环境相关的碳酸盐碱度暴露下金鲫的心脏损伤与嘌呤代谢重塑

《Environmental Research》：Cardiac injury and purine metabolic remodeling in Carassius auratus under environmentally relevant carbonate alkalinity exposure

　　

•长期碳酸盐碱度与鲢鱼（Carassius auratus）心肌损伤相关
•心肌氨的积累与线粒体能量代谢障碍相一致
•碳酸盐碱度扰乱心肌腺苷酸和嘌呤代谢
•黄嘌呤氧化酶（XOD）活性升高可能促心肌活性氧（ROS）积累

引言

全球变暖引发的干旱和蒸发浓缩正在改变水体的离子组成、碱度和pH值，从而加剧内陆淡水生态系统的盐碱化（Stenger-Kovács et al., 2023）。联合国环境规划署对全球水质评估表明，淡水盐碱化已成为一个全球范围可观测的水质问题。根据一项覆盖欧亚大陆内陆盐碱性地表的规模化水文化学调查，以Na–HCO?和Na–HCO?+CO?化学类型为主导的水体在内陆盐碱水中占比较高，合计约占总量的41.4%。若将HCO??+CO?2?超过25当量百分比的苏打型和苏打盐型水体一并计入，该比例则达56%（Boros and Kolpakova, 2018）。这些结果表明，以HCO??/CO?2?阴离子富集、高pH和高总碱度为特征的碳酸氢盐/碳酸盐型水体，构成内陆盐碱水体的重要组成部分。同样，松嫩平原是中国东北地区典型的苏打盐碱化区域。近期的水文化学调查显示，该区域盐碱水的pH值为8.04–9.50，以NaHCO?为主要水型（Sun et al., 2026）。对松嫩平原湖泊的调查进一步表明，多数湖泊表现为HCO?—Na?水型，总碱度介于0.98至40.52 mmol/L之间。沿盐碱度梯度，浮游植物细胞密度、属丰富度和分类多样性均呈下降趋势（Sui et al., 2016）。以极端离子组成为特征的水体盐碱化代表了一种重要的非生物胁迫。此类水文化学胁迫可能损害淡水生态系统的稳定性，并在水生生物中引发不良的生理和毒理学效应。

较高的碳酸盐碱度会破坏鱼类的离子稳态和酸碱平衡（Yao et al., 2015; Zhang et al., 2025）。为维持内环境稳态，鱼类可能通过耗能过程增加离子转运和酸碱调节活性，例如调节离子泵、碳酸酐酶及相关转运蛋白的表达或活性（Zhao et al., 2023）。同样，现有研究表明，碳酸盐碱度胁迫与鱼类渗透调节器官（鳃（Li et al., 2024）和肾（Ding et al., 2023））以及代谢中枢（肝脏（Wei et al., 2023）和肠道（Su et al., 2023））的能量代谢变化相关，主要涉及糖酵解/糖异生、丙酮酸代谢、三羧酸循环（TCA循环）和氧化磷酸化等核心通路（Su et al., 2023）。这一发现表明，能量底物利用和ATP供应的调整可能是鱼类应对碳酸盐碱度胁迫下离子调节、酸碱平衡和氨代谢需求的重要生理反应。除了离子和酸碱调节带来的能量负担外，高碳酸盐碱度环境还可能通过限制氨的排泄进一步加重代谢负担。在高pH环境中，水中质子浓度降低，削弱了将NH?转化为NH??所需的酸捕获过程，从而增加了鱼类血液和组织中氨积累的风险（Luo et al., 2026）。由于NH?膜通透性高，易跨越生物膜扩散，其积累可能破坏细胞和线粒体内部的质子稳态，进而影响线粒体膜电位（Δψm）和氧化磷酸化（Marcaggi and Coles, 2001）。因此，氨积累可能是碳酸盐碱度胁迫下外部水文化学胁迫、线粒体功能障碍和机体损伤相关联的因素之一。由此可见，碳酸盐碱度胁迫并非单纯的盐度胁迫，而是涉及离子调节、酸碱平衡、氨排泄和能量代谢等多种生理过程的复杂水文化学胁迫。由于这些过程与ATP供应和线粒体功能密切相关，高能量需求的组织可能对碳酸盐碱度胁迫引起的代谢胁迫更为敏感。

