更安全的海洋解决方案： 蒙蒂波拉角珊瑚（Montipora capricornis）对天然来源防污剂与铜基防污剂的反应

《Environmental Pollution》：Safer Solutions for Sea: Montipora capricornis Coral Responses to Naturally-Derived Versus Copper-Based Antifouling Agents

珊瑚宿主对合成与天然抗污剂的毒性响应及机制研究。摘要：比较合成抗污剂Cu?O与7种天然衍生物（包括butenolide）对珊瑚生理及蛋白质组学的影响，发现Cu?O显著破坏珊瑚组织、光合作用及钙化代谢，诱导氧化应激；而butenolide仅轻微抑制能量代谢，未影响钙化相关蛋白，揭示金属与非金属抗污剂毒理机制差异，为环保抗污剂设计提供依据。

　　

Xinxian Dai|Lei Jiang|Jiyong Zheng|Tao Yuan|Hui Huang|Xiaolin Lu

中国东南大学生物科学与医学工程学院数字医学工程国家重点实验室，南京210096

摘要

虽然传统的合成防污剂（AFs）对珊瑚礁生态系统构成威胁，但天然来源的防污剂的环境安全特性仍缺乏充分研究。为此，选择了一种合成防污剂Cu₂O和7种天然来源的防污剂（7-氨基-4-甲基香豆素（AMC）、丁烯内酯（butenolide）、ε-聚赖氨酸（EPL）、喜树碱（CPT）、丁子香酚（eugenol）、gramine和BAF-1）进行比较研究，以揭示珊瑚Montipora capricornis的生理反应。选定的防污剂浓度为50 μg/L，参考了Cu₂O引起白化的浓度。15天后，Cu₂O表现出最显著的不良影响：组织损失和白化程度加重、虫黄藻密度下降、叶绿素a（Chl a）含量减少以及抗氧化酶活性改变；而丁烯内酯的影响最轻微；其他防污剂则表现出中等的应激反应。进一步通过蛋白质组学分析发现，Cu₂O在共生体和珊瑚宿主体内强烈下调了与光合作用、卡尔文循环、糖酵解、三羧酸（TCA）循环和钙化相关的蛋白质。值得注意的是，丁烯内酯对钙化相关蛋白质没有影响。这种整合蛋白质组学-生理学的方法首次同时评估了多种天然来源防污剂对珊瑚整体生态系统的影响，揭示了金属化合物和非金属化合物在毒性作用机制上的差异。特别是，丁烯内酯主要抑制能量代谢，同时不影响钙化相关蛋白质，表明其毒理途径与基于铜的防污剂有根本不同。

引言

珊瑚礁是支撑全球生物多样性和海岸保护的关键生态系统。这种生态优势依赖于造礁珊瑚与Symbiodiniaceae之间的共生关系，这种关系驱动了珊瑚礁的钙化并维持了复杂的营养网络（Lima等人，2024年）。然而，这种联盟正在瓦解：尤其是海洋热浪和海洋酸化破坏了光系统II（PSII）（Klaus等人，2007年），活性氧（ROS）的积累引发了氧化应激（Barott等人，2015年），并导致大规模白化，使珊瑚礁面临全球性崩溃的风险。

化学污染物以意想不到的方式加剧了这一危机。防污剂对全球航运至关重要，但它们涉及将杀菌剂故意释放到周围的海水中，对海洋、沿海和珊瑚礁环境造成严重环境风险。含锡的防污剂因生态破坏已被禁止使用（Valente等人，2023年），但它们的替代品也并非无害。基于铜和有机的防污剂，如Cu₂O、金属吡啶硫酮（Gutner-Hoch等人，2019年）、DCOIT（4,5-二氯-2-正辛基-4-异噻唑啉-3-酮）（Ru等人，2022年）、Irgarol 1051（（2-（叔丁基氨基）-4-环丙基氨基）-6-（甲基硫）-1,3,5-三嗪）（Zhang等人，2019年）和Diuron（3-（3,4-二氯苯基）-1,1-二甲脲）（Skerratt等人，2023年）表现出广泛的急性和慢性影响（Avelelas等人，2017年；Jesus等人，2021年）、生物累积（Cheng等人，2024年）、营养级传递（Campos等人，2024年）以及海洋生物（包括珊瑚）的生化和生理损伤（de Campos等人，2022a；Ferreira等人，2021年；Ishibashi等人，2018年），因此在温带和热带生态系统中构成环境危害（de Campos等人，2022b；Figueiredo等人，2020年）。值得注意的是，基于铜的防污剂在环境相关浓度下对珊瑚健康有负面影响，据报道在50 μg/L的暴露浓度下会导致白化、组织损失和死亡（Chen等人，2024年；Martins等人，2018年；Mitchelmore等人，2007年）。鉴于中国沿海海域的铜浓度范围为0.1至43.2 μg/L（Jin等人，2015年），印度东南海岸Ennore溪的铜浓度高达47.27 ± 1.78 μg/L（Jaikumar，2013年），而苏瓦沿海水域的铜浓度更高（0.88–10.29 mg/L）。因此，需要进一步关注铜浓度升高对海洋生物（包括珊瑚礁）的潜在影响。尽管来自海洋植物（Feng等人，2013年；Pereira等人，2024年）、海洋微生物（He等人，2012年；Laura Alfieri等人，2024年）和陆地植物（Vilas-Boas等人，2024年）的天然来源防污剂因其可降解性而被宣传为“环保”，但这些研究主要关注其防污效果，尽管生态毒理学评估正在兴起，但对它们对非目标海洋生物（尤其是珊瑚）的潜在影响的全面评估仍较少（Pereira等人，2025年；Wang等人，2025年；Wang等人，2024年）。这导致了知识空白，严重削弱了必要的环境风险评估。令人担忧的是，一些天然代谢物，如萜类化合物，在生态相关浓度下可诱导虫黄藻的排出（Singh和Thakur，2021年）。

