pCO?引起的海水酸化对菲律宾马尼拉蛤（Ruditapes philippinarum）幼体抗氧化防御反应中镉毒性的影响

《Marine Pollution Bulletin》：pCO 2-induced seawater acidification influencing cadmium toxicity on antioxidant defenses responses in juvenile Manila clam Ruditapes philippinarum

海洋酸化与镉暴露协同影响马氏珍珠贝抗氧化防御机制研究。实验表明GSH系统对重金属毒性缓解至关重要，SOD-CAT体系负责清除活性氧，酸化条件会抑制GSH循环而增强镉的氧化损伤，高酸化可逆转镉的毒性效应。抗氧化生物标志物如谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶对单应力敏感，而丙二醛、谷胱甘肽等对复合应力响应显著。

　　

倪志林|崔文婷|刘金虎|曹亮|窦硕增

中国科学院海洋研究所海洋生态与环境科学实验室，中国青岛，266071

摘要

海洋酸化已知会与重金属相互作用，影响海洋生物的生理过程。本研究探讨了在pHCO₂诱导的海水酸化（SA）情景下，暴露于不同浓度镉（Cd）的菲律宾蛤（Ruditapes philippinarum）幼体的抗氧化防御机制，这些情景符合IPCC对海洋pH值的预测。结果表明，蛤类的抗氧化系统（包括GSH防御系统和SOD-CAT防御线）能够根据特定的压力源及其压力水平共同抵御氧化应激。GSH系统对于解毒和维持氧化还原平衡至关重要，而SOD和CAT则对清除活性氧（ROS）必不可少。镉暴露显著激活了GSH的氧化还原循环，而海水酸化则显著抑制了与该循环相关的抗氧化酶。SOD和CAT在应对海水酸化和镉共同暴露时表现出不同的调控途径。海水酸化对镉诱导的抗氧化反应的影响取决于金属浓度。抗氧化生物标志物对海水酸化和镉共同暴露的反应比对单独暴露更明显，尤其是高浓度海水酸化的影响可能掩盖了镉对抗氧化反应的影响。尽管海水酸化本身不会直接引发脂质过氧化，但在镉暴露条件下MDA水平升高，表明在过度共同暴露的情况下抗氧化防御不足。GSH和SOD对海水酸化更敏感，而MDA和GST对镉暴露更敏感，这表明它们分别可以作为评估海水酸化或镉诱导的氧化应激的生物标志物。这些发现揭示了金属毒性与海洋酸化对双壳类动物抗氧化防御机制的相互作用，有助于了解它们在全球海洋变化背景下的应对策略。

引言

海洋酸化（OA）被认为是对海洋生物的一个紧迫的全球性威胁，需要海洋环境科学领域给予更多关注（Orr等人，2005年；Shi和Li，2023年）。海洋酸化主要是由于海洋吸收了大气中增加的二氧化碳（CO₂）排放，这一过程已经持续了几个世纪（Sabine等人，2004年）。根据预测，在特定排放情景下，到2100年海水pH值可能会下降0.3–0.4个单位（Caldeira和Wickett，2003年）。沿海水域通常会经历双重酸化过程：一是由于大气中二氧化碳分压（pCO₂）增加而导致的整体酸化趋势，二是由径流、富营养化和生物耗氧等环境因素相互作用引起的季节性酸化。因此，在人类活动频繁、季节性分层和生产力高的沿海地区，海洋酸化的影响预计会更加明显。研究表明，升高的pCO₂会导致海洋化学成分的变化，从而影响海洋物种，尤其是珊瑚和软体动物等钙化生物（Ivanina和Sokolova，2015年）。在海洋酸化条件下，海水中CO₃^2?浓度的降低会破坏酸碱平衡，降低钙化生物壳的钙化速率（Riebesell等人，2000年）。除了影响钙化过程外，升高的pCO₂还会对海洋无脊椎动物的多种生态和生理过程产生不利影响（Shi和Li，2023年），如新陈代谢（Zhao等人，2017年）、能量分配（Sokolova，2021年）、抗氧化状态（Nardi等人，2018年；Figueiredo等人，2022年），甚至捕食者-猎物相互作用（Glaspie等人，2017年）。

重金属通常来源于农业和工业活动，是沿海地区的另一个环境问题。其中，镉（Cd）因其相对较高的毒性和溶解度而对海洋生物具有毒性。虽然开放海域中的溶解金属通常生态风险较低，但沿海地区往往由于各种因素导致镉浓度升高（Hu等人，2022年）。镉在生物体内的毒性主要通过离子模拟作用体现，它会取代必需元素，导致酶活性改变和细胞功能障碍（Sandbichler和H?ckner，2016年）。研究表明，高浓度的镉会对海洋双壳类动物的健康和适应性产生负面影响，而这些动物以从周围环境中积累金属的能力而闻名。例如，亚洲蛤（Corbicula fluminea）在暴露于镉7天后吞噬活性下降，表明其免疫反应受到抑制（Champeau等人，2007年）。镉暴露还影响了地中海贻贝（Mytilus galloprovincialis）精子的代谢特征，可能阻碍其繁殖（Lettieri等人，2023年）。此外，在菲律宾蛤（Ruditapes philippinarum）中观察到镉与必需元素（Zn、Se和Mo）之间存在负相关，表明镉暴露会破坏必需元素的平衡（Zhang等人，2023年）。这些发现强调了镉污染对海洋双壳类动物在多个生物学层面的危害。

