量化生物量大小对海洋浮游植物中甲基汞表观毒性的影响

《Marine Environmental Research》：Quantifying the Effect of Biomass Magnitude on Apparent Methylmercury Toxicity in Marine Phytoplankton

甲基汞对海洋浮游植物毒性研究显示，初始生物量（OD750）显著影响表观毒性，通过回归模型校正后，不同物种的半抑制浓度（EC50）趋于收敛，构建物种敏感性分布估算HC5为2.25×10^-3 μg/L，推导FAV为4.50×10^-3 μg/L。

　　

Owhonda Chikeru Ihunwo|Edward A. Laws

摘要

甲基汞（MeHg）是一种强效的神经毒素，其对生态系统的影响从海洋食物网的最底层开始，然而实验室中的毒性测试通常依赖于远高于自然水体中植物 plankton 生物量水平的生物量。这种差异掩盖了细胞个体的真实敏感性，并使得跨物种比较变得复杂。在这里，我们量化了初始生物量对五种生态和分类学上不同的海洋植物 plankton（Thalassiosira pseudonana、Cricosphaera carterae、Emiliania huxleyi、Synechococcus elongatus 和 Phaeodactylum tricornutum）的 MeHg 毒性的影响。我们进行了剂量-反应实验，涵盖了不同的初始光密度（OD₇₅₀）范围，并使用非线性回归方法估算了 EC₅₀ 值。对于大多数物种而言，经过对数转换（log₁₀）后的 EC₅₀ 值与 OD₇₅₀ 呈现出强烈的线性关系，这表明较高的细胞密度能够降低 MeHg 的毒性。将回归模型外推到 OD = 0 可得到经过生物量校正的 EC₅₀ 值，这些值在不同物种间的一致性比原始 EC₅₀ 测量结果更好，揭示了在去除生物量干扰因素后的共同生理敏感性范围。Cricosphaera carterae 是最敏感的物种（EC₅₀ = 0.0015 μg/L），而 Synechococcus elongatus 则是最耐受的（EC₅₀ = 43.86 μg/L）。这些经过生物量校正的 EC₅₀ 值被用来构建物种敏感性分布（SSD），从中估算出 HC₅ 为 2.25 × 10^-3 μg/L。根据 EPA 的急性毒性标准（FAV = 2 × HC₅），得出了最终急性毒性值（FAV）为 4.50 × 10^-3 μg/L。这些发现表明生物量显著调节了 MeHg 的毒性，而经过生物量校正的 EC₅₀ 值可以作为细胞个体敏感性的有用上限估计。这一框架提供了一种可重复的方法，用于在不同物种间标准化毒性数据，并在低生物量条件下改进了对污染物敏感性的解释，而无需直接预测实际生态风险。

引言

汞（Hg），尤其是其甲基化形式（MeHg），是海洋生态系统中危害最大的污染物之一，因为它具有高生物可利用性、强效的神经毒性，并且容易通过水生食物网积累和放大 [1]、[2]、[3]。作为初级生产者，植物 plankton 是 MeHg 进入海洋食物网的初始入口点，同时也是污染物压力的最敏感指标之一 [4]、[5]。由于植物 plankton 在生态系统生产力和污染物循环中的核心作用，对其毒性的研究对于理解 MeHg 所带来的生态风险至关重要。新的证据强调了植物 plankton 与金属相互作用的复杂性，表明物种特异性特征 [6]、温度和盐度等动态环境因素 [7] 以及微生物群落的更广泛生态作用 [8] 都会影响水生系统中汞的生物可利用性和毒性。

尽管植物 plankton 具有重要的生态意义，但标准的毒性测试协议往往依赖于在远高于自然水体中浓度的藻类条件下进行的实验室暴露 [9]、[10]。这种差异使得实验室得出的 EC₅₀ 值的解释和生态相关性变得复杂，因为高生物量可以缓冲污染物压力，掩盖了植物 plankton 在自然条件下的真实敏感性。特别是，初始生物量对 MeHg 毒性的影响尚未得到充分研究，这限制了当前风险评估的准确性。

