EcoToxChip研究发现：长期暴露在受雨水污染环境中的鱼类，其免疫系统和代谢途径会受到影响并发生紊乱

《Aquatic Toxicology》：EcoToxChip Reveals Immune and Metabolic Pathway Disruption in fish Chronically Exposed to Stormwater-Impacted Environments

本研究评估了加拿大Nose Creek流域暴雨径流对野生脂肪眼柄鱼的分子和生理影响，通过EcoToxChip转录组学与肝性腺指数等健康指标分析，发现不同采样点肝和性腺尺寸显著差异，基因通路涉及外源代谢、应激反应、免疫及脂代谢等，证实EcoToxChip技术能有效整合分子数据与传统健康评估，为城市径流污染监测提供新方法。

　　

Fateme Taridashti | Patricija Marjan | Markus Hecker | Kelly R. Munkittrick

加拿大阿尔伯塔省卡尔加里大学生物科学系

摘要

城市雨水径流对水生生态系统构成了日益严重的威胁，因为它含有复杂的营养物质和化学污染物混合物。本研究评估了在加拿大阿尔伯塔省Nose Creek流域中，野生胖头鲦鱼（Pimephales promelas）对这种径流的分子和生理反应。2023年5月的产卵前期和9月的产卵后期，研究人员从多个地点采集了成年鱼样本，这些地点包括受农业影响的区域和受城市影响的区域。研究测量了水质参数和鱼类健康指标（如体况因子、肝脏体指数和生殖腺体指数），并利用EcoToxChip平台进行了基因表达分析。结果显示，不同采样地点的肝脏和生殖腺体大小存在显著差异。转录组分析显示，与外源物质代谢（如细胞色素P450 1A、谷胱甘肽S-转移酶C末端结构域（gstcd）、应激反应（热休克蛋白70.3、热休克蛋白家族A成员9（hspa9））、免疫功能（T辅助细胞17、T辅助细胞1和T辅助细胞2的分化）、脂质代谢（过氧化物酶体增殖激活受体信号通路）以及细胞凋亡（caspase 9、生长抑制蛋白和DNA损伤诱导蛋白45 gamma a）相关的基因表达存在差异。上游的West Nose Creek部分水质参数出现恶化，这引发了对其作为受影响较小的参考地点的适宜性的担忧。该研究强调了将新型分子方法（NAMs）与传统健康指标结合使用的有效性，有助于评估城市雨水的亚致死效应，并支持将靶向转录组学技术整合到环境监测框架中。

引言

来自农业和城市径流的非点源污染物可能对接收水生生态系统的健康产生不利影响（Walsh等人，2022年）。例如，地表径流在进入水生环境之前会积累并携带多种污染物（Karlavi?ien?等人，2009年）。这些污染物包括总悬浮固体（TSS）、各种氮（N）和磷（P）化合物、痕量金属（主要是Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn）、有机化学物质（如多环芳烃PAHs）和微生物污染（Alam等人，2017年；Sofijanic等人，2021年），这些都会导致水质下降。水体中营养物质（P和N）的过量负荷可能引发富营养化问题（Yang和Lusk，2018年），从而导致鱼类死亡和生物多样性减少，原因包括缺氧、pH值和氧含量的剧烈波动以及硫化氢和铵的生成增加（Landman等人，2005年；Martí-Cardona等人，2008年）。富营养化还可能与初级和次级生产增加有关，这在过去的研究中已被发现与某些水生消费者（如鱼类）的体重和生长速度增加有关（Gibbons和Munkittrick，1994年）。在城市水道中，另一个值得关注的问题是轮胎磨损颗粒（TWPs）释放的化学物质。例如，轮胎抗臭氧剂转化产物6PPD-醌（6PPD-Q；2-苯胺基-5-(4-甲基戊-2-基氨基)环己-2,5-二烯-1,4-二酮）在接近环境相关浓度时对鲑鱼科鱼类（如银鲑Oncorhynchus kisutch、虹鳟Oncorhynchus mykiss和溪鳟Salvelinus fontinalis）具有高度毒性（Tian等人，2021年；Brinkmann等人，2022年）。

