基于生理药代动力学模型揭示水生无脊椎动物化学物质生物累积机制：以凡纳滨对虾为例

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Mechanistic modeling of chemical bioaccumulation in aquatic invertebrates: A shrimp-based demonstration

本研究针对化学污染物在水生无脊椎动物体内生物累积机制不清的问题，开发了一种基于凡纳滨对虾的生理药代动力学（PBK）模型，量化了101种有机污染物的生物累积因子（BAF）。模型将生物体划分为血淋巴、消化道、鳃、肌肉、壳和卵等六个房室，模拟了通过鳃呼吸和膳食摄入的摄取途径，以及通过呼吸交换、粪便排泄、生长稀释、蜕皮和产卵的消除过程。预测结果显示，50-80%的化学物质BAF预测值与实测值偏差在一个数量级以内，对溴化阻燃剂（BFRs）和其他疏水性化合物（Log KOW 4-6）的预测性能最佳。研究确定了鳃和卵组织是主要累积部位，揭示了暴露途径的化学特异性，并发现了生物浓缩因子（BCF）与辛醇-水分配系数（KOW）之间的非线性关系。该模型增强了对甲壳类动物污染物动力学的机制理解，为评估水生生态系统中的化学风险和暴露异质性提供了基础。

　　

随着工业、技术和人口的快速增长，合成及天然化学物质的使用日益加剧，这些物质通过制造、不当废物处置和不足的废水处理持续释放到水生生态系统中。一旦排放，污染物可通过大气和海洋环流全球扩散，甚至在偏远的极地地区也被检测到。多环芳烃（PAHs）、全氟和多氟烷基物质（PFAS）以及有机氯农药等持久性有机污染物在水体和沉积物中积累，带来长期的生态风险。PAHs还与鱼类、底栖无脊椎动物和海洋脊椎动物的免疫毒性、胚胎畸形和心脏毒性有关。来自波罗的海鳕鱼的证据显示，PFAS浓度与改变的肝细胞指数和身体状况相关。农药进一步损害水生动物，减少生长和繁殖，并诱发组织病理学病变、脊柱畸形和神经行为障碍。 collectively，这些污染物降解水质，破坏水生群落，并通过生物累积和营养级转移在食物网中传播。

虾被认为是海洋和淡水生态系统中的关键物种，具有影响底屑食物网、微生物群落和更高营养级的能力。此外，它们作为重要的生态系统工程师，影响营养动态、能量传递和水生生态系统的恢复力。因此，甲壳类动物，特别是虾的污染和污染物积累是一个重要的生态毒理学问题。

根据现有研究，PAHs广泛分布于全球水生系统的沉积物和海洋生物（如鱼类和甲壳类动物）中，栖息地类型显著影响污染 profiles。在中国、埃及和墨西哥等地区，有机氯农药也在虾及其周围环境中被识别出来，这主要是工业排放、农业径流和公共卫生实践等人为活动的结果。因此，阐明虾体内的生物累积对于生态毒理学评估和食物网归宿评估至关重要。

实地调查揭示了虾及其环境中的污染水平，但无法解析摄取途径的相对贡献或组织特异性污染物分布。为了支持环境管理，需要更易获得的方法来评估虾组织中的污染物积累并量化暴露贡献。动力学建模使得这种评估无需经济、实践或伦理约束。对于水生生物，鱼的PBK模型自1990年代以来不断发展并持续完善。它们现在允许剂量外推和种间缩放，桥接全身和组织特异性生物浓缩，并广泛应用于化学风险评估。对于虾，建模研究仍然有限。Wang及其同事应用了生态毒理学应用优化建模（OMEGA），该模型整合了一级动力学和热力学扩散理论。通过纳入异质生长和生化运输原理，OMEGA估计了凡纳滨对虾的摄取、同化、消除和生物转化速率常数，并分配了呼吸、饮食和消除的贡献。

