基于光照驱动斑马鱼行为反应的水毒性监测与生态风险评估

《Aquatic Toxicology》：Lighting-driven behavioral responses in zebrafish for water toxicity monitoring and ecological risk assessment

　　

摘要

斑马鱼具有先天光趋性，使光刺激成为水体毒性监测的一项有前景的工具。本研究系统考察了光色（红、黄、绿、蓝）、光强（0-2400 lx）和刺激时长（1-3 min）对斑马鱼光趋性和运动行为的影响，并建立了优化的光行为学检测方案。结果表明，斑马鱼对红光（612 nm，峰值78.74%）表现出强烈的正光趋性，对蓝光（450 nm，峰值-36.23%）表现出明显的负光趋性，其峰值行为响应分别出现在700 lx和300 lx。优化的间歇刺激方案（红光：2 min刺激/15 min间隔；蓝光：1 min刺激/15 min间隔）有效维持了行为敏感性，同时最小化了习惯化。研究识别出一种"惊跳-光趋-适应"的行为序列，包括最初由亮度驱动的惊跳反应（第一分钟内），随后为波长特异性光趋性。以Cd²⁺暴露验证发现，光趋性呈浓度依赖性抑制：在2 TU浓度下，红光光趋率从78.9%下降至-55.9%。该光行为学检测方法具有高重复性，作为敏感且具有生态学意义的概念验证工具，以Cd²⁺为模型毒物，为后续水污染物风险评估提供支持。

引言

流域水污染事件对社会经济发展和生态环境构成严重威胁，凸显了在水环境安全管理中实施有效监测和综合预警的紧迫性。传统理化方法在水体毒性检测中存在成本高、操作繁琐以及无法反映污染物综合毒性效应等局限。相比之下，生物监测依赖于水生生物对环境变化的敏感行为响应，凭借其实时能力、高敏感性以及反映真实生态风险的能力，已成为一种极具前景的替代方案（Martins等，2007；Fu等，2023）。特别是基于鱼类行为变化的早期预警系统，能够从生物学角度反映大多数化学污染物引起的水环境变化（Xu等，2024）。此类系统因具备丰富的毒理学数据、对各种有毒物质的广泛敏感性、较强的运行耐受性以及较低的运行成本等优势，吸引了广泛的研究关注。

光作为一种非侵入性且高度敏感的环境刺激，已成为评估鱼类暴露化学物质（尤其是重金属和有机污染物）后神经毒性的核心行为学工具（Zhang等，2020）。斑马鱼具有先天光趋性，其光相关行为可直接反映视觉感知和神经传导等功能的完整性（Chen等，2022；Wu等，2021）。化学物质暴露后出现的异常光趋行为早于明显的组织损伤，可作为神经毒性预警的敏感生物标志物，广泛应用于各种污染物神经毒性的筛选和机制研究（Hillyer等，2021；Li等，2020）。

斑马鱼（Danio rerio）是视觉研究中的经典模式生物，具有视觉引导行为，如视动反应和光趋性行为（Dong等，2021；Han等，2015；Lin等，2021；Ulvund等，2021）。其光趋行为对外部环境刺激高度敏感，可作为水体毒性监测和生态风险评估的潜在行为终点。光谱组成、光强和光周期是影响其光趋响应的关键因素：Avdesh等（2012）表明斑马鱼对蓝光有强烈排斥，但偏好红光和绿光，而Oliveira等（2015）在不同光强条件下获得了相反结果。在2000 lx范围内，光强增加将导致斑马鱼平均游泳速度和转弯频率急剧上升，更高强度的光刺激将引起易激惹或抵抗行为（Ruchin等，2021）；短期光暴露可触发快速且可逆的光趋应激，中长时间光暴露下行为将逐渐适应并趋于稳定（Lin等，2021）。

