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易科泰生態健康專題快訊—— 環境污染對水蚤、斑馬魚等水生動物的影響
發布時間： 2020-08-28 點擊次數： 2688次疫情的爆發和蔓延，讓人類愈發認識到生態健康的重要性。指出“小康全面不全面，生態環境質量很關鍵”，將實現全面小康建設和生態健康的重要標志—生態環境質量緊密聯系起來（方世南，2020）。
生態健康是人類自然環境、生產環境和生活環境及其賴以生存的生命支持系統的代謝過程和服務功能完好程度的系統指標。包括人居物理環境、生物環境和代謝環境的生態健康，人體和人群的生理和心理的生態健康，產業系統和城市系統代謝過程的生態健康；景觀、區域系統格局和服務功能的生態健康等（蔣正華，2005）。因此，生態健康與人類的生存和生活質量息息相關。
作為生態健康領域的*，北京易科泰生態技術有限公司*提出了“生態-農業-健康”的發展理念和戰略方向并為之實踐。憑借近20年科研設備引進和研發的豐厚經驗，北京易科泰向廣大科研單位、醫藥公司、檢測機構提供完備成熟的技術方案和服務，包括動物能量代謝測量（包括斑馬魚、大小鼠等各類實驗動物）、生物醫學成像、食品藥品檢測和藥用植物表型測量和中藥材鑒定等。
農藥和殺蟲劑的廣泛使用，塑料的生產、加工、使用和焚燒，工業污水和城市污水的排放，經常發生的化學品泄露和突發水污染事件，這些均給水生態系統和水生動物帶來了嚴重的威脅，對生態健康造成了巨大的影響（王乙震等，2015）。
本文摘選了環境污染對水蚤、斑馬魚等水生動物影響的研究案例，涉及水生動物的呼吸代謝測量和行為分析。希望能為生態毒理學、環境科學、水生態學等領域的科研工作者提供些許借鑒。
重金屬 - 櫛水虱
受人類活動影響，氣候變暖，加上污水排放、土地利用方式轉變等，導致水生生態系統溫度升高。隨著水溫升高，水中溶解氧降低，而動物的代謝率卻增加，從而使得動物有更高的需氧量和呼吸速率。在這種情況下，重金屬等微污染物的對水生動物的毒性增強，影響其進食與生長。另外，水溫升高還會影響膜的通透性、分配系數和擴散速率等，導致水生動物對重金屬的解毒能力下降。然而溫度對污染物毒性的影響規律仍有一些不確定性，越來越多的生態毒理學家聚焦于多種脅迫結合的毒性研究。
比利時安特衛普大學發表的一項研究中，對櫛水虱在不同溫度、不同濃度的鎘、銅、鉛及其不同組合混合物溶液中的活動時間、呼吸速率以及生長速率、進食率等進行了分析，探究溫度對重金屬混合物毒性的影響。其中，櫛水虱的活動時間使用了視頻跟蹤行為分析系統，呼吸速率則使用溶解氧測量系統分析計算。
結果顯示，溫度明顯影響除活動以外其他所有特征，但是不同的重金屬以及不同的重金屬組合混合物對這些特征的影響有所不同。在15℃時，呼吸速率隨重金屬濃度升高而下降，反之在20℃時，兩者則呈現正相關，表明溫度升高促進了氧氣消耗。在銅、鉛處理中，隨著水溫升高，呼吸速率升高，櫛水虱對重金屬的吸收和積累升高。結合進食率等分析，證明溫度與重金屬對櫛水虱的毒性相互影響。研究表明，當前基于化學方法進行水生生態系統毒性監測的方法有效性有限，應當補充基于效果的監測手段(M. Van Ginneken et al., 2020)。
苯甲酰愛康寧（代謝物）-大型溞
苯甲酰愛康寧（BE）是*的人體中代謝物，可通過尿液等進入生活污水，排放后進入地表水，對水生動物和水生態系統造成威脅。
Marco等人從生物分子、個體、種群等水平研究了BE對大型溞的影響，發現與水生生態系統相同劑量的BE會引起大型溞的氧化應激，抑制乙酰膽堿酯酶的活性，影響個體的游泳行為和繁殖。其中個體水平的游泳行為便是使用了視頻跟蹤行為分析的方法（上圖），借助動物行為觀測分析軟件自動計算了活動性（以活動時間/跟蹤時間表示）和游泳速率。
