《Journal of Experimental Marine Biology and Ecology》：Deleterious effects of diatom-derived polyunsaturated aldehydes on early life stages of a marine forage fish
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## 中文翻译（摘要）
硅藻来源的多不饱和醛类（PUAs）对众多无脊椎动物消费者产生有害影响。然而，它们损害脊椎动物生理和发育的潜力仍未得到探索。饲料鱼类是海洋生态系统中的一个基础功能群，且在许多物种中，其早期生命阶段与硅藻同域分布。砂银鱼（Hypomesu
## 中文翻译（摘要）
硅藻来源的多不饱和醛类（PUAs）对众多无脊椎动物消费者产生有害影响。然而，它们损害脊椎动物生理和发育的潜力仍未得到探索。饲料鱼类是海洋生态系统中的一个基础功能群，且在许多物种中，其早期生命阶段与硅藻同域分布。砂银鱼（Hypomesus pretiosus）是东北太平洋一种重要的饲料鱼类。砂银鱼在潮间带上部产卵，胚胎在此发育，该区域邻近底栖硅藻；幼鱼在近岸完成变态，摄食包括硅藻在内的浮游生物。在这些敏感且具有转型意义的时期，砂银鱼可能遭受硅藻PUAs带来的负面生态毒理学效应。本研究探讨了PUAs对砂银鱼胚胎和幼鱼发育及生理的影响。研究人员在一系列PUA浓度下，测定了胚胎存活率、孵化成功率、心率、内源性能量消耗、形态以及孵化时的感官发育情况。高浓度PUA暴露增加了胚胎死亡率并降低了孵化成功率。PUA暴露对胚胎心率无显著影响；然而，在急性暴露后，心率随浓度升高呈进行性下降。整个发育过程中的PUA暴露减缓了内源性能量储备的消耗，并降低了孵化时的体型。在高浓度PUAs条件下饲养的胚胎所孵出的幼鱼眼睛较小，而耳囊大小未受影响。总体而言，这些发现表明，溶解态PUAs可能通过多种整合的发育轨迹改变，损害这一生态基础性脊椎动物在早期发育过程中的存活能力。鉴于其生态重要性，任何降低饲料鱼类年补充量的因素都可能对海洋生态系统产生级联效应。
## 论文解读
### 一、研究背景与目的
硅藻是东北太平洋生态系统的一个典型特征，浮游硅藻水华在该区域频繁发生。历史上硅藻被认为是浮游动物（特别是桡足类）的优质饵料，桡足类的繁殖力被认为依赖于硅藻生物量。然而，自20世纪90年代以来，研究发现硅藻在支持桡足类生长和发育的同时，也能抑制其繁殖。具体表现为硅藻饲喂的桡足类出现卵活力下降、孵化成功率降低、胚胎发生受损以及畸形无节幼体数量增多等现象。这些有害效应的元凶被分离鉴定为多不饱和醛类（polyunsaturated aldehydes, PUAs）。
PUAs是氧化脂素（oxylipins），由多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acids, PUFAs）脂质氧化衍生而来。当藻细胞受损时，脂氧合酶在数秒内被激活，触发PUFAs的脂质氧化，产生不同分子形式和浓度的PUAs。PUAs的产生取决于硅藻种类、生长阶段、PUFA组成和无机营养盐浓度。许多浮游硅藻种类都能产生PUAs，有关底栖硅藻PUA产生的研究虽少，但现有证据表明产PUA的硅藻种类分布广泛，例如在萨利什海（Salish Sea）发现的八种最常见底栖硅藻均能产生PUAs。
PUAs对多种海洋无脊椎动物的负面影响已被证实，但关于PUAs对脊椎动物的生态毒理学效应研究甚少。近期一项研究探索了溶解态PUAs对斑马鱼（Danio rerio）的影响，发现高浓度PUA暴露显著降低了斑马鱼的适合度，提示PUAs可能对与产PUA硅藻同域分布的脊椎动物产生不利影响。然而，PUAs对海洋脊椎动物的影响仍属空白。
饲料鱼类在海洋生态系统和经济中扮演着关键角色。所有生命阶段的饲料鱼类都是海鸟、海洋哺乳动物及鲑鱼等大型鱼类的猎物。它们摄食浮游植物和浮游动物，是海洋食物网中能量从低营养级向高营养级传递的重要通道。砂银鱼（Hypomesus pretiosus）是东北太平洋常见的饲料鱼类，为专性海滩产卵者。雌鱼在高潮期将卵产在砂砾基质上，受精卵通过放射带（zona radiata）膜附着于砾石。发育中的胚胎在孵化前约10-14天内定期被潮水淹没和暴露。在胚胎和早期幼鱼阶段，它们依赖母体提供的内源性能量储备（卵黄和油球）。孵化后，幼鱼在发育出功能性口器和消化系统之前的数天内继续依赖这些能量储备。在此期间，砂银鱼从内源性营养转变为外源性摄食，开始以浮游生物为食。
