《Journal of Applied Ecology》：Divergent responses to copper and nutrients in genetically distinct kelp populations sourced across an urbanisation gradient
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城市化正在重塑陆地和海洋景观，迫使物种适应、迁移或局部灭绝。尽管城市化对沿海物种的生态影响已较为清楚，但研究人员对这些物种应对多种交互胁迫因子的适应能力知之甚少，也不清楚对某一胁迫因子的局部适应是否会限制其在另一（非）生物胁迫因子下的表现，从而产生可能损害恢复
城市化正在重塑陆地和海洋景观，迫使物种适应、迁移或局部灭绝。尽管城市化对沿海物种的生态影响已较为清楚，但研究人员对这些物种应对多种交互胁迫因子的适应能力知之甚少，也不清楚对某一胁迫因子的局部适应是否会限制其在另一（非）生物胁迫因子下的表现，从而产生可能损害恢复力的生理权衡（trade-offs）。研究人员将种群内变异（intraspecific variation）与实验生态毒理学（experimental ecotoxicology）相结合，研究了营养盐富集（nutrient enrichment）和铜暴露（copper exposure）对来自澳大利亚悉尼港（Sydney Harbour）的两个遗传和表型上截然不同的栖息地形成巨藻（habitat-forming kelp）Ecklonia radiata种群的独立和交互效应。研究人员假设，与来自污染较少地点（外港）的种群相比，长期暴露于城市胁迫因子（内港）的巨藻对污染的生理响应会减弱，但藻体组织中的金属生物富集（metal bioaccumulation）会增加（因而生物修复潜力更大）。研究人员预期这些种群水平差异在同时暴露于两种胁迫因子时最为显著。与人为选择压力驱动的适应一致，巨藻种群表现出差异性响应。内港巨藻通过从组织中释放铜表现出生理金属耐受性（physiological metal tolerance），维持组织完整性并显示极低的生物富集，表明其对多重胁迫因子具有适应。相反，外港巨藻积累了更多铜，但表现出更大的生理胁迫。营养盐富集缓冲了铜对某些响应变量（组织氮维持、光合性能）的影响，同时加剧了铜对其他变量（组织降解、重量损失）的影响。在单胁迫处理下两个种群的光合色素均增加，但多胁迫条件仅在外港种群中减弱了色素波动。综合与应用。研究结果表明，城市化可以产生遗传和生理上截然不同的种群，这些种群对胁迫因子具有不同的功能响应。这对海洋修复和管理具有重要意义，因为当前的种源框架（provenance frameworks）和单胁迫风险评估可能忽视了种群水平适应和多重交互城市胁迫因子。研究结果强调，可以通过将源种群与特定特征（如对营养盐和金属等多种城市胁迫因子的耐受性）与管理目标相匹配，将城市适应纳入修复实践，并将现有的气候知情种源工具（climate-informed provenance tools）扩展到包括城市恢复力（urban resilience）。
**研究背景与问题**
城市化正在深刻改变陆地和海洋景观格局，迫使物种通过适应、迁移或局部灭绝来响应环境变化。沿海城市化通常导致污染、栖息地丧失和退化等胁迫，引起生物多样性下降。然而，许多物种仍能在这种条件下存续，提示其具有一定程度的适应性或驯化能力。尽管城市化对沿海物种的生态影响已被广泛认识，但研究人员对这些物种应对城市胁迫因子的潜在适应能力知之甚少，这严重限制了制定增强恢复力策略的能力。具体而言，研究人员缺乏对以下问题的理解：城市区域中通常以复杂混合物形式存在的多种污染物如何影响物种的适应能力；城市种群是否可能适应性发展出对城市胁迫因子的恢复力和抗性。