圣劳伦斯—萨格奈海洋公园Mya arenaria的纳米塑料（NPs）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）与金属污染特征及其健康状态评估

《Journal of Xenobiotics》：Contamination Profile and Health Status of Mya arenaria in the St-Lawrence-Saguenay Marine Park

　　

摘要：蛤类构成海洋底栖群落的重要组成部分，并为无脊椎动物（蠕虫、端足类）、鱼类和哺乳动物提供食物来源。本研究旨在考察圣劳伦斯河与萨格奈峡湾中野生Mya arenaria（软壳蛤）种群在人为污染地点（港口）、白鲸高驻留区及无直接污染接触的参照点的污染与健康状况。研究人员采集潮间带蛤用于纳米塑料（NPs）、邻苯二甲酸二丁酯（DBP）、金属污染及健康状况评估。健康状况包括在生化水平评估氧化应激、蛋白聚集、酯酶和碳酸酐酶（CA），随后进行形态学评估（壳质量、条件因子（CF）、生长指数（GI））及耐空气暴露能力。数据显示，与参照点相比，污染点采集的蛤中NPs、DBP、Cd、Ce、Fe、Cu、Sn和Zn水平升高。令人意外的是，白鲸高驻留区站点也受到这些污染物污染（Cd除外），尤其是Sn、NPs和DBP。这些蛤含有升高的过氧化物酶活性、蛋白聚集、酯酶、（外套膜）碳酸酐酶及脂质蓄积。至少在某一污染点或白鲸驻留点，蛤表现出条件因子下降、壳质量比（SMR）下降、空气存活时间缩短及生长指数升高。聚类分析显示，上述污染物与碳酸酐酶、酯酶、过氧化物酶和蛋白聚集变化强相关，而与形态学变化相关性较弱。总之，野生蛤种群受到塑料化合物污染，包括增塑剂DBP和Sn，导致壳质量降低。

研究背景与意义：Mya arenaria（软壳蛤）是海洋与淡水底栖群落的重要成员，既为蠕虫、鱼类和哺乳动物等提供食物，也通过壳形成与生长参与CO₂固定。该种蛤栖息于较疏松沉积物中，并与水柱密切接触以呼吸和摄食悬浮颗粒，分布于北美东西部和北部海岸的潮间带泥滩及潮下带沉积物，参与沉积物混合与氧化，并承受鸟类、Nereis sp.、鱼类及包括白鲸在内的海洋哺乳动物捕食压力。白鲸胃含物分析显示其摄食Nereis sp.，也摄食虾、鱼及少量双壳类，具体取决于沉积物压实程度。Mya arenaria亦是沿海社区的传统食物，因而可能成为污染向人群传递的途径。蛤类存在雌雄异型，壳长>2.5 cm时达性成熟，于初夏外部受精繁殖，产卵常随水温升高而发生，食物可得性和质量亦可受污染物与毒素影响。形态变化属于非破坏性方法，条件因子（CF）和年龄评估等与污染引起的DNA损伤、氧化应激、金属结合蛋白、配子发生改变和免疫能力下降等生理靶标存在统计关联；空气存活试验又称应激叠加（SOS）试验，可整合疾病、污染、营养不良、缺氧及污染影响等累积胁迫。在全球变暖背景下，双壳类可能在已污染环境中暴露于更长干旱和高温。纳米塑料（NPs）广泛存在于水生和土壤生态系统，且可与Cd和聚苯乙烯NPs等共同增强其他污染物毒性。因此，本研究考察圣劳伦斯—萨格奈海洋公园潮间带Mya arenaria中NPs、常见增塑剂DBP、选定元素/金属与健康状况的关系，关注站点间空间差异，并在繁殖期后采样以减轻繁殖相关影响；健康状态通过CF、GI和空气存活等变化评估，并结合蛋白稳定性、外套膜碳酸酐酶（CA）和羧酸酯酶活性等指标，重点分析NPs、Sn和Cu污染与壳完整性之间的潜在关系。由于蛤是白鲸所食蠕虫的主要食物来源，保护其猎物和栖息地对白鲸种群及濒危海洋哺乳动物恢复具有重要意义。

