综述：双壳类软体动物中的代谢组学：环境污染物暴露生物标志物发现的综述

《Science of The Total Environment》：Metabolomics in bivalve mollusks: A review of biomarker discovery for environmental contaminant exposure

双壳类生物作为代谢组学环境监测工具的应用与挑战：综述其污染物检测、方法优化及生态健康影响

　　

埃德米尔森·R.R.·朱尼奥（Edmilson R.R. Junior）|塔蒂亚娜·P.S.R.·卢兹（Tatiane P.S.R. Luz）|何塞·C.G.P.·桑托斯（José C.G.P. Santos）|塔西亚·B.B.C.·科斯塔（Tássia B.B.C. Costa）|亚历山德雷·C.·克里斯皮姆（Alessandre C. Crispim）|杰弗森·S.·乌尔苏利诺（Jeferson S. Ursulino）|亚历山德雷·U.·博尔贝利（Alexandre U. Borbely）|蒂亚戈·M.·阿基诺（Thiago M. Aquino）

核磁共振分析与研究核心团队（NAPRMN），阿拉戈阿斯联邦大学化学与生物技术研究所，巴西马塞伊奥（Maceió, AL）

摘要

本文综述了基于核磁共振（NMR）和质谱（MS）的代谢组学技术在利用双壳类动物作为生物指示剂进行环境监测方面的潜力。双壳类动物，尤其是贻贝，在生态研究中发挥着重要作用，能够提供关于水污染对水生生态系统影响的关键见解。随着水污染问题日益严峻，双壳类动物在环境监测和经济方面的价值愈发凸显。代谢组学作为一种高通量分析方法，已成为评估生物体在环境压力下代谢变化的强大工具。本文探讨了不同双壳类物种中的代谢组学应用，重点关注与污染物及其对生物体影响相关的生物标志物的识别。文章讨论了研究设计的关键方面，包括提取技术、分析平台以及为确保代谢物类别特异性、方法效率、安全性和可重复性而制定的定制方案。此外，还阐述了双壳类动物代谢组学在生物标志物发现和毒性机制阐明中的作用。通过分析其优势（如高灵敏度和广泛适用性）及挑战（如样本制备和数据复杂性），本文为利用双壳类动物的代谢谱进行环境生物监测提供了全面的视角。

引言

环境污染对人类健康和生态系统构成严重威胁，并带来重大经济影响。利用生物系统作为指示剂是一种实用的方法，有助于早期检测污染物并评估其生态影响。水污染是一个全球性的问题，主要来源于工业排放、农业径流和未经处理的城市废水，这些污染物会进入沿海和内陆水域。常见的污染物包括潜在有毒金属（PTMs）（Chowdhury等人，2016年；Hama Aziz等人，2023年）、药物废物（Couto等人，2019年）、微塑料（Alfaro-Nú?ez等人，2021年）和有机污染物（Ge等人，2021年），且通常以复杂混合物的形式存在。令人担忧的是，大约80%的来自陆地活动的工业废水未经处理就被排放到环境中，最终污染了更大的水体（Lin等人，2022年）。这种污染会导致广泛的生态系统破坏，引发水传播疾病，并导致大量生物死亡。

双壳类动物（Bivalvia纲）是一类具有两片钙质壳的软体动物，壳通过铰链连接以包裹其柔软的身体。这一多样化的类群包括蛤蜊、牡蛎、贻贝和扇贝，它们在全球的咸水和淡水生态系统中繁衍生息。由于分布广泛，双壳类动物常被用作环境监测中的指示物种（Hani等人，2021年）。通过滤食方式，双壳类动物会在其组织中积累污染物，使其成为评估水生生态系统污染水平的有效生物指示剂（Provenza等人，2022年）。