多重胁迫因子可能以协同或拮抗方式相互作用，对一种胁迫因子的适应可能涉及生理权衡，从而影响对其他生物或非生物胁迫因子的耐受性。此外，一种胁迫因子的存在可能改变另一种胁迫因子的生物可利用性（bioavailability），导致不可预测的生态后果。城市河口中最普遍的关切之一是过量营养盐与金属污染的共存，这些污染物通过城市径流、农业输入或工业废物进入沿海水域。铜在城市河口中常以高浓度存在，主要来源包括雨水径流、历史工业活动和防污涂料。微量铜是必需的，但过量铜可干扰海洋生物的生命周期、生理和恢复力。营养盐（如氮和磷）来自肥料、废水径流和农业废物，过量或慢性营养盐输入可通过富营养化（eutrophication）过程导致缺氧，最终造成高死亡率和生物多样性变化。固着生物尤其易受环境变化影响，因为其成体阶段无法移动逃避暴露，必须依赖生理调节或遗传适应来存续。尽管关于污染物生态影响的研究已进行数十年，但相对较少的研究考虑了种群内性状变异（通过表型变异和/或基因分化引入）如何塑造生理响应。在栖息地形成物种中，大型藻类的适应性状是生态系统恢复力的关键但未被充分认识的组成部分。在澳大利亚，金巨藻Ecklonia radiata是温带沿海系统的关键栖息地形成物种之一。近期对悉尼港该物种的表征揭示了两个遗传上（FST = 0.129）和表型上截然不同的种群，其遗传结构与包括铜和有机物在内的城市胁迫因子之间存在强相关性。与E. radiata在其地理分布范围内显示出的形态和生理变异相比，悉尼港约15 km小空间尺度内发现的形态-生理变异水平较高。靠近港口入口生长的巨藻更大且具有更多刺，而上游污染更严重区域的巨藻较小且无刺。虽然刺的功能尚未确认，但有人假设其参与水-藻体界面（water–thallus interface）的营养盐和污染物交换，可能影响吸收动力学。然而，这仍是推测性的，需要进一步针对性研究。对悉尼巨藻种群的实验室实验进一步表明，来自城市影响较大区域（靠近中央商务区）的巨藻个体比来自城市化程度较低区域（靠近港口入口）的个体对金属污染更具耐受性。这些遗传、表型和功能模式共同提供了局部适应（local adaptation）的汇聚证据，这种适应可能由慢性污染物暴露施加的选择压力驱动，从而使悉尼港巨藻种群成为研究局部适应、污染物耐受性和生理权衡的理想模型。然而，这种种群内变异是否转化为性能差异、污染物吸收和解毒能力的功能差异仍不清楚。营养盐可能通过改变金属污染物的生物可利用性或通过加速代谢过程增强解毒途径来进一步调节这些过程。利用活体大型藻类修复污染水体已受到越来越多的关注，但大多数藻类修复（phycoremediation）研究集中于镉的去除，尚无研究考察种群内变异或共存胁迫因子如何影响金属生物富集。本研究进行了中宇宙实验（mesocosm experiment），以研究升高的营养盐和铜浓度对悉尼港两个遗传和表型截然不同的E. radiata种群的存活、状况和生理的独立和交互效应。此外，研究人员评估了实验期间海水和巨藻组织中的铜浓度，以研究金巨藻辅助修复铜污染海水的潜力。具体而言，研究人员研究了在有 vs 无巨藻存在下海水铜浓度如何变化，并评估E. radiata的种群内变异是否可用于生物修复目的。研究人员假设，与暴露于较低污染水平的外港巨藻相比，长期暴露于城市污染物的内港巨藻对两种胁迫因子（单独和交互）表现出更大的生理稳态（physiological homeostasis），但由于局部适应而具有更高的金属生物富集。相反，外港种群预期对铜暴露更敏感（更大的组织降解和重量损失），因此生物富集较少金属。研究人员进一步预测，营养盐富集将缓冲铜对两个种群巨藻生理的毒性效应，这与这两种胁迫因子之间常见的拮抗交互作用一致，且营养盐可能无意中促进金属积累，支持"附带捕获"（bycatch）效应。具体而言，研究人员预期色素含量在铜胁迫下会增加，外港种群响应更明显，且营养盐富集会减弱这些效应。研究人员还预测营养盐富集将增加组织营养盐浓度，外港种群响应更明显（可能因其藻体上的刺），而同时暴露于铜将减弱这一效应，特别是内港种群由于局部适应。通过整合遗传和表型变异与污染物耐受性，本研究旨在推进对种群内变异在介导物种对多重胁迫因子响应中作用的理解，并为城市化沿海系统中巨藻种群的保护和修复提供见解。此外，研究人员提供了E. radiata生物富集潜力的见解，以支持城市河口生物修复等管理应用。