关键技术与方法：研究人员于2023年9月最后一周在圣劳伦斯—萨格奈海洋公园4个站点各随机采集40只壳长>5 cm的Mya arenaria，站点包括参照点MAB、污染点AE和TAD及白鲸高驻留区BSM；活体运至Tadoussac的Parks Canada实验室，于4 °C净化3–4 h；15只用于空气存活评估，其余于?85 °C保存。化学分析取软组织和n=6个体，生物标志物分析n=8；测定NPs、DBP及Al、Ca、Cd、Ce、Cu、Fe、K、Sn、Zn等元素，并评估氧化应激、蛋白聚集、酯酶和CA等；结合形态指标、空气存活、方差分析（ANOVA）/Tukey检验、Pearson相关及层级聚类分析。

研究结果：
3.1 形态特征与空气存活：通过站点形态测量和空气暴露试验，研究人员发现BSM站点的CF和SMR显著低于参照点MAB；TAD站点GI显著高于MAB；AE和TAD站点的致死时间（LT）显著低于MAB，而BSM无显著变化；脱水率（DHR）除TAD站点死亡时体重损失较高外，各站点无显著变化；AE站点蛤年龄显著较高，提示低盐区域年轻个体补充较低。相关分析显示CF与年龄显著相关（r = 0.53），LT与GI相关（r = 0.48），提示较老蛤具有较高体重/壳长比，而耐空气暴露较差者表现为较低GI。
3.2 纳米塑料、DBP与脂质负荷：通过组织提取及金纳米传感器（nAu）等方法测定，TAD和BSM站点蛤组织中NPs和DBP水平显著高于MAB；NPs与DBP显著相关（r = 0.9），符合DBP为塑料固有组分。脂质在AE、BSM和TAD均高于MAB；NPs/DBP与脂质相关（r = 0.65和0.62），脂质与LT相关（r = 0.44）。以脂质为协变量的分析显示，NPs和DBP水平变化主要由站点驱动（p < 0.05），而非组织脂质水平（p > 0.05）。
3.3 无机元素污染特征：通过元素分析，Zn、Fe、Ce和Sn在TAD和BSM显著高于MAB；Cu在所有站点升高；Al在BSM和AE升高；仅Cd在位置最上游的AE显著升高；Ca在BSM显著降低；K无显著变化。相关分析显示Al与NPs（r = 0.83）、DBP（r = 0.88）和脂质（r = 0.42）相关；Cd与LT（r = 0.69）和总脂质（r = 0.42）相关；Ce与NPs相关（r = 0.83）；Cu与NPs（r = 0.79）、DBP（r = 0.78）和脂质（r = 0.83）相关；Fe与NPs（r = 0.9）、脂质（r = 0.54）和DBP（r = 0.9）相关；Sn与NPs（r = 0.67）、DBP（r = 0.75）和脂质（r = 0.41）相关；Zn与CF（r = ?0.42）、NPs（r = 0.8）和DBP（r = ?0.89）相关。总体显示塑料污染（NPs和DBP）伴随Zn、Sn、Fe、Cu、Ce和Al污染。
3.4 生物标志物响应：通过生化测定，过氧化物酶（Perox）活性在TAD和BSM显著诱导；蛋白聚集（Prot Agg）仅在BSM显著增加；酯酶活性在AE、BSM和TAD均显著增加；外套膜CA活性在BSM显著升高。相关分析显示Perox与NPs（r = 0.87）、DBP（r = 0.92）、Zn（r = 0.85）、Al（r = 0.83）、Cu（r = 0.8）、Sn（r = 0.61）、Ce（r = 0.84）和Fe（r = 0.9）等相关；Prot Agg与NPs（r = 0.87）、DBP（r = 0.9）、Zn（r = 0.91）、Al（r = 0.94）、Cu（r = 0.78）、Sn（r = 0.76）、Ce（r = 0.96）和Fe（r = 0.89）等相关；酯酶活性与NPs（r = 0.91）、DBP（r = 0.95）、脂质（r = 0.58）及多种元素相关；CA与Ca（r = ?0.58）、CF（r = ?0.54）、NPs（r = 0.49）、DBP（r = 0.68）、Zn（r = 0.76）、Ce（r = 0.76）等相关。
3.5 聚类分析：通过层级树聚类（以1?r为距离）及非参数规则验证，研究人员识别出三个簇：第一簇包括Sn与CA活性；第二簇包括蛋白聚集、Perox、酯酶、DBP和NPs；第三簇包括Cu、Ce、Al、Fe和Zn。第三簇与第二簇联系较近，提示这些污染物可能部分解释所观察效应；形态变化（CF、GI、LT、年龄）和K稳态与上述三簇关系较弱，提示这些变化尚未在形态/整体健康层面充分体现。

