《Environmental Pollution》：Integrated transcriptomic and metabolomic analysis reveals the molecular mechanisms underlying perfluorooctanoic acid (PFOA)-induced developmental toxicity during the early life stages of
Paralichthys olivaceus
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本研究通过96小时急性暴露实验，利用多组学方法评估了PFOA对Paralichthys olivaceus胚胎及早期幼虫的毒性效应。结果显示，50和100 mg/L组孵化率显著下降（分别达47.13%和29.27%死亡率），转录组分析发现1272-2500个差异基因富集于视网膜代谢、细胞色素P450相关通路，代谢组分析揭示11条代谢通路受影响，特别是嘧啶代谢受阻。该研究首次建立了该物种急性毒性基准，阐明PFOA通过干扰细胞增殖与嘧啶合成调控胚胎毒性的分子机制。
Jin-Ji Liu|Xiang Zhao|Qi Zhao|Jie Sun|Pei-Dong Zhang
中国海洋大学海洋养殖重点实验室，教育部，中华人民共和国青岛市
摘要
全氟辛酸（PFOA）是一种典型的持久性有机污染物，在海洋环境中广泛存在。然而，其在海洋底栖鱼类早期发育阶段的毒理学机制尚未完全明了。本研究利用多组学方法，以Paralichthys olivaceus的胚胎和幼体为研究对象，探讨了PFOA对早期发育的毒性影响。实验设置了96小时的急性暴露期，暴露浓度分别为0（对照组）、5、10、20、50和100 mg/L。结果显示，50和100 mg/L的PFOA浓度显著降低了孵化率，并引发了发育异常。这两个浓度处理组的平均累积死亡率和畸形率分别达到了47.13%和29.27%，是对照组的3.9倍和2.5倍。转录组分析发现，与对照组相比，5、20和100 mg/L暴露组分别有1272、2500和2155个差异表达基因（DEGs）。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析表明，这些DEGs在与视黄醇代谢、其他酶介导的药物代谢、细胞色素P450介导的药物代谢以及细胞色素P450介导的外源物质代谢相关的通路中显著富集。代谢组分析发现，与对照组相比，5、20和100 mg/L PFOA暴露组分别有95、165和163个差异代谢物。KEGG通路富集分析进一步表明，11条代谢通路受到显著影响，包括核苷酸代谢、嘌呤代谢和嘧啶代谢。综合转录组和代谢组分析表明，PFOA诱导的胚胎毒性与核苷酸和嘧啶代谢的紊乱有关。这些发现表明，PFOA通过靶向干扰基本的发育过程——特别是细胞增殖和新生核酸合成的协调调控——来诱导胚胎毒性。这一基于机制的证据为P. olivaceus的急性毒性提供了坚实的实验依据，并首次建立了理解PFOA在海洋底栖硬骨鱼类中作用模式的物种特异性分子框架。
引言
全氟和多氟烷基物质（PFASs）作为典型的持久性有机污染物（POPs），具有高度的环境持久性、生物累积潜力以及潜在的毒性作用，使其在自然环境中难以降解（Holmquist等人，2020年；Shi等人，2021年）。其中，全氟辛酸（PFOA）是最常用和研究最广泛的PFASs之一，自20世纪50年代以来被广泛应用于不粘炊具、化妆品和纺织产品的制造（Lau等人，2007年；Bartell等人，2010年）。近年来，在大气、水生系统、沉积物以及多种水生和陆生生物中频繁检测到PFOA（Rayne和Forest，2009年；Shin等人，2011年；Ahrens和Bundschuh，2014年；Chen等人，2017年；Lin等人，2022a）。水生生态系统被认为是PFASs的主要汇，这些物质所带来的生态风险在环境科学领域日益受到关注。
PFOA具有显著的热稳定性、疏水性和疏脂性，使其能够在水生环境中移动、吸附在沉积物上并进行长距离传输。虽然PFASs在环境中的典型背景浓度范围为ng/L到μg/L，但在受人类活动（如氟聚合物制造）影响的河口和沿海地区，其浓度显著升高。例如，在流入莱州湾的 Xiaoqing 河口，已记录到高浓度的点源排放（Shi等人，2015年）。研究表明，下游支流地表水中的PFOA浓度可高达496000 ng/L（约0.5 mg/L），沉积物中的浓度可达4100 ng/g dw（4.1 mg/kg）。值得注意的是，PFOA是该地区的主要PFAS化合物，占总PFASs的95%（Shi等人，2015年）。它已成为环境中检测到最频繁且分布最广的持久性污染物之一。先前的研究证实，PFOA在该研究区域的环境基质中的浓度和比例最高（Liu等人，2024a；Li等人，2025年）。此外，全球和区域的监测数据显示，由于工业化进程的持续，这些污染物的环境负担正在增加。2004年至2020年的数据荟萃分析显示，中国市政废水排放中的PFASs浓度每年增长11%至37%（Cookson和Detwiler，2022年）。作为一种典型的“永久性化学物质”，PFOA通过生物累积和生物放大作用对生态系统和人类健康构成日益严重的威胁（Worley等人，2017年；Boisvert等人，2019年）。鉴于这些污染趋势的加剧和高负荷污染热点，迫切需要优先开展关于PFOA的生态毒理学研究，以保护海洋生态系统的健康。