**关键技术方法**
研究人员在悉尼港四个站点（内港：Woolwich和Peacock Point；外港：Chowder Bay和Balmoral Beach）采集64株成年巨藻个体（每站点n = 16），选取基于先前研究显示这些站点巨藻种群存在遗传分化。实验采用中宇宙设计，共20个处理（[4个巨藻站点 + 1个无巨藻] × 4种胁迫组合），每个处理4个重复75 L水箱，共80个水箱。四种胁迫处理为：对照（Ctrl）、仅铜（Cu）、仅营养盐（N）和多重胁迫（Cu × N）。铜处理浓度为150 μg/L（CuSO?·5H?O配制），营养盐处理添加肥料浓缩液使氮和磷浓度分别为15和1.08 mg/L，模拟城市雨水径流浓度。实验持续14天，温度维持约23°C ± 1°C，12 h光/暗周期。测量指标包括：存活率和组织降解（半定量评分，每周两次）、湿重变化、最大光合量子产率YII（脉冲振幅调制叶绿素荧光法，Diving-PAM II）、光合色素（叶绿素a和岩藻黄素，分光光度法）、元素分析（C、N、S，Elementar vario MICRO cube）、重金属和磷浓度（铜、锌、铅、磷，ICP-MS）、海水化学（溶解氧、pH、盐度、温度，YSI ProDSS；溶解铜和氧化态氮，ICP-MS和比色法）。统计分析采用单变量广义线性混合模型（GLMM），以铜添加、营养盐、种群为固定因子，站点嵌套于种群为随机效应，房间为随机因子，使用DHARMa包验证模型假设，Wald卡方检验评估模型显著性，估计边际均值（EMMs）进行事后两两比较（Tukey校正）。
**研究结果**
**巨藻性能**：所有胁迫处理中除内港和外港各一株个体外全部存活。营养盐富集增强两个种群的重量损失（p < 0.001），内港种群更为严重（p = 0.032）。组织降解随实验时间在所有处理和种群中逐步增加，营养盐富集处理在第4、10和13天降解更严重。外港种群降解程度大于内港种群，尤其在实验最后一天的Cu和Cu × N处理中（p = 0.021）。实验开始时（第2天）两个种群光合活性相似。营养盐富集在第4、7和10天增强两个种群的光合量子产率YII，第4和10天外港种群效应更明显。铜在第7天降低两个种群的YII（p = 0.020）。第4和10天观察到种群特异性响应，外港种群对胁迫因子表现出更大的光合响应，而内港种群在第4天未观察到铜的效应。
**巨藻组织化学**：光合色素分析揭示铜和营养盐的显著种群特异性交互效应（pChla = 0.008，pFx = 0.007）。内港种群中Chla和Fx浓度随时间增加而不论处理（Chla: 0.28 ± 0.16至0.42 ± 0.19 mg/g；Fx: 0.14 ± 0.10至0.21 ± 0.11 mg/g）。然而，外港种群在Cu和N处理下色素增加幅度相似，而对照处理中无效应，Cu × N处理下仅Chla增加而非Fx。实验开始时组织化学在种群间显著不同，内港种群基线金属、氮和磷浓度更高。碳含量无显著处理效应。两个种群中，对照和铜处理下组织氮降低（ΔN: ?0.75 ± 0.12%至?0.36 ± 0.14%），而N和Cu × N处理下无变化（pN% < 0.001）。营养盐富集增加两个种群的组织硫（pS% = 0.015）。内港种群在所有处理下组织硫增加（ΔS: +0.20 ± 0.03%至+0.40 ± 0.13%），Cu × N处理下浓度最高，而外港种群仅在N处理下硫升高（ΔS = +0.31 ± 0.07%）。