砂银鱼的产卵生态使其与近岸水生藻类（包括丰富多样的底栖和浮游硅藻群落）同域分布，因此其卵和胚胎会暴露于硅藻来源的PUAs。此外，作为浮游生物食性鱼类，其所有外源性摄食生命阶段都会直接和间接摄入产PUAs的硅藻。鉴于砂银鱼的生态和经济重要性，研究硅藻来源PUAs对其早期生命阶段发育和生理的影响，对于理解饲料鱼类种群动态和海洋生态系统健康具有重要意义。
### 二、研究内容与方法
本研究旨在探究硅藻来源的溶解态PUAs对砂银鱼胚胎和幼鱼发育及生理的影响。研究在2023年8月从华盛顿州卡马诺岛乌萨拉迪湾（Utsalady Bay, Camano Island, WA）采集野生砂银鱼配子，通过温和手压腹部方式采卵和采精，进行干法授精。两次采集分别使用4尾雌鱼和4尾雄鱼、10尾雌鱼和6尾雄鱼，配子分别汇集成单管。受精后胚胎用高压灭菌过滤海水（AFSW）清洗，分装至培养皿中培养。
实验使用了三种自然界中常见的PUA混合物：庚二烯醛（heptadienal）、辛二烯醛（octadienal）和癸二烯醛（decadienal），处理浓度范围为总PUA 2.16至21.6 μg mL?1，对应1×至10×处理水平。对照组包括AFSW（SW）和含1.0%甲醇的AFSW（SW+M）。培养在15.5°C环境培养箱中进行，光照周期为14:10小时明暗循环。每日将胚胎或幼鱼浸泡在新鲜处理水中6小时以模拟潮间带高水位淹没，随后移去水分防止干燥。
研究开展了四个实验。实验1和实验2为胚胎发育期间的慢性PUA暴露，分别使用1×、5×、10×和1×-5×处理水平，测定胚胎存活率、孵化成功率、心率、内源性能量消耗和体尺测量，实验2额外测定感官性状。实验3为对发育至心跳期的初始胚胎（9 dpf）进行急性PUA暴露（1×、3×、5×、10×）5小时后测量心率。实验4将新孵化幼鱼（25尾/皿）暴露于1×、5×、10×处理中，监测幼鱼存活率至全部死亡。
数据分析方面，存活和孵化采用Fine-Gray竞争风险模型（累积发生率函数）分析，幼鱼存活采用混合效应Cox比例风险模型，心率采用负二项广义线性混合效应模型，形态和能量储备数据采用线性和广义线性混合效应模型，感官性状采用Gamma误差和对数连接的广义线性模型。此外，对实验2数据进行了主成分分析（PCA）和置换多元方差分析（PERMANOVA）以评估PUA暴露对多变量性状结构的综合影响。
### 三、研究结果
**3.1 存活率**
PUA暴露显著降低了砂银鱼胚胎和幼鱼的存活率。在实验1中，高浓度PUA处理组（5×和10×，即10.8和21.6 μg mL?1）的胚胎在受精后6天内全部死亡，而对照组和1×处理组存活至14 dpf。5×处理组的风险比（hazard ratio）为7.03，10×处理组为12.7（均p < 0.001），且10×处理组的风险显著高于5×处理组（HR = 1.81）。在实验2中加入更多中间处理水平后观察到类似趋势：1×处理组风险比2.06，2×处理组1.49，4×和5×处理组分别为3.16和3.55（p < 0.001），但3×处理组与对照组无显著差异。值得注意的是，实验2中5×处理组未在实验终止前（21 dpf）达到完全死亡。对于初始幼虫的急性暴露（实验4），5×和10×处理组的幼虫仅存活至孵化后2天，而对照组和1×处理组存活至6 dph，5×和10×处理组的风险比分别高达150.97和179.67（p < 0.001）。
**3.2 孵化成功率**
溶解态PUAs显著降低了胚胎孵化成功率。各处理的孵化高峰出现在13 dpf。在实验1中，SW+M和1×处理组的孵化概率约为SW对照组的50%（风险比分别为0.45和0.57，p < 0.001），5×和10×处理组因100%死亡率导致零孵化（风险比 = 0.00）。在实验2中，2×至5×处理组的孵化概率随PUA浓度升高而下降，5×处理组孵化成功率较SW对照组降低92%（风险比 = 0.08，p < 0.001）。此外，PUA暴露还延迟了孵化时间约两天，许多PUA暴露胚胎形态发育正常但未能孵化，提示孵化过程本身受到干扰。
**3.3 心率**
慢性PUA暴露对胚胎心率无显著影响，实验1和实验2中各处理组均未与SW对照组出现显著差异。在急性暴露实验（实验3）中，5×处理组心率较对照组平均降低26%（44.7 bpm），但未达统计显著（Dunnett p = 0.063）；10×处理组心率平均降低77%（132.7 bpm），但因仅存活一个重复皿而无法进行统计检验。尽管单个比较不显著，平均心率随急性PUA浓度升高呈进行性下降趋势（3× ≈ 对照 > 5× > 10×），提示高浓度下存在剂量依赖性心功能降低。
