向整个湖泊中添加银纳米颗粒可促进黄鲈鱼（Perca flavescens）对磷和银的排泄

《FACETS》：Whole-lake silver nanoparticle addition promotes phosphorus and silver excretion by yellow perch (Perca flavescens)

研究通过两年全湖添加银纳米粒子（AgNP）模拟环境暴露，分析鲈鱼营养（氮、磷）及银排泄率变化。结果显示，AgNP暴露第二年鲈鱼磷排泄率显著升高，但长期（7年）后与对照湖无差异；模型准确预测氮排泄但磷排泄偏离预测，可能与温度、湖泊理化条件差异及模型参数局限性有关。首次证实鱼类排泄银，提示可能加剧水体银残留，延长生态暴露周期。

　　鱼类在水生生态系统中扮演着重要的角色，通过排泄营养物质为初级生产力提供关键的养分支持。然而，目前我们对污染物如何影响鱼类的营养物质排泄速率以及污染物在水环境中的持久性仍知之甚少。这一研究关注于银纳米颗粒（AgNP）在环境相关条件下对黄颡鱼（Perca flavescens）营养物质和银排泄的影响。AgNP作为广泛使用的抗菌纳米材料，常用于医疗、服装、家居和个人护理产品，因此它们在水生生态系统中的出现频率逐渐增加。研究团队在加拿大西北部安大略省的IISD-Experimental Lakes Area（ELA）的一个湖泊中进行了为期两年的AgNP添加实验，总共添加了15千克的AgNP，并在实验湖和一个对照湖中，通过四个不同的采样时间点对鱼类的氮（N）、磷（P）和银（Ag）排泄速率和比例进行了测量。实验持续了十年，旨在评估AgNP对鱼类排泄过程的长期影响，并探讨其对水体中污染物积累和生物富集的潜在贡献。

研究发现，在AgNP添加的第二年，暴露于AgNP的黄颡鱼排泄磷的速率以及磷与银的排泄比例显著增加。然而，实验湖和对照湖中观察到的磷排泄速率与基于生态化学计量学（ES）和代谢生态学理论（MTE）的模型预测结果存在差异，这使得我们对磷排泄速率增加的具体原因尚无定论。尽管如此，研究结果表明，鱼类可能成为银污染在水生生态系统中长期存在的一个潜在来源，从而延长了银对水生生物的暴露时间和吸收量。

黄颡鱼在AgNP暴露下表现出多种生理变化，包括基因表达和代谢的改变。例如，长期暴露于AgNP会导致银在黄颡鱼鳃和肝脏中的积累，同时引起氧化应激和个体大小的减少。此外，暴露于AgNP的黄颡鱼可能会改变其饮食结构，从以浮游动物为主转向以底栖生物为主，并且在某些情况下会减少种群密度，但对总生物量的影响较小。这些变化可能伴随营养物质的摄入、吸收和排泄速率的调整，而这些调整可能偏离基于ES和MTE的预测值。同时，慢性AgNP暴露可能会促进银的释放并将其重新引入环境。

本研究通过一个完整的湖泊AgNP添加实验，评估了黄颡鱼对氮、磷和银的排泄情况。研究团队在实验湖和对照湖中分别对鱼类的氮和磷排泄速率以及它们的化学计量比进行了比较，同时在AgNP添加期间对银、氮与银、磷与银的排泄速率和比例进行了分析。研究提出两个关键问题：（1）慢性AgNP暴露是否会影响鱼类的氮、磷、氮磷比、银、氮银比和磷银比的排泄速率和比例？（2）实际测量的鱼类营养物质排泄速率是否符合基于ES和MTE的模型预测？研究预测，如果AgNP暴露导致鱼类体型变小，并且总体污染物暴露增加了消费者对氮、磷和污染物的排泄速率，那么在AgNP添加期间，鱼类的氮、磷和银排泄速率应高于对照湖中的水平，而氮磷比、氮银比和磷银比则应保持稳定。然而，研究结果并未完全支持这一预测，尤其是在磷排泄速率方面出现了与模型预测不符的情况。

