温度与痕量金属暴露对幼年欧洲平牡蛎生理学、生物能量学及氧化应激的影响

《Marine Environmental Research》：Effects of temperature and trace metal exposure on physiology, bioenergetics, and oxidative stress in juvenile Ostrea edulis

　　

•变暖主导了全生物体和生物能量反应。
•变暖降低了牡蛎的体况、蛋白质含量和 ETS 活性。
•锌和铜不影响耗氧量、体况指数或闭壳时间。
•高浓度锌暴露降低了 ETS 活性并增加了脂质过氧化。
•高浓度铜暴露仅在 22 °C 下增加了脂质过氧化。

引言
几个世纪以来，欧洲平牡蛎（*Ostrea edulis*）曾栖息在北海的广阔区域（Pogoda, 2019; Thurstan et al., 2024）。作为一种生态系统工程师，该物种形成并维护了三维礁石，在一个否则以软沉积物为主的区域提供了生物成因硬底栖息地（Ducrotoy et al., 2000; Potet et al., 2021）。牡蛎礁是生物多样性热点，为多样的相关群落提供栖息地、食物、庇护所和育幼场。通过滤食，牡蛎还可以改善水质并增强底栖 - 浮游耦合（Beck et al., 2011; Smyth et al., 2013; Pogoda et al., 2019）。然而今天，*O. edulis* 仅在欧洲沿岸的残余种群中幸存，并在如德国湾等地区被认为已功能性灭绝（Merk et al., 2020）。尽管破坏性的工业捕捞是牡蛎礁退化和损失的主要驱动因素，但疾病、入侵物种和污染也对本地牡蛎种群的衰退有所贡献（Thurstan et al., 2013; Moreira et al., 2018; Pogoda et al., 2019; Hughes et al., 2023; zu Ermgassen et al., 2023）。为了恢复这些生物成因栖息地及其相关的生态系统功能，欧洲沿岸已启动了众多牡蛎礁恢复计划，包括在南部北海的德国湾（Pogoda et al., 2019, 2023）。

沿海地区是全球人口最稠密的地区之一，约 27.5 亿人居住在海岸线 100 公里范围内（He and Silliman, 2019; Reimann et al., 2023）。城市化、工业活动和港口开发导致了沿海和陆架生态系统受到微量金属、放射性核素、营养物质、有机污染物、塑料以及全氟和多氟烷基物质（PFAS）等新兴污染物的污染（Cabral et al., 2019; Hatje et al., 2022; Joerss and Menger, 2023）。南部北海有长期的人类污染物输入暴露历史（Salomons et al., 1988）。微量金属是沿海环境中普遍存在的污染物，与全球变暖、富营养化和海洋酸化一起，构成了海洋生态系统的主要压力源（Qian et al., 2015; Cabral et al., 2019; Krishna et al., 2025）。一些微量金属，包括锌（Zn）和铜（Cu），是代谢功能所必需的，而另一些，如铅（Pb）和镉（Cd），没有已知的生物功能（Rainbow, 2002; Jing et al., 2006; Shah, 2021）。然而，在高浓度下，必需和非必需金属都可能变得有毒，并对海洋生物施加能量成本（Rainbow et al., 1990; Sokolova and Lannig, 2008; Noetzel et al., 2025）。

在必需微量金属中，锌和铜支持正常的细胞功能，但在高浓度下可通过不同机制破坏细胞氧化还原平衡。在双壳类动物中，锌有助于细胞膜的稳定（Hietanen et al., 1988）。因为它主要以氧化还原非活性的 Zn2+ 形式存在，所以它不直接产生活性氧（ROS）。然而，升高的 Zn2+ 水平可能会损害抗氧化能力和谷胱甘肽代谢，从而间接促进氧化应激（Marasinghe Wadige et al., 2014）。铜在 Cu2+ 和 Cu+ 之间循环，并作为涉及线粒体呼吸和抗氧化防御的酶辅因子（Stern, 2010）。当铜稳态被破坏时，活性 Cu+ 可以与过氧化氢（H2O2）反应形成羟基自由基（•OH），从而损坏蛋白质并引发脂质过氧化（Gaetke and Chow, 2003）。

