彩虹鳟（Oncorhynchus mykiss）作为评估市政污水污染对鱼类早期发育长期影响的模式生物

《Environmental Research》：Rainbow trout ( Oncorhynchus mykiss) as a model organism for assessing long-term impacts of municipal wastewater pollution on early fish development

　　本文研究了污水处理厂（WWTP）对虹鳟鱼早期生命阶段的影响。- 虹鳟鱼的早期生命阶段受到污水处理厂（WWTP）出水的影响。- 在下游的各种基质中发现了更高浓度的微污染物。- 下游的胚胎死亡率较高，并受到短暂性低氧的强烈影响。- 暴露的鱼类表现出生长减缓，并伴随多种转录组学变化。- 虹鳟鱼可能有助于评估废水所引发的生物学响应。## 引言根据欧洲环境署的报告，欧洲仅有 37% 的表层水体达到了良好或优良的生态状态，29% 达到了良好的化学状态（European Environment Agency, 2024），这表明化学污染仍然是淡水生态系统面临的持久挑战。在众多化学污染来源中，污水处理厂（WWTPs）代表着一条主要且持续的排放途径，通过它将复杂的污染物混合物排入受纳水体。尽管污水处理厂对于在废水重新进入水生态系统之前改善水质至关重要，但技术和经济上的限制使得许多污染物无法被完全去除，导致大量微污染物持续存在于处理后的出水中并不断进入水环境（Finckh 等，2022；Wilkinson 等，2022）。药品和个人护理品（PPCPs）是污水处理厂出水中最主要的污染物类别之一，并已被广泛认为是水系统中的主要新兴污染物群体。随着预期寿命的延长、慢性健康问题的增多以及对提高日常生活质量的需求，其全球消费量不断增加（Matthee 等，2023）。近期的监测研究表明，PPCPs 现已在全球范围内的河流中被普遍检测到，凸显了它们的广泛环境存在以及改进管理策略的必要性。尽管 PPCPs 在各种环境中通常仅以低浓度（ng/L 和 ng/g）存在，但它们表现出伪持久性、生物蓄积特性以及潜在毒性，引发了对其对非目标生物产生长期生态效应的担忧（Ebele 等，2017；Wilkinson 等，2022）。由于 PPCPs 在环境条件下以复杂的废水来源污染物混合物的形式存在，理解其生态后果需要进行结合环境真实性暴露情景与机制性生物学终点的研究（Finckh 等，2022）。持续暴露于水生污染物中的鱼类是评估环境风险的宝贵生物指示物种。PPCPs 对鱼类的影响因物种而异（Dar 等，2020），并取决于性别、污染物类型、浓度和暴露持续时间（Hamid 等，2022；Nozaki 等，2023）以及生命阶段（Wang 等，2018）。早期生命阶段对外界扰动的抵抗力相对较弱。已报道的 PPCPs 对鱼类的影响包括行为改变（Weinberger 和 Klaper，2014；Horky 等，2021）、发育异常（Zhang 等，2025）、组织损伤（Santos 等，2023）、代谢紊乱（Horky 等，2021）、神经系统和生殖系统变化（Qiu 等，2023）以及基因修饰（Park 等，2012）。然而，大多数 PPCP 研究是在受控的实验室条件下进行的，这些条件可能无法完全反映环境的复杂性。野外研究通常能提供更符合环境真实性的暴露情景，涉及波动的污染物混合物（Bancel 等，2024；Grabicová 等，2020），尽管将观察到的效应归因于特定有毒物质仍然具有挑战性。因此，结合环境真实性与实验控制的途径尤其有价值。在这些途径中，原位笼养（in situ caging）被广泛用于在真实条件下评估生物学响应。通过将已知来源的生物体部署到特定环境中进行定义时期的暴露，笼养减少了与移动和先前暴露相关的变异性，同时整合了多种暴露途径（Oikari，2006）。该方法已被广泛应用于评估污水处理厂的影响和污染物混合物（Bancel 等，2024；Besse 等，2013），尽管大多数研究主要关注顶端或生物体水平的终点。尽管取得了这些进展，但很少有研究在单一实验框架内同时整合了长期的原位暴露、污染物生物蓄积、生物体水平的响应和多组织转录组学分析。因此，在环境真实性条件下，污染物暴露、内部蓄积、生理表现和分子响应之间的机制联系仍然知之甚少（Bancel 等，2024）。在我们之前的实验（Zhang 等，2025）中，褐鳟鱼作为一种本地物种被用来评估特定地点的响应。尽管本地物种提高了生态相关性，但可能限制了研究间的可比性。