页岩气开采区域土壤中疏水性多环芳烃化合物的存在、分布、来源及其潜在风险：针对性分析与非针对性分析

《Journal of Hazardous Materials》：Occurrence, distribution, sources, and potential risks of hydrophobic polycyclic aromatic compounds in the soils of shale gas extraction areas: Targeted and non-targeted analysis

斑马贻贝在温度梯度（12-30℃）下对锌污染的响应及快速进化影响研究。发现高温下锌毒性增强，但快速进化提高的急性高温耐受阈值（CTMAX）使新子种群在30℃时锌致死的生存率降低41pp，协同效应仅在30℃出现且减弱53%。证实温度进化可能改变多应力暴露下的毒性效应模式，需纳入生态风险评估。

　　

董颖|朱莉·维尔海恩|罗比·斯托克斯

鲁汶大学进化压力生态学与生态毒理学研究，Debériotstraat 32，3000 鲁汶，比利时

摘要

对自然压力源的快速适应性进化可能会影响对毒物的耐受性，以及这种毒性在自然压力源梯度上的变化情况。尽管这对于准确的生态风险评估至关重要，但这两个方面仍然研究不足。因此，我们测试了锌（浓度为150和300 μg L?1）在温度梯度（12°C至30°C）下的毒性，并研究了快速热进化如何影响这一过程。我们比较了两个子种群：一个子种群在40年前来自同一个湖泊，而该湖泊在这段时间内热浪频率增加了三倍。在旧子种群中，高浓度的锌降低了生存率（-21个百分点）和急性耐热性（20°C时的CT??X??值降低了0.69°C）；在更高温度下（30°C时，生存率降低了31个百分点，CT??X??值降低了0.80°C），这表明存在协同效应。更高耐热性的快速进化导致了对锌的耐受性降低：在30°C时，高浓度锌使新子种群的生存率降低了41个百分点，CT??X??值降低了1.0°C。新子种群中，快速进化使得温暖和锌之间的协同效应仅在30°C时出现，在28°C时不再明显，而且在30°C时这种协同效应减弱了53%。我们的研究结果强调了在评估温暖和毒物的综合影响时，考虑快速热进化以及实际温度梯度（包括极端高温）的重要性。整合这些因素将有助于提高预测温度依赖性毒性模式的能力。

引言

生态风险评估的一个关键挑战是，生物体越来越多地面临多种人为压力源，这些压力源的效应可能会相互作用[1]。为了更准确地评估和缓解这些生态风险，了解在环境现实条件下压力源何时以及如何在何种程度上发生相互作用至关重要[2]。然而，这些相互作用仍然难以预测，使用相同压力源组合的研究可能会得出相反的结果[1]。最近有研究指出，导致同一物种内不同压力源之间相互作用模式差异的两个未充分研究的方面：首先，对一种压力源的快速适应性进化可能会影响对另一种压力源的耐受性[3][4]，从而改变压力源的综合效应和相互作用类型。虽然对包括污染物和温暖在内的多种人为压力源的快速适应性进化现象普遍存在[4][5][6][7]，但只有少数研究探讨了这种快速进化如何影响压力源之间的相互作用类型[3][4][8]。其次，压力源之间的相互作用可能取决于所涉及压力源的强度[1][9]。然而，关于压力源相互作用如何随压力源梯度变化的研究仍然很少（参见例如[10][11]）。据我们所知，目前还没有研究将这两个方面结合起来。这种整合对于评估自然种群中多种压力源的效应是必要的，因为对一种压力源的耐受性进化可能会影响对另一种压力源的耐受性，以及两种压力源的综合效应。

在水生生态系统中，两种主要的压力源——温度上升和污染物暴露——可能会放大彼此的负面影响（协同效应[12][13]），对生物多样性构成日益严重的威胁。有证据表明，水生动物在温暖环境下可能会快速进化出更高的耐热性（例如[14][15]）。然而，对一种压力源的耐受性进化可能会导致对另一种压力源的耐受性降低，这体现在“耐受性代价”概念中[16]，这可能限制了在多重压力源环境下的进化恢复潜力[5]。尽管如此，在热进化背景下，关于这一主题的研究仍然很少。在较长的进化时间尺度上，自然界的果蝇种群的研究支持了这一概念，因为来自温暖地区的果蝇进化出了更高的耐热性，但对杀虫剂噻虫嗪的耐受性却降低了[17]。在较短的进化时间尺度上，水蚤Daphnia magna的一个自然种群中，快速进化出更高的耐热性反而导致了对锌的敏感性增加[18]。尽管这两项研究都表明耐热性的进化可能会干扰对污染物的耐受性，但它们并没有让动物同时暴露于这两种压力源，因此无法评估热进化对温暖和污染物之间广泛存在的协同效应的影响。

在全球变暖研究中，热性能曲线（TPCs）是一种广泛使用的工具，用于评估种群在温暖环境下的当前和未来风险[19]。然而，只有少数研究探讨了毒性如何随温度梯度变化，以及污染物如何影响TPCs的位置和形状（但参见例如[10][11][20]）。据我们所知，只有两项研究考虑了热进化，这两项研究都是通过比较不同纬度的种群来进行的，因此是在较长的进化时间尺度上进行的。这两项研究得出了关于毒性温度依赖性的相反结果：一项研究发现春季跳虫对杀虫剂噻虫嗪的毒性依赖性在不同纬度之间有所变化[11]，而另一项研究则没有发现这种现象（针对豆娘中的杀虫剂氯吡硫磷[10]）。迫切需要了解快速热进化如何改变温度依赖性毒性，因为在当前的全球变暖背景下，快速进化最为相关，而且可能无法反映沿纬度梯度的长期热进化情况。例如，两种压力源耐受性之间的遗传权衡（[14]中可以预期）在长期进化过程中更有可能消失[19]。