由下圖可知，BE暴露顯著降低了大型溞個體的活動性：相比于對照組，高濃度BE處理的大型溞活動性降低了5%。相反游泳速率顯著增加。因為BE有毒分子的作用機制，盡管高濃度BE降低了大型溞的游泳活性，但同時促進了其高速不穩定的活動，終導致整體上大型溞游泳速率增大。類似的行為特征（如跳躍、抽搐）也在小鼠身上發現過。活動性降低說明BE對大型溞的健康造成了損害，使其減少活動的能量消耗，而將更多能量用于維持其他生理活動以應對毒害脅迫(Marco, 2018)。
原油（水溶性部分）-大型溞
商業化的微小生物體高通量呼吸測量系統的問世使得水生無脊椎動物、魚類等水生動物的胚胎呼吸測量變得高效。高通量呼吸測量系統測量時單個樣品被放置于氣密性良好24孔板的微孔里（相當于24個呼吸室），每個孔內部都配備有可無損測量氧氣、可重復利用的氧氣傳感貼片，用來實時測量耗氧率（上圖）。為了實現高通量，該套系統可以被升級成包含10件讀取器/24孔板的串聯組合，以實現同時測量240個組織的呼吸。
芬蘭圖爾庫大學研究了原油水溶性部分（WSF）與可孤雌生殖的大型溞表型個體差異的關聯，包括劑量效應和世代影響(Nikinmaa et al., 2019)。結果顯示（上圖）：暴露于30%WSF 48小時的大型溞的耗氧率變異性低于暴露10%WSF的大型溞和對照組，但三者的平均值沒有變化；未暴露和10%WSF暴露的大型溞F1和F2代耗氧率低于親本F0，且低于30%暴露的子代，表現出了因環境污染導致的世代影響。大型溞耗氧率的測定采用了80μL的24孔板系統，對每種處理的21個個體（3個世代，每個世代7個個體）進行了高通量呼吸測量。
鄰苯二甲酸酯（增塑劑）-斑馬魚-
鄰苯二甲酸酯（PAEs）是一種常用的增塑劑，常存在于墻紙、化妝品、醫療設備、食品包裝材料、服裝等中，我國PAEs消耗量大且逐年增加。由于PAEs化學上不與塑料結合，因此很容易被釋放到水和土壤中，同時還存在于空氣、室內灰塵等中，并通過呼吸、皮膚等方式進入人類和動物體內。目前一些地區的PAEs環境濃度已嚴重超過健康標準，可導致生殖問題、發育缺陷、胚胎畸形等問題，對環境和公眾健康存在巨大危害。因此，對PAEs的負面影響及其相關毒理機制進行鑒定意義重大。
中國水產科學院等四家單位就對此進行了斑馬魚胚胎試驗中鄰苯二甲酸鹽的脊髓效應評價研究并聯合發表論文。斑馬魚胚胎的自發活動有助于水生生物尋找食物和躲避天敵，是水生生物行為毒性的重要衡量指標，論文對受增塑劑影響的斑馬魚胚胎的自發活動進行了行為研究，分析其平均速率、移動距離、活動時間等。DEHP、DBP等鄰苯二甲酸鹽是生活垃圾、垃圾滲濾液和沉積物中的PAEs的主要同源物。研究中，將2hpf（hours post-fertilization）的斑馬魚胚胎隨機轉移到24孔板后，分別暴露于0、50、250μg/L的DEHP、DBP中，處理6天后進行分析，以評估DEHP、DBP的毒性(Qian et al., 2020)。
結果表明，DBP和DEHP改變了斑馬魚幼蟲在144 hpf時的自發活動。結合脊柱、體長等分析及轉錄水平分析的結果，推斷斑馬魚自發活動的改變可能是由于脊柱和骨骼系統發育異常所致。綜上所述，PAEs導致斑馬魚胚胎脊髓出生缺陷，導致脊髓發育基因的轉錄改變與行為異常。
蛋硒（飼料添加劑）-斑馬魚
盡管微量的硒是維持動物生理穩態所必需的，但是在飲食中輕微增加硒的攝入會引起生物富集和隨之而來的毒性。
