loligo游泳隧道呼吸系統(tǒng)的應(yīng)用-溫度調(diào)節(jié)PFAS的積累及對(duì)羊頭小魚(yú)代謝表現(xiàn)的影響

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詳細(xì)介紹

氣候變暖和化學(xué)污染塑造了水生生態(tài)系統(tǒng)，但它們共同影響背后的生理機(jī)制仍然不清楚。我們研究了夏季平均地表水溫預(yù)測(cè)上升如何改變?nèi)投喾榛镔|(zhì)（PFAS）毒性動(dòng)力學(xué)，以及它們對(duì)羊頭魚(yú)（Cyprinodon variegatus）生理表現(xiàn)的影響。成魚(yú)在當(dāng)前及預(yù)測(cè)的平均溫度情景下，長(zhǎng)期暴露于環(huán)境相關(guān)的PFAS混合物（全氟辛烷磺酸鹽（PFOS）+全氟辛酸鹽（PFOA））。評(píng)估了組織PFAS濃度、整體生物代謝率、游泳表現(xiàn)、生殖產(chǎn)出和體細(xì)胞指標(biāo)。溫度會(huì)以化合物和組織特異性的方式改變PFAS組織濃度，特別是促進(jìn)PFOA重新分布到卵子。代謝反應(yīng)依賴溫度：在26°C時(shí)，組織PFAS濃度升高與標(biāo)準(zhǔn)代謝率和最大代謝率（SMR和MMR）升高相關(guān)，維持有氧范圍（AS）。在28.5°C時(shí)，SMR保持穩(wěn)定，而MMR和AS隨著PFAS上升而下降，表明高能量活動(dòng)所需的氧氣減少。盡管游泳和生殖表現(xiàn)未變，肝炎指數(shù)隨著組織PFAS濃度和PFAS分布變化的增加，表明排毒成本存在。這些發(fā)現(xiàn)表明，平均水溫的升高可能加劇污染物壓力，影響沿海魚(yú)類種群的韌性和后代發(fā)育。PFAS風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估應(yīng)考慮低于預(yù)期變暖的脅迫因素。

學(xué)科

解剖學(xué) 混合物氧氣熱力學(xué)性質(zhì) 毒素

關(guān)鍵詞

PFAS 溫度魚(yú)類累積新陳代謝繁殖游泳表現(xiàn)

1. 引言

多種壓力源塑造著全球生態(tài)系統(tǒng)，并對(duì)水生生物構(gòu)成日益增長(zhǎng)的威脅。(1)特別是，化學(xué)污染與氣候變暖相互作用，增加污染物暴露并提高生物體敏感性，(2,3)其對(duì)生長(zhǎng)、繁殖和行為的影響可能促進(jìn)非線性生態(tài)反應(yīng)，降低生態(tài)系統(tǒng)韌性。（4?6）驅(qū)動(dòng)這些相互作用的生理機(jī)制仍然了解不足，尤其是對(duì)于新興污染物，盡管它們對(duì)加速氣候變化下預(yù)測(cè)污染物風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。

全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）是一大類合成污染物，其溫度依賴性效應(yīng)仍大多未知。自20世紀(jì)50年代以來(lái)，PFAS因其獨(dú)特的化學(xué)和物理特性被廣泛使用。(7)強(qiáng)碳氟鍵和氟化鏈?zhǔn)蛊涓叨确€(wěn)定且防水、防油。一些PFAS，如全氟烷基酸（PFAA），也具有親水基團(tuán)，使其具有類似表面活性劑的行為。(8)這些特性使PFAS在自然條件下抗降解，并允許其廣泛運(yùn)輸和積累，尤其是在水生生態(tài)系統(tǒng)中。(9,10)全氟辛酸鹽（PFOA）和全氟辛烷磺酸鹽（PFOS）是歷史上最廣泛使用的長(zhǎng)鏈PFAA類型之一，并受到科學(xué)、公眾和監(jiān)管界的關(guān)注。(11)由于其持久性、生物積累性和毒性，它們分別列入《斯德哥爾摩公約》附件A（消除）和B（限制）(12,13)并且在許多國(guó)家受到監(jiān)管。(14)盡管自2000年代初以來(lái)，它們的生產(chǎn)和使用已基本停止，(11)其極高的穩(wěn)定性和剩余的水源持續(xù)污染地表水和地下水。濃度通常從幾ng L不等^–1到低μg L^–1,(10)但在工業(yè)場(chǎng)地和遺留污染區(qū)附近，報(bào)告的濃度遠(yuǎn)高于此;例如，最高可達(dá)42,000 ng L^–1PFOA和2700 ng L的^–1在明尼蘇達(dá)州3M公司處置場(chǎng)附近的地下水中發(fā)現(xiàn)了PFOS。(15)

