化学污染改变了本地淡水鱼类Galaxias maculatus在原位暴露条件下的解毒能力和行为

《Environmental Pollution》：Chemical pollution alters detoxification capacity and behavior in the native freshwater fish Galaxias maculatus under in situ exposure

　　杰拉尔丁·波拉斯-里维拉（Geraldine Porras-Rivera）、康拉德·戈尔斯基（Konrad Górski）、古斯塔沃·蒋（Gustavo Chiang）、马卡雷娜·卡里略（Macarena Carrillo）和妮可·科林（Nicole Colin）

### 摘要
在环境现实条件下，理解化学污染如何转化为生物效应仍然是淡水生态毒理学的核心挑战。本研究旨在评估一种结合暴露和行为生物标志物以及化学指标的集成原位方法是否能够检测到河流生态系统中与化学污染相关的亚致死性损伤。我们在智利瓦尔迪维亚（Valdivia）的智利南方大学（Universidad Austral de Chile）科学学院进行了72小时的原位笼养实验，使用了本地鱼类Galaxias maculatus，比较了一个参考地点和一个受到城市、农业和工业排放影响的地点。通过测量脑部乙酰胆碱酯酶（AChE）活性和肝脏乙氧基 resorufin-O-脱乙基酶（EROD）活性来评估神经毒性与解毒反应，同时通过视频追踪来量化行为（活动性、社会接近性、不动性）。为了表征化学暴露情况，我们对沉积物和鱼体组织中的除草剂2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）进行了定量分析。来自受影响地点的鱼类表现出显著的AChE抑制（约60%），并且EROD活性比参考鱼类高五倍。尽管沉积物浓度相当，但组织分析显示2,4-D在受影响地点的积累量是参考地点的两倍，表明其内部暴露程度更高。这些生化反应伴随着活动性的降低、社会接近性的减少以及不动性的增加。聚类分析表明受影响地点的行为表型向低活跃和孤立状态转变。通过将针对性的化学分析与多级生物终点结合起来，本研究突显了原位方法在支持污染物暴露与功能损伤关联解释中的价值，并支持其在淡水污染监测和风险评估框架中的应用。

### 引言
土地利用变化以及工业、农业和城市废水的排放是人类活动对水质的破坏性影响，这些影响危及淡水生态系统及其对社会的服务（Izah等人，2024年）。化学污染是导致这些变化的主要原因，它将复杂的污染物混合物引入淡水生态系统，改变温度、pH值和离子组成等参数（Atli等人，2024年）。这些变化会重塑水生栖息地和生物多样性结构，对淡水生物多样性构成严重威胁（Dudgeon & Strayer，2025年）。化学污染是淡水生态系统社区组成变化的主要驱动因素，据估计有59%的鱼类物种受到影响（Sayer等人，2025年）。尽管人们的意识日益增强，但化学污染的强度并未减少，新兴污染物的种类仍在增加。点源和非点源污染源的持续存在阻碍了水生生物的恢复（Mallett等人，2024年）。特别是在南半球，农业和林业径流对鱼类种群的影响尤为显著，其次是城市和工业废水（Rubio-Vargas等人，2024年）。尽管淡水生态系统通过水文更新过程具有有限的自我净化能力，但这种内在的恢复力受到化学污染的挑战（Ngubane等人，2024年）。虽然一些化合物会迅速降解，但其他化合物会在河床沉积物中持续存在多年，从而在食物链高层生物体内积累（Bancel等人，2024年）。这些环境中的城市、工业和农业化学品混合物即使在低浓度下也会伤害生物，它们的综合效应可能是叠加的、对抗的或协同的（Wang等人，2024年）。由于污染物在空间和时间上的变异性（受季节性施用模式和降雨事件等因素驱动），风险评估变得更加复杂（Vieira等人，2025年）。因此，检测这些复杂低水平暴露的影响需要敏感且生态相关的工具。生态毒理学利用生物标志物来评估污染物如何影响生物，例如对栖息地物理化学参数变化高度敏感的淡水鱼类（Bacchetta等人，2024年）。生物标志物被定义为哨兵生物体内从分子到行为层面的生物反应变化，这些变化可以与化学物质的暴露和毒性效应相关联（Catteau等人，2021年）。例如，鱼类中乙酰胆碱酯酶（AChE）活性的抑制是有机磷化合物和多氯化合物等神经毒素暴露的指标（Mu?oz-Pe?uela等人，2022年）。同样，乙氧基 resorufin-O-脱乙基酶（EROD）活性的诱导是对农药等有机污染物的典型反应（Beghin等人，2021年）。虽然这些生物标志物提供了暴露的证据，但它们往往无法揭示对生物适应性的影响（Iftikhar等人，2022年）。因此，全面了解污染物效应需要将生化损伤与生物体层面的反应联系起来，如行为变化，这些变化会直接影响生存和繁殖成功率。鱼类行为作为一种效应生物标志物，解决了传统方法（如暴露生物标志物）的局限性（Ford等人，2021年）。行为生物标志物提供了一种非致命且非侵入性的评估方法，有助于可持续监测（Porras-Rivera等人，2024年）。作为综合指标，鱼类行为反映了环境压力对神经系统、生理系统和代谢功能的影响（Menon等人，2023年）。在出现致命效应之前，可以检测到探索行为或社会互动的变化，从而提前预警环境退化（Bancel等人，2024年）。这些变化直接影响生物体的觅食、繁殖和躲避捕食者的能力，具有很高的生态重要性，并可能影响到整个种群（Atli等人，2024年）。因此，提倡采用综合多生物标志物方法来全面诊断污染物影响（Fakhereddin & Dogan，2025年）。因此，结合暴露和行为生物标志物可以提高环境评估的一致性和预测能力（Rodríguez-Bola?a等人，2025年）。该框架提供了初步的毒性数据，可以为管理策略提供信息，超越事后生态观察的局限性。在实验室条件下进行的生态毒理学评估在生态外推方面面临挑战（Brand等人，2025年）。大多数研究一次只评估一种污染物，这种做法无法真实反映生物体同时暴露于多种压力源的实际淡水条件（Ladurée等人，2026年）。此外，在实验室测试中保持恒定的环境因素（如温度、pH值和光照制度）在生态系统中会随时间和空间变化，直接影响污染物的毒性（McCarty，2025年）。尽管已在淡水系统中应用了结合实验室和原位生物测定的方法（例如Chiang等人，2015年；Orrego等人，2009年），但广泛实施明确整合环境复杂性和生物体层面反应的基于野外的生态毒理学框架仍然有限。这种方法对于评估本地物种特别有效，因为它们的反应能揭示特定地点的损伤，并指示多种压力源的综合效应。