在这项研究中，我们的主要目标是更好地了解温度依赖性毒性的发生情况。因此，我们测试了金属锌的毒性在广泛温度范围内的变化，以及这种变化如何受到快速热进化的影响。我们利用了一项关于单个D. magna种群的研究，该种群在40年内快速进化出了更高的耐热性[15][18]。Daphnia是水生系统中的关键捕食者和重要猎物，因此压力源耐受性的变化可能会通过食物网产生连锁反应，从而对生态系统产生潜在影响（例如湖泊清澈水质的变化[21]）。锌是水生系统中广泛存在的有毒物质，其在水体中的长期存在可能导致慢性暴露，威胁生态系统和人类福祉[22]。董等人的先前研究[18]发现，Daphnia在20°C时暴露于锌的情况下，虽然热进化提高了急性耐热性，但同时也增加了对锌的敏感性。我们在此基础上扩展了这项研究，以探讨我们的新研究问题：（i）温度和污染物的综合效应如何随温度梯度（12-30°C）变化，以及快速热进化如何影响（ii）对污染物的耐受性，以及（iii）温度和污染物的综合效应？为了解决这些问题，我们将来自旧子种群和最近（经过热进化）的Daphnia暴露在不同温度梯度下，并同时存在三种浓度的锌。我们不仅量化了急性耐热性（CT??X??），还量化了慢性耐热性（长期生存率），因为这两者可能表现出不同的模式，并可能存在权衡[23]。我们还评估了体型大小的影响，体型大小与Daphnia的适应性有关，可能影响急性耐热性[24]。

与我们的三个研究问题相关，我们提出了以下三个假设：（i）我们预计在最高和最低温度下，锌的负面影响都会增强，因为理论上和实证上都表明，随着环境压力的增加，毒性敏感性会增加[25]。（ii）基于本研究系统之前的工作[18]，我们假设最近子种群（历史上经历了更频繁的热浪）在无锌的情况下，在较高温度下会表现出更高的生存率和CT??X??值，但在有锌的情况下这些优势会被抵消。（iii）由于热进化可能会降低热应力的感知强度[8]，我们预计在经过热进化的子种群中，温暖和锌之间的协同效应会减弱，除非对锌的敏感性增加[18]更为重要。评估这些假设将有助于开发预测温度依赖性毒性模式的方法。

研究系统

我们使用了从Felbrigg Hall Lake（北纬52°54.10′，东经1°15.19′）收集的D. magna克隆体，该湖泊位于英格兰北部诺福克海岸附近，平均深度为90厘米[26]。这个湖泊没有工业废物暴露的历史[8]，拥有详细的温度记录，并在古湖沼学研究中得到了广泛研究[15][26]。从休眠卵库中复活了两组D. magna克隆体：其中一组来自较深的沉积层

培养基中的锌浓度

在暴露期开始时，低浓度和高浓度的锌分别为（平均值±1标准误差）103.99 ± 6.24 μg L?1和211.66 ± 12.70 μg L?1。在96小时的暴露期结束后，所有温度下的低浓度（65.35 ± 26.26 μg L?1）和高浓度（136.70 ± 38.75 μg L?1）锌浓度都低于暴露期开始时的浓度（低浓度下的P值=0.05；高浓度下的P值<0.001；见图S1）。96小时后，不同温度下的锌浓度没有差异

讨论

虽然低浓度和高浓度的锌都降低了两个子种群的生存率和耐热性（CT??X??），但在较高温度下锌的毒性效应被放大了（假设i）。在没有锌的情况下，最近子种群的热进化使其在较高温度下的慢性耐热性和急性耐热性（CT??X??值）高于旧子种群。然而，考虑到锌在较高温度下的更强负面影响

结论

通过将复活生态学与一个共同花园实验相结合，该实验让生物体暴露在较大的温度梯度（12至30°C）下的金属环境中，我们揭示了三个可以改进生态风险评估的关键模式。首先，我们证明了毒物可以抵消热进化的益处。尽管我们观察到在温暖环境下，快速热进化使急性耐热性（CT??X??值提高了0.3°C）和慢性耐热性（生存率提高了23个百分点）

环境意义

我们测试了水蚤Daphnia magna在自然湖泊中可能遇到的环境相关锌浓度范围内的毒性。此外，我们还评估了在全球变暖背景下日益增加的更高耐热性的快速进化如何影响这些温度依赖性毒性模式。我们的结果表明，在较高温度下，锌的毒性增加更为明显，但热进化可以降低这种毒性

作者贡献声明

董颖：撰写——原始草稿、可视化、数据调查、正式分析。罗比·斯托克斯：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。朱莉·维尔海恩：撰写——审稿与编辑、验证、监督、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们感谢Ria Van Houdt、Geert Neyens和Rony Van Aerschot在实验过程中提供的技术支持。董颖的个人资金来自中国国家留学基金委员会（CSC）（资助编号202106140030）。这项工作得到了鲁汶大学（C16/23/003）和弗兰德斯科学研究基金（G014423N）的研究资助。