相比之下，虹鳟鱼（*Oncorhynchus mykiss*）是生态毒理学中表征最完善的鱼类物种之一（Thorgaard 等，2002），拥有广泛的基因组资源、成熟的毒理学方案和广泛的实验室毒性测试应用。这些特性便于对分子响应进行解读，并提高了不同实验条件下进行的研究之间的可比性。结合多组织转录组学和多区室 PPCP 测量（水、POCIS 和鱼类），虹鳟鱼提供了一个在环境真实性条件下调查多个生物组织层次生物学响应的机会。尽管虹鳟鱼并非实验流域的本地物种，但它被定期投放到 Blanice 河中用于休闲渔业，但不能成功繁殖。因此，本研究旨在通过整合污染物测量、生物蓄积分析、生物体水平终点和多组织转录组学，调查虹鳟鱼在受污水处理厂影响地点经过长期原位暴露后的生物学响应。另一个目标是评估虹鳟鱼是否代表了一个有用的模式物种，用于在环境真实性条件下调查废水效应。我们假设，与上游参考地点的鱼类相比，在下游受污水处理厂影响地点暴露的虹鳟鱼将表现出更高的污染物生物蓄积，并伴随协调的生物体水平和转录组学响应。## 章节摘录### 实验地点Zivny 溪是 Blanice 河的支流，位于捷克共和国南部地区。这条溪流平均宽度约为 3 米，平均深度为 30 厘米，流量为 0.15–0.6 立方米/秒。Prachatice 市政污水处理厂（服务约 12,000 名居民）的出水可对溪流总流量贡献多达四分之一。设立了两个实验地点：一个对照地点（C），位于污水处理厂排放口上游约 4 公里处，代表背景……### 水的物理化学参数在实验期间，上游参考地点和接受污水处理厂出水的下游地点之间的水质存在差异。在孵育期间（2023 年 4 月 25 日 – 2023 年 5 月 23 日），E 地点的平均水温比 C 地点高 0.8 °C（8.7%），而在整个实验期间（2023 年 4 月 25 日 – 2023 年 10 月 10 日），这一差异达到了 2.0 °C（15%；补充材料 7）。污水处理厂的下游营养物浓度升高，氮的水平更高……### 污水处理厂出水改变了物理化学条件上游和下游地点之间的环境条件存在差异，特别是温度、营养物浓度和电导率。热升高是废水排放的一个公认后果（Mehdi 等，2019）。与之前从同一流域观测到的结果一致，那里下游温度比上游温度高 1.7 °C（49%）（Zhang 等，2025），本研究记录了平均温度上升 2.0 °C（15%），通过……### 结论本研究采用原位孵育和生长方法，调查了早期生命阶段虹鳟鱼在受污水处理厂影响地点长期暴露期间的生物学响应。下游地点的鱼类表现出更高的死亡率、减缓的生长、改变的能量分配以及与能量代谢、免疫功能、神经传递和氧气运输相关通路调节改变相一致的协调转录组学响应。这些发现表明……### CRediT 作者贡献声明**宁张：** 撰写 – 初稿，方法论，调查。**Kate?ina Grabicová：** 撰写 – 审阅与编辑，方法论，资金获取，形式分析，数据整理。**Tomá? Tichopád：** 撰写 – 审阅与编辑，方法论，形式分析，数据整理。**Pavel Horky：** 撰写 – 审阅与编辑，方法论，形式分析。**Zuzana Havlíková：** 撰写 – 审阅与编辑，方法论，形式分析，数据整理。**Karel Douda：** 撰写 – 审阅与编辑，方法论，形式……### 伦理声明本研究按照 ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究已获得捷克共和国农业部动物商品与动物保护部门的批准。### 研究伦理批准本实验按照欧盟协调的捷克共和国《动物福利法》进行。研究设施获得授权，编号为 MZE-15791/2022-13143，并依据捷克共和国《反动物虐待法》（第 246/1992 号）第 MZP/2020/630/198 号伦理批准委员会的框架。批准证明可应要求提供。### 利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能会影响本文所报告的工作。### 致谢本研究由捷克科学基金会（资助编号 GACR 25-17470S，"存在于水环境中的药品所带来的后果：实验室结果能否转移到真实生态系统中？"）提供资金支持。作者感谢 Olina Valentova 进行的氢化学分析。宁张还获得了国家留学基金委的支持。---宁张｜Kate?ina Grabicová｜Tomá? Tichopád｜Pavel Horky｜Zuzana Havlíková｜Karel Douda｜Jan Turek｜Martin P?eni?ka｜Radek ?indelka｜Roman Grabic｜Tomá? Randák