海洋热浪与纳米二氧化钛(nano-TiO2)联合暴露对厚壳贻贝(Mytilus coruscus)生理适应性的协同胁迫效应

本研究针对海洋热浪(MHWs)与纳米二氧化钛(nano-TiO2)污染协同胁迫的生态毒理问题，通过多浓度暴露实验揭示了两者联合作用显著加剧厚壳贻贝性腺损伤、降低壳强度、扰乱脂代谢(SCD)与生物矿化(CALM/CA/CHS)基因表达，并诱发线粒体功能异常与DNA损伤(γ-H2AX↑)。研究成果为评估气候变化与新兴污染物复合效应提供了关键生物标志物体系。

　　

随着纳米技术的飞速发展，纳米二氧化钛(nano-TiO₂)因其优异的光催化性能和紫外线屏蔽能力，被广泛应用于化妆品、涂料、食品包装等工业领域。然而，这些纳米材料在生产和使用过程中不可避免地进入海洋环境，近年来已在表层水体中检测到20–50 μg/L的浓度，甚至在水柱中达到100–900 μg/L的水平。更令人担忧的是，全球nano-TiO₂市场规模在2024年已达到约220亿美元，且预计2025至2034年间将保持超过5.5%的年复合增长率，这意味着其环境释放量将持续增加。

与此同时，气候变化正导致海洋热浪(MHWs)事件愈发频繁和强烈。在东亚海域，夏季海表温度已达28.3°C，而气候模型预测到2100年东中国海平均海表温度将升高约4°C。温度是影响海洋生物生理过程的关键因子，能够调节代谢活性、酶功能以及能量平衡。当水温升高时，水生动物的基础代谢率显著上升，导致对氧气和营养的需求增加，同时可能损害免疫系统功能，增加对疾病的易感性。

尽管已有研究分别探讨了纳米污染物和温度胁迫对海洋生物的影响，但两者之间的交互作用尚未得到充分认识。特别是对于滤食性贝类如厚壳贻贝(Mytilus coruscus)这类生态系统中重要的基石物种，它们通过滤水作用改善水质、提供栖息地结构并作为高营养级的食物来源，但由于其固着生活特性且直接与环境接触，极易受到多重环境胁迫的影响。

为填补这一研究空白，由Bing Liu、Menghong Hu、Li'ang Li、Mojiang Zhang、Xinyue Li、Mohamed H. Abo-Raya和Youji Wang组成的研究团队开展了一项创新性研究，探讨了海洋热浪与nano-TiO₂联合暴露对厚壳贻贝生理适应性的协同效应。该研究成果发表在《Marine Pollution Bulletin》上，为理解多重环境胁迫对海洋生物的影响提供了重要科学依据。

研究人员综合运用了组织病理学分析、流式细胞术检测细胞活力和线粒体活性、γ-H2AX免疫荧光标记DNA双链断裂、qPCR分析基因表达以及贝壳压缩强度测试等技术方法，样本来自中国浙江舟山嵊泗群岛的野生厚壳贻贝群体。

3.1. Nano-TiO₂表征

通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析确认nano-TiO₂粒径范围为25-40 nm，呈不规则颗粒形态且随机聚集。动态光散射分析显示，在22°C时纳米颗粒主要分布在23-32 nm，而在28°C时则主要分布在27-37 nm，表明温度升高促进了纳米颗粒的聚集。Zeta电位测量结果显示，22°C时为-9.655 mV，28°C时为-3.035 mV，进一步证实温度升高降低了颗粒间的静电排斥力。

3.2. 性腺组织学

研究发现在低浓度nano-TiO₂下，MHWs显著扩大了性腺组织中的空泡化区域；在高浓度nano-TiO₂暴露下，MHWs同样导致性腺空泡化区域显著扩大。在环境温度条件下，增加nano-TiO₂浓度会产生浓度依赖性的性腺组织损伤增加，各浓度水平间显示显著差异。MHWs组也观察到类似的梯度响应。

3.3. 细胞活力(CV)

在低浓度nano-TiO₂组中，MHWs导致细胞活力显著降低。在环境温度条件下，仅在高浓度nano-TiO₂下观察到细胞活力显著下降。MHWs组也观察到可比趋势。

3.4. 线粒体活性和DNA双链断裂

在性腺组织中，MHWs在低和高浓度nano-TiO₂下均导致线粒体活性显著降低。相反，在环境温度条件下，仅在高浓度nano-TiO₂暴露下线粒体活性显著增加。而在外套膜组织中，MHWs仅在低浓度nano-TiO₂组诱导线粒体活性显著增加。

对于DNA损伤标志物γ-H2AX，在性腺组织中，MHWs仅在高浓度nano-TiO₂组诱导γ-H2AX含量显著增加。在外套膜组织中，MHWs在两种nano-TiO₂浓度处理下均诱导γ-H2AX含量显著增加。

3.5. 生理状态基因的mRNA表达

在性腺组织中，MHWs在两种浓度nano-TiO₂处理下均显著提高了SCD基因(硬脂酰辅酶A去饱和酶)的相对表达水平。在外套膜组织中，MHWs暴露下低浓度nano-TiO₂组CALM基因(钙调蛋白)相对表达水平显著降低；CA基因(碳酸酐酶)在两种nano-TiO₂浓度处理下，MHWs导致其相对表达水平显著降低；CHS基因(几丁质合酶)在两种浓度nano-TiO₂处理下均导致其表达显著上调。

3.6. 贝壳压缩负荷(CL)

在高浓度nano-TiO₂组中，MHWs显著降低了贝壳强度。在MHWs条件下，暴露于高浓度nano-TiO₂导致贝壳强度显著下降。

3.7. 多变量数据整合

主成分分析(PCA)显示前两个主成分共同解释了总方差的88.3%，其中PC1占69.7%，主要捕获浓度依赖性变异。PC2解释了18.6%的方差，反映了nano-TiO₂暴露下温度诱导的变异。相关性分析发现性腺组织损伤(VAP)与性腺γ-H2AX呈显著正相关，与性腺线粒体活性呈显著负相关。贝壳压缩强度(CL)与外套膜γ-H2AX呈显著负相关。

研究表明，海洋热浪与nano-TiO₂联合暴露对厚壳贻贝的生理适应性产生了显著协同效应。在分子水平上，联合胁迫改变了脂代谢(SCD)和生物矿化(CALM、CA、CHS)相关基因的表达模式；在细胞水平上，导致线粒体功能异常和DNA损伤(γ-H2AX)加剧；在组织水平上，引起性腺结构损伤和贝壳强度下降。特别值得注意的是，性腺和外套膜组织对胁迫的响应存在明显差异，表明不同组织具有特异的代谢响应策略。

这些发现强调了海洋生物在面对多重环境压力时的脆弱性，特别是在气候变化背景下，新兴污染物的毒性效应可能会被放大。研究结果为评估海洋生态风险提供了重要的生物标志物体系，强调了在生态风险评估中需要采用综合生物标志物方法的重要性。该研究不仅增进了我们对纳米材料环境行为的理解，也为预测未来气候变化背景下海洋生态系统的响应提供了科学依据，对制定有效的海洋环境保护策略具有重要指导意义。