关中-天水经济区生态系统健康动态：基于Catboost和SHAP方法的1990至2020年分析

《Ecological Indicators》：Dynamics of ecosystem health in the Guanzhong-Tianshui Economic Zone: A Catboost and SHAP?based analysis from 1990 to 2020

农药协同效应|钩虾头鱼|肝组织毒性|氧化应激|线粒体功能障碍|erβ1基因|socs3a基因|cxcl-c1c基因|免疫抑制|生态风险评估

　　在当今全球农业活动中，农药的广泛使用在提高作物产量和减少病虫害影响方面发挥了重要作用。然而，这些化学物质的大量使用和不当施用对生态环境，尤其是水生生态系统，构成了潜在的威胁。水生生物作为生态系统中重要的组成部分，往往成为农药污染的非目标受害对象。因此，理解农药对水生生物的影响，尤其是它们的联合毒性效应，对于评估农药对环境的潜在危害至关重要。本研究聚焦于两种常见农药——拟除虫菊酯类杀虫剂氯氟醚菊酯（LDC）和三唑类杀菌剂丙烯氟灵（DFC）对钩吻鳟（*Opsariichthys bidens*）的联合毒性效应，试图揭示这些农药在低浓度下的综合影响，以及它们如何通过多种生物机制影响鱼类的健康。

钩吻鳟是一种在中国广泛分布的淡水鱼类，具有重要的经济价值，尤其在亚洲地区。由于其在水生态系统中的关键地位，钩吻鳟常作为研究农药生态影响的模型生物。近年来，随着农药使用量的增加，水体中农药残留的浓度也逐渐上升，导致钩吻鳟等鱼类面临更高的生存压力。这种压力不仅体现在直接的毒性效应上，还可能通过复杂的生物机制影响其生理功能和生态适应能力。因此，研究农药对钩吻鳟的毒性影响，尤其是其联合暴露下的综合效应，对于制定有效的农药管理策略和保护水生生态系统具有重要意义。

在本研究中，我们通过30天的联合暴露实验，评估了LDC和DFC对钩吻鳟肝脏组织的毒性影响。实验中，LDC和DFC被以不同的浓度配制，并按照环境相关浓度进行暴露。实验结果表明，无论是单独暴露还是联合暴露，LDC和DFC均对钩吻鳟的肝脏功能产生了显著影响。通过生物化学分析和基因表达检测，我们发现暴露于LDC和DFC的肝脏细胞中，催化酶（CAT）和半胱天冬酶3（CASP-3）的活性显著增加，尤其是联合暴露组的活性变化更为明显。这一现象表明，农药暴露可能加剧了肝脏的氧化应激反应，并导致线粒体功能受损。

在分子水平上，LDC和DFC的暴露不仅改变了肝脏中某些关键基因的表达模式，还揭示了其对免疫系统和内分泌系统的潜在影响。例如，我们发现，暴露于LDC和DFC的钩吻鳟肝脏中，某些基因如*erβ1*和*socs3a*的表达水平显著降低，而*cxcl-c1c*的表达则明显升高。这些基因的表达变化与生物化学指标的变化趋势一致，进一步支持了农药联合暴露可能对鱼类的免疫系统和内分泌功能造成更大影响的假设。此外，联合暴露还导致了与免疫和内分泌相关的其他基因表达模式的变化，这些变化可能对鱼类的生存和繁殖能力产生深远影响。

研究还发现，农药联合暴露对钩吻鳟的肝脏产生了更为显著的毒性效应。通过整合生物化学和分子水平的生物标志物，我们计算了综合生物标志物响应指数（IBR），以评估不同暴露条件下生物标志物的变化。结果显示，混合暴露组（尤其是中高浓度）的生物标志物响应强度显著高于单一暴露组，表明农药的联合使用可能增强了其毒性效应。这一发现对现有的生态风险评估方法提出了挑战，因为传统的评估往往仅关注单一农药的毒性，而忽视了混合污染物可能带来的更复杂的影响。

从生态角度来看，农药的联合暴露不仅影响鱼类的生理功能，还可能通过改变生态系统的化学平衡，影响整个水生生态网络的稳定性。例如，农药的高浓度可能破坏水体中的微生物群落，影响水质，进而影响鱼类的生存环境。此外，农药的使用方式和频率也会影响其在水体中的残留时间和分布范围。农药的扩散、漂移和地表径流是导致其在水体中广泛存在的主要原因。特别是在农业集约化区域，这些因素使得农药的联合暴露成为一种常见的环境现象。

尽管LDC和DFC在农业中的使用已经广泛，但它们的联合毒性效应仍存在许多未知领域。许多研究已经关注了这两种农药对水生生物的单独毒性，但关于它们联合暴露下的综合影响的研究仍较为有限。因此，本研究通过实验方法，揭示了LDC和DFC在钩吻鳟中的联合毒性效应，为未来的农药管理政策提供了重要的科学依据。通过了解这些农药如何影响鱼类的生理和分子机制，我们可以更好地预测它们在自然环境中的潜在危害，并采取相应的措施减少对水生生态系统的负面影响。

此外，本研究还探讨了农药暴露对钩吻鳟免疫系统的潜在影响。我们发现，农药暴露导致了某些免疫相关基因如*socs3a*和*klf2a*的表达显著下降，而另一些基因如*cxcl-c1c*和*il-8*则表现出明显的上调趋势。这些变化可能表明，农药暴露可能通过多种途径影响鱼类的免疫功能，包括促进炎症反应或抑制免疫应答。这种免疫系统的紊乱可能对钩吻鳟的生存能力产生深远影响，特别是在长期暴露的情况下。

从更广泛的生态和环境角度来看，农药的联合暴露可能对水生生态系统的多个层面产生影响。首先，农药的毒性效应可能通过改变水体中的化学成分，影响水生生物的生理功能和行为模式。其次，农药的使用可能改变水体中的微生物群落，进而影响水体的自净能力。最后，农药的残留可能对食物链中的其他生物产生间接影响，最终影响整个生态系统的健康和稳定。

综上所述，本研究揭示了LDC和DFC对钩吻鳟的联合毒性效应，强调了在生态风险评估中考虑农药混合暴露的重要性。研究结果不仅有助于理解农药对水生生物的潜在危害，还为制定更有效的农药管理策略提供了科学依据。通过进一步的研究，我们可以更全面地评估农药对生态系统的综合影响，并采取相应的措施，以减少农药使用对环境和生物多样性的负面影响。