PFAA的生物積累以及人類和野生動(dòng)物的健康風(fēng)險(xiǎn)已有充分記錄。(9)PFAA的兩親性結(jié)構(gòu)賦予了對(duì)血清白蛋白、脂肪酸結(jié)合蛋白（FABPs）及其他影響其在生物體內(nèi)分布的內(nèi)源性蛋白的高親和力。(16)在魚(yú)類中，PFAS主要積累在富含蛋白質(zhì)的組織中，如血液、肝臟和腎臟，(17)并且還能與病毒同胞素結(jié)合，促進(jìn)卵子沉積，并帶來(lái)潛在的多代風(fēng)險(xiǎn)。(18)一般來(lái)說(shuō)，PFAS的生物積累會(huì)隨著碳鏈長(zhǎng)度和疏水性增加，這取決于官能團(tuán)的性質(zhì)。(19)在魚(yú)類中，PFOS和PFOA會(huì)誘導(dǎo)生殖毒性，(20)導(dǎo)致發(fā)育異常，(21)并干擾能量代謝。(22)

盡管PFAA的生理影響日益被認(rèn)識(shí)，但關(guān)于溫度如何改變其在魚(yú)類中的吸收、分布和毒性，知之甚少。(23,24)溫度決定了水生環(huán)境中污染物的環(huán)境行為，影響溶解度、結(jié)合親和力和分配。(5)針對(duì)PFAA，蛋白質(zhì)的非共價(jià)相互作用通過(guò)范德華力和氫鍵穩(wěn)定，具有放熱性，在高溫下減弱，可能增強(qiáng)解離和消除。(25,26)與此同時(shí)，溫度是外溫動(dòng)物表現(xiàn)的基本驅(qū)動(dòng)力，因?yàn)樗鼪Q定生化反應(yīng)的節(jié)奏，并定義生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)和繁殖等關(guān)鍵功能所需的能量容量。（27?30）由于變暖會(huì)提高變溫動(dòng)物的新陳代謝率，(31)它可能影響污染物的吸收和內(nèi)部暴露，(32)盡管攝取并非代謝率的直接函數(shù)，而是依賴于多個(gè)溫度敏感的過(guò)程?？傮w而言，澄清預(yù)測(cè)平均水溫和PFAS暴露的增加如何相互作用以塑造生物能特征，對(duì)于預(yù)測(cè)能量平衡和生物體適應(yīng)性至關(guān)重要。(33)整體生物體代謝率是有價(jià)值的綜合指標(biāo)，反映了氧氣消耗以及氧氣輸送和能量轉(zhuǎn)換的綜合能力。然而，關(guān)于PFAA（以及更廣泛的PFAS）和魚(yú)類代謝率的研究仍然稀少。(34)關(guān)鍵是，沒(méi)有研究涉及PFAA混合物，只有一項(xiàng)研究考察了溫度依賴性效應(yīng)，報(bào)告了僅暴露于PFOS的幼魚(yú)代謝紊亂。(35)這一差距強(qiáng)調(diào)了通過(guò)整體生物代謝特征評(píng)估PFAA毒性的必要性，這些特征捕捉能量分配權(quán)衡和生態(tài)功能，尤其是在不同的熱條件下。

本研究的總體目標(biāo)是評(píng)估夏季平均地表水溫的預(yù)測(cè)上升如何改變PFAA毒動(dòng)學(xué)，并損害羊頭魚(yú)（Cyprinodon variegatus）的生理表現(xiàn)。羊頭魚(yú)在毒理學(xué)研究中被廣泛使用。(36,37)它們是一種歐瑞熱物種，廣泛分布于美國(guó)大西洋沿岸和墨西哥灣，包括受污水處理廠（WWTPs）排放影響的地區(qū)，由于去除效率較低，PFAS是PFAS的來(lái)源。(38)與這一暴露背景相符，我們?cè)赪WTPs下游（康涅狄格海岸長(zhǎng)島海峽）的實(shí)地采樣中，在所有調(diào)查地點(diǎn)檢測(cè)到PFOS/PFOA，并記錄到羊頭魚(yú)，證實(shí)了暴露相關(guān)性（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。在我們的研究中，我們的目標(biāo)是（i）表征溫度如何影響PFOS和PFOA混合物的組織積累和分布，（ii）評(píng)估溫度是否調(diào)節(jié)混合物對(duì)魚(yú)類代謝、游泳和繁殖表現(xiàn)的毒性。我們假設(shè)PFOS的積累濃度會(huì)高于PFOA，因?yàn)樗阎哂懈鼜?qiáng)的蛋白質(zhì)結(jié)合親和力和較慢的消除速度，(19)因此，主要驅(qū)動(dòng)PFAA相關(guān)毒性。我們進(jìn)一步驗(yàn)證了水溫升高會(huì)改變PFOS和PFOA組織的積累與分布的假說(shuō)，因?yàn)橄惹把芯勘砻鳒囟葧?huì)影響PFAA與蛋白質(zhì)的結(jié)合。(25)最后，基于PFOS暴露能改變魚(yú)類氧氣消耗的證據(jù)，且這些影響隨溫度變化，(35)我們測(cè)試了暴露于PFOS和PFOA混合物質(zhì)會(huì)以溫度依賴性的方式改變代謝率和有氧范圍，可能對(duì)游泳和繁殖表現(xiàn)產(chǎn)生影響的假說(shuō)。為驗(yàn)證這些預(yù)測(cè)，我們進(jìn)行了兩項(xiàng)補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)室慢性水暴露實(shí)驗(yàn)，使用適應(yīng)三種地表水溫的成年羊頭魚(yú)，這些溫度代表了美國(guó)東北部當(dāng)前及預(yù)測(cè)的平均地表水溫。通過(guò)將熱應(yīng)激源和污染物脅迫因素整合進(jìn)整體有機(jī)體框架，本研究進(jìn)一步推動(dòng)了我們對(duì)環(huán)境脅迫因素在全球變化背景下如何影響魚(yú)類生理功能和生態(tài)適應(yīng)性的理解。