基于这些进展，我们引入了一个虾特异性生理药代动力学（PBK）框架，该框架将物种特异性生理学与化学吸收、分布、代谢和排泄（ADME）相结合。在本研究中，进行了模拟以表征代表性污染物在通用成年虾中的生物转化。PBK框架将虾细分为六个血液连接的器官房室，并模拟ADME过程以将环境暴露与内部剂量联系起来。我们量化了鳃介导与膳食摄取的相对贡献，并使用基于矩阵的实现识别了器官特异性生物累积因子（BAF）的物理化学驱动因素。

本研究主要采用了生理药代动力学（PBK）建模方法，基于矩阵格式的一级动力学速率常数来表征化学物质在各器官和组织中的归宿和运输。模型将虾体划分为血淋巴、消化道、鳃、肌肉、壳和卵六个房室，考虑了通过鳃呼吸（吸入途径）和摄入沉积物、藻类、浮游生物（口服途径）的化学物质摄取，以及通过鳃消除、消化系统消除、生长稀释、蜕皮和产卵的消除途径。模型参数化基于文献数据和实测数据，包括组织组成、心脏输出、组织重量和组织血流量等生理参数，以及化学物质的辛醇-水分配系数（K_OW）等理化性质。模型性能通过比较模型预测的BAF值与文献中虾体及其生活环境（水体和沉积物）的实测BAF值进行评估，使用模型偏差（MB）方法进行计算。此外，还进行了全局敏感性分析，采用单因素扰动法考察关键参数对BAF的影响。

3.1. 模型验证和参数敏感性分析

模型预测与实验测量的有机污染物BAF比较总结显示，对于PAHs，62.5%的整体BAF预测MB在10倍以内（10倍被认为可接受，3倍表示良好拟合），25%达到3倍精度。农药和溴化阻燃剂验证在整体标本上进行，70.3%的农药和88.9%的阻燃剂MB在10倍以内。PFAS在肌肉组织和卵中的分析显示，分别有57.1%和44.4%的案例MB在10倍以内。可以发现模型的准确性因化学物质而异。阻燃剂的预测更好，其余化学物质的预测相似（约50%）。预测准确性的差异可能归因于几个因素。首先，化学特异性特性强烈影响生物累积机制：例如，BFRs的高疏水性和分配驱动行为可能与当前模型结构更一致，而PFAS生物累积受蛋白质结合亲和力和主动运输过程的影响，现有框架未完全捕捉。其次，关于凡纳滨对虾生物累积特性的文献数据库薄弱，模型验证中包含了其他虾种的数据，这可能引入了种间外推的不确定性。第三，目标水域化学浓度的空间异质性显著，特别是某些污染物在沉积物中的富集效应，可能导致模型预测的系统性低估。

使用Chrysene作为参考化合物进行敏感性分析后，我们发现组织特异性摄取（k⁺_{hemolymph→tissue i}）和消除（k^-_{tissue i→hemolymph}）速率常数对BAF的影响最强。例如，k⁺_{hemolymph→muscle}增加10%使肌肉BAF增加约9.8%，而k^-_{muscle→hemolymph}增加10%使其减少约9.1%，证实了BAF与摄取正相关，与消除负相关。相比之下，虾卵表现出 distinct 模式：k⁺_{egg→hemolymph}/k^-_{egg→hemolymph}改变10%仅改变卵BAF约0.7%，但触发了级联。其他参数显示出相对较弱的影响。组织重量增加10%导致各组织BAF系统性减少约2.2%，而血流量影响可忽略不计。分配行为也有贡献：K_OW增加10%使血淋巴BAF减少约2.0%，其他组织减少0.3%。这些发现与暴露途径相关性分析（ρ=0.76, P < 0.001）很好地吻合，强调了摄取-消除动力学和分配特性在塑造组织特异性积累中的重要性。

