紫外线辐射对纤毛虫的生态毒性：种群增长、DNA损伤及光氧化应激

《European Journal of Protistology》：Ecotoxicity of ultraviolet radiation on ciliates: Population growth, DNA damage and photooxidative stress

全球变化驱动因素如紫外线辐射（UVR）对水生生物的影响是生态学研究重点。本研究选用海洋原生动物Euplotes vannus和淡水模式生物Paramecium multimicronucleatum，通过测定其2小时UV-B半致死浓度（LD50）和相对生长率（RGR），揭示不同光组成（PAR、UV-A、UV-B）及强度对UVR生态毒性的协同效应。结果显示，UV-B对两种原生动物均具有毒性，但LD50存在显著物种差异；光组成与辐射强度交互作用显著，高强度UV-B通过DNA损伤（环丁烷嘧啶二聚体）和活性氧（ROS）积累导致氧化应激，并激活凋亡通路（caspase-3），最终抑制种群增长。研究为原生动物在UVR风险评估中的应用提供了机制依据。

　　

张学杰|陈晨|郑勤云|林晓峰|李吉秋

中国厦门大学海洋环境科学国家重点实验室，厦门361102

摘要

像太阳紫外线辐射（UVR）这样的全球变化驱动因素是生态学研究的重点。纤毛虫是理想的环境指标，但在评估这些单细胞真核生物对UVR的生态毒性方面仍存在关键空白。为了解决这一问题，我们确定了两种模式纤毛虫——Euplotes vannus和Paramecium multimicronucleatum的2小时UV-B LD₅₀（半数致死剂量）。我们将它们暴露在四种UVR组合下：光合有效辐射（PAR）、PA（PAR + UV-A）、PAB（PAR + UV-A + UV-B）和PB（仅UV-B），并设置了三种不同的辐射强度以明确毒性机制。E. vannus的UV-B LD₅₀显著高于P. multimicronucleatum。UVR对种群相对生长率的抑制作用顺序为PAR > PA > PB > PAB，且辐射强度与光成分之间存在显著交互作用。UVR增加了活性氧（ROS）的产生；在高暴露剂量下，UV-A + UV-B的协同效应更为明显，并且在P. multimicronucleatum中比在E. vannus中更为强烈。环丁烷嘧啶二聚体的含量变化趋势与ROS的变化趋势一致，均随暴露强度而变化。高强度UV-B增强了caspase-3的激活，表明在更高UVR下细胞凋亡作用更强。总之，UVR对纤毛虫具有毒性，其毒性取决于光组成、辐射强度和物种特性。DNA损伤和光氧化应激是核心机制，而细胞凋亡有助于抑制种群生长。

引言

全球变化驱动因素对水生生物的影响一直是生态学研究的重点（Jin等人，2022年）。值得注意的是，人类活动导致了全球变暖和臭氧层的逐渐变薄，加剧了过量太阳UVR暴露的有害影响（Bais等人，2019年；Neale等人，2021年；Williamson等人，2014年）。全球变暖还减少了海洋上层混合层的深度（Yi和Gao，2022年），缩短了该层中生物体的光照路径长度，使它们暴露在高水平的UV-B（280–315纳米）、UV-A（315–400纳米）和光合有效辐射（PAR，400–700纳米）下（Boyd和Doney，2002年）。在过去二十年里，大量研究探讨了UVR对各种海洋生物的影响机制和效应（Bancroft等人，2007年；Jin等人，2017年；Jin等人，2022年；Llabrés等人，2013年）。然而，在研究其他环境因素的生态效应时，常常忽视了UVR（280–400纳米）的作用（Yi和Gao，2022年）。例如，实验室培养实验通常使用聚碳酸酯或玻璃容器作为标准容器（Yi和Gao，2022年），这无意中阻挡了UVR，掩盖了其生态毒性和与目标因素的相互作用（Gao等人，2020年；Jin等人，2022年；Yi和Gao，2022年）。因此，在研究环境压力因素时，全面评估UVR的生态毒性及其与其他因素的相互作用至关重要（Downie等人，2024年；Gao等人，2020年；Jin等人，2022年；Yi和Gao，2022年）。

在全球气候变化和人类活动加剧的情况下，生态学家面临着识别、量化以及理解多种环境压力因素如何影响从单个基因型到整个生态系统的挑战（Jin等人，2019年；Shi等人，2025年）。过量的UVR甚至高水平的PAR都会对海洋生物产生负面影响，包括原生生物、珊瑚、甲壳类动物和鱼类（Bancroft等人，2007年；Jin等人，2017年；Jin等人，2022年；Llabrés等人，2013年）。UVR引起的DNA损伤已有充分记录：它可能是直接通过UV-B吸收DNA产生的，也可能是间接通过氧化应激引起的（Tang等人，2025年）。过量的UV-A和高PAR还会引发活性氧（ROS）的过量产生，进一步增加毒性（Fatima等人，2024年；Negi等人，2023年）。此外，UVR会扰乱能量代谢，降低种群生长率（Dwivedi和Ahmad，2023年；Sanmartín等人，2021年）。然而，光组成的变化、辐射强度和物种特异性等因素使得我们对UVR生态毒性机制的理解存在关键空白。关于生物体如何响应UVR毒性的争论也仍然存在（Downie等人，2024年；H?der等人，2007年）——这些知识空白阻碍了UVR生态毒性的评估和生态后果的预测。鉴于此，系统地研究不同分类群中的UVR生态毒性至关重要。

