高通量自动化平台揭示大型溞暴露于紫外线过滤剂二苯酮-3和奥克立林后的趋光行为色度干扰

《Chemistry and Physics of Lipids》：An automated high-throughput platform reveals chromatic phototactic disruption in Daphnia magna exposed to the UV filters benzophenone-3 and octocrylene

本研究针对紫外线过滤剂（UVFs）对水生生物视觉引导行为的潜在干扰问题，开发了一套定制化高通量视频追踪系统，研究了环境相关浓度（0.1-1000 μg/L）的奥克立林（OC）和二苯酮-3（BP-3）对模式生物大型溞（Daphnia magna）色度趋光行为的影响。结果表明，两种UVFs均能显著改变大型溞对不同波长光（红、绿、蓝、紫外A、白）的偏好性和运动活性，例如OC增强了负趋光性并降低运动，而BP-3则表现出相反效应。这种行为干扰可能破坏其昼夜垂直迁移等关键生态行为，增加被捕食风险并影响藻类摄食。该研究为评估污染物如何通过干扰视觉感知影响水生生态系统行为提供了新的高通量方法。

　　

在阳光灿烂的海滩，人们涂抹防晒霜以保护皮肤免受紫外线伤害已成为常态。然而，这些防晒产品中的有效成分——紫外线过滤剂（Ultraviolet filters, UVFs），在保护人类的同时，却可能悄然进入水生环境，对那里的居民构成潜在威胁。紫外线过滤剂是能够吸收或阻挡紫外辐射的合成化合物，广泛用于化妆品、个人护理产品以及塑料、油漆和纺织品中。它们通过直接（如游泳活动）或间接途径（如污水处理厂出水）进入河流、湖泊和海洋，由于其疏水性和亲脂性，能够在沉积物中积累，并在水生生物体内富集，甚至通过食物链放大。在众多UVFs中，二苯酮-3（Benzophenone-3, BP-3）和奥克立林（Octocrylene, OC）因其在化妆品配方中的普遍使用而备受关注。环境监测数据显示，OC在西班牙和葡萄牙旅游海滩的海水中浓度可达0.3 μg/L，在瑞士湖泊中为0.125 μg/L；BP-3在台湾万里桐海滩的浓度高达12 μg/L，在加拿大考伊钱湖也超过0.2 μg/L。已有研究将OC和BP-3暴露与水生物种的氧化应激、内分泌干扰、繁殖受损甚至珊瑚白化等毒性效应联系起来。

然而，除了这些传统的毒性终点，一个更深层次、更微妙的影响可能尚未被充分认识：这些化学物质是否会干扰水生生物依赖光线的行为？对于许多水生生物，尤其是浮游动物，光不仅是环境因子，更是其导航、觅食和躲避天敌的关键信号。例如，淡水模式生物大型溞（Daphnia magna）通常表现出负向垂直趋光性，即在光照下向深水区迁移，这是一种重要的生存策略，有助于减少被视觉捕食的鱼类发现的风险。这种行为，即昼夜垂直迁移（Diel Vertical Migration, DVM），对个体生存和种群动态至关重要。如果UVFs干扰了大型溞对光的感知和行为响应，就可能破坏其DVM，进而影响整个水生生态系统的 trophic interactions（营养级联关系）。

尽管自动化成像和视频追踪技术的进步使得实时观察化学胁迫下生物的运动模式成为可能，但此前尚无研究利用自动化视频记录系统系统地探讨UVFs对大型溞色度趋光行为（即对不同波长光的响应）的影响。为了填补这一空白，一项发表在《Chemistry and Physics of Lipids》上的研究应运而生。研究人员设计并构建了一个定制的高通量视频追踪平台，旨在精确评估暴露于OC和BP-3的大型溞的色度趋光反应，以期揭示这些常见污染物如何潜在地扰乱水生生物的“视觉世界”和行为决策。

本研究主要采用了以下几种关键技术方法：首先，研究人员设计并搭建了一个定制化的实验箱体，内部包含两种实验模块：一种是用于研究不同波长下垂直趋光行为的“色度趋光模块”，包含六个30.4毫升的水族箱；另一种是用于测试颜色偏好的“颜色偏好模块”，包含一个2304毫升的大型水族箱。照明系统由五种不同波长（红色630 nm、绿色525 nm、蓝色465 nm、紫外A 395 nm、白色400-800 nm）的LED灯提供，并辅以红外背光。动物行为通过一台近红外GigE相机进行录制（25帧/秒）。其次，研究使用了大型溞（Daphnia magna）克隆F作为模型生物，将其暴露于不同浓度的OC（0.1, 1, 10 μg/L）和BP-3（0.1, 1, 10, 100, 1000 μg/L）中24小时。随后，利用基于Python的视频追踪软件对录制视频进行分析，量化其运动活性（移动距离）和趋光行为（在底部区域停留时间百分比）以及颜色偏好。最后，通过固相萃取-液相色谱-串联质谱法（SPE-LC-MS/MS）对暴露水体中的化学物质实际浓度进行了监测，以确保暴露剂量的准确性。数据分析采用三因素层次方差分析（ANOVA）等统计方法比较不同光照条件和暴露处理下的行为差异。

