人为噪声的频率依赖性发育毒性：40 Hz、174 Hz 和 528 Hz 对斑马鱼胚胎的影响

《Marine Environmental Research》：Frequency-Dependent Developmental Toxicity of Anthropogenic Noise: Effects of 40 Hz, 174 Hz and 528 Hz on Zebrafish Embryos

　　

摘要
对水生环境中人为噪声污染的特征描述本质上很复杂，这归因于声波的多种物理特性，包括声强、频率、波长和时间模式的变化。在这些参数中，特定频率的贡献（作为更广泛噪声光谱的组成部分）仍然知之甚少。为了从水下声音暴露的整体复杂性中分离出这一特定变量的影响，本研究采用斑马鱼（Danio rerio）作为水生发育健康的模型，系统地调查了三种不同声学频率对早期胚胎发育的影响。不同组的受精卵在隔音声学箱内，从受精后 0 到 10 天，每天暴露于 40 Hz、174 Hz 或 528 Hz 的频率下 90 分钟。暴露于低频声波即 40 Hz，诱导了多种具有统计学意义的有害影响，如死亡率增加、形态异常（如尾部弯曲、心包水肿和卵黄囊水肿）、骨骼缺陷、心脏和眼部区域的组织病理学变化、生长迟缓、氧化应激和细胞凋亡升高。相比之下，174 Hz 频率似乎基本无害，在所有发育、形态和生理参数中均未观察到显著的不良反应。528 Hz 频率未引起明显的形态损伤、死亡率或显著的细胞凋亡。然而，它诱导了谷胱甘肽 S-转移酶 (GST) 活性的适度增加。总体而言，这些发现确定了低频声音是噪声诱导压力的离散驱动因素，并为环境风险评估提供了关键证据。此外，该研究强调了需要进一步调查易受影响的早期水生生物的频率特定安全阈值。

