斑马鱼水体砷暴露的生物积累与形态转化机制：揭示低毒性砷甜菜碱的关键作用及其对淡水生态系统风险评估的启示

本研究针对水生环境中砷污染对生物及人类健康的潜在威胁，聚焦于无机砷（As(III)/As(V)）在鱼类体内转化为低毒形态砷甜菜碱（AsB）的机制尚不明确，以及淡水鱼类砷积累量相对较低的原因。研究人员通过水体暴露实验，首次系统研究了成年斑马鱼对无机砷和有机砷（AsB/AsC）的积累与转化规律。结果表明，AsB是斑马鱼体内主要砷形态，其通过渗透压调节影响总砷积累水平；无机砷经还原、甲基化最终转化为AsB，而AsC可作为AsB的前体。该研究揭示了砷的生物转化机制，为水生环境砷污染控制提供了重要科学依据。

　　

砷作为一种有毒类金属元素，在水生环境中的污染问题日益引起全球关注。无机砷（包括三价砷As(III)和五价砷As(V)）不仅对水生生物构成直接危害，还通过食物链的营养传递（如浮游生物→浮游动物→鱼类→人类）对人类健康产生潜在风险。世界卫生组织建议饮用水中砷浓度应低于10μg/L，但由于自然地质过程和人类活动的影响，某些地区水体砷浓度高达5mg/L，其中94%的高污染区集中在亚洲。

虽然已知无机砷可被甲基化为一甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)，但鱼类如何将DMA进一步转化为无毒的砷甜菜碱(AsB)的途径仍不明确。同时，淡水鱼类体内总砷积累量相对较低的现象也缺乏合理解释。更令人困惑的是，尽管砷胆碱(AsC)被推测为AsB合成的前体，但在既往研究中并未在鱼类样本中检测到AsC的存在。这些知识缺口限制了人们对砷生物地球化学循环和生态风险评价的准确性。

为解答这些科学问题，研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了创新性研究成果。该研究首次采用淡水模式生物斑马鱼，通过水体暴露实验系统探究了无机砷（As(III)和As(V)）和有机砷（AsB和AsC）的生物积累与转化机制。

研究团队运用了一系列关键技术方法：采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定水样和斑马鱼组织中的总砷浓度；利用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用技术(HPLC-ICP-MS)分析六种砷形态（AsB、AsC、DMA、As(III)、MMA和As(V)）的分布；通过冷冻干燥和甲醇-水溶液提取法处理斑马鱼样本；使用标准参考物质(BCR-627)进行质量控制。实验设置了5mg/L As(III)、5mg/L As(V)、50μg/L AsB和50μg/L AsC四种暴露处理，以净化自来水作为对照，在96小时内分时间点（24、48、72、96小时）采集样本。

3.1. 斑马鱼水体暴露无机砷和有机砷后总砷积累

研究结果显示，暴露96小时后，无机砷暴露组的总砷积累量显著高于有机砷暴露组。其中As(III)暴露组积累量达到3.18±0.82μg/g，As(V)暴露组为2.53±0.11μg/g，而AsB和AsC暴露组分别为1.32±0.096μg/g和1.23±0.13μg/g。值得注意的是，总砷积累量与暴露时间呈正相关，特别是在As(V)暴露组表现出明显的线性增长趋势。

3.2. 斑马鱼水体暴露后不同砷形态的浓度和分布

形态分析发现，无论暴露于何种砷形态，AsB始终是斑马鱼体内的主要砷物种，占总砷的55%-83%。在无机砷暴露组中，检测到MMA、As(III)、X1、AsB、DMA、X2和As(V)七种形态，其中X1是一种未知砷物种，其在暴露组中的含量显著高于对照组。特别重要的是，在任何暴露处理中均未检测到AsC物种。

在AsB暴露组中，AsB含量随暴露时间延长而线性增加，从24小时的0.92±0.040μg/g增长到96小时的1.32±0.096μg/g，且其占总砷的比例从67%升至83%。这表明AsB可以被斑马鱼直接吸收并以其原始形态积累。

在AsC暴露组中，尽管暴露源是AsC，但在鱼体内检测到的仍然是AsB，且其浓度从24小时的0.19±0.023μg/g增加到96小时的0.37±0.025μg/g。这一发现证实AsC在生物体内被迅速氧化转化为AsB，支持了AsC作为AsB前体的假设。

4.1. 无机砷的积累和转化机制

研究表明，无机砷在斑马鱼体内经历复杂的转化过程：As(V)首先被还原为As(III)，然后经甲基化作用生成MMA和DMA，最终转化为无毒的AsB。这种转化过程是一种解毒策略，通过生成水溶性的AsB来降低砷的毒性。更重要的是，研究发现总砷积累量受到AsB通过渗透压调节的调控，这解释了为什么淡水鱼类体内总砷积累量相对较低——多余的AsB通过渗透压调节被排出体外，从而维持体内砷浓度的稳定。

4.2. 有机砷的积累和转化机制

对于有机砷，研究表明AsB可以直接被斑马鱼吸收并积累，而不需要经过形态转化。而AsC则被迅速转化为AsB，进一步证实了AsC作为AsB生物合成前体的作用。这两种有机砷最终都以AsB的形式存在于鱼体内，占总砷的80%以上。

4.3. 无机砷和有机砷水体暴露的意义

研究发现了总砷积累量与AsB浓度之间存在负相关线性关系，这表明AsB通过渗透压调节机制控制着总砷在鱼体内的积累水平。这一发现对理解砷在水生生态系统中的行为具有重要意义：无机砷虽然毒性高但易被转化为低毒形态；有机砷可直接积累或转化为AsB；AsB作为最终产物通过渗透调节影响砷的整体生物积累。

研究人员还提出了AsB的生物合成途径：无机砷经过还原和甲基化生成DMA后，可能通过AsC、二甲基砷酰乙酸(DMAA)或氧化三甲胺(TMAO)等途径最终转化为AsB。研究中发现的未知物种X1和X2可能是这一转化过程中的中间产物，值得进一步研究。

该研究首次系统揭示了淡水鱼类通过水体暴露途径对无机砷和有机砷的生物积累与转化规律，明确了AsB作为主要终产物在砷代谢中的核心地位，发现了AsC作为AsB前体的证据，提出了渗透压调节机制解释淡水鱼类低砷积累现象。这些发现不仅深化了对砷生物地球化学循环的理解，也为水生环境砷污染风险评估和管控提供了重要科学依据。未来研究应重点关注砷形态转化过程中的中间产物鉴定，以及不同水生生物类群在砷代谢方面的差异，为全面评价砷的生态风险提供更完善的理论基础。