3.1. 化学分析

实际浓度测量结果显示，新鲜配制溶液中两种UVFs的浓度接近名义浓度，但在24小时后均下降约50%。对于0.1 μg/L的低浓度，测量值波动较大，24小时后下降幅度可达86%。这表明由于UVFs的低水溶性和吸附性，大型溞实际暴露浓度低于初始名义浓度。

3.2. 密度依赖性效应对色度反应的影响

验证实验表明，无论是在小水体中单独测试还是以10只为一组测试，大型溞的趋光行为和运动活性均无显著差异。同样，在颜色偏好测试中，5只和20只为一组的实验结果也保持一致。这证实了在该实验条件下，个体行为不受社会或密度效应的影响，每个个体的运动轨迹可作为独立的生物学重复。

3.3. 色度趋光反应

对照实验揭示了大型溞对不同波长光的固有反应模式。在等效光强度（25 μW/cm²）下，负趋光性（在底部区域停留时间百分比）最强的是紫外A光，其次是白光、蓝光和绿光。而红光下的垂直分布与黑暗条件下相似（约50%时间在底部），表明红光未能有效引发趋光反应。在运动活性方面，白光照射下活动最强，其次是蓝光、紫外A光、绿光、红光和黑暗环境。

UVFs暴露显著改变了这些行为模式。OC在10 μg/L浓度下增强了负趋光性，并降低了运动活性。相反，BP-3在100和1000 μg/L浓度下增加了运动活性。进一步分析发现，这些效应具有波长特异性：OC的影响主要体现在蓝光和紫外A光下，而BP-3的影响则更多见于蓝光、绿光和白光下。

3.4. 颜色偏好

颜色偏好测试结果显示，未暴露的大型溞最偏好蓝光，其次是白光、绿光和红光，对紫外光表现出强烈的厌恶。这种偏好模式与其生态习性相符，因为蓝光和绿光在水体中穿透力最强，有助于其在深水环境中感知光线并进行DVM，而对紫外光的厌恶则有助于规避其损伤效应。

暴露于UVFs后，大型溞的颜色偏好发生了显著改变。两种化合物均能影响几乎所有测试的光色组合偏好（除蓝光对红光外），其中对紫外光偏好的影响最为频繁（53%的暴露×光色处理组合）。暴露通常降低了大型溞对紫外光的厌恶感，并改变了其对蓝光、白光、绿光和红光之间的相对偏好。这些效应在环境相关浓度（0.1-10 μg/L）下即已出现。

本研究观察到的行为改变可能反映了感觉和神经运动双重层面的干扰。OC和BP-3这两种常见的UVFs，能够在亚致死浓度下扰乱大型溞的色度光敏感性。具体而言，OC倾向于诱导回避和嗜睡反应，尤其在紫外A光和蓝光下最为明显；而BP-3则在白光和绿光下引起剂量依赖性的活动过度。更重要的是，两种化合物都相似地改变了颜色偏好，普遍增强了对紫外光的偏好，并改变了对其他光色的选择。

这些行为干扰具有重要的生态学意义。趋光行为和颜色偏好与大型溞逃避捕食者、寻找藻类食物斑块以及规避有害紫外线辐射等关键生态行为密切相关。降低对紫外光的厌恶可能增加其遭受紫外线损伤的风险；而改变对蓝光、绿光等深水穿透光的偏好，则可能破坏其DVM，增加被鱼类捕食的几率，进而可能影响藻类 grazing（摄食）和整个水生生态系统的平衡。

潜在的机制可能涉及氧化应激、神经毒性以及对光感受器或神经调节系统的干扰。多巴胺能通路可能在介导这些反应中扮演核心角色，而差异性的波长敏感性则提示感觉-运动轴上存在特定的作用靶点。鉴于UVFs在环境中的广泛存在，其在环境相关浓度下对浮游动物光驱动行为的干扰效应值得高度关注。本研究开发的高通量平台为未来进一步探究污染物如何通过干扰视觉感知影响水生生态系统行为提供了强有力的工具，也为评估此类化学品的生态风险提供了新的视角。未来的研究需要深入阐明其具体的神经生物学机制，并考察在更低、更接近自然条件下的光强度下，UVFs是否会影响触发趋光行为的阈值。