2. 材料與方法

2.1. 魚(yú)類養(yǎng)殖與溫度適應(yīng)

所有魚(yú)類飼養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)程序均遵循康涅狄格大學(xué)機(jī)構(gòu)動(dòng)物護(hù)理與使用委員會(huì)協(xié)議A22–049和A23–049。幼年羊頭魚(yú)（孵化后>60天，dph）來(lái)自美國(guó)科羅拉多州福特柯林斯的Aquatic BioSystems，飼養(yǎng)時(shí)體重約為24ppt。到達(dá)后，魚(yú)類通過(guò)逐步稀釋12天（每48小時(shí)減4ppt，從24ppt降至1）逐步適應(yīng)，使用脫氯淡水混合即時(shí)海洋合成海鹽（Aquarium Systems， Inc.，美國(guó)），然后在兩個(gè)380–1360升的循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)中維持1ppt（Iwaki Aquatic Systems and Services，美國(guó)馬薩諸塞州霍利斯頓）直到成年后才開(kāi)始實(shí)驗(yàn)性暴露。鹽度被設(shè)定為1 ppt，以表示沿海系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的低鹽度河口狀況（例如淡水涌入事件期間）。

水質(zhì)條件為：溫度24°C，鹽度1ppt，溶解氧8 mg/L，pH 7.5。循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的溫度通過(guò)由恒溫器控制的水庫(kù)加熱器維持（圖1).飼養(yǎng)期間，使用多參數(shù)YSI探針每周監(jiān)測(cè)水質(zhì)參數(shù)（溫度、鹽度、溶解氧、pH值），氨、亞硝酸鹽和硝酸鹽每周檢查，以確保其保持在可接受范圍內(nèi)。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，性成熟魚(yú)類在同一監(jiān)測(cè)體系下至少適應(yīng)3周至指定溫度（經(jīng)驗(yàn)1：24、26或28.5°C;經(jīng)驗(yàn)2：24或28.5°C）。魚(yú)類每天喂食一次，以標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)片飼料（TetraMin熱帶魚(yú)片、Tetra、Melle、德國(guó)）滿足，直到魚(yú)不再浮出水面覓食，并在停養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)期間保持在14小時(shí)光照：10小時(shí)暗光周期內(nèi)。

曝光模塊的示意圖和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。溫度處理與兩種PFAS處理（PFAS暴露組和未暴露對(duì)照組）混合使用：實(shí)驗(yàn)1中的24、26和28.5°C;實(shí)驗(yàn)2中溫度分別為24和28.5°C。實(shí)驗(yàn)1：在6天的暴露前和28天的暴露期內(nèi)進(jìn)行每日卵子采集，以定量產(chǎn)卵量;在暴露第0、第14和第28天采集了額外的卵樣本進(jìn)行PFAS分析。實(shí)驗(yàn)1–2：在28天暴露期間采集水樣以監(jiān)測(cè)PFAS濃度。暴露結(jié)束時(shí)，實(shí)驗(yàn)1采集了男性和女性的無(wú)皮肌肉用于PFAS分析，而實(shí)驗(yàn)2則采集了女性的無(wú)皮肌肉、肝臟、性腺和血液進(jìn)行PFAS分析。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均在終止時(shí)評(píng)估了軀體終點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)1中，解剖次日早晨采集并評(píng)估了更多男性的游泳和代謝表現(xiàn)，隨后對(duì)全身樣本進(jìn)行了PFAS分析。

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