《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Disruption mechanism of total dissolved gas supersaturation to fish development, survival and locomotion
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本研究针对水电开发导致的河流溶解气体(TDG)过饱和生态风险，通过整合斑马鱼(Danio rerio)和厚唇裸重唇鱼(Schizothorax davidi)的胚胎发育、幼鱼运动生理及转录组学分析，揭示了TDG通过干扰免疫稳态和能量代谢通路诱发物种特异性应激反应的分子机制。研究发现130% TDG暴露显著降低胚胎存活率和孵化率，诱发气体气泡病(GBT)，并鉴定出Toll样受体信号通路、ATP合成酶基因表达抑制等关键调控靶点，为水电工程生态安全管理提供科学依据。
随着全球水电基础设施的快速发展，大坝泄洪过程中产生的溶解气体过饱和（Total Dissolved Gas Supersaturation, TDG）现象已成为威胁水生生态系统的新兴环境问题。当高速水流掺入大量空气并卷入消力池时，会形成TDG过饱和水体，这种水体在下泄过程中会持续影响下游河道生物。特别值得关注的是，TDG过饱和会诱发鱼类气体气泡病（Gas Bubble Trauma, GBT），导致血管内微气泡积聚和组织损伤。然而，现有研究多集中于急性致死效应和行为观察，对TDG干扰鱼类生理功能的分子机制，特别是不同物种和发育阶段的特异性响应规律，仍缺乏系统认知。
为破解这一难题，上海交通大学农业与生物学院的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了创新性研究成果。该研究采用"双物种-多阶段-生理行为-转录组"整合分析策略，以模式生物斑马鱼（Danio rerio）和具有生态代表性的高原冷水性鱼类厚唇裸重唇鱼（Schizothorax davidi）为研究对象，系统解析了TDG过饱和对鱼类早期发育、生存能力和运动性能的干扰机制。
研究团队建立了精确的TDG暴露实验系统，通过调控高压溶气装置生成100%-130%不同饱和度的实验水体。针对胚胎和幼鱼阶段，分别设计了发育毒性测试、游泳呼吸计量学分析等实验方案。关键技术创新包括：采用游泳隧道呼吸测量系统（SW10200）同步测定临界游泳速度（Ucrit）、爆发游泳速度（Uburst）、标准代谢率（SMR）和主动代谢率（AMR）；运用Illumina NovaSeq平台进行转录组测序，通过KEGG通路富集分析揭示差异表达基因（DEGs）的生物学功能；采用qRT-PCR技术对关键基因表达进行验证。
3.1 鱼类胚胎和幼虫的发育毒性
研究发现在130% TDG暴露下，斑马鱼和厚唇裸重唇鱼胚胎存活率分别降至77%和61%，孵化率显著降低。幼虫出现生长抑制和心率加速现象，斑马鱼体长从2.7mm降至2.2mm，心率从185bpm升至231bpm。气体气泡病表现出物种特异性：斑马鱼以腹部气泡为主（发生率53%），而厚唇裸重唇鱼主要表现为眼突和头部气泡。
3.2 幼虫RNA-Seq和qPCR分析
转录组分析揭示物种特异性分子响应机制。斑马鱼幼虫激活Toll样受体信号通路（tlr3、tlr7、tlr8b基因上调），同时ATP合成酶基因（atp5pf、atp5mf等）表达抑制导致能量代谢障碍。厚唇裸重唇鱼则呈现补体系统失调和蛋白稳态失衡，热休克蛋白HSP70显著下调，IL-3和TLR13基因异常表达。
3.3 幼鱼生存动态和GBT表现
急性致死实验表明厚唇裸重唇鱼对TDG更敏感，在130% TDG下的LT50（半致死时间）仅12.9小时，显著短于斑马鱼的68.1小时。GBT症状分布显示物种特异性：斑马鱼以腹部和尾鳍气泡为主，而厚唇裸重唇鱼主要表现为背鳍和头部气泡。
3.4 幼鱼游泳性能
TDG暴露显著损害游泳能力，斑马鱼Ucrit从29.4 BL/s降至23.7 BL/s，厚唇裸重唇鱼从16.2 BL/s降至10.5 BL/s。代谢指标同步下降，斑马鱼AMR从782mg/kg/h降至302.2mg/kg/h，F-AS（代谢范围）从2.0降至0.9，表明有氧代谢能力严重受损。
3.5 鳃组织RNA-Seq和qPCR分析
鳃转录组揭示物种特异性免疫适应策略。斑马鱼通过上调trim63a、trim63b等泛素-蛋白酶体系统基因增强损伤修复能力，同时MHC-I抗原呈递途径激活。厚唇裸重唇鱼则表现为HSP70系统崩溃和天然免疫通路（TLR22/NLRC3L）激活，反映其低温适应特性对TDG应激的脆弱性。
研究结论表明，TDG过饱和通过干扰免疫-代谢网络平衡诱发鱼类生理功能障碍，但不同物种演化出差异化适应策略。斑马鱼采用能量密集的TLR介导的天然免疫激活途径，而厚唇裸重唇鱼依赖低能耗的缺氧应激反应，这种差异与其生态适应性密切相关。讨论部分强调，鳃组织免疫代谢重编程是决定TDG耐受性的关键因素，物种特异性响应模式为水电工程生态调度提供了重要参考依据。
该研究的创新性在于首次系统阐明了TDG过饱和对鱼类免疫功能和能量代谢的干扰机制，建立了"生理表型-转录调控"的关联模型。研究成果不仅深化了对水生生物环境应激机制的理论认知，还为河流生态保护和水电可持续发展提供了科学依据，对制定基于物种特性的TDG管理阈值具有重要实践价值。