从经济角度来看，水污染对全球数百万人的社会经济状况产生了深远影响，尤其是对渔业、水产养殖和海鲜行业的人员。污染水平的升高会导致物种灭绝，并可能促进入侵物种的滋生（Schaap等人，2023年）。双壳类软体动物作为广泛消费的食物来源也具有重要的经济价值。然而，水生环境中化学污染物的普遍存在对敏感物种构成了严重的健康风险，这通常与关键环境参数的紊乱有关，例如水盐度和pH值的变化（Pinheiro等人，2021年），这些变化会进一步压力水生生物并破坏生态系统稳定性。无论是自然过程还是污染加剧了这些变化，都会对整个生态系统产生连锁效应。像潜在有毒金属（PTMs）、药物和微塑料这样的污染物会在生物体内积累，威胁捕食者、陆地野生动物和人类（Danovaro等人，2023年；Wang等人，2020年）。

在水生生物中，双壳类动物因其固定栖息习性和强大的过滤能力而成为识别与环境污染物相关的生物标志物的理想模型（Provenza等人，2022年；Shen等人，2023年）。在双壳类动物中识别生物标志物不仅有助于阐明污染物对其生理的影响，还能揭示更广泛的生态效应，例如营养相互作用和能量流动的紊乱（Vaughn和Hoellein，2018年）。此外，无论是通过水传播接触还是人类食用，接触受污染的双壳类动物都会引发公共卫生问题，特别是在依赖贝类作为食物来源的地区。了解污染物如何改变双壳类的新陈代谢对于评估生态系统健康至关重要，因为这些变化可能通过食物链产生连锁效应，导致有毒物质的生物积累和放大（Tanaviyutpakdee和Karnpanit，2023年）。这突显了进一步研究污染动态、食品安全以及污染物暴露的长期生态后果的必要性。

代谢组学已迅速成为生态毒理学中的关键工具，能够高效检测暴露于污染物的生物体的生理变化。它已被应用于多种环境监测研究中，以评估受环境压力影响的物种的代谢物（Dumas等人，2022b）。代谢组学的应用有助于识别与新兴污染物（如微塑料颗粒和持久性有机污染物（POPs）相关的敏感生物标志物。例如，Liu等人（2025年）展示了如何利用代谢组学检测暴露于微塑料的双壳类动物中的特定生化紊乱，表明该技术能够揭示污染物暴露的早期迹象。这些生物标志物有助于理解生态影响与生理反应之间的复杂相互作用，加深了我们对污染对海洋生物影响的认识。

针对不同地区双壳类物种的代谢组学研究已关注暴露于多种水污染物的本地物种的代谢谱。例如，Wu等人（2013年）使用核磁共振（NMR）光谱分析了Ruditapes philippinarum鳃部提取的极性代谢物，发现砷暴露相关的氨基酸、核苷酸、葡萄糖、磷脂酰胆碱等关键代谢物发生了显著变化。其他研究探讨了微塑料和药物造成的污染（Dumas等人，2022a；Huang等人，2021年），识别出表明细胞压力和蛋白质及氨基酸代谢紊乱的分子特征。这些发现展示了代谢组学在评估各种污染物生态效应方面的多功能性，强调了其在生态毒理学监测中的潜力。

代谢组学还成功应用于识别与病原体感染和环境干扰（如盐度和温度变化）相关的代谢物变化（Hu等人，2022年；Zhou等人，2022年）。这些研究突显了代谢组学在检测影响海洋和河口生物的关键因素方面的敏感性，表明双壳类动物代谢组学在水质监测和评估水生生态系统恢复力方面具有巨大潜力。此外，筛选与环境压力相关的代谢变化可以为理解复杂的相互作用机制提供宝贵见解，为关键生理反应提供关键证据。

近年来，越来越多的人将代谢组学应用于双壳类动物作为环境压力的生物指示剂。这一趋势体现在发表的研究数量上，特别是自2010年以来研究数量稳步增长，2020年后增长尤为明显。近年来，微塑料污染受到了特别关注，相关研究数量显著增加。这一趋势凸显了人们对微塑料生态影响及其对海洋生物和人类潜在健康风险的日益担忧。此外，关于潜在有毒金属（PTMs）和药物污染物的研究依然普遍，表明人们持续努力评估它们对双壳类动物的代谢影响。

