重要的是，所有砷浓度均通过分析化学方法进行了验证，确保了暴露剂量的准确性。研究人员通过三个终点指标来评估毒性：死亡率（LC₅₀，半数致死浓度）、珊瑚健康状况（EC₅₀，半数效应浓度）以及光合效率（IC₅₀，半数抑制浓度）。珊瑚健康状况通过视觉评分系统量化，评估颜色、息肉运动、组织肿胀、组织变薄和黏液分泌等指标。光合效率则使用脉冲调制振幅荧光仪（PAM）测量珊瑚内共生的虫黄藻的暗适应有效量子产额（Fv/Fm）。统计分析采用四参数剂量反应模型计算各终点指标的LC₅₀、EC₅₀和IC₅₀值，并利用LC₅₀比率检验评估不同处理间的显著性差异。此外，还构建了物种敏感性分布（SSD）模型，以比较珊瑚与其他海洋生物对砷的敏感性，并计算保护95%物种的危害浓度（HC₅）。

3.1. 水化学

分析结果显示，在所有暴露试验中，无论是As(V)还是As(III)，在最初的24小时内浓度均未发生统计学上的显著变化。0小时和24小时之间总砷浓度的百分比变化很小且不显著，表明两种砷物种在暴露窗口期内化学性质稳定。这支持了使用几何平均值计算毒性阈值的做法。

3.2. 死亡率

暴露于As(V)的鹿角珊瑚在多个浓度下出现完全死亡。其96小时LC₅₀为0.0365 mg L^-1。暴露于As(III)的鹿角珊瑚，其96小时LC₅₀为0.111 mg L^-1。两者存在显著差异，As(III)的LC₅₀是As(V)的三倍。

对于星孔珊瑚，暴露于As(V)的96小时LC₅₀为0.315 mg L^-1，显著高于鹿角珊瑚的两个LC₅₀值。暴露于As(III)的星孔珊瑚，其96小时LC₅₀为0.235 mg L^-1，显著低于其暴露于As(V)的LC₅₀。

这些结果表明，鹿角珊瑚对As(V)更敏感，而星孔珊瑚对As(III)更敏感，这与As(III)普遍更具毒性的普遍假设相悖。

3.3. 珊瑚状况

鹿角珊瑚对As(V)暴露表现出早期且急性的应激迹象。其96小时EC₅₀为0.032 mg L^-1，是所检查的所有物种和化合物中最低的EC₅₀。暴露于As(III)的鹿角珊瑚，其96小时EC₅₀为0.0982 mg L^-1，显著高于其As(V)暴露的EC₅₀。

星孔珊瑚在As(V)暴露期间最常表现出黏液分泌和隔膜丝生产。其96小时EC₅₀为0.175 mg L^-1，显著高于鹿角珊瑚的EC₅₀值。在As(III)暴露下，组织肿胀是星孔珊瑚表现出的主要珊瑚状况。其96小时EC₅₀为0.137 mg L^-1，与As(V)暴露的EC₅₀无统计学差异。

两种珊瑚对不同砷形态的健康反应存在差异，表明As(V)和As(III)触发了不同的生理反应和毒性机制。

3.4. 光合效率

鹿角珊瑚暴露于As(V)的IC₅₀为0.0364 mg L^-1。暴露于As(III)的IC₅₀为0.172 mg L^-1，显著高于其As(V)暴露的IC₅₀。

星孔珊瑚暴露于As(V)的IC₅₀为0.307 mg L^-1，暴露于As(III)的IC₅₀为0.249 mg L^-1，两者均显著高于鹿角珊瑚的IC₅₀值。

光合效率的抑制是两种珊瑚亚致死应激的一个敏感且早期的指标。在两种珊瑚物种中，As(III)在较低浓度下 consistently 比As(V)更能降低光合产额。

3.5. 物种敏感性分布

物种敏感性分布分析证实，鹿角珊瑚和星孔珊瑚都是已报道的海洋生物中对砷暴露最敏感的物种之一。鹿角珊瑚的As(V)和As(III) LC₅₀在所有评估的水生物种中排名第二低。星孔珊瑚虽然敏感性低于鹿角珊瑚，但仍位于SSD的左侧（更敏感）尾部，显著低于标准监管物种。计算得出的As(V)和As(III)的HC₅值分别为0.0140 mg L^-1和0.0200 mg L^-1，均低于佛罗里达州当前的地表水阈值（50 μg L^-1，即0.050 mg L^-1）。

本研究系统地评估了As(V)和As(III)对两种生态重要且受联邦保护的造礁石珊瑚的急性和亚急性毒性。研究结果揭示了显著的物种特异性反应：鹿角珊瑚对As(V)表现出更高的敏感性，而星孔珊瑚则对As(III)更敏感，这对“As(III)普遍对海洋生物更具毒性”的既定观点提出了挑战。两种珊瑚在所有亚急性终点均表现出显著的不利影响，其LC₅₀值低于大多数已报道的海洋生物，凸显了珊瑚对砷污染的高度脆弱性。

讨论部分深入探讨了不同砷形态的毒性机制。As(V)主要通过干扰能量生产（替代ATP相关生化途径中的磷酸盐）导致代谢功能逐渐下降，这解释了观察到的组织肿胀和息肉收缩现象。而As(III)则易于与蛋白质中的硫基结合，破坏酶功能并导致氧化应激，造成急性细胞损伤，表现为黏液分泌增加和进行性组织损失。珊瑚健康状况评分的差异以及光合效率的抑制，均支持了这两种不同的毒性途径。

研究的意义重大。首先，它提供了针对特定珊瑚物种的砷毒性关键数据，这些数据对于修订沉积物质量指南和改进生态风险评估至关重要。现有的指南主要基于非珊瑚类生物，可能无法为珊瑚提供足够的保护。其次，物种敏感性分布分析表明，使用传统的海洋无脊椎动物或鱼类物种来设定水质基准，会忽略珊瑚的急性脆弱性。将珊瑚特有的LC₅₀值和亚致死终点纳入风险评估框架，并辅以SSD信息化的基准，是改善沉积物质量标准的推荐方向。此外，尽管Port Everglades报告的砷浓度来自沉积物样本，但可以合理推断，在重大疏浚活动期间，砷可能被再悬浮到水柱中。即使环境砷浓度低于当前监管阈值，也可能对敏感的珊瑚物种产生显著的亚致死影响，这突显了在管理疏浚等扰动活动时考虑化学威胁的重要性。

总之，这项研究强调了无机砷对珊瑚礁生态系统的严重威胁，并指出需要采取物种特异性的方法来评估和管理砷污染风险。研究结果为保护濒危珊瑚物种、维护珊瑚礁生态健康以及制定更精准的环境保护政策提供了坚实的科学依据。未来的研究应优先关注不同生命阶段（特别是繁殖和幼体阶段）的砷毒性，以更全面地评估其种群水平的影响。