引言
我们居住的世界深刻地受到声音的影响，声音是一种机械振动，以波的形式通过固体、液体或气体等介质传播。这些波起源于振动源，导致介质内的粒子振荡并传递能量。声音的一个基本特性是其频率，以赫兹 (Hz) 为单位测量，定义为每单位时间的周期数或重复次数。这一内在特性决定了感知音高，对于理解跨不同尺度的波振动和能量现象至关重要 (Novay 等，2025)。
声音不仅仅是一种物理现象，它还深刻地影响生物系统，激发了一股快速增长的跨学科研究浪潮。生命本质上是在声学景观中进化的，物种以多种方式感知和响应声音。此外，在最基本的层面上，生物细胞（生命的构建模块）日益被认为具有感知声音的能力 (Spitzer, 2024)。这种相互作用被认为涉及细胞系统内的机械力和振荡，影响从细胞形状和运动到分裂和重组的过程。力的时机和幅度可以影响细胞如何反应机械刺激。研究表明，声音振动可以影响各种生物中的听觉和非听觉细胞，影响生长、细胞凋亡（程序性细胞死亡）、免疫系统功能和蛋白质活性等关键生理过程 (Alladi 等，2005)。这些效应通常由涉及神经递质、激素、细胞因子和肽的复杂生化途径介导 (Sanyal 等，2013；Russo 等，2017)。
在整个生物谱系中，声音的影响是显而易见的。在植物和微藻中，特定的声音刺激已被证明可以增强细胞生长和生产力。当暴露于 2.2 kHz 声音时，绿藻藻类显示出增强的生长和生物质生产力 (Cai 等，2016)。值得注意的是，植物可以识别生态相关的声音，如毛虫咀嚼或传粉者嗡嗡声，并做出相应反应，例如，通过建立防御 (Appel 和 Cocroft, 2014；Sch?ner 等，2016)。声音振动可以影响微丝重组、各种蛋白质活性并调节植物中的基因转录。对于细菌和酵母等单细胞生物，声音刺激可以触发定殖，提高生长速率并改变膜通透性，导致代谢和抗生素敏感性的变化 (Kung 等，2010；Aggio 等，2012)。例如，大肠杆菌在 1 kHz 以下表现出更好的生长，但在 1 kHz 以上生长较差 (Gu 等，2013)。此外，研究强调了声音对胚胎发育的影响。产前暴露于音乐已被证明有助于神经发生、再生和神经元修复。它还显示出对大鼠和小鼠的神经可塑性和空间学习的积极影响 (Kim 等，2006)。相反，高分贝的非组织化噪声会损害这些发育过程。在雏鸡中，高分贝音乐 (110 dB) 适度增加了血浆去甲肾上腺素，并正向调节空间定向、学习和记忆，同时海马体中突触蛋白和 PSD-95 表达显著增加。相比之下，相同强度的噪声导致过量的去甲肾上腺素并损害空间行为，减少这些突触标记 (Sanyal 等，2013)。音乐是声音的组织化序列，特别以其调节基因表达用于生物信号传导和愈合的潜力而闻名 (Cole 等，2007)。另一方面，人类暴露于噪声可能导致烦恼、睡眠受干扰、情绪压力以及患心血管疾病几率更高 (Bolm-Audorff 等，2020)。
在水生领域，水下环境天然富含多样化的声音，但日益受到来自航运、地震勘探和基础设施开发等活动的人为噪声污染的淹没 (Slabbekoorn 等，2010；Popper 和 Hawkins, 2019)。这种人造噪声现在被全球公认为主要污染物，能够在海洋动物中引起广泛的物理、生理和行为影响，包括海洋哺乳动物、鱼类和无脊椎动物 (Di Franco 等，2023)。主要通过粒子运动感知声音的水生无脊椎动物，对噪声污染特别敏感，研究表明对其行为生理学有有害影响，特别是在节肢动物和软体动物中 (André 等，2016；Davies 等，2024)。例如，低频噪声 (LFN) 已被证明会损害海洋底栖无脊椎动物的挖掘活动，低频声音暴露会导致头足类平衡囊的感觉毛细胞发生显著的声创伤，影响其平衡感和位置感 (Solé 等，2013；Wang 等，2022)。头足类动物中的这些损伤与生存不兼容 (Solé 等，2013)。人为噪声对无脊椎动物的基因反应、生化指标和形态（例如毛细胞损伤）产生不利影响；发育参数和生存率也可能受到负面影响 (Fitzgibbon 等，2017；Wale 等，2019)。鱼类同样严重依赖声音进行通信、导航和检测捕食者或猎物，使它们容易受到人为噪声的影响，可能导致重要生物信号的掩盖、压力反应甚至物理损伤或死亡 (Hawkins 和 Popper, 2018)。大多数鱼类物种表现出 30 Hz 到 1000 Hz 之间的听觉敏感性。强烈的脉冲声可导致鱼类广泛的听力损伤，例如毛细胞消融或缺失 (McCauley 等，2003)。生理压力反应，包括激素变化，即使没有明显的行为干扰迹象也可能发生 (Wysocki 等，2006；Tennessen 等，2016)。
这些发现表明，声音的特定特征，而不仅仅是其存在，对于观察到的生物结果至关重要。声音的一种内在特性是频率，定义为波每秒完成的振荡周期数 (Hz)。鉴于声音对生命系统的多样和频率特异性影响，本研究检查了具有记录或提议的生物相关性的声学频率。我们关注三种单音频率：40 Hz、174 Hz 和 528 Hz。40 Hz 信号位于低频范围内，与人类中显著的生理效应有关，包括血管、呼吸和内分泌反应 (Schust, 2004)。它也是几种海洋无脊椎动物（如头足类）表现出高度敏感性和声创伤易感性的频率 (Solé 等，2013)。此外，由常规水产养殖设备（包括水泵和充氧机械）产生的水下噪声经常被忽视，作为管理水生环境中低频声学暴露的潜在来源。对养殖设施的调查确定 400 Hz 以下的噪声很大，水泵、水流、机械振动和充氧对测得的声学环境有贡献 (Bart 等，2001)。174 Hz 频率在传闻中被描述为有益或治愈 (Pijanowski 等，2011)。替代医学文献进一步声称这种频率可作为天然麻醉剂。此外，528 Hz 在振动和整合医学中因其提议的和谐和再生特性而备受关注。报告表明，528 Hz 可能刺激细胞修复途径，促进情绪平衡，调节自主神经活动并增强细胞再生反应。实验表明，在 100 dB 下暴露于 528 Hz 已被证明可提高大鼠脑部的睾酮水平并减少活性氧 (ROS)，以及减少星形胶质细胞培养中的 ROS 产生 (Babayi Daylari 等，2019)。此外，声压和强度是已确定的声学压力决定因素，高强度暴露与水生生物中的不良生理和感觉效应有关 (Bart 等，2001)。而在受控声压下频率的生物贡献则研究较少。因此，为了区分频率依赖性反应与强度相关的不利影响，本研究中的所有三种单音频率均以恒定的 65 dB 声压级交付。这种相对较低水平的暴露与以前的斑马鱼声学实验一致，其中约 60 dB 被用作标准化刺激，高达 65 dB 被认为适用于长时间人类暴露 (Scatterty 等，2023)。
此外，当声音在介质之间传播时，波速和波长调整，但频率本身保持不变，确保生物系统体验相同的循环率，无论传输介质如何。这一物理原则的恒定性支持在水生介质中使用斑马鱼幼虫作为频率特定声学研究的有效模型，并应能够将发现翻译到陆生和高等脊椎动物中。此外，透明的胚胎允许直接可视化发育效应，其保守的机械敏感途径提供了相关的脊椎动物框架。因此，斑马鱼胚胎提供了物理相关性、生物可比性和进化保守性的独特组合，使其成为预测脊椎动物谱系中频率特定声学影响的实验高效且机制信息丰富的模型。