研究团队还采用了统计方法对实验数据进行了分析，包括双因素方差分析（ANOVA）和协方差分析（ANCOVA），以及非参数的Wilcoxon秩和检验。结果显示，实验湖和对照湖中鱼类的干质量存在显著差异，尤其是在AgNP添加后的阶段。此外，实验湖和对照湖中鱼类的磷排泄速率在AgNP添加的第二年显著增加，但与对照湖相比，这种差异并不显著。而氮与磷的排泄比在AgNP添加后则在两个湖泊中均有所上升，但没有显著差异。同时，研究团队还进行了统计功效分析，以评估非显著结果的可信度。结果显示，如果在AgNP暴露的鱼类中，磷排泄速率的变化达到一定幅度，那么这些变化可能会被检测到并具有统计学意义。

在模型预测方面，研究团队使用了一个基于质量平衡框架的理论模型，以评估鱼类的营养物质摄入和排泄速率。该模型在预测氮排泄速率方面表现良好，但对磷排泄速率的预测则较为失败。在实验湖和对照湖中，几乎所有实际测量的磷排泄速率均超出模型预测范围，尤其是在AgNP添加的第二年，某些个体表现出异常高的磷排泄速率。这表明，磷的排泄速率可能受到多种因素的影响，包括鱼类体型、饮食结构以及环境条件的变化。研究团队还探讨了模型预测失败的可能原因，如输入参数的不确定性、生长模型的适用性以及鱼类体内磷需求的个体差异。

研究结果表明，AgNP的长期暴露可能会对水生生态系统的磷循环产生影响。虽然AgNP暴露并未显著改变氮的排泄速率，但鱼类在AgNP暴露下的磷排泄速率增加可能意味着其在维持体内磷平衡方面面临挑战。此外，鱼类排泄银的能力可能成为水体中银污染持续存在的一个因素，从而影响整个水生生态系统的健康。研究还指出，由于实验湖和对照湖在物理和化学特性上的差异，如湖水的电导率、溶解有机碳（DOC）和总磷（TP）浓度不同，这些因素可能对鱼类的磷排泄速率产生影响。

研究团队在实验过程中采用了多种采样和分析方法，包括使用Whirl-pak袋进行鱼类排泄水样采集，以及通过0.22微米的聚碳酸酯膜过滤和冰上保存的方法进行后续分析。此外，为了测量总银（TAg）的浓度，研究团队对水样进行了酸化处理并使用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）进行分析。这些方法确保了数据的准确性和可靠性，同时也为后续的统计分析提供了基础。

本研究的发现对于理解AgNP对水生生态系统的影响具有重要意义。首先，它揭示了鱼类在慢性AgNP暴露下的排泄行为可能会改变水体中的营养物质和污染物浓度，进而影响整个生态系统的功能。其次，研究结果表明，鱼类可能成为AgNP污染的一个重要传播途径，这可能会导致污染物在水生生态系统中的长期积累。此外，研究还指出，鱼类排泄速率的变化可能受到多种因素的影响，包括生理状态、环境条件以及营养物质的摄入和代谢过程。这些发现为未来的研究提供了重要的方向，如进一步探讨AgNP对鱼类营养物质排泄的长期影响，以及评估鱼类在不同环境条件下对污染物的响应机制。

本研究的局限性也值得重视。例如，所使用的模型依赖于广泛的输入参数，这些参数可能来源于不同地理位置、时间和物种的实验数据，因此可能无法准确反映特定环境下的鱼类行为。此外，模型假设了严格的体内平衡，但幼鱼在饮食结构改变后可能会表现出不同的体内营养物质组成。这些因素可能导致模型预测结果与实际测量值之间的偏差。因此，未来的研究需要更精确地测量鱼类的生长和最小无机通量参数，并考虑更多环境变量对鱼类排泄行为的影响。

总的来说，这项研究不仅提供了关于AgNP对鱼类排泄行为影响的实证数据，还揭示了鱼类在维持体内营养物质平衡和污染物释放方面的复杂机制。这些发现对于评估AgNP对水生生态系统的影响、制定有效的环境管理策略以及进一步研究污染物在生态系统中的行为具有重要的科学价值。同时，研究结果也提醒我们，随着纳米材料的广泛应用，需要更加深入地了解它们对生态系统的潜在影响，并采取相应的措施来减轻这些影响。