纤毛原生动物（纤毛虫）是水生生态系统中的关键组成部分，负责物质循环和能量流动（Montages等人，2012年）。它们的高多样性、全球分布以及对环境干扰的快速、综合反应使它们成为水生生态系统退化的理想早期预警指标（Hou等人，2023年）。纤毛虫也被广泛用作模式生物（Hao等人，2025年；Maurya和Pandey，2020年；Montages等人，2012年），其详细的生物学背景为系统研究UVR生态毒性提供了坚实的基础。不幸的是，与其它浮游动物相比，关于纤毛虫的UVR研究仍然有限，现有大多数工作仅关注UVR对行为和种群增长的影响（Bancroft等人，2007年；H?der等人，2007年；Lenci等人，1997年；Martini等人，1997年；Summerer等人，2009年）。

我们假设UVR通过直接（通过UV吸收）或间接（通过过量ROS）途径引起纤毛虫的DNA损伤，最终影响种群生长。预计毒性会随辐射强度、光组成和物种而变化。为了验证这一点，我们测量了两种纤毛虫物种（Euplotes vannus，一种海洋物种；Paramecium multimicronucleatum，一种淡水物种）在三种辐射强度下暴露于四种UVR组合时的种群水平反应（LC₅₀和RGR）、ROS水平以及DNA损伤。具体来说，我们探讨了三个关键问题：（1）不同物种对UV-B的种群生长影响是否有差异？（2）光组成和辐射强度如何影响DNA损伤和ROS的产生？（3）光成分和辐射强度是否对纤毛虫有协同作用？据我们所知，这是首次同时考虑物种特异性、光组成和辐射强度来研究太阳UVR对纤毛虫的生态毒性。我们的发现为使用纤毛虫进行可靠的UVR风险评估奠定了基础，并加深了对UVR生态毒性机制的理解。

部分内容摘录

生物体和培养基

本研究使用纤毛原生动物Euplotes vannus和Paramecium multimicronucleatum作为模式生物。这两种生物均来自中国海洋大学的原生动物实验室（青岛），E. vannus的鉴定依据是Chen和Song（2002年）的研究，P. multimicronucleatum的鉴定依据是Powers和Mitchell（1910年）的研究。E. vannus的克隆培养在人工海水中进行（pH 8.2，盐度28‰），通过溶解28克NaCl、0.8克KCl、5克MgCl?·6H?O制备。

UV-B对纤毛虫的半数致死浓度（LD₅₀

P. multimicronucleatum的2小时UV-B LD??显著高于E. vannus（P < 0.05；图1），表明两种物种对UV-B的耐受性存在差异。

纤毛虫种群的相对生长率（RGRs）

连续三天的种群生长实验结果显示，光成分（LC）和辐射强度（RI）显著影响了RGR，且LC与RI之间存在显著交互作用（双因素方差分析，P < 0.05；表2）。单因素方差分析揭示了处理特定的趋势（图2）。

讨论

尽管已经研究了从微生物到人类的各种生物体的UVR毒性（Batista等人，2009年；H?der等人，2007年；Pathak等人，2019年），但对于纤毛虫而言，仍存在关键空白。具体来说，光成分、辐射强度和物种特异性如何影响UVR生态毒性的评估仍不清楚。解决这些空白将有助于纤毛虫在环境监测和生态风险评估中的应用。因此，我们研究了纤毛虫对不同

结论

我们通过测量种群生长、DNA损伤和氧化应激来评估两种模式纤毛虫的UVR生态毒性。主要发现如下：（1）UV-B辐射对两种物种都有毒性，且具有物种特异性的LD₅₀值。（2）DNA损伤（通过二聚体光产物作为CPD）和光氧化应激（通过过量ROS）是UVR生态毒性的核心机制。（3）UVR诱导的细胞凋亡（通过caspase-3激活测量）和能量分配的改变驱动了纤毛虫种群

CRediT作者贡献声明

张学杰：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据管理。陈晨：方法论、调查、正式分析、数据管理。郑勤云：调查、正式分析。林晓峰：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。李吉秋：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、项目管理、方法论、资金获取、正式分析、数据管理。

未引用参考文献

Dubey等人，2019年

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（42176145）、国家重点研发计划（2024YFF1306802）的支持，以及厦门大学校长基金项目（编号：20720200106）的部分资助。