海洋碱度增强（OAE）对欧洲平牡蛎 *Ostrea edulis* 的生态毒理学影响：基于组织代谢组学和金属分析的见解

《Marine Environmental Research》：Ecotoxicological impacts of ocean alkalinity enhancement (OAE) on the European flat oyster Ostrea edulis: Insights from tissue metabolomics and metal analysis

　　

引言

自工业革命以来，人为二氧化碳排放导致大气中二氧化碳分压（pCO₂）显著上升，而海洋吸收了约三分之一的这部分超额大气二氧化碳（IPCC, 2023）。二氧化碳溶于海水后，会反应生成碳酸（H₂CO₃），碳酸发生解离并释放质子，从而降低海水pH值，这一过程统称为海洋酸化（OA）。除大幅减少全球温室气体排放外，实现2015年《巴黎协定》的气候目标还要求部署负排放技术（NETs）以清除大气中残余的二氧化碳（Minx et al., 2018）。

海洋碱度增强（OAE）是一种新兴的负排放技术，旨在增强海洋长期封存二氧化碳的能力，同时缓解海洋酸化（J. Hartmann et al., 2013; Kheshgi, 1995）。OAE通过向海水中添加碱性物质，提高总碱度（TA），并使碳酸平衡从溶解态二氧化碳向碳酸氢根（HCO₃^?）和碳酸根（CO₃^2?）离子方向偏移。由此降低海水pCO₂，从而使海水能够吸收更多的大气二氧化碳，同时碳酸根浓度升高在一定程度上抵消了海洋酸化特征性的碳酸盐不饱和状态。然而，具体的化学反应路径取决于用于碱化的原料材料（Eisaman et al., 2023; J. Hartmann et al., 2013; Kheshgi, 1995; K?hler et al., 2010）。

在这些方法中，天然硅酸盐和碳酸盐矿物的增强风化（EW）因其以相对较低的成本实现长期碳封存潜力而受到特别关注，它利用沿海地区的高能量条件加速机械风化（Flipkens et al., 2023a; K?hler et al., 2010）。尽管具有这种潜力，OAE可能通过改变海水化学性质以及根据原料释放微量金属而带来生态风险，因此可接受的生态风险水平和社会接受度是任何大规模部署的先决条件（Bach et al., 2019; Flipkens et al., 2021; Waller et al., 2025）。

沿海环境中硅酸盐矿物的风化，以橄榄石等矿物为例，被称为沿海增强硅酸盐风化（CESW）（Montserrat et al., 2017）。尽管橄榄石的溶解动力学受pH值、温度和粒径的影响（Geerts et al., 2025; Oelkers et al., 2015; Rimstidt et al., 2012），但在沿海海洋条件下pH值和温度的相对变化范围较窄，使得粒径成为主要的实验可控因素，因此要实现足够快速的溶解，需要将矿物研磨成细颗粒（Fuhr et al., 2022; Schuiling and De Boer, 2011）。与碳酸盐矿物相比，硅酸盐矿物的优势在于其碱度释放不易发生次生碳酸盐沉淀，否则部分封存的二氧化碳会被重新释放，从而降低净二氧化碳去除效率（J. Hartmann et al., 2013; Hashim et al., 2025）。它们的主要生态缺陷在于，同样的溶解过程也会提高某些大量营养素（Mg、Fe、Si、Al）和微量金属的浓度，包括可能具有毒性的元素，如镍（Ni）和铬（Cr），这些元素以随矿物类型和产地变化的比例结合在矿物晶体结构中（Bach et al., 2019; Flipkens et al., 2021）。

由于这些碳酸盐化学性质的改变以及相关金属释放可能影响海洋生物，需要进行全面的环境风险评估（ERA），以评估OAE对相关生物学尺度上的影响（Dupont and Metian, 2023）。迄今为止，OAE研究主要集中在浮游植物群落（Goldenberg et al., 2024; Sánchez et al., 2024），而关于底栖无脊椎动物的数据仍然稀缺，且大多局限于急性或亚慢性暴露研究（Flipkens et al., 2023b; Jankowska et al., 2024; Jones et al., 2024; Pernet et al., 2026）。这是一个重大缺口，因为双壳类动物是温带沿海地区生态和经济上最重要的底栖无脊椎动物类群之一，而这恰恰是最可能部署CESW的环境。双壳类动物具备某些使其特别适用于OAE风险评估的特征。作为滤食性动物，它们同时通过摄食矿物溶解释放的溶解态微量金属和直接摄食水体中可能包含CESW过程中释放的残余矿物颗粒的细颗粒物而暴露（B?rretzen and Salbu, 2009; Vink and Knops, 2023）。作为钙化生物，它们依赖稳定的碳酸盐系统，因此碳酸根与碳酸氢根浓度平衡的任何偏移都可能直接影响壳体沉积（Gazeau et al., 2013; Thomsen et al., 2015; Waldbusser et al., 2015）。尽管双壳类动物具有金属解毒机制（例如金属硫蛋白诱导、谷胱甘肽结合），但这些机制消耗能量较高，在持续金属暴露下可能损害生长、钙化和繁殖（Amiard et al., 2006; Blewett et al., 2016; Brix et al., 2017; W. X. Wang et al., 2018）。