Nose Creek流域是位于加拿大阿尔伯塔省南部的Bow河流域的支流。它发源于Rocky View县北部边界和Crossfield镇附近的农村地区，流经Airdrie后，在卡尔加里动物园附近汇入Bow River（Grasby等人，1997年）。Nose Creek受到住宅和商业开发、工业增长、雨水排放、农业活动以及河道改造等压力因素的影响（Palliser Environmental Services，2018年）。自20世纪80年代以来，多项水质监测项目记录了Nose Creek流域的水质问题，其中West Nose Creek的情况稍好一些（Schonekess，1981年）。1999年至2001年间，只有4%和7%的Nose Creek样本符合总磷和总氮的水质标准（Cross，2002年）。2009年至2013年间，高磷含量、高盐度、高TSS浓度和高粪便大肠菌群数量是主要的水质问题（Palliser Environmental Services Ltd.，2014a），而在雨水处理设施（如池塘、湿地和油砂分离器）附近，水质问题更为明显（Palliser Environmental Services Ltd.，2014a）。

Nose Creek被Bow River磷管理计划（PMP）认定为导致Bow River总磷负荷的主要支流（阿尔伯塔省政府，2014年）。PMP制定了减少磷负荷的策略，包括建设雨水滞留池和河岸缓冲带以改善水质和河岸功能。然而，这些措施并未在整个流域得到一致实施，效果也不明显（Palliser Environmental Services，2018年）。除了众多的非点源污染外，Nose Creek还受到点源污染的影响。具体来说，Crossfield镇每年4月1日至11月30日期间会通过重力管道将处理过的市政废水间歇性地排放到Nose Creek中。尽管这些活动得到了阿尔伯塔省环境保护与提升法案（EPEA）的批准，但排放的废水仍会降低水质并影响下游用水者的生活。这些长期的水质压力因素引发了人们对Nose Creek流域内鱼类种群潜在生物影响的担忧，以及支流污染对Bow River主干流影响的担忧。我们之前的研究记录了下游Nose Creek中野生长鼻鲦鱼（Rhinichthys cataractae）的体型、体况以及肝脏和生殖腺体大小的显著增加（Taridashti等人，正在审稿中）。转录组分析显示，下游Nose Creek区域的多个基因表达发生了紊乱（Taridashti等人，正在审稿中）。但由于长鼻鲦鱼在该流域的分布有限，无法对其上游区域的类似反应进行评估。

传统的针对特定指标的分子方法可以有效评估特定压力源的影响，但它们可能无法捕捉到由复杂环境混合物引发的分子反应，因为这些混合物中含有多种化学污染物，这些污染物可能通过多种机制相互作用（Sch?fer等人，2023年）。城市径流的多样性和动态性，以及其与多种生物系统的相互作用潜力，要求采用更广泛和综合的方法，如mRNA测序（RNA-Seq）来有效评估环境危害。然而，RNA-Seq需要复杂的数据分析和生物信息学专业知识，这限制了其在常规监测中的应用（Sewell等人，2024年）。EcoToxChip平台通过提供一种靶向的、特定物种的定量聚合酶链反应（qPCR）阵列来填补这一空白，该方法比非靶向方法更简单、重复性更高，易于用于常规监测。EcoToxChip包含约375个基因靶标，涵盖了关键毒理学途径和具有监管意义的指标（Basu等人，2019年；Crump等人，2023年）。EcoToxChip已在之前的研究中成功应用于脂肪头鲦鱼（Pimephales promelas的幼体和成体，以研究单一化学物质的分子毒性途径（Jensen-Brickley等人，2025年）以及受污染的地下水等复杂环境样本（Gasque-Belz等人，2023年，2024年）。此外，Gasque-Belz等人（2023年，2024年）发现的分子反应模式表明，这些变化是在脂肪头鲦鱼亚慢性暴露后出现的。