讨论部分总结：基于污染谱，TAD和BSM在NPs、DBP、Ce、Fe、Cu和Sn方面受影响最明显，但站点间重复数相对较小（每站点n = 6）。原文指出NPs检测方法不仅响应用于校准的聚苯乙烯，也可检测其他塑料类型，因此报告水平并非仅基于聚苯乙烯绝对水平。AE位于萨格奈峡湾上游、较大城市和商业港口下游，Al、Cd和Cu升高；其盐度较低，可能增加部分元素生物可利用性；该区域有铝和纸浆造纸工业。Sn和Cu（以及NPs和DBP）在支持工业或商业船运活动的BSM和TAD升高，提示防污塑料和含Sn/Cu油漆的使用；BSM曾报道组织Sn污染，提示该问题持续存在。作者建议未来更细致考察沉积物和表层水对蛤组织元素水平的贡献，以识别环境汇。Sn组织水平与CA活性显著相关，且BSM的SMR降低，原文提出壳质量降低可能发生在CA步骤下游，或许涉及钙与外套膜蛋白结合，Sn和NPs可能干扰这些过程，但需更特异实验确认。组织Sn水平与既往TBT生物浓缩估计范围相近；有机锡暴露可影响双壳类生长和壳增厚，支持本研究中SMR下降的观察，尽管CA升高与壳重解耦。CA为含锌酶，BSM的Zn组织水平远高于Sn，CA活性增加可能更受Zn影响；Zn可能促进或保护CA免受其他金属抑制，但文献中无明确证据表明Zn可诱导CA基因表达并转化为活性酶，也无明确证据表明有机/离子Sn抑制或激活CA。原文提及TBT可改变H⁺梯度并可能增加CA活性，三乙基锡对CA为轻度抑制；CA升高可能是维持HCO₃^?水平以支持壳生长和pH维持的补偿机制，缺氧和低盐也可诱导CA。Sn可结合并灭活含血红素蛋白，可能改变血红素代谢并促成缺氧，需进一步研究Sn对双壳类壳状态的长期健康效应。Al和Fe高与区域铝工业及铝土矿残留一致；BSM组织Al/Fe比为0.33，接近残余铝土矿的Al/Fe比。Al和Fe与Perox和酯酶活性密切关联，提示组织清除活性氧和酯类（包括脂肪酸/脂质）能力增强；Fe参与Fenton反应由H₂O₂产生羟基自由基，Al可促进Fe(III)还原为Fe(II)，与Al/Fe污染站点Perox升高一致，可能为抗氧化保护机制。NPs在AE和BSM检出并与DBP并行，且NPs和DBP与组织Sn显著相关，提示这些化合物可能来源于含塑料、DBP和Sn的海洋油漆；油漆微/纳米颗粒含Cu⁺/Cu²⁺、有机锡、Pb²⁺和CrO₄^2?等添加剂。NPs与Perox和蛋白聚集密切关联，提示长期应激下蛋白聚集可能成为蛋白斑块（淀粉样物）前体；本研究未确认退行性疾病发生。BSM蛤最年轻（平均7.5年，MAB和TAD分别为8.2和8.3年），可能受捕食影响，但未观察到空壳变化；全站点年龄均值8.5年（95% CI：8.1–8.8），低于8.1年可视为年龄显著下降（如BSM），可作早期预警但不能确认退行性疾病导致早期死亡。基于本研究的证据权重，BSM站点受Sn和塑料污染，蛤较其他站点年轻且壳质量较低。

研究结论翻译：当地野生蛤受到塑料化合物（DBP和NPs）及选定元素（Al、Ce、Fe、Cu和Sn）污染，并在生理水平表现出多种应激迹象，如过氧化物酶、蛋白聚集、羧酸酯酶和CA变化；在个体水平也观察到CF、GI、LT和SMR变化，但聚类分析显示这些变化与生理标志物及塑料/元素污染关系较弱。这表明蛤的污染状态并不直接危害生物体，尽管其在较低生物组织层次受到胁迫。值得注意的是，BSM站点蛤年龄和壳质量显著较低，且蛤受Sn、DBP和NPs污染最重。