温度是海洋生态系统的主要物理驱动因素，因为超过 95% 的海洋生物是变温动物，其体温随周围环境变化（Richardson, 2008）。环境温度的变化直接影响生理和生化过程，改变细胞代谢和能量通量，最终决定生物体的表现和适合度（Hochachka and Somero, 2002; Sokolova, 2023）。牡蛎等固着底栖生物无法逃避局部变暖或海洋热浪（Archambault et al., 2018; Paul et al., 2024）。海洋热浪可能导致变温动物大规模死亡，而不太极端的变暖也可能在温度超过物种特定最适温度时降低生物体表现（Raymond et al., 2022; Garrabou et al., 2022; Howarth et al., 2024）。例如，2018 年，一场海洋热浪导致德国湾长期高温，说明了该地区热极端事件带来的日益增长的挑战（Kaiser et al., 2023）。

结合金属污染，变暖可能对包括牡蛎在内的海洋变温动物构成威胁，特别是在敏感的早期生命阶段（Sokolova and Lannig, 2008）。牡蛎幼虫对微量金属高度易感，这可能导致死亡和发育异常（His et al., 1999; Markich, 2021; Noetzel et al., 2025），而幼体的反应了解得较少。最近的研究表明，juvenile *O. edulis* 的免疫系统受冷应激和热应激的影响，但对金属暴露的反应较弱（Falfushynska et al., 2026）。然而，温度和金属暴露如何共同影响幼牡蛎的生理和代谢仍知之甚少。解决这一知识空白非常重要，因为生物能量学和能量稳态是生长、生存和适合度的基础（Sokolova, 2023）。

本研究调查了温度如何调节 juvenile *O. edulis* 对单独锌和铜暴露的生理、生物能量和氧化反应。牡蛎被维持在 5 和 15 °C，近似于 1962 年至 2019 年间在黑尔戈兰水道记录到的长期平均冬季（5.3 °C）和夏季（15.3 °C）海表温度（Amorim et al., 2023）。另一个 22 °C 的处理代表了 2018 年在德国湾已经观察到的极端夏季条件（Kaiser et al., 2023）。

我们假设暴露于 22 °C 会增加代谢需求，同时降低生理状况和能量状态。我们进一步预期，随着锌和铜暴露浓度的增加，组织金属积累会增强，能量代谢会紊乱，脂质过氧化会增加，这些效应在 22 °C 下最为明显。

参考德国湾沿海水域记录的高金属浓度，选择了锌（ZnCl2）的名义暴露浓度 100 和 1,000 μg L-1 以及铜（CuCl2）的 10 和 100 μg L-1。联邦水文研究所（BfG, 2024）海洋环境数据库（MUDAB）的长期监测数据（1986–2021）显示，在 1.25% 的样本中，测得的锌浓度达到或超过 100 μg L-1，并有三个样本超过 1,000 μg L-1。对于铜，3.38% 的样本达到或超过 10 μg L-1，最高达 97 μg L-1。受污染严重的沿海环境也报告了可比的浓度。例如，雷斯特龙格特河口历史溶解金属浓度范围为 100 至 2,000 μg 锌 L-1 和 10 至 100 μg 铜 L-1（Bryan et al., 1987）。

全生物体表现通过测量体况指数（CI）、耗氧率（?O2）和闭壳持续时间来评估。能量状态通过量化蛋白质、脂质和碳水化合物含量作为大分子能量储备，并结合电子传递系统（ETS）活性作为潜在细胞能量消耗的代理指标来评估。将这些指标整合计算细胞能量分配（CEA）（De Coen and Janssen, 1997）。CEA 反映了储存能量与代谢需求之间的平衡，较低的数值表明可用于维护、生长、繁殖和应对环境应激的能量较少。作为综合指标，CEA 可以提供比单独的能量储备更广泛的亚致死应激评估，并已被广泛应用于水生生物，包括双壳类动物（Fogelman et al., 2025）。脂质过氧化通过测量丙二醛（MDA）作为硫代巴比妥酸反应物质（TBARS）来评估，这是氧化损伤的标志物（Ayala et al., 2014）。

章节片段
实验动物与实验设置
juvenile 欧洲平牡蛎（*O. edulis*）来自 Seasalter（Walney）有限公司，莫克姆湾（英国）牡蛎孵化场，并在黑尔戈兰牡蛎苗圃（阿尔弗雷德·韦格纳研究所，德国）的 4,500 升流水缸中维护。对于实验，800 个幼体（壳长：24.4 ± 2.5 mm，n = 24）被运输至罗斯托克大学。牡蛎维护、实验暴露、水样采集和金属分析遵循与...相同的过程（此处原文引用被截断）。