C:N比显示铜暴露的显著效应（pCNratio = 0.019）和营养盐富集的种群特异性响应（pCNratio = 0.019）。内港种群在所有处理下C:N比增加（ΔCNratio: 0.11 ± 0.08至0.43 ± 0.09），外港种群在铜和营养盐处理下C:N比增加相对一致（ΔCNratio: 0.48 ± 0.08至0.59 ± 0.09）但对照处理中无变化。磷含量在种群间显著不同（pPk = 0.006），内港巨藻在所有处理下大量释放磷（ΔPk: ?426 ± 275至?826 ± 233 mg/kg），而外港种群无论处理如何磷变化较小（ΔPk: ?145 ± 221至?220 ± 188 mg/kg）。组织金属分析揭示显著的种群特异性动态。组织铜含量变化显示弱的种群特异性营养盐增强响应（pCuk = 0.053），内港种群持续释放铜（ΔCuk: ?6.5 ± 4.6至?3.8 ± 1.9 mg/kg），但Cu × N处理下变化极小，而外港种群在Cu（ΔCuk = +3.9 ± 2.7 mg/kg）和Cu × N处理（ΔCuk = +1.6 ± 1.3 mg/kg）下积累铜。相反，内港种群在Cu和Cu × N处理下积累锌（ΔZnk = +12.3 ± 4.3 mg/kg），而外港种群仅在Cu处理下积累锌。铅含量在种群间显著不同（pPbk = 0.008），内港巨藻释放铅高达?1.04 ± 0.56 mg/kg，而外港种群变化极小。
**海水化学**：所有处理包括对照水箱中初始基线溶解铜浓度（Cuw）升高并随时间降低。然而，巨藻的存在显著增强溶解铜的耗竭（pCuw < 0.001）。两个种群均随时间耗竭Cuw，但降低幅度在处理间不同。种群间差异被观察到（pCuw < 0.022），但相对较小（ΔCuw: 0.4–2.2 μg/L），与胁迫因子效应驱动的差异（ΔCuw: ?42.8 ± 0.4至?76.2 ± 1.0 μg/L）相比。溶解氧化态氮（NO?和NO?）在N和Cu × N处理中显著增加（pNO? < 0.001）。巨藻的存在也影响氮动态，与营养盐富集有显著交互作用（pNO? = 0.016，pNO? = 0.001）。营养盐富集处理中内港种群水箱的硝酸盐积累显著大于外港种群（pNO? = 0.012），而亚硝酸盐无显著种群效应（pNO? = 0.358），但在有无巨藻和种群分析中均表现出显著的拮抗性铜-营养盐交互作用（pNO? = 0.004和pNO? = 0.017）。
**讨论与结论**
尽管关于污染物生态影响的研究已进行数十年，但相对较少的研究考虑了种群内分化在塑造生理响应和胁迫耐受性中的作用。本研究检验了来自城市化（内港）和较少城市化（外港）环境的遗传和表型截然不同的E. radiata种群是否对铜和营养盐暴露表现出不同响应，以及这些种群在生物富集能力上是否存在差异。研究结果揭示了种群特异性响应。内港种群组织降解较少，并通过铜释放而非生物富集表现出金属耐受性，而外港种群尽管对胁迫因子效应更敏感，但表现出更大的铜生物富集。营养盐富集缓冲了铜对某些但非全部生理和形态指标的毒性效应，无论种群如何均降低生物量损失并提高光合效率。这些发现表明，尽管内港种群对营养盐出乎意料地敏感，但可能已发展出减轻铜毒性的耐受机制，这归因于慢性暴露、遗传适应或两者兼有。研究人员观察到的内港和外港种群之间的分化支持Touchard et al.（2023）定义的"生物港口化"（biological portuarisation）概念，即海洋物种在城市化生态系统中由人类改变的选择压力驱动的反复进化。