章节片段
动物饲养
成年野生型斑马鱼 (Danio rerio)，三个月大，从商业供应商处采购，并在实验室条件下驯化一周。鱼类根据标准方案饲养，保持在 28.5±0.5℃的温度和 7.5 的 pH 值，严格处于 14 小时光照到 10 小时黑暗的光周期下。为了繁殖，鱼类以 2:1 的雌雄比例放入繁殖室。受精卵被收集、虹吸并在胚胎培养基中冲洗几次之前。
死亡率
暴露于特定单音声学频率后的死亡率分析显示，与对照组相比，40 Hz 组的死亡率有统计学显著增加。这种效应在发育早期阶段即受精后 1 天到 4 天 (dpf) 期间显著明显。174 Hz 和 528 Hz 暴露组相对于对照组未显示任何显著死亡率。(图 1A)
孵化成功率
孵化动力学也显著受到 40 Hz 频率暴露的影响。40 Hz 组的幼虫表现出

讨论
本调查系统地评估了三种单音声学频率对斑马鱼 (Danio rerio) 早期胚胎发生的发育影响，表明频率是声音暴露生物学结果的关键决定因素。发现显示 40 Hz 是一种明显的发育毒素，174 Hz 是中性且无测量效果，528 Hz 仅诱导了轻微的无损伤生化反应。生物体存在于多样化的声学景观中，该景观由

结论
本研究证明，40 Hz 声学暴露通过机械诱导的发育失调、氧化应激和细胞凋亡诱导发育毒性，确立了频率组成是超越声音强度的关键决定因素。在测试条件下，暴露于 174 Hz 和 528 Hz 产生了相对良性或轻微的生物活性反应，强调了观察到的反应的频率依赖性。这项工作确立了斑马鱼作为敏感模型

CRediT 作者贡献声明
Jahnavi Mehta：写作 – 初稿，方法论，形式分析，数据管理。

K Gowri Kumari Uggini：写作 – 审阅与编辑、验证、监督、资源、概念化
未引用参考文献 Gray PhD, 2000; Gu et al., 2016; Lu and DeSmidt, 2013; Tucker and Lardelli, 2007.
伦理声明 动物处理严格按照印度政府“动物实验控制与监督委员会（CCSEA）”的指南进行，并获得了巴拉达马哈拉贾萨亚吉 Rao 大学（位于古吉拉特邦瓦多达拉）动物学系机构动物伦理委员会（IAEC）的批准（批准号：827/GO/Re/S/04/CCSEA）。
利益冲突声明 作者声明不存在已知的潜在个人利益或财务利益冲突。
利益冲突声明 ? 作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报道工作的结果。
致谢 作者 JM 感谢获得的 CSIR-UGC NET 奖学金。我们还要感谢 MSU 的 RCC 提供的财务资助。
Jahnavi Mehta | Gowri K. Uggini