至关重要的是，海洋生物很少单独受到单一压力源的影响。相反，海洋酸化和金属污染的联合效应会导致更复杂且往往加剧的挑战（Ivanina和Sokolova，2015年）。除了作为单一压力源外，海洋酸化还会与金属相互作用，给海洋生物带来更大的挑战。具体来说，海洋酸化会通过增加大多数金属在酸化海水中的溶解度来改变它们的生物可利用性（Millero等人，2009年）。河口水域的研究证实了这一现象，即随着海水pH值的降低，溶解金属（如镉和铅）的含量往往会增加（Hu等人，2022年）。这些累积影响的机制是多方面的。海洋酸化可以通过增加游离金属离子的比例来增强金属的毒性，因为游离金属离子通常比结合形式更具毒性和更容易被吸收（Millero等人，2009年）。此外，海水化学成分的变化和pH值的降低会影响海洋生物的生理状态，可能改变膜通透性和主动运输系统，从而促进金属（如镉）的吸收和积累（Ivanina等人，2015年）。海洋酸化引起的海水阴离子变化也会影响金属在海洋生物中的吸附、毒性和氧化还原过程以及生物积累速率（Millero等人，2009年；Ivanina等人，2015年；Tomanek等人，2011年）。关于低pH值和金属暴露对海洋软体动物交互作用的实验研究验证了这些预测（Giuliani等人，2020年；Romero-Freire等人，2024年）。这些相互作用在双壳类物种中表现出复杂的模式。例如，模拟pH值为7.8和7.4的海洋酸化条件显著增加了贻贝（Mytilus edulis）和蛤类（Tegillarca granosa及Meretrix meretrix）中镉的生物积累（Shi等人，2016年）。此外，在约800 μatm pCO₂的海洋酸化条件下，当这些贝类暴露于镉或铜（Cu）时，编码蛋白酶体的mRNA表达增强（Gotze等人，2014年）。鉴于这些复杂的相互作用及其潜在的严重生态后果，需要开展研究来评估它们对海洋软体动物的环境风险。

作为固着滤食性生物，双壳类动物通过鳃部摄取颗粒状污染物。这些污染物随后在消化系统（尤其是肝胰腺）中代谢，发生生理转化。未代谢的残留物和代谢物会在鳃部和内脏中积累，导致这些组织中的污染物水平升高（Li等人，2025年）。鉴于双壳类动物具有浓缩金属的强大能力，近年来它们已成为评估海洋生态系统中污染（如有毒金属）环境风险的生物指示物（Shi等人，2016年；Cao等人，2022年）。研究表明，菲律宾蛤这种在亚洲广泛分布的经济物种对各种环境压力源（如金属、持久性有机污染物（POPs）和其他环境变化）具有生化反应（Figueira等人，2012年；Wang等人，2023年；Jessica等人，2023年）。这类研究强调了该物种作为评估海洋环境风险的潜在生物指示物的适宜性。在沿海水域，海洋酸化现象预计会加剧金属毒性，破坏双壳类动物的生理过程，对其种群构成重大威胁（Shi等人，2016年；Cao等人，2018年，Cao等人，2022年）。因此，有必要全面研究海洋酸化和重金属对菲律宾蛤这种生态和经济上重要的物种的影响。

鉴于这两种压力源之间的复杂相互作用，我们假设海洋酸化和镉会对蛤类的抗氧化防御产生不同的影响，且海洋酸化条件可能会加剧镉的毒性。为了验证这一点，我们将菲律宾蛤幼体暴露于不同浓度的镉（从环境水平到较高水平）下，在pHCO₂诱导的海水酸化（SA）情景中，持续21天。暴露后，测量蛤类组织中的抗氧化生物标志物，以明确它们在联合压力下的反应模式，并确定用于风险评估的敏感生物指示物。预期这些结果将有助于我们理解多种压力源如何共同影响海洋双壳类动物的抗氧化反应，并为评估持续海洋酸化背景下金属污染对双壳类种群的影响提供见解。

实验海水物理和化学参数

所有实验处理下的海水物理和碳酸盐化学参数总结见表1和图1。

在整个实验过程中，海水温度保持在16.9 ± 0.85°C。同时，对照组的pH值为8.07 ± 0.02（pCO₂ 459.8 ± 15.5 μatm），而中等和高酸化组的平均pH值分别为7.70 ± 0.02（1172.3 ± 68.9 μatm）和7.31 ± 0.02（3026.5 ± 175.8 μatm）。

讨论

在本研究中，我们观察到了海水酸化（SA）和镉对菲律宾蛤幼体抗氧化生物标志物的显著影响。这些抗氧化酶和小分子抗氧化剂共同构成了蛤类的抗氧化防御系统，反映了它们抵御环境压力的能力。在特定SA条件下暴露于不同浓度镉时，抗氧化生物标志物的反应表现出显著的上调或下调。

结论

菲律宾蛤中的抗氧化剂共同作用，以抵御海水酸化（SA）和镉共同作用引起的氧化应激。这些抗氧化剂包括GSH防御系统以及SOD和CAT防御线。每个系统都发挥着关键作用：GSH系统对于解毒和维持氧化还原平衡至关重要，而SOD和CAT对于清除ROS必不可少。随着压力水平的增加，这些抗氧化防御机制会相应地作出反应，其策略取决于

作者贡献声明

倪志林：撰写初稿、验证、方法学设计、实验实施、数据分析、数据整理。崔文婷：验证、方法学设计、实验实施、数据分析。刘金虎：验证、实验实施。曹亮：验证、实验实施。窦硕增：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、方法学设计、资金申请、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点基础研究计划（项目编号：2015CB453302）的资助。我们感谢肖志涛博士、于晓博士和杨金鹏博士在实验中的帮助，也感谢中国渔业科学院渔业资源增强站的赵宝荣教授和张传涛先生在整个实验期间提供的技术支持。