### 研究区域
本研究在位于智利中南部的克鲁塞斯河（Cruces River）进行。该河流是受发展中国家常见人为压力影响的淡水生态系统的典范，包括工业废水排放、农业径流和城市输入（Colin等人，2022年）。鉴于越来越多地使用本地物种进行生态毒理学评估，我们选择了原产于南半球的鱼类Galaxias maculatus（Jenyns，1842年）作为哨兵物种，因为它在南部温带地区分布广泛、具有生态重要性和丰富性（McRae等人，2016年；Ramírez-álvarez等人，2024年）。先前的实验研究表明，在受控实验室条件下，暴露于2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-D）的降解产物2,4-二氯苯酚会导致G. maculatus的脑部AChE和肝脏EROD活性变化以及行为反应（Porras-Rivera等人，2026年）。为了确定暴露于化学污染的鱼类是否表现出脑部AChE和肝脏EROD活性的损伤，以及行为改变（如活动减少、群集行为减弱和不动性增加），我们使用原位笼养方法比较了参考地点和受影响地点的鱼类。虽然自然环境中的生物体暴露于多种污染物混合物，但我们针对单一化合物来探索化学暴露与生物反应之间的潜在联系。基于先前关于G. maculatus的研究（Porras-Rivera等人，2026年），我们量化了沉积物和鱼体组织中的除草剂2,4-D，因为该化合物在农业中广泛使用，且在鱼类中具有已记录的神经毒性效应。这种综合方法结合了受控的原位暴露和环境真实性，以生成特定地点的亚致死效应评估。

### 研究区域
本研究在智利中南部的克鲁塞斯河（Cruces River）进行，这条河流全长125公里，流经面积3,233平方公里的流域，其水文制度以降雨为主（Alvarez-Garreton等人，2021年）。尽管克鲁塞斯河上游仍属于寡营养状态，但其中部和下游目前被归类为中等营养状态，符合瓦尔迪维亚河流域的次级环境质量标准（智利环境部法令21/2024）。长期物理化学监测显示参考地点和受影响地点之间存在差异（表S1）。尽管这种差异部分反映了沿河流连续体的自然纵向和水文梯度，但统计分析（Wilcoxon检验，p < 0.05）表明受影响地点的电导率、氯化物、硫酸盐和铁浓度显著高于参考地点（表S2），这与下游地区人为输入的增加一致。

### 讨论
本研究揭示了参考地点和受影响地点之间的本地淡水鱼类在生物化学和行为上的持续差异。我们的原位评估显示，受影响地点的鱼类表现出AChE抑制和EROD活性升高，以及活动水平降低和群集行为改变。受影响地点的鱼类体内2,4-D的浓度也较高，这种除草剂在水生生物中具有已记录的神经毒性效应，支持了两者之间的关联。

### 含义与未来方向
我们的发现支持需要推进将物理化学测量与本地鱼类物种的生物化学和行为生物标志物相结合的监测策略。虽然传统的鱼柱参数可以提供有关河流现状的信息，但它们往往无法捕捉到暴露历史和生物效应，而这些可以通过与沉积物相关的污染物和生物体反应更有效地获得（Barra等人，2021年；Chiang等人，2014年）。

### 结论
本研究证明，当结合生物化学、行为和化学指标时，基于野外的生态毒理学评估可以揭示河流生态系统中化学污染的一致性和生物学意义上的亚致死效应。使用本地淡水鱼类作为模型生物，我们发现暴露于化学污染与神经毒性和代谢紊乱有关，表现为AChE抑制和EROD诱导，以及相应的行为损伤。

### 作者贡献声明
妮可·科林（Nicole Colin）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、资源准备、方法论、资金获取、概念构思。
古斯塔沃·蒋（Gustavo Chiang）：撰写——审阅与编辑、资源准备、方法论、正式分析。
马卡雷娜·卡里略（Macarena Carrillo）：方法论、正式分析。
杰拉尔丁·波拉斯-里维拉（Geraldine Porras-Rivera）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念构思。
康拉德·戈尔斯基（Konrad Górski）：撰写——审阅、未引用参考文献。

### 资助
本研究得到了智利国家研究与发展局（ANID）的支持，通过国家博士学位奖学金（决议号1690/2022）、Fondecyt项目1230617（针对KG）、Fondecyt项目11261768（针对NC），以及智利南方大学? Austral Patagonia计划。

### 利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

### 致谢
我们感谢Javiera Rojas、Luciano Reyes和Gastón Bertrand在数据收集活动中的协助和支持。