欧洲平牡蛎Ostrea edulis作为海洋生态系统中滤食和钙化的关键物种，是评估OAE效应的理想模式生物（zu Ermgassen et al., 2021）。此外，其对环境变化的敏感性和持续的保育关注（Noetzel et al., 2025; Pineda Metz et al., 2023）凸显了理解OAE对其生理和生态功能影响的重要性。考虑到海洋双壳类生物构建和维持的生物源礁生态系统功能，例如北海中的O. edulis、M. gigas和M. edulis（M?bius, 1893; Pogoda, 2019; Thurstan et al., 2023），OAE的不利副作用可能会挑战修复工作的重要进展，因为碳酸盐系统偏移和组织金属积累可能会破坏这种生物源礁栖息地修复优先物种的代谢通路和适合度。

本研究旨在通过室内水箱系统中的慢性暴露，区分OAE对幼年欧洲平牡蛎O. edulis的微量金属驱动和碱度驱动影响。为此，我们比较了两种截然不同的OAE方法：使用橄榄石的CESW和使用NaOH/CaCl₂ · 2 H₂O的溶解态碱度添加，在两个目标碱度水平（ΔTA +250和+500 μmol kg^?1）下，与海水对照组进行了为期63天的暴露实验。我们假设基于橄榄石的慢性CESW将（1）引发超出碱度效应本身的镍积累，以及（2）触发可通过¹H-NMR分析检测到的组织特异性代谢紊乱，相比纯碱度增强施加更大的生理代价。

章节摘要

动物来源

本研究使用的O. edulis个体来自英国商业苗场Seasalter（Walney）有限公司。牡蛎按照相应的生物安全方案和隔离处理后被引进至赫尔戈兰牡蛎苗场，随后被转移至MarGate实验场地的赫尔戈兰牡蛎苗圃（Pogoda et al., 2024）。牡蛎被放置在SEAPA牡蛎筐中（SEAPA Pty Ltd, 澳大利亚），水深8米处养殖一年。2024年3月，来自该苗圃的两岁牡蛎

碱化阶段期间的总碱度、pH值和海水参数

碱化过程的详细方法和初步结果已在我们的先前研究中报道（Antoni et al., 2025）。在此我们总结相关主要发现：三个连续的碱化阶段（AP1：d-21–d0；AP2：d0–d21；AP3：d21–d42）在21天内产生了可比较但各不相同的TA谱线。所有后续分析均依赖于ΔTA值（TA_treatment – TA_control)）来评估处理组之间的特定差异（图2 A）。

橄榄石处理通过CESW产生了持续的TA增加。该

OAE应激因子的鉴定：牡蛎中的镍积累与代谢分化

本研究旨在通过Dupont和Metian（2023）提出的针对性评估，区分OAE固有的应激因子复杂性，揭示单独和复合应激因子对暴露牡蛎生态生理的潜在影响。因此，我们旨在评估和比较仅在慢性暴露于纯碱度增强（使用不含已知杂质的纯原料）下的效果，与CESW方法中涉及镍和铬等有毒金属释放的效果。

过去对

结论与展望

本研究对室内水箱系统中暴露于两种截然不同OAE实施方案——溶解态碱度和基于橄榄石的CESW——的欧洲平牡蛎进行了慢性、多组织代谢组学评估。尽管目标TA水平相似，但两种方法在暴露特征上存在明显差异，基于橄榄石的CESW导致鳃和外套膜组织中出现剂量依赖性的镍积累。代谢物反应较小且大部分为处理特异性，伴随着

CRediT作者贡献声明

Marco Rump：撰写 – 初稿、可视化、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念化。Gisela Lannig：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资源提供、方法论、经费获取、形式分析、概念化。Christian Bock：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、资源提供、项目管理、方法论、经费获取、概念化。Albert Benthien：撰写 – 审阅与编辑、验证、

伦理声明

对Ostrea edulis的研究工作无需伦理审批，因为牡蛎属于无脊椎动物，不受现行动物实验法规（例如欧盟指令2010/63/EU）或适用的地方立法及机构要求所涵盖。

生成式人工智能声明

作者声明在本文撰写过程中使用了生成式人工智能。AI被用于修正文档部分内容的拼写和语法。

资助

作者声明本研究/发表获得了财务支持。本工作由德国联邦自然保护局（BfN）资助，该局隶属于联邦环境、自然保护与核安全部，资助编号为3522830300。该资助为非商业性质，资助机构未参与本稿件的撰写、审阅或发表。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能对本论文的研究报告产生影响。

致谢

我们感谢PROCEED项目团队提供实验所用牡蛎，特别感谢Nicholas Jamie Mackay-Roberts在水箱设施使用方面的协助。我们感谢AWI不来梅海洋地球化学研究组Walter Geibert博士及其技术团队为金属积累分析提供的便利。特别感谢Anette Tillmann在牡蛎组织提取和测量方面的指导。我们还要感谢AWI数据科学

Marco Rump | Gisela Lannig | Christian Bock | Albert Benthien | Bernadette Pogoda | Dominik Antoni | Gunnar Gerdts