本研究旨在加深我们对长期暴露于Nose Creek流域雨水相关压力源的脂肪头鲦鱼潜在健康影响及其分子机制的理解。EcoToxChip qPCR平台与整体生物健康指标（包括生殖腺体指数（GSI）、肝脏体指数（LSI）和体况因子（K）相结合，将分子水平反应与生物体水平效应联系起来。该研究还提供了评估EcoToxChip系统作为支持现场机制评估工具的机会，并将其结果与之前关于长鼻鲦鱼的研究（Taridashti等人，正在审稿中）进行比较。这些研究共同旨在确定不同物种之间是否存在一致的分子反应，从而帮助确定特定压力源类型的潜在健康影响。

研究区域

研究区域

Nose Creek的主干流长度约为75公里，流域面积为989平方公里。West Nose Creek是Nose Creek的主要且永久性的支流，占整个流域的33%，其主干流长度为65公里（Palliser Environmental Services，2018年）。在Nose Creek主干流的六个地点进行了长期水质监测：Crossfield下游的Nose Creek（NC1）、Airdrie上游的Nose Creek（NC2）等（NC2）。

水质和水量

PCA图表显示了2023年4月至10月以及2024年8月至10月期间八个监测点的水质时空变化；2023年7月至10月和2024年8月至10月期间，NC2完全干涸，2024年8月NC1也没有水流。前两个主成分PC1和PC2分别解释了总方差的50.6%和18.7%。上游的NC1和NC2站点表现出营养物质和氧气需求的升高（

讨论

EcoToxChip平台是一种新的毒理基因组学方法（NAM），旨在简化组学分析并识别受损的生物途径。尽管它仅针对四种物种（日本鹌鹑、双冠鸬鹚、虹鳟和胖头鲦鱼）设计，但它所需的复杂数据分析和生物信息学处理程度低于其他组学平台。EcoToxChip分析揭示了脂肪头鲦鱼中受到干扰的几个生物过程，特别是与能量代谢相关的途径（

结论

本研究使用EcoToxChip技术评估了分子反应，这是一种新型的转录组学工具。以往使用EcoToxChip的研究主要依赖于受控暴露实验，例如脂肪头鲦鱼暴露于氯苯菊酯（Jensen-Brickley等人，2025年）或受污染的地下水混合物（Gasque-Belz等人，2024年）。相比之下，本研究是在真实环境中评估野生鱼类的反应，其中多种压力源同时作用。结合转录组学方法可以更全面地了解这些过程（

术语表

酰基辅酶A氧化酶1（acox1）

精氨酸酶2（arg2）

加拿大环境部长理事会（CCME）

半胱天冬酶9（casp9）

肉碱棕榈酰转移酶1A，肝脏异构体（cpt1aa）

体况因子（K）

细胞色素P450 1A（cyp1a）

差异表达基因（DEGs）

大肠杆菌（E. coli）

脂肪酸结合蛋白（FABP）

生殖腺体指数（GSI）

谷胱甘肽S-转移酶C末端结构域（gstcd）

生长抑制蛋白和DNA损伤诱导蛋白45 gamma a（gadd45ga）

热休克蛋白70.3（hsp70.3）

作者贡献

Fateme Taridashti：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、调查、数据分析、概念化。 Patricija Marjan：数据分析、审稿与编辑。 Markus Hecker：验证、审稿与编辑、方法学研究、资金获取、调查、监督、审稿与编辑。 Kelly R. Munkittrick：方法学研究、验证、概念化、资金获取、调查、监督、审稿与编辑。

资金来源

本研究得到了卡尔加里市NSERC、Alliance Grant（ALLRP/567652-21）、Alberta Innovates Grant（202102390）和Campus Alberta Innovates Program基金（10027219）的支持。

未引用的参考文献

Bow River Basin Council 2024, Canadian Council of Ministers of the Environment (CCME) 1999, Henderson, 2014, Jeffries et al., 2008, Lazaro-C?té et al., 2021, MacDonald et al., 2003, Schonekess, 1981, Silvestre, 2020

CRediT作者贡献声明

Fateme Taridashti：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、调查、数据分析、概念化。 Patricija Marjan：方法学研究。 Markus Hecker：审稿与编辑、方法学研究、数据分析。 Kelly R. Munkittrick：审稿与编辑、验证、监督、调查、资金获取、概念化。