光不仅影响斑马鱼的生长和生理状态，还可作为外源性应激源放大污染物的神经毒性（Johnson等，2019）。重金属暴露可通过损伤视网膜和诱导氧化应激导致异常光趋行为。高亮度、持续明暗变化等应激因素将进一步削弱机体解毒能力并放大毒性效应。大量研究证实，镉、铅、铜、汞等重金属暴露可损伤视网膜感光系统，诱导氧化应激和神经递质失衡，导致斑马鱼光趋指数下降，光运动反应迟缓甚至丧失（Porras-Rivera等，2024；Jesus等，2021；Ruchin，2021）；高亮度光可进一步放大邻苯二甲酸二丁酯（DBP）与纳米二氧化钛（n-TiO₂）的联合神经毒性，加剧氧化损伤，导致鱼类游泳速度异常、光趋反应紊乱及探索行为减少（Chen等，2024）。

近年来，聚焦斑马鱼对光刺激行为反应的研究逐渐增多；然而，这些研究大多局限于实验室分子毒理学范畴，关于实时、在线及长期水质预警的应用研究仍较为匮乏。此外，现有工作很少系统优化光谱参数，统一的定量行为指标和标准化实验框架仍然缺乏。

本文系统分析了不同光条件下斑马鱼的光趋响应，确定了引发稳健且可重复光趋响应的最佳光参数，并建立了精细化的光行为学检测监测方案。该方法通过Cd²⁺引发的浓度依赖性行为损伤验证了其敏感性。本研究以Cd²⁺为模型毒物，提供了一种概念验证监测策略，为单一重金属毒性测试提供了初步技术支持。

章节摘要

斑马鱼驯化与筛选

成年AB品系斑马鱼（Danio rerio，6月龄）购自中国科学院水生生物研究所。实验前，鱼类在受控条件下群养（每100 L水族箱100-120尾）：水温维持在25±1°C，持续过滤和增氧，采用14h:10h光暗光周期。斑马鱼每天饲喂三次配合饲料（脱壳卤虫卵：蛋白质≥60%，

斑马鱼对光色和光源位置的偏好

光色对斑马鱼光趋行为产生了显著的光谱特异性和时间依赖性影响（图3）。在对照组中，上下光源位置的斑马鱼光趋率均低于15%，且无显著差异（p>0.05）。所有光照处理组的光趋反应均在光照后10 min达到峰值，随后逐渐下降。不同波长下光趋反应的强度和持续时间存在显著差异。

光谱选择性作为目标毒性检测的行为指标

本研究发现，斑马鱼对红光（612 nm）、黄光（560 nm）和绿光（526 nm）表现出显著的光趋性，对蓝光（450 nm）表现出明显的回避行为。该结果与先前报道的斑马鱼"趋长波、避短波"行为一致（Deng等，2020；Lu等，2022；Avdesh等，2012）。这种光谱选择性可能源于其视觉系统的生理基础：斑马鱼具有虹膜

结论

综上所述，本研究建立了斑马鱼标准化光行为学监测检测方案。该方案通过最佳光谱参数（红光：700 lx，蓝光：300 lx）和时间参数（红光2min/15min，蓝光1min/15min）进行定义，将先天光趋反应转化为敏感、可量化的行为终点。Cd²⁺暴露验证揭示了明确的剂量-效应关系，高浓度Cd²⁺（2 TU）将正光趋反转为负光趋——表明

资金支持

本研究由中国国家自然科学基金（51909203）、浙江省"领雁"科技研发计划（2025C02229）以及清华大学长三角研究院浙江分院（N0.LZZLX24E003）资助。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

作者声明

概念设计：[黄一][蓝雅琼]；方法论：[黄一]；正式分析与调查：[吴俊旭][杨建伟]；初稿撰写：[黄一]、[杨建伟]；审阅与编辑：[黄一][吴俊旭]；经费获取：[黄一][蓝雅琼]；资源：[张志红]、[蓝雅琼]；监督：[张志红]；项目管理：[黄一]、[杨建伟]。所有作者均已阅读并同意已发表版本的手稿。

未引用参考文献

Huang等，2013；Kubo等，2014；Bartel等，2021

CRediT作者贡献声明

黄一：审阅与编辑，初稿撰写，项目管理，方法论，经费获取，概念设计。吴俊旭：审阅与编辑，调查，正式分析。杨建伟：初稿撰写，项目管理，调查，正式分析。张志红：监督，资源。蓝雅琼：资源，经费获取，概念设计。

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