全氟和多氟烷基物质（PFAS）污染与基因表达在大型风驱河口牡蛎中的时空变异评估

《Marine Environmental Research》：Evaluating spatiotemporal variation in PFAS contamination and gene expression in oysters in a large wind-driven estuary

本研究对北卡罗来纳州Pamlico Sound河口四个牡蛎礁位点（Cedar Island 1、Cedar Island 2、Neuse River 1、Neuse River 2）在三个采样期（2025年5月、7月、9月）的东部牡蛎（Crassostrea virginica）组织及邻近沉积物中的全氟和多氟烷基物质（PFAS）浓度进行了测定，并评估了牡蛎应激与免疫相关基因的表达。采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC/MS/MS）对八种PFAS化合物（PFHxA、PFOA、PFNA、PFDA、PFDoA、PFHxS、PFOS、HFPO-DA）进行定量分析。结果显示，PFOA和PFOS在所有样品中均有检出（检出率100%），且在牡蛎组织和沉积物中占总PFAS比例最大。PFAS浓度受位点、采样期及样品类型显著影响，且存在显著交互作用。牡蛎组织中总PFAS浓度范围为0.94–11.02 ng·g^-1湿重（ww），沉积物中为0.50–14.12 ng·g^-1干重（dw）。生物-沉积物累积因子（BSAF）在多数位点和采样期超过1（0.92–108.06），Cedar Island 1最高。牡蛎应激相关基因（Bax、Cyp2H2、Hsp70、Sod）和免疫相关基因（Ctl、Itg、Tnf）表达呈现显著的位点和时间特异性变异。研究表明，牡蛎可作为河口PFAS污染及生态系统健康的指示物种，且局部环境应激源可能与污染物暴露交互影响牡蛎的生物学响应。

研究背景：牡蛎礁提供重要的生态系统服务，包括水质过滤、海岸防护、沉积物稳定、碳封存和营养循环等，同时支撑水产养殖和渔业经济。然而，全球约85%的牡蛎礁因过度捕捞、栖息地破坏及缺氧、沉积、污染和疾病等应激源而退化。牡蛎作为滤食性、固着生活且广泛分布的物种，被公认为监测水体污染的哨兵物种，能够累积重金属、农药、多环芳烃、溴化阻燃剂及全氟和多氟烷基物质（PFAS）等污染物。PFAS是一类超过14,000种合成化学物质，广泛分布于水生系统中，可通过废水排放、河流输入、大气沉降和工业来源进入沿岸水域。沿岸系统因其物理、化学和生物特性有利于PFAS的截留和沉降，可能成为传统和新兴PFAS的汇。PFAS在水生生物中与免疫功能障碍、内分泌干扰、发育和生殖影响及应激响应相关。鉴于牡蛎礁的生态重要性及其对人为应激源的脆弱性，有必要加强河口污染物监测以评估生态风险。分子生物标志物有助于理解应激源对牡蛎生理和礁体健康的影响。本研究旨在：1）评估北卡罗来纳州Pamlico Sound牡蛎礁及邻近沉积物中PFAS累积的时空变异；2）评估牡蛎应激和免疫相关生物标志物基因表达的时空模式。研究人员假设PFAS浓度因环境条件和污染物输入而存在位点和采样期差异，且PFAS累积较高的位点和采样日期的牡蛎会表现出现应激和免疫相关基因表达的改变。

研究人员开展了以下研究：在Pamlico Sound河口的四个牡蛎礁位点（Cedar Island 1，2023年修复礁；Cedar Island 2，2021年修复礁；Neuse River 1，天然礁；Neuse River 2，天然礁）于2025年5月、7月和9月三个采样期采集东部牡蛎（Crassostrea virginica）组织和邻近沉积物样品，测定PFAS浓度并评估应激和免疫相关基因表达。研究得出以下结论：PFOA和PFOS为牡蛎组织和沉积物中的优势化合物；PFAS浓度受位点、采样期和样品类型显著影响；牡蛎组织PFAS浓度在多个位点超过邻近沉积物，表明生物累积；牡蛎应激和免疫相关基因表达呈现显著的位点和时间特异性变异。研究的重要意义在于：这是首次在Pamlico Sound同步整合牡蛎PFAS测定与分子生物标志物分析的研究，为未来环境监测评估提供了基线数据；支持牡蛎作为河口污染和生态系统健康指示物种的应用；强调需要持续监测以降低沿岸生态系统风险。

关键技术方法：研究人员在Pamlico Sound四个牡蛎礁位点三个采样期采集牡蛎和沉积物样品（每位点每期30只牡蛎用于PFAS分析n=15和分子分析n=15，沉积物n=3）；采用超高效液相色谱-串联质谱（UPLC/MS/MS）定量八种PFAS化合物；采用实时定量PCR（qPCR）测定七个应激和免疫相关基因（Bax、Cyp2H2、Hsp70、Sod、Ctl、Itg、Tnf）的相对表达，以12-s和β-actin为参考基因；采用线性模型和方差分析（ANOVA）进行统计分析。