心脏功能是鱼类循环系统的核心，其持续的收缩和舒张需要稳定的能量供应（Speers-Roesch et al., 2010; Cerra et al., 2023）。在能量供应与需求失衡的条件下（如低氧、剧烈运动和营养能量限制），心肌能量代谢紊乱通常伴随着腺苷酸池和嘌呤代谢通路的变化（Mommsen and Hochachka, 1988; Hardie et al., 2012; Lopez-Schenk et al., 2023）。ATP供应不足或腺苷酸降解增强可导致相关代谢物的积累，包括一磷酸腺苷（AMP）、一磷酸肌苷（IMP）、次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸（Harrison, 2002; Lopez-Schenk et al., 2023）。由于ATP、ADP和AMP本身就是嘌呤核苷酸，腺苷酸池的变化可直接反映细胞的能量状态（Hardie et al., 2012）。相比之下，IMP、次黄嘌呤、黄嘌呤和尿酸等代谢物的积累则指示腺苷酸降解和嘌呤代谢通路的反应。此外，嘌呤代谢下游的氧化反应可能损害氧化还原稳态。特别是在应激条件下，次黄嘌呤和黄嘌呤的进一步氧化可能伴随活性氧（ROS）的产生，从而增加细胞氧化损伤的风险（Harrison, 2002; Jin et al., 2026）。值得注意的是，已在栖息于碳酸盐碱性环境中的多种鱼类代谢活跃器官或组织（包括鳃、肝脏、肠道和肌肉）中报告了嘌呤代谢的变化（Yu et al., 2025; Liu et al., 2026）。然而，碳酸盐碱度胁迫下心肌能量稳态和嘌呤代谢如何协调响应，以及这些代谢变化如何与心肌氧化还原稳态相关联，仍有待阐明。

基于上述背景和研究空白，本研究以对碳酸盐碱性水环境具有相对较高耐受性的鲢鱼（C. auratus）为模型，探讨碳酸盐碱度胁迫下心肌组织损伤及其代谢变化。具体而言，本研究首先评估心肌形态学变化和TUNEL阳性信号。随后整合心肌氨含量、线粒体功能、氧化应激指标和腺苷酸水平，以表征心肌能量代谢和氧化还原稳态的变化及其潜在关联。最后，采用非靶向代谢组学和嘌呤代谢相关指标测量，进一步评估嘌呤代谢与心肌能量稳态紊乱和氧化损伤的关联。总体而言，本研究旨在建立碳酸盐碱度胁迫下心肌能量稳态、嘌呤代谢和氧化还原稳态之间的关联框架。这些发现可能为理解碳酸盐主导的盐碱化对淡水鱼类高能量需求器官的生理效应提供新的视角。

片段章节
实验动物与驯化条件

实验共使用270尾健康的鲢鱼（C. auratus），初始体重为130.0 ± 5.0 g（均值 ± 标准差）。所有实验鱼购自中国水产科学研究院黑龙江水产研究所呼兰试验站。实验前，所有鱼类在1,000升循环养殖系统中驯化14天。驯化期间，水体条件维持在：温度25.0 ±

心肌组织学与超微结构变化
TUNEL荧光染色显示，碳酸盐碱度暴露后鲢鱼心肌组织中的TUNEL阳性信号更为明显（图2）。对照组（C组）仅观察到稀疏的TUNEL阳性信号。T组阳性信号增加，暴露于更高碳酸盐碱度浓度的F组则进一步增强。在高碱度F组的部分心肌细胞中观察到核固缩现象。荧光成像显示更多

讨论
碳酸盐碱度已成为一种具有重要毒理学效应的环境胁迫因子，对淡水生物具有潜在影响。本研究显示，长期暴露于碳酸盐碱性条件与鲢鱼心肌损伤相关。TUNEL染色表明，在碳酸盐碱度条件下心肌组织中的TUNEL阳性信号更为明显，且高浓度组的变化更为显著。透射电镜进一步揭示线粒体

结论
总体而言，长期碳酸盐碱性暴露与鲢鱼心肌结构损伤、线粒体功能障碍和代谢失衡相关。组织学、生化学和代谢组学证据表明，心肌氨负荷增加与Δψm和ATP水平降低、腺苷酸稳态改变、嘌呤降解相关代谢物积累以及氧化还原稳态紊乱相一致。XDH活性降低和XOD活性升高进一步表明黄嘌呤氧化

CRediT作者贡献声明
杨阳：监督、资源、方法学、调查、基金获取。
孙彦春：监督、资源、项目管理、基金获取、概念设计。
刘玉辰：验证、软件、调查。
陈本：调查。
吴松：调查。
倪佳辰：论文写作——审阅与编辑、论文写作——初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析。
宥世杰：论文写作——审阅与编辑、验证、调查。

伦理声明
本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南开展。本研究经中国水产科学研究院动物实验伦理委员会批准。

生成式AI及写作过程中AI辅助技术的声明
在本文撰写过程中，作者使用OpenAI Codex改善了英文文本的清晰度、可读性和语言一致性。所有AI辅助内容均由作者进行了严格审阅和修改，作者对稿件的最终内容承担全部责任。

利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金（黑水所，编号：HSY202506YB）、黑龙江省杰出青年科学基金（JQ2023C007）以及中国博士后科学基金（2023T160720, 2020M681124）的资助。

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