**3.4 形态、内源性能量储备及感官性状**
PUA暴露改变了孵化时幼鱼的多种形态特征和能量利用方式。在能量储备方面，PUA暴露胚胎的内源性能量消耗较对照组更慢。实验1中1×处理组卵黄面积增加6.9%（p = 0.034）；实验2中卵黄面积随PUA浓度从2×的+4.7%增至5×的+11.2%（3×处理组显著，p = 0.003）。油球面积在2×至5×浓度下均显著大于对照组（+6.1%至+11.7%）。
在体尺方面，PUA暴露降低了孵化时幼鱼的标准体长，降幅约为6%-14%，最大降幅出现在5×处理组（?13.8%）。实验1中1×处理组显著降低6.3%（p = 0.002），实验2中3×（?8.8%，p = 0.038）和5×（p = 0.005）显著降低。最大体高倾向于随PUA暴露增加，2×（+10.8%）和4×处理组显著高于对照组。肛门处体高在各浓度下均与对照组无显著差异。
在感官性状方面，眼面积随PUA浓度升高呈进行性下降，从2×的比对照组小7.1%到5×的小21.6%，2×至5×各浓度均显著低于对照组（2×，p = 0.032；3×，p < 0.001；4×，p = 0.001；5×，p = 0.0002）。耳囊面积在各PUA浓度下与对照组均无显著差异，眼面积的减小并非简单的比例性颅部生长抑制所致。
**3.5 多变量性状分析**
主成分分析揭示了PUA暴露引起的形态、能量、感官和生理性状的协调变化。在体尺-能量PCA中，前三个主成分解释了82.2%的总方差。PC1（38.3%方差）与卵黄和油球储备及最大体高强正相关，代表孵化时内源性能量储备的变异；PC2（27.2%）反映总体体型大小；PC3（16.7%）由心率主导。PERMANOVA证实处理组间沿PC1存在显著差异（F = 53.33，p = 0.001）。在感官性状PCA中，PC1（48.1%）与标准体长、眼面积和耳囊面积强正相关，反映体细胞生长和感官器官发育的投资；PC2（26.6%）主要与心率相关。处理组间沿PC1也表现出显著差异（F = 75.31，p = 0.001）。两个PCA中处理效应的一致性表明，PUA暴露通过改变能量分配策略来改变发育轨迹，并对形态、感官性状和生理表现产生级联效应。
### 四、讨论与结论
研究人员在讨论部分首先指出，本研究首次提供了溶解态PUAs对海洋脊椎动物早期发育产生毒性作用的实验证据。PUA暴露对砂银鱼存活率、孵化成功率、能量分配、体细胞生长和感官发育产生了浓度依赖性有害效应，提示PUAs可能是砂银鱼及其他近岸产卵海洋鱼类此前未被认识到的环境胁迫因子。
关于机制方面，PUA暴露导致的孵化延迟和孵化失败可能是由于绒毛膜酶（chorionase）介导的卵壳降解受到损害所致。PUA暴露与重金属等毒物类似，可能通过抑制绒毛膜酶活性或孵化腺发育来降低鱼类孵化成功率。关于眼面积减小，可能机制包括：PUA优先损害快速分裂、代谢活跃的细胞，减少视网膜祖细胞增殖；PUA诱导的氧化应激降低ATP产生，影响视网膜祖细胞高度依赖线粒体代谢的增殖过程。
关于生理方面，心率降低趋势与内源性能量消耗减缓共同提示PUA暴露诱导了代谢抑制。代谢抑制是变温动物应对环境胁迫的典型反应，通过降低基础能量需求来维持能量平衡。与热胁迫下砂银鱼胚胎增加能量消耗维持稳态不同，化学胁迫下砂银鱼倾向于代谢抑制策略。
研究局限性方面，处理组内较大的变异性提示母体效应可能调节后代对PUA暴露的敏感性。将多个亲本的配子混合以及两次采样时间不同可能引入了额外的发育结果差异。天然环境中PUA浓度受温度、营养盐和硅藻群落动态影响而高度变异，温度与化学胁迫的协同或拮抗作用有待深入研究。此外，本研究仅关注了溶解态PUAs，砂银鱼还可能通过摄食产PUA硅藻或经浮游动物营养传递摄入颗粒态PUAs，这些途径的效应尚不明确。
结论部分指出，硅藻来源的PUAs可直接降低砂银鱼胚胎的存活率和孵化成功率，并通过不利影响生长、感官发育和生理功能间接损害幼鱼适合度。这些效应可能降低进入成体产卵种群的补充量，这是饲料鱼类种群长期生存力的关键决定因素。成体砂银鱼种群规模的缩减可能对更高营养级产生级联效应，并对海洋生态系统功能产生负面影响。鉴于本研究所用PUA浓度在自然环境可能遇到的范围内，硅藻细胞裂解后溶解态PUA在1-10 μm范围内浓度可达4.7-46.9 μg mL?1，接近或超过本研究的测试浓度，底栖硅藻水华可能是砂银鱼早期生命阶段间歇性急性死亡和慢性亚致死胁迫的来源。