PFASs通过多种途径进入海洋环境，如河流输送、生活污水排放和大气沉降。暴露于PFASs会对各种水生生物产生显著的毒理学效应。例如，斑马鱼胚胎暴露于全氟辛烷磺酸（PFOS）会导致氧化应激、神经功能障碍和能量代谢紊乱（Lee等人，2021年）。同样，全氟丁烷磺酸（PFBS）也被证明会引发斑马鱼的神经行为变化（Min等人，2023年）。在污染压力下，海洋生物通过涵盖分子、细胞和生态系统层面的复杂机制作出反应。越来越多的证据表明，PFAS暴露显著调节了多种关键基因的表达，如编码细胞色素P450（CYP450）酶的基因（Li等人，2021年）。PFAS暴露还被证明会显著改变与脂质代谢相关的基因表达，包括lxrα、rarα和rxrγb（Cheng等人，2016年）。此外，PFOA还被证明会干扰多种参与解毒和能量产生的代谢途径，如水生物种的脂质、碳水化合物和氨基酸代谢（Cheng等人，2016年；Cui等人，2017年；Tang等人，2018年）。
水生生物的早期胚胎在海洋环境中处于浮游状态，这使得它们更容易受到污染物的影响。研究污染物对鱼类早期生命阶段的毒理学效应和机制是理解水生生态系统潜在风险的关键方法（Jezierska等人，2009年）。研究表明，即使在低浓度下，污染物也对胚胎和幼体具有毒性（Devlin，2006年；Latif等人，2001年）。海洋生物胚胎毒理学研究对于理解污染物在生物体内的积累和毒性作用至关重要，对海洋生物资源和环境保护具有重要意义。值得注意的是，最近在不同水生类群中的证据表明，PFASs会严重损害脂质代谢，这种毒理学反应在两栖动物（如Rana nigromaculata，Lin等人，2022b）和各种实验室模型中都有观察到。尽管许多关于PFOA的毒理学研究是在模式生物中进行的，但对其对海洋经济鱼类，尤其是在早期发育阶段的效应的系统研究仍然有限。
Paralichthys olivaceus是一种广泛分布于西北太平洋沿海水域的底栖海洋鱼类（Zhang等人，2016年；Zou等人，2021年），也是东亚重要的水产养殖物种（Huang等人，2015年；Lee等人，2018年）。在莱州湾，P. olivaceus既是关键的渔业资源，也是主要的养殖物种；然而，其底栖生活方式使其面临更高的暴露风险。由于栖息在水-沉积物界面，该物种持续暴露于高浓度的沉积物吸附污染物（如PFOA）。鉴于该地区PFOA的主导地位、污染趋势的加剧以及缺乏物种特异性的毒性数据，为P. olivaceus建立明确的毒性基线对于保护区域渔业资源至关重要。与淡水模式生物不同，其独特的生态位和海洋渗透调节生理特性使其成为评估物种对沿海污染敏感性的关键模型。因此，本研究采用P. olivaceus》——一种具有高生态和水产养殖相关性的代表性海洋底栖硬骨鱼类——作为模型系统，系统评估PFOA的发育毒性，并建立严格的、物种特异性的急性毒性基线。
在本研究中，P. olivaceus胚胎被暴露于浓度范围为0至100 mg/L的全氟辛酸（PFOA）中96小时，通过测量孵化成功率、畸形率、死亡率以及综合转录组和代谢组分析来评估其生物学反应。本研究旨在：（1）评估PFOA在不同浓度下对P. olivaceus胚胎和幼体的急性毒性；（2）利用转录组分析识别参与毒理学反应的关键调控基因；（3）通过代谢组分析鉴定差异丰富的代谢物并确定受干扰的代谢途径；（4）通过综合多组学方法阐明PFOA在P. olivaceus中诱导的发育紊乱的分子机制。这些发现提供了重要的、基于实验的急性毒性数据——以及首次基于机制的分子见解——揭示了PFASs如何干扰生态和经济上重要的海洋硬骨鱼类的早期胚胎发育。
实验部分
实验生物
实验中使用的P. olivaceus受精卵（受精后6小时，hpf）由威海胜航水产科技有限公司（中国威海）提供。本研究中使用的P. olivaceus符合所有相关的伦理规定，并获得了中国海洋大学的学术委员会批准。正式实验于2023年4月20日开始。受精卵到达实验室后立即进行通气处理。
毒性效应分析
暴露于PFOA会对P. olivaceus的胚胎和幼体发育产生显著的剂量依赖性毒性效应，暴露时间延长和浓度增加会导致孵化率降低以及畸形率和死亡率逐渐升高（图1a–1c）。统计分析（单因素方差分析）显示，PFOA暴露显著改变了早期发育阶段的累积孵化率、畸形率和死亡率（P < 0.05；图1
PFOA暴露对P. olivaceus早期发育阶段的影响
胚胎阶段是海洋动物生命周期中对环境污染物最敏感和脆弱的阶段。先前的研究表明，高浓度的PFOA和PFOS会对斑马鱼等模式生物的存活率和孵化成功率产生不利影响（Shi等人，2008年；Wang等人，2019年）。与这些发现一致，本研究显示P. olivaceus胚胎的累积孵化率显著降低
结论
本研究首次全面分析了PFOA对底栖海洋鱼类P. olivaceus发育毒性的多组学特征。我们的发现表明，急性PFOA暴露会导致严重的致死性、生长迟缓和骨骼畸形。综合转录组和代谢组分析显示，该生物最初激活了解毒途径（如mgst1）和运输系统（如abcg5和abcg8），以对抗氧化应激。
作者贡献声明
Qi Zhao：研究、正式分析。Jin-Ji Liu：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、正式分析。Xiang Zhao：研究、正式分析。Jie Sun：研究、正式分析。Pei-Dong Zhang：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念构思
未引用参考文献
Carver, 1994; Giommi等人，2025; Gong等人，2023; Powell和Rokach，2015; Shi等人，2019.
资助
本研究得到了国家自然科学基金和山东省联合基金的资助（U2006214）。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢Xiang Zhao、Qi Zhao和Qi-Wen Yang在实验装置建立方面的协助。