3.2. 模拟BAF在虾组织和器官中的分布

图2说明了101种化学物质在不同虾组织和器官中模拟的对数BAF（Log BAF）分布特征。生物累积潜力顺序如下：卵 > 鳃 > 肌肉 > 壳 > 血淋巴 > 消化系统（肝胰腺）。统计分析显示，虾卵（均值=3.14，中位数=3.23）和鳃（均值=2.96，中位数=3.06）的积累水平显著高于其他组织，这一趋势与太湖流域虾组织中全氟化合物的实地观察结果（PFAS）一致。进一步分析表明，虾卵的蛋白质和脂质含量显著高于其他组织（约一个数量级），为亲脂性物质（农药、PAHs、BFRs和SMs）和亲蛋白物质（PFAS）提供了优先结合位点。此外，鳃作为呼吸的关键器官，直接与水-沉积物界面接触，为化学暴露提供了双重富集机制。肌肉组织也显示出显著的生物累积趋势（均值=2.49，中位数=2.55），表明需要关注该组织作为潜在膳食暴露风险。消化系统（肝胰腺）显示出最低的积累潜力（均值=1.42，中位数=1.63），这一现象与克氏原螯虾中农药残留的实验数据高度一致。机制分析表明，消化系统通过循环排空作用加速外源化学物质的清除。

化学特异性分析（图3）显示，BFRs在鳃、卵和壳中显示出显著的生物累积趋势，血淋巴中积累潜力最低，而PFAS在消化系统（肝胰腺）中积累最低，化合物类别间肌肉组织积累水平无显著差异。BFRs的高积累特征归因于其强疏水性（Log K_OW = 5.83–11.22）、沉积物富集效应（浓度高达120,000 ng/g dw）和持久性（生物半衰期长达3150天）。血淋巴作为水相主导的体液基质，其低脂质含量显著限制了疏水性物质的生物累积。PFAS在消化系统（肝胰腺）中积累最低，可能是由于器官功能、化合物理化性质和暴露途径共同作用。肝胰腺的解毒功能加速了PFAS的代谢和运输，而其疏水性和蛋白质结合特性有助于PFAS在血液和肌肉等组织中的积累。

3.3. 化合物理化生物代谢特性对BAF的影响

如图4所示，揭示了不同化合物中BAF与K_OW之间的定量关系，表明组织间存在显著的异质性。研究结果表明，在虾血淋巴中与Log K_OW存在双峰曲线关系（R2=0.92），表明中等亲脂性物质（Log K_OW=3–6）观察到最高的生物累积潜力。这一现象可能归因于跨膜运输效率和蛋白质结合之间的动态平衡。这是由于它们中等的脂质和水溶性，因此它们继续在循环系统中富集。相比之下，低Log K_OW（<3）的物质跨膜运输速率有限，高Log K_OW（>6）的物质过于疏水，导致生物利用度降低。与血淋巴相反，消化系统中的BAF与Log K_OW呈现单峰曲线（R2=0.60），峰值区间明显右移（Log K_OW=6–8）。这种差异可归因于消化系统 distinct 的代谢功能：肝胰腺通过酶消化过程增强溶解度并延长在消化组织中的瞬时积累时间。缺乏主动代谢的鳃、壳、肌肉和虾卵的BAF与Log K_OW呈现S形曲线，峰值在Log K_OW= 4–6范围内。进一步分析表明，当Log K_OW> 6时，鳃、壳和其他组织的BAF趋于稳定。这可能是由于高亲脂性物质的积累行为以被动分配机制为主：此类吸附位点的有限容量导致BAF在达到饱和阈值后不再随Log K_OW升高而增加。