加拿大薩省大學毒理學中心的Thomas和Janz研究了過量蛋硒（Egg Se，在飲食的主要化學形態為硒蛋氨酸）對F1代成年斑馬魚游泳能力和代謝能力的持續影響。研究發現過量蛋硒（6.8 和12.7μg Se/g d.m.）會損傷其游泳能力，增加其耗氧和代謝率（下圖）。進一步的基于蛋硒毒性閾值的物種敏感度分布研究揭示了斑馬魚是目前為敏感的物種，因此是研究魚類早期生活史階段硒誘導毒性機制的實驗室模型（Thomas and Janz, 2015）。
論文中斑馬魚游泳能力和代謝能力的測量使用了170mL的斑馬魚游泳呼吸測量系統，該系統可同步測量斑馬魚的臨界游泳速度（Ucrit）和耗氧率/代謝率（SMR-標準代謝率、AMR-活動代謝率及F-AS，即AMR/SMR）。
氧化銅納米粒子（防污涂層）-亞馬遜觀賞魚
氧化銅納米粒子（nCuO）廣泛應用于船的防污涂料并由此釋放到環境，對水生生物具有潛在的毒害作用。
巴西國家亞馬遜研究所的Braz-Mota等人測量了短鯛和霓虹燈魚兩種亞馬遜觀賞魚的耗氧率，借以研究兩種形態的銅——溶解態銅（Cu）和氧化銅納米粒子（nCuO）對其影響。研究發現兩種魚的代謝應激具有種特異性：僅暴露于Cu的霓虹燈魚耗氧率升高（nCuO未升高），而短鯛的兩種處理未見明顯變化。結合鰓滲透壓調節生理、線粒體功能、氧化應激和形態學損傷等方面的數據，論文揭示了兩種亞馬遜魚對兩種形態的銅的不同代謝響應，而代謝響應的不同和兩種魚的生活史有關，意味著污染物不同的毒性作用機制與不同的滲透壓調節策略有關（Braz-Mota et al., 2018）。
論文中代謝率/耗氧率（MO2）數據的采集使用了魚類呼吸代謝測量系統。測試魚放于70mL的玻璃呼吸室中，測量系統自動運行間歇、流通測量（automated intermittent flow respirometry），一個MO2數值的獲取包括3個階段：交換-等待-測量，每種處理的魚分別持續采集了4小時。
污水-藍腮太陽魚
加拿大麥克馬斯特大學（McMaster University）的Du等人測量了污水處理廠下游兩處（50m和830m）的藍腮太陽魚的耗氧率。發現受污染區域藍腮太陽魚的標準代謝率相較于無污染的參照區域較高，即代謝成本升高。但代謝成本升高也伴隨著氧氣吸收、傳遞和利用等方面的生理補償性調整，如鰓表面積擴大，血氧親和力降低，離體肝線粒體氧化磷酸化能力增強等等(Du et al., 2018)。
論文使用了魚類呼吸代謝測量系統測量了藍腮太陽魚的標準代謝率，并通過控制溶解氧規律遞減，測定了臨界氧氣分壓值（PO2），評估其缺氧耐力。
易科泰生態技術公司提供水生動物行為與能量代謝測量研究全面解決方案：
1）斑馬魚等魚類行為與能量代謝測量研究
2）水蚤等水生無脊椎動物能量代謝與行為觀測
3）易科泰生態健康研究中心依托Ecolab實驗室，誠邀生物醫學、中醫藥合作實驗研究
參考文獻
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5.M. Van Ginneken , R. Blust, L. Bervoets. The impact of temperature on metal mixture stress: Sublethal effffects on the freshwater isopod Asellus aquaticus[J]. Environmental Research ,2020，169:52-61
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