**分歧适应策略依赖于处理且因性状而异**：遗传和表型截然不同的种群对相同胁迫因子表现出分歧响应的发现，强调了种群内变异在胁迫响应和生态系统功能中的关键作用，对城市化水域的修复结果具有重要意义。初始组织化学揭示对比性的暴露前状态：内港种群基线金属（铜、锌、铅）和大量营养盐（氮和磷）浓度高于外港种群，而碳含量相似。这些升高的基线浓度表明慢性暴露历史，组织接近或达到容量，与先前城市港口研究一致。内港种群通过从组织中排出铜和铅表现出金属耐受性，证据是其水箱中这些金属浓度高于无巨藻水箱或外港巨藻水箱。内港个体在除双重胁迫处理（变化极小）外的所有处理中释放铜，而外港种群在Cu和Cu × N处理中积累铜。这些发现表明营养盐富集可能促进铜积累，支持"铜附带捕获"假说，即营养盐吸收无意中增加铜流入。相反，内港种群在Cu和Cu × N处理中积累锌，而外港种群仅在Cu处理中积累锌，表明营养盐富集可能限制多胁迫条件下外港种群的锌吸收。作为真核蛋白结构的关键组分，特别是参与组蛋白甲基化、染色质重塑、蛋白质合成和细胞周期控制的锌指样蛋白，内港种群增强的锌吸收可能反映其在多胁迫条件下调节转录响应的能力。外港种群在Cu × N处理中观察到的更大组织降解和生物量损失可能指向缺乏这种调节，表明营养盐富集可能干扰基本细胞过程。这些分歧响应反映种群特异性生理过程。外港种群无论处理如何均表现出更严重的组织降解和重量损失，这可能反映激活对两种胁迫因子单独和交互的应激响应机制的代谢成本升高。这些过程可能施加能量负担，将资源转向解毒、细胞防御和其他应激缓解途径。相反，内港种群表现出处理特异性重量损失，对照条件下重量维持，表明在基线溶解铜浓度因实验前降雨而升高的对照处理中铜胁迫缓解。总之，这些发现表明内港种群具有预适应耐受机制，维持代谢稳态而无需能量昂贵的应激机制从头激活。然而，内港种群对营养盐出乎意料地脆弱，在营养盐富集下表现出最大组织降解和磷释放，进一步支持"铜附带捕获"假说导致组织铜达到毒性水平，而仅铜处理可能激活内港种群的排斥/释放机制，外港种群未发展出此机制。这些机制可能涉及内港巨藻产生配体（ligands），结合不稳定铜，从而允许无毒配体结合复合物跨质膜外排，而非内部螯合或细胞外区室化（将铜保留在组织内而非释放）。内港种群在营养盐富集下积累的硝酸盐显著多于外港种群，表明氮吸收超过同化能力，伴随组织降解尽管组织氮稳定。两个种群中观察到的组织降解也可归因于宿主相关微生物群落的变化，交互胁迫因子不仅损害巨藻健康，还为病原微生物创造有利条件。此外，对照处理中观察到的组织降解可能部分反映与一般实验条件相关的应激响应，如个体在水箱中的封闭或暴露于人工光照制度。虽然大型藻类通常在营养盐充足条件下在组织中储存磷以供消耗时再动员，但外港种群组织磷浓度变化极小，而内港巨藻在所有处理下表现出大量磷释放，营养盐富集下最为明显。这表明营养盐保留受损，可能归因于磷释放增强或细胞膜通透性改变或细胞破裂导致的泄漏。此外，氮可利用性已被证明限制磷吸收效率，海水硝酸盐积累和磷损失的组合表明N-P失衡或维持金属耐受的代谢成本损害营养盐稳态。这些种群特异性响应指向由其特定环境生态位塑造的分歧功能策略。外港种群表现出较低的基线组织污染物浓度、暴露时铜吸收能力、但对联合胁迫因子更大的易感性，而内港种群表现出增强的金属耐受性、但对营养盐富集出乎意料的脆弱性。这一模式与慢性暴露于城市胁迫因子 regime 驱动的适应一致。关于种群特异性对多重胁迫因子的响应没有明确模式。相反，研究人员看到不同响应取决于测量的变量。营养盐富集缓冲了一些铜效应（组织氮维持、光合性能），同时加剧了其他效应（组织降解、重量损失），产生的净结果从加性到拮抗性不等，取决于所检查的性状。这种复杂性符合日益增长的认识，即胁迫因子交互很少符合简单加性模型。组织氮动态说明了这种复杂性。在两个种群中，组织氮在对照和铜处理下降低，而N和Cu × N处理中的巨藻维持相对稳定的氮浓度，表明营养盐富集缓冲了氮损失，即使在铜存在下，尽管伴随生物量损失和组织降解。光合作用显示出对铜响应的时间变化，这与实验期间水箱温度的时间变化一致。铜在第7天温度较低时效应强于第10和13天温度较高时。结合先前发现铜在16°C对光合作用有强效应的研究，这表明温度可能在介导铜的负面效应中起作用。光合色素动态为背景特异性多胁迫响应提供了额外证据。