近日，我院王明华和王大志教授团队在Environmental Science & Technology期刊上发表了题为“Diel fluctuation superimposed on steady high pCO₂ generates the most serious cadmium toxicity to marine copepods”的研究成果，揭示近岸水域由高二氧化碳分压（pCO₂）导致的海水酸化的昼夜波动增强了镉的生物毒性，为海洋酸化与镉污染对海洋桡足类的联合效应提供了机理层面的新认识。

研究背景

海洋桡足类作为海洋生态系统中次级生产力的主要承担者，在海洋生物地球化学循环中起着重要作用。由于人类活动的影响，大气中CO₂浓度不断升高；预计到本世纪末，大气中CO₂浓度将会超过1000 μatm。值得注意的是，近岸水域由于生态环境复杂，其pH值并非稳定不变，而是呈现季节性和昼夜波动。此外，近岸水域也受到镉污染的严重威胁。因此海洋酸化（特别是波动酸化）和镉污染的耦合效应是中国近海面临的严重的环境问题之一。探明波动高pCO₂情境对镉生物毒性的影响将有助于我们深入了解近海海洋生物对酸化和金属污染等多种压力的响应，但目前此类研究非常缺乏。

研究结果

本文以生态毒理学研究的模式物种—日本虎斑猛水蚤（Tigriopus japonicus）为研究对象，首先利用稳定同位素示踪技术确定在环境对照pCO₂（400 μatm），稳定高pCO₂（1000 μatm，稳定酸化）和波动高pCO₂（1000±600 μatm，波动酸化）与镉联合胁迫下镉的累积速率常数（k_accu）；之后我们将日本虎斑猛水蚤暴露于上述3种pCO2情境与环境相关镉污染（5 μg/L和500 μg/L）下7天，分析桡足类体内镉累积和生理生化指标。结果表明：1）波动酸化的k_accu显著高于环境对照pCO₂和稳定酸化的k_accu（图1）；2）暴露后，相同水平镉污染下，比起环境对照pCO₂，酸化显著增加桡足类体内镉的累积，且波动酸化组最高（图2）；3）相较于单独镉污染，酸化与镉联合胁迫显著抑制了桡足类体内镉的外排，造成镉累积的增加。此外，联合胁迫产生了更多的能量、更强的解毒防御和应激反应、并增加了氧化应激和凋亡（图3）。

有趣的是，比起稳定酸化，波动酸化进一步显著增加了镉的生物毒性（造成更严重的氧化应激和凋亡）（图3）。鉴于本研究的暴露时间相对较短（7天），未能如实反映海洋环境效应，未来关于海洋酸化（尤其是波动酸化）和镉污染联合胁迫对桡足类种群的影响研究需要利用长期多世代暴露情境，进而有助于更准确地预测海洋生物对海洋酸化和金属污染的响应。

图1. 不同pCO₂条件下桡足类体内镉（¹¹³Cd）的累积（a）及累积速率常数（b）

图2. 不同pCO₂和镉污染下桡足类体内镉的累积量

图3. 不同pCO₂与镉联合胁迫对日本虎斑猛水蚤影响的机制图

研究团队

我院博士生魏辉为论文第一作者，王大志教授和王明华教授为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金（41876117）和中央高校基本科研业务费（20720190094）项目的资助。

论文来源：Wei, H., Qian, J., Xie, Z.-X., Lin, L., Wang, D.-Z. * and Wang, M.-H.*; Diel Fluctuation Superimposed on Steady High pCO₂ Generates the Most Serious Cadmium Toxicity to Marine Copepods. Environ. Sci. Technol. 2022.

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c02677

文、图 | 王明华

责任编辑 | 王明华