在这里，我们系统评估了七种代表性天然来源防污剂对珊瑚整体生态系统的反应，并以Cu₂O为基准进行了比较。我们将生理影响（虫黄藻密度、叶绿素a含量和抗氧化酶活性）与Cu₂O和丁烯内酯暴露的蛋白质组学特征相结合，以揭示珊瑚宿主-共生体系统中的毒性机制。我们假设天然来源的防污剂与其毒理机制不同于Cu₂O。但某些防污剂在环境相关浓度下仍可能引起氧化应激并破坏珊瑚-共生体的平衡，其结构多样性决定了对珊瑚整体生态系统平衡的不同影响。这种跨尺度框架揭示了防污剂之间的结构多样性如何导致珊瑚应激反应的差异，并为将机制生态毒理学纳入防污材料设计奠定了基础。

材料与测试试剂盒

Cu₂O、丁子香酚、AMC、EPL、gramine和CPT购自上海Aladdin生化科技有限公司。丁烯内酯购自上海Maclin生化科技有限公司。BAF-1化合物由国家海洋腐蚀与防护重点实验室提供（Zheng等人，2024年）。详细信息列于表S1中。

培养条件和暴露设计

从CAS热带海洋生物资源与生态重点实验室获得了M. capricornis的碎片（大小约为7 ± 1厘米），并进行了适应处理

珊瑚虫黄藻密度和叶绿素a含量的变化

如图1A所示，所有防污剂处理在第15天都导致了不同程度的减少。Cu₂O组的下降幅度最大（50.4%，p < 0.05），而丁烯内酯组仅表现出轻微且不显著的下降（2.46%，p > 0.05）。其余组的下降幅度在4.51%到45.08%之间（p < 0.05）。

叶绿素a含量的变化也呈现出类似的趋势（图1B）。15天后，Cu₂O组的下降幅度最明显

Cu₂O和丁烯内酯对珊瑚白化和氧化应激的影响

如图1所示，Cu₂O引发了M. capricornis的快速白化，虫黄藻密度和叶绿素a含量显著下降。抗氧化酶的激活是抵御环境污染物的常见防御机制，可以减轻对生物体的毒性损伤（Cheng等人，2021年）。SOD、AKP、GST和CAT的显著增加表明Cu₂O引发了珊瑚的氧化应激反应，并促进了解毒和免疫系统的快速激活。

结论

本研究全面评估了M. capricornis对Cu₂O和七种天然来源防污剂的生理和蛋白质组学反应。Cu₂O造成的应激最为严重，破坏了组织完整性、光合作用、能量代谢和钙化，揭示了珊瑚在铜暴露下的系统失衡。相比之下，丁烯内酯的生理和分子影响最为轻微。尽管共生体和珊瑚宿主的初级代谢都受到了影响，但没有

CRediT作者贡献声明

Hui Huang：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据管理、概念构建。Xiaolin Lu：撰写 – 审稿与编辑、验证、资金获取、概念构建。Xinxian Dai：撰写 – 初稿撰写、可视化、实验设计、数据管理。Lei Jiang：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据管理、概念构建。Jiyong Zheng：监督、方法学指导。Tao Yuan：监督、方法学指导

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国基础研究国家重点发展计划（编号：2021-05）的支持。