研究结果：

3.1 PFAS定量与谱图特征：通过UPLC/MS/MS分析牡蛎组织和沉积物中八种目标PFAS化合物，得出PFOA和PFOS在所有样品中检出率为100%，PFNA和PFDoA检出率分别为90.5%和93.1%，PFHxA和PFDA检出率分别为75.1%和52.4%，PFHxS未在任何样品中检出。总PFAS浓度受样品类型、位点和采样期显著影响，且存在显著二维交互作用。牡蛎组织总PFAS浓度范围为0.94–11.02 ng·g^-1 ww，沉积物为0.50–14.12 ng·g^-1 dw。5月CI1牡蛎组织浓度最高，7月和9月各位点浓度相似。CI1和CI2牡蛎组织浓度显著高于沉积物浓度，而NR1和NR2两者相似。沉积物PFAS浓度在各位点各采样期保持稳定。BSAF在几乎所有位点和采样期超过1（0.92–108.06），CI1最高，5月CI1的BSAF最高值主要由PFOS和PFOA的高生物累积驱动（BSAF分别为269.43和71.14）。牡蛎组织中PFOS占总PFAS的29–78%，PFOA占13–51%；沉积物中PFOA占20–69%，PFOS占6–70%。

3.2 牡蛎分子响应：通过qPCR测定七个应激和免疫相关基因表达，得出应激相关生物标志物呈现位点和采样期相关的不同模式。Bax表达受采样期和位点×采样期交互作用显著影响，CI1在7月显示>2倍上调。Cyp2H2表达受位点和位点×采样期交互作用影响，CI1在7月显著上调3倍。Hsp70表达受采样期和位点×采样期交互作用影响，CI1在7月最高、9月最低，NR2在7月和9月相对5月升高。Sod表达受位点、采样期及交互作用显著影响，CI1、NR1和NR2在9月高度上调，NR2增幅最大（63倍），NR1为43倍，CI1为12倍。免疫相关基因方面，Ctl表达受采样期和交互作用影响，NR1在9月显著下调，NR2在7月>2倍上调。Itg表达仅受位点×采样期交互作用驱动，CI1在7月>2倍上调，NR1在7月最低、9月最高，NR2在7月受抑制。Tnf表达受采样期和交互作用影响，CI1在7月最低，NR1在5月最低、7月和9月升高。

讨论部分总结：本研究在Pamlico Sound所有位点和采样期的牡蛎组织和沉积物中检出多种PFAS，PFOA和PFOS为优势化合物，PFHxS未检出。牡蛎组织浓度在多个案例中超过邻近沉积物，表明生物累积。长链传统化合物（PFOA、PFOS）的优势反映了其在美国法规淘汰后仍持续存在的环境持久性。据研究人员所知，本研究是首次在Pamlico Sound同步整合牡蛎PFAS测定与分子生物标志物分析的研究，为未来环境监测评估提供了基线数据。PFAS对牡蛎和其他海洋无脊椎动物的有害浓度阈值仍知之甚少。牡蛎和沉积物PFAS浓度呈现对比的空间模式，表明PFAS暴露途径在两种基质间可能不同。CI1和CI2牡蛎PFAS最高但沉积物PFAS最低，表明水传播而非沉积物结合的PFAS可能是这些位点牡蛎的主要暴露途径。NR1和NR2沉积物浓度持续较高，可能反映Neuse和Tar-Pamlico流域的持续输入。Cedar Island和Neuse River位点间礁体结构和深度差异可能进一步促成牡蛎组织和沉积物PFAS模式的对比。CI1牡蛎PFAS浓度5月相对较高可能部分反映牡蛎年龄差异。牡蛎PFAS浓度从5月至9月的时间下降与春季河流流量较高一致，季节性产卵也可能促成此模式。沉积物PFAS浓度在各采样期无变化，表明沉积物作为长期PFAS储库的角色。BSAF值表明牡蛎相对环境沉积物浓度存在显著PFAS生物累积，CI1和CI2在5月最高BSAF值与高河流流量一致。应激和解毒相关基因在7月表达最强，抗氧化响应在9月达峰，免疫基因表达呈现更多变的位点特异性模式。CI1显示最强且最一致的应激相关基因上调，NR2在9月表现最大抗氧化响应。CI1在7月Bax和Cyp2H2共同上调表明凋亡和解毒联合响应。Cyp基因对温度和盐度变化敏感。CI1和NR2在较暖采样期Hsp70升高与双壳类热应激响应一致。9月Sod强烈上调表明研究后期多位点氧化应激升高。免疫基因表达比应激响应更多变和位点特异性。CI1作为牡蛎组织PFAS浓度最高的位点，显示应激和解毒基因显著上调，尤其在5月PFAS峰值后的7月，表明季节性应激源可能促成观察到的分子响应。然而，由于PFAS和基因表达在来自同一位点和时期的单独牡蛎组中测定，无法建立个体水平关联，温度、盐度和病原体压力等环境协变量无法完全与PFAS效应区分。未来研究应在同一個体中配对PFAS测定和基因表达，结合受控实验室暴露实验，以建立PFAS暴露与牡蛎分子响应之间的明确联系。

研究结论翻译：研究人员表征了Pamlico Sound河口牡蛎和沉积物中PFAS累积的时空变异以及牡蛎应激和免疫响应。检出的优势PFAS种类为PFOA和PFOS，总PFAS浓度在各位点和采样窗口间显著变异。牡蛎应激和免疫相关基因的分子响应呈现较大变异，表明局部环境应激源可能与污染物暴露交互影响牡蛎的生物学响应。未来研究在同一個体中配对PFAS和基因表达测定，结合受控实验室暴露实验，将有助于建立PFAS暴露与牡蛎分子响应之间的明确联系。鉴于PFAS的持久性和生物累积特性，通过滤食和沉积物接触暴露的牡蛎可能特别脆弱，并可将PFAS转移至其他河口生物，支持其作为河口污染和生态系统健康指示物种的应用。总体而言，牡蛎礁中PFAS的存在凸显了持续监测以降低沿岸生态系统风险的必要性。