鉴于代谢组学在环境监测中的潜力以及使用双壳类动物作为生物指示剂的优点，本文旨在阐明筛选双壳类动物代谢物在生态毒理学研究中的益处，同时探讨相关挑战和局限性。我们还强调了精心设计研究的重要性，包括选择合适的组织和提取方法以及进行可靠的统计分析。最后，本文重点介绍了双壳类动物暴露于PTMs、POPs、药物和微塑料时的生物标志物和代谢途径。这些方面共同强调了代谢组学在推进我们对这些污染物代谢影响理解方面的作用。

方法论

关于利用双壳类动物作为代谢组学生物标志物发现和环境监测模型的文献回顾使用了四个专业数据库：Web of Science、ScienceDirect、Scopus和PubMed。为了识别相关研究文章，采用了结合目标关键词的结构化搜索策略。核心搜索词包括“Bivalve AND (Metabolomics OR Metabonomics)”，以确保仅包括涉及双壳类动物代谢组学的研究。

双壳类动物代谢组学中应用的分析技术和方法

双壳类动物代谢组学已成为理解环境污染物对这些具有重要生态意义生物体影响的重要工具。基于核磁共振（NMR）和质谱（MS）的方法为表征与各种压力因素相关的复杂代谢谱提供了强大的分析平台。基于NMR的代谢组学在研究双壳类动物的污染和化学暴露方面表现出有效性（Cappello等人，2021年；Hani等人，

双壳类动物代谢标志物作为环境指示剂

在过去15年中，双壳类动物被广泛用作环境毒理学中的生物指示剂（Chahouri等人，2023年；Li等人，2021年；álvarez-Sánchez等人，2010年）。它们的实用性源于使其适合生态系统监测的关键特征，包括高丰度、固定栖息习性和全球分布（Provenza等人，2022年）。此外，双壳类动物还表现出独特的污染物

药物物质

在水生生态系统中越来越多地检测到药物残留物，这对环境和人类健康构成了日益严重的威胁（Ge等人，2021年）。这些污染物通常源于药物处置不当和废水处理不完全，导致生态系统退化，并对水生生物和人类构成潜在风险（Ortúzar等人，2022年）。由于药物在水中的化学稳定性和持久性，它们常被归类为

结论与展望

本文强调了基于NMR和MS的代谢组学在加强双壳类动物研究作为环境监测基石方面的潜力。由于双壳类动物的滤食行为、生态重要性和对污染物的敏感性，它们仍然是评估水生生态系统健康的高度有价值的生物指示剂。

通过汇总15年的研究，我们展示了代谢组学如何帮助识别与各种污染物相关的代谢变化，提供机制

CRediT作者贡献声明

埃德米尔森·R.R.·朱尼奥（Edmilson R.R. Junior）：撰写初稿、方法论、调查、数据分析、概念化。塔蒂亚娜·P.S.R.·卢兹（Tatiane P.S.R. Luz）：方法论、概念化。何塞·C.G.P.·桑托斯（José C.G.P. Santos）：方法论、概念化。塔西亚·B.B.C.·科斯塔（Tássia B.B.C. Costa）：方法论、概念化。亚历山德雷·C.·克里斯皮姆（Alessandre C. Crispim）：方法论、概念化。杰弗森·S.·乌尔苏利诺（Jeferson S. Ursulino）：方法论、概念化。亚历山德雷·U.·博尔贝利（Alexandre U. Borbely）：撰写与编辑、监督、资金获取。蒂亚戈·M.·阿基诺（Thiago M. Aquino）：撰写与

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本文时，作者使用了ChatGPT-4.0和Grammarly来改进语言。使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

资金支持

作者感谢阿拉戈阿斯州研究基金会（Funda??o de Amparo à Pesquisa do Estado de Alagoas）、巴西高等教育人员培训协调委员会（Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de Nível Superior – CAPES）（资助代码001）和
国家科学技术发展委员会（Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico）（CNPq）的支持。

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：蒂亚戈·M.·阿基诺（Thiago M. Aquino）报告称获得了阿拉戈阿斯州研究基金会的财务支持；蒂亚戈·M.·阿基诺还获得了高等教育人员培训协调委员会和
国家科学技术发展委员会（CNPq）的财务支持。