BCF表征化学物质通过水相暴露途径（例如，鱼的鳃摄取）在生物体中积累的能力，通常在受控条件下在实验室测量，而BAF整合了自然环境中多途径暴露（尤其是膳食暴露）的评估。在本研究中，基于EPI Suite模拟生成的101种化学物质的BCF值和质量平衡模型预测的BAF值，系统分析了不同组织和器官的生物累积特性。在虾血淋巴组织中，BCF与BAF之间的定量关系未显示显著相关性（R2 = 0.12）。尽管大多数物质的Log BCF和Log BAF倾向于正相关，但一些溴化阻燃剂（BDE-209, BDE-138）的BAF值随着BCF增加而降低，推测由于其过度疏水性限制了它们在循环系统中的生物利用度（图5）。相比之下，消化系统（肝胰腺）和鳃组织的BAF随着BCF增加呈现显著线性增加（R2 = 0.73），这与其作为化学物质主动吸收的主要途径的作用直接相关。虾壳、肌肉和卵组织的BAF在Log BCF> 3后趋于稳态，这与Log K_OW和Log BAF的趋势相同。先前研究发现BCF与K_OW之间的关系不是线性的，而是出现峰值并逐渐稳定。一个可能的解释是，当化学物质摄取和排泄效率达到平衡时，生物体的生长稀释效应开始出现。值得注意的是，整体模型拟合优度较低（R2<0.4），这可能源于以下差异：大多数可用的BCF数据基于鱼类实验，而甲壳类动物（例如虾）的酶系统组成显著影响化学物质清除效率。此外，高疏水性物质（Log K_OW > 6）更容易分配到沉积物有机质，仅依赖水相浓度计算的BCF可能低估其实际生物利用度。本研究中的BAF包含了营养级放大，而实验室BCF测试未考虑膳食暴露导致的生物放大。

为了研究不同组织中BAF的潜在调控机制，本研究通过Spearman等级相关分析系统评估了模型关键参数的相关性。结果显示，消化系统的BAF与BCF显著正相关（ρ=0.99, P < 0.001），虾壳显示出相同趋势（ρ=0.92, P < 0.001），表明组织的化学富集能力与实验室水相暴露确定的BCF一致。鳃组织的BAF与生物转化半衰期（t?/?）、辛醇-水分配系数（K_OW）和BCF显著正相关（ρ=0.51–0.86, P < 0.001），反映鳃储存亲脂物质的能力由其脂溶性驱动，并且代谢抗性（长t?/?）进一步延长了化学物质的组织滞留时间。虾卵的BAF与Log K_OW和BCF显著正相关（ρ>0.70, P < 0.001），这可能与卵黄脂蛋白与高疏水性物质的特异性结合有关，但其积累上限受到屏障的限制。血淋巴的BAF与Log K_OW显著负相关（ρ=-0.76, P < 0.001）。此外，对于吸收动力学，肠道摄取速率（k_u→gut）与血液和肌肉BAF正相关（ρ=0.66–0.81, P < 0.001），证实消化吸收是外周组织暴露的关键来源。鳃摄取速率（k_u→gill）与鳃BAF正相关（ρ=0.86, P < 0.001）反映了吸收化合物在鳃表面的直接滞留，与其作为水相化学物质主要界面的作用一致。相比之下，与血淋巴BAF负相关（ρ=-0.76, P < 0.001）可以用甲壳类动物的开放循环系统解释：进入血淋巴的化学物质迅速被载体蛋白（例如，脂质和金属结合蛋白）结合并重新分配到外周组织，从而防止它们在循环中长时间积累。重要的是，这种重新分配途径也解释了虾卵中观察到的BAF升高（ρ=0.73, P < 0.001），因为由血淋巴脂蛋白（如卵黄蛋白原）运输的亲脂化合物被递送到发育中的卵巢。总之，这些机制突出了鳃既是主要摄取位点又是系统重新分配的起点，而血淋巴作为连接摄取与组织特异性积累的动态载体。

3.4. 两种暴露途径对BAF的贡献

如图6和图S3所示，暴露途径贡献在虾组织和化学组间不同。在大多数器官（血液、鳃、壳、肌肉、卵）中，鳃摄取占主导地位（>94%），反映了其作为主要系统途径的作用。呼吸吸收使得化学物质快速进入血淋巴和系统重新分配。相比之下，消化系统对大多数化合物显示出> 95%的膳食摄取，强调摄入是组织积累的主要驱动因素。合成麝香（SMs）在消化系统中显示出近100%的膳食贡献，与其强亲脂性（Log K_OW > 5）和对摄入脂质的亲和力一致。PFAS表现出较低的膳食份额（～90%），反映了其两亲结构