《Environmental Research》：Sediment metabolomics indicates chemical spill-induced damage to a phytoplankton population
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本研究通过模拟化学泄漏场景，利用代谢组学分析沉积物中不同浮游植物死亡水平的代谢物变化，发现120个潜在生物标志物，包括脂肪酸、生物碱等次级代谢产物，为评估化学泄漏对浮游植物的隐匿损伤提供了新方法。
Yeo-Jin Bang | Hyeon-Jeong Bae | Da Hyeon Hwang | Suji Park | Hyemin Lee | Tae-Yong Jeong
韩国外国语大学环境科学系，韩国龙仁市瑞恩区莫岘邑Oedae-ro 81号，邮编17035
摘要
当化学物质泄漏到水生系统中时，不仅会对大型生物造成可见的损害，还会对浮游植物等微生物造成隐性的伤害。然而，这种损害的严重程度通常是通过可见的指标来评估的。浮游植物群落构成了水生食物网的基础；因此，开发评估其损害的方法至关重要。在本研究中，我们使用从河流中采集的现场水和沉积物模拟了化学泄漏的条件。随后，对含有死亡浮游植物的沉积物进行了代谢组分析，因为这有望提供关于种群水平损害和死亡时间的见解。我们采用了基于非靶向质谱技术的代谢组学方法。结果表明，根据浮游植物种群水平的损害程度（通过抑制藻类生长率来衡量），代谢物的丰度存在显著差异。此外，共发现了120个潜在的生物标志物候选物，其中包括117个初步注释的代谢物和3个推测性注释的代谢物，这些代谢物可能表明浮游植物种群的损害或死亡时间。脂肪酸、生物碱、萜类化合物以及其他植物或生物来源的次级代谢物和天然产物被认为是主要的生物标志物候选物。与以往的研究相比，这些代谢物很可能来源于沉积物中的死亡藻类细胞或微生物。因此，本研究支持将代谢组学作为一种新的方法来评估化学泄漏对浮游植物的损害。
引言
目前已知有超过1.6亿种化学物质，其中4万到6万种被商业化使用（WHO，2021年）。这些多种化学物质的使用和生产导致了水环境的化学泄漏[1]。在泄漏事故发生后，对水生生物群的损害主要是基于对生物体的可见损害来量化的，特别是通过死亡、疾病和异常现象来观察大型生物[2]。尽管可见损害评估很重要，但考虑到像浮游植物这样肉眼无法观察到的大量生物，隐性的损害也是不可忽视的[3]。浮游植物在水生食物网中作为主要的食物来源发挥着基础性作用[4][5]。化学泄漏导致的浮游植物生物量减少可能会进一步加剧更高营养级水生生物种群的数量下降，这对渔业和整个生态系统的健康构成重大风险[6][7][8]。因此，由于化学泄漏而导致的浮游植物损失需要纳入水生环境损害的评估中。
由于浮游生物在显微镜下通常是可见的，因此开发评估浮游植物种群损害的量化方法需要采用非传统的方法。基于生物分子的方法在这方面具有优势。根据以往的研究，死亡生物体内的生物分子会在现场留下与死亡原因、时间和相关环境因素有关的线索[9]。当化学物质泄漏到地表水中并导致大量浮游植物死亡时，河水会继续流向下游，但死亡的生物体会沉入沉积物中。预计这些死亡生物体会释放出细胞成分，与沉积物中的微生物和化学物质相互作用，从而使化学泄漏的痕迹得以保存。因此，测量含有死亡浮游植物的沉积物中的生物分子被认为可以提供确定种群水平损害的信息，就像法医学有助于了解死亡原因和时间一样[10]。
代谢组学分析能够从样本中测量数百到数千种生物分子，并已被证明是水生生物不可逆损害的指标[10][11]。因此，我们旨在实验室中模拟类似化学泄漏的条件，并研究含有死亡浮游植物细胞的沉积物中的代谢组变化。通过这项研究，我们试图探讨代谢组学在化学泄漏损害评估中的实用性，并发现能够指示浮游植物种群损害程度和时间的潜在生物标志物候选物。我们对因己胺暴露而导致不同程度Raphidocelis subcapitata (R. subcapitata)细胞死亡的沉积物进行了非靶向质谱分析。此外，还进行了代谢组分析的时间进程测量，以更好地理解时间依赖性和时间依赖性代谢组观察的相关性。
部分摘录
R. subcapitata培养
R. subcapitata是一种存在于淡水中的绿藻，被用作本研究的模式生物。由于其对水生污染物的高敏感性，R. subcapitata常用于毒性评估[12]。它在韩国的淡水环境中被发现[13]。本研究中使用的R. subcapitata是从Neoenbiz购买的。R. subcapitata的培养遵循了OECD培养方法（K?llqvist和Nyholm，2002年）。简要来说，合成培养...
不同浮游植物损害程度沉积物的全球代谢组模式
在四个不同藻类致死程度沉积物样本组中观察到的不同代谢物模式表明，代谢组变化可以指示藻类种群的减少。为了观察整体差异，对测量的代谢组谱进行了PLS-DA分析。结果如图1所示，各组之间有明显的分离。排列检验得出的p值小于0.001（n=1000），证实了这种统计差异的显著性
结论
本研究证实了基于含有死亡藻类的沉积物中观察到的代谢组变化，开发用于指示藻类种群损害程度和时间的分子生物标志物的潜力。几种代谢物（如亚油酸、神经酸和阿科宁）的丰度随着藻类死亡程度的不同而有所差异。这些代谢物之前已被报道与藻类或植物物种的应激反应或代谢过程有关。此外，研究结果...
作者贡献声明
Suji Park： 方法学、研究。
Da Hyeon Hwang： 验证、方法学、研究。
Tae-Yong Jeong： 写作——审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法学、概念构思。
Hyemin Lee： 软件、数据分析。
Hyeon-Jeong Bae： 写作——审稿与编辑、监督、软件、方法学。
Yeo-Jin Bang： 初稿撰写、可视化、软件、方法学、研究、数据管理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国环境产业技术研究院（KEITI）通过“先进技术开发”项目（由韩国环境部（MOE）资助，项目编号2022003620001）以及韩国国家研究基金会（NRF）（由韩国政府MSIT资助，项目编号2021R1C1C1006155）的支持。TYJ和HL分别得到了韩国外国语大学研究基金（项目编号20241374001）和庆尚北道政府的支持。