体况指数
体况指数（CI）在每个处理组 10 只牡蛎中测定（22 °C 低铜处理除外，n = 9），定义为干燥组织质量与干燥壳质量之比乘以 100（Lucas and Beninger, 1985）。解剖后，组织和壳分别包裹在预先称重的锡箔中，并在 68 °C 下烘干 48 小时（Binder KT 115, Tuttlingen, 德国）。样本冷却 10 分钟并精确至 0.01 g 称重。组织和壳的干燥质量通过减去锡箔质量获得（原文此处截断）。

组织均质化
牡蛎组织（每样本 48.1 ± 14.7 mg）被放入含有九个锆珠（? 2 mm）和 650 mg 锆珠（? 1 mm）的 2 mL 旋盖管（FastPrep?）中。按组织与缓冲液比例 1:25（w/v）加入冰冷的均质缓冲液（0.1 M Tris–HCl，pH 8.5, 153 μM MgSO4, 200 mM 苯甲基磺酰氟 (PMSF), 和 0.2% Triton X-100）。样本使用珠磨均质仪和裂解系统（MP Biomedicals? FastPrep-24?, Irvine）以最大速度均质 30 秒。

统计
统计分析在 R 版本 4.4.2（R Core Team, 2024）中进行，显著性水平设定为 p < 0.05。除闭壳持续时间外，所有响应变量均针对锌和铜实验分别使用伽马分布和对数链接的广义线性模型（GLMs）进行分析。温度（5、15 和 22 °C）、金属暴露（对照、低、高）及其交互作用被包含为固定效应。在进行统计推断之前，通过...评估模型拟合度（原文截断）。

牡蛎组织和暴露水中的金属浓度
组织和暴露水中的金属浓度此前由 Falfushynska et al. (2026) 报道，此处包含以表征暴露条件和组织积累。暴露水中测得的锌浓度在对照、低锌和高锌处理中分别为 23.3 ± 2.2、43.4 ± 4.1 和 302.7 ± 14.8 μg L-1（平均值 ± SEM; n = 30）。由于光谱干扰和同位素信号不一致，水中铜浓度无法可靠量化。

讨论
在三周的锌和铜实验期间，驯化温度是影响 juvenile *O. edulis* 全生物体反应的唯一因素。这种温度依赖性特征是变温动物（包括软体动物）的特点，显示出生理表现和适合度与环境温度之间的密切联系（Prusina et al., 2014; Taylor et al., 2017）。在 5 到 15 °C 之间，?O2 变化不大，锌实验的 Q10 值为 1.21，铜实验为 1.12，表明...（原文截断）。

结论
总之，温度是 juvenile *O. edulis* 生理和生物能量反应的主要驱动因素。虽然锌和铜在牡蛎组织中积累，但金属效应仍具有终点特异性，对测量的全生物体终点没有显著影响。然而，细胞能量代谢的改变和脂质过氧化的增加表明，这种表观耐受性并未延伸至所有细胞过程。变暖条件下铜的氧化响应...（原文截断）。

CRediT 作者贡献声明
Bernd Sures：撰写 – 审阅与编辑，资源，方法论。Dominique C. Noetzel：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。Bernadette Pogoda：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。Milen Nachev：撰写 – 审阅与编辑，验证，方法论，调查。Inna M. Sokolova：撰写 未引用的参考文献 Moreiraa et al., 2016; Sokolova and P?rtner, 2003; Zu Ermgassen et al., 2023.

利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Inna Sokolova 最近参与了为国际矿业理事会（ICMM）金属环境风险评估指南（MERAG）准备一份题为“金属环境风险评估：考虑气候变化变化的指南审查与建议”的报告，该报告由国际锌协会（IZA）资助。

然而，无数据可用性声明。数据可根据要求提供。
资金信息：本研究由德国联邦教育与研究部（BMBF，项目编号03F0836A和03F0910D）在CREATE（减少对人为压力和利用对海洋生态系统及生物多样性影响的策略）项目框架内资助，作为德国海洋研究联盟（DAM）内SustainMare任务的一部分，并得到德国联邦环境、自然保护、核安全和消费者保护部（BMUV）的资助。
德国联邦利益冲突声明?
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Inna Sokolova 最近参与了为国际采矿和金属理事会（ICMM）的《金属环境风险评估指南》（MERAG）编写一份题为"金属环境风险评估："的报告。
致谢：感谢 Holger Pielenz 和 Sophia Reder 在实验期间提供的技术支持。感谢 Leo L. Gottschalck 在生化分析方面提供的宝贵意见，感谢 Julia Gedig 在铜暴露实验的 MDA 分析中提供的协助。
Dominique C. Noetzel | Bernd Sures | Milen Nachev | Bernadette Pogoda | Bérenger Colsoul | Inna M. Sokolova