本研究的创新不在于开发新的统计技术，而在于将已建立的分析方法整合到一个专门为解决植物 plankton 毒理学中的一个持久性挑战而设计的框架中：即生物量在决定 MeHg 毒性中的混淆作用。我们没有将初始生物量视为一个干扰变量，而是明确地将 EC₅₀ 建模为藻类密度的连续函数，使用光密度（OD₇₅₀）作为生物量的实用且可重复的替代指标。这种方法允许直接量化在不同实验相关生物量梯度下 MeHg 毒性阈值的变化。

通过将对数转换后的 EC₅₀ 值与初始 OD₇₅₀ 之间的线性回归进行拟合，我们得出了能够捕捉生物量依赖性缓冲效应的物种特异性关系。然后将这些回归外推到 OD = 0，以估算出更接近低生物量条件下细胞个体敏感性的内在、生物量校正的 EC₅₀ 值。重要的是，这种外推被用作一种概念性和分析工具，用于从实验室检测中去除生物量干扰，而不是直接代表任何特定的自然生物量状态。

在这项更新的分析中，重点在于生成标准化的、经过生物量校正的 EC₅₀ 值，并评估它们在不同植物 plankton 种类间的可比性。这一框架能够更清晰地解释 MeHg 的毒性，并为跨物种比较提供可靠的基础，同时对实验起始生物量的差异具有鲁棒性。

1.

量化代表性海洋植物 plankton 种类的急性 EC₅₀ 值，包括 Phaeodactylum tricornutum、Emiliania huxleyi、Synechococcus elongatus、Thalassiosira pseudonana 和 Cricosphaera carterae。

2.

测试 log₁₀(EC₅₀) 作为 OD₇₅₀ 函数的线性关系，并将回归模型外推到 OD = 0 以估算内在的、生物量校正的 MeHg 敏感性。

3.

使用统计比较评估不同物种间经过生物量校正的 EC₅₀ 值的差异，以评估植物 plankton 属间内在 MeHg 敏感性的趋同或差异。

通过结合生物量依赖性的毒性建模和基于回归的外推方法，本研究提供了具有生态解释力的、经过生物量校正的 EC₅₀ 阈值，改进了跨物种比较，并增强了我们对海洋植物 plankton 中 MeHg 毒性的机制理解。

研究物种

本研究使用了五种生态和分类学上多样的海洋植物 plankton：颗石藻 Emiliania huxleyi 和 Cricosphaera carterae、硅藻 Phaeodactylum tricornutum 和 Thalassiosira pseudonana，以及蓝细菌 Synechococcus elongatus。所有实验均使用了无污染的 P. tricornutum（UTEX 646）、E. huxleyi（UTEX LB 1016）、S. elongatus（CCMP1629）、C. carterae（UTEX LB 1014）和 T. pseudonana（UTEX LB FD2）菌株。

生长反应和实验得出的 EC₅₀ 值

在所有五种物种中，特定生长率随着 MeHg 浓度的增加而系统性地下降，抑制程度也随初始生物量的不同而变化（表 S2A–S2E）。对照培养物始终表现出正生长，低生物量处理下的细胞个体生长率通常更高。随着 MeHg 浓度的增加，生长率以浓度依赖的方式下降，如 Cricosphaera carterae 和 Emiliania huxleyi 等敏感物种的生长率下降得更快。

生物量效应的解释

我们的结果清楚地表明，初始生物量（以 OD₇₅₀ 表示）对多种海洋植物 plankton 的 MeHg 毒性有强烈且一致的影响。对于所有研究的五种物种，EC₅₀ 值随 OD₇₅₀ 的增加而增加，表明存在一种可重复的生物量缓冲效应，即较高的细胞密度减少了 MeHg 的有效暴露。这种模式与 MeHg 被吸附到细胞表面等机制一致。

结论

本研究表明，初始生物量对多种海洋植物 plankton 的 MeHg 毒性有强烈且系统性的影响。对于所有研究的五种物种，EC₅₀ 值随 OD₇₅₀ 的增加而增加，证实了较高的生物量通过吸附分配、细胞外络合和减少细胞个体吸收等机制减少了 MeHg 的有效暴露。尽管这种生物量缓冲效应的幅度在不同物种间有所差异，但这种一致性仍然存在。

作者贡献声明

Edward A. Laws：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法论。Owhonda Chikeru Ihunwo：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、概念化

未引用的参考文献

[40]。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Owhonda Chikeru Ihunwo 和 Edward A. Laws 表示他们获得了路易斯安那州立大学的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。