内港种群Chla和Fx浓度在所有处理中一致增加，表明非特异性诱导色素合成。相反，外港种群仅在单胁迫处理下显示色素增加，而在联合Cu × N处理下未显示，表明拮抗性多胁迫效应。研究结果与先前报道褐藻在铜胁迫下Chla和Fx浓度增加的研究一致，Fx在叶绿体中作为抗氧化剂。差异性多胁迫耐受性进一步得到组织硫动态的支持。内港种群在所有处理中表现出一致的硫增加，铜和营养盐似乎具有加性效应，而外港种群仅在N处理中显示组织硫升高，表明拮抗性多胁迫效应限制了联合Cu × N处理中的硫吸收。硫是金属硫蛋白（metallothioneins, MTs）的关键组分，金属硫蛋白是结合锌和镉等金属的关键金属结合蛋白，参与抗氧化响应。虽然本研究未直接评估MTs，但背景依赖性硫积累模式表明含硫化合物（可能包括参与金属解毒和氧化应激缓解的MTs）的种群特异性合成线索，类似于在城市港口无脊椎动物中观察到的过程。
**胁迫耐受性并不转化为增强的生物富集能力**：与研究人员关于长期暴露的内港种群具有更大生物富集能力的假设相反，内港种群在大多数处理中一致释放铜，除Cu × N处理中变化极小。然而，外港种群在Cu和Cu × N处理中积累铜，与先前评估大型藻类铜吸收的研究一致。内港种群的高基线组织浓度可能表明组织（接近）饱和，需要释放以防止毒性，而非生物富集。虽然巨藻水箱中海水铜浓度较低，但仅靠巨藻的生物吸收可能不能解释采样检测到的浓度降低。这些包括铜吸附到水箱塑料表面、实验水箱中尽管有循环但水柱分层、沉淀或络合（研究人员仅测量溶解铜而非颗粒态）、和/或定殖巨藻表面的附生生物 sequestration。这些铜从水中"去除"的替代途径在估计巨藻辅助生物修复潜力时需要考虑。
**沿海城市化扩展下修复的启示**：有效的海洋修复和沿海管理需要理解物种如何响应和适应气候和城市化驱动的环境变化。长期恢复力取决于功能性能，其由表型性状和适应能力塑造。现有修复框架主要关注种源（地理来源），近期方法纳入气候调整种源。研究结果确定城市适应为重要的额外考虑因素，特别是因为许多修复项目旨在修复日益城市化沿海地区的退化环境。本研究表明，两个遗传和生理上截然不同的种群具有分歧功能特征，在不同胁迫 regime 下响应不同。Janssen, Bishop, Mayer-Pinto, and Dafforn（2026）证明两个种群在单胁迫暴露下表现出可比的生物富集能力，尽管只有内港个体维持生理性能而外港个体经历显著功能下降。本研究中，研究人员揭示，与外港种群不同，内港种群随着胁迫强度增加或引入第二种胁迫因子而转变策略，从而向水柱释放污染物以维持生理完整性。这些发现与海洋修复实践直接相关，其中监管框架基于生态稳定性和种群同质性的假设运作，同时倾向于单胁迫污染物风险评估，从而错误呈现城市多胁迫现实。研究进一步强调需要将源种群与特定管理目标匹配并考虑潜在权衡。例如，如果目标是在城市站点修复种群，表现出对城市胁迫因子更大生理恢复力的种群可能更适合城市站点，尽管以生态系统服务交付（如因较小形态型而向其他物种提供栖息地）为代价；而如果不存在城市胁迫因子担忧，污染历史少且形态型较大的种群将提供更好的庇护和支持更广泛的海洋生物，同时在胁迫强度和频率低时可能提供更大的污染物吸收能力。由于任一群体在条件变化或出现新型胁迫组合时都可能表现出不适配，保留种群内多样性的混合种源播种策略可能增强未来条件下的修复成功。将城市适应作为管理策略中恢复力的关键决定因素，不仅需要通过遗传和生态毒理学测试识别具有更大城市和气候胁迫因子适应能力的种群，还需要使种群和环境数据库对规划者、从业者和社区团体可访问。现有的气候知情种源工具，如Reef Adapt，整合遗传和环境数据以指导当前和未来气候情景下的源种群选择，为扩展现有框架超越气候恢复力以包括城市适应提供了优秀模板。通过将种群内变异与全球重要巨藻物种的胁迫耐受性和生物富集潜力联系起来，本研究展示了将进化和功能视角纳入管理策略以最大化全球修复成功和长期生态系统服务交付的重要性。
