智利洪堡海流系统工业化海湾中近危物种秘鲁鸬鹚体内重金属与微量元素积累特征及生态毒理学意义

本研究聚焦智利梅希约内斯湾受威胁的秘鲁鸬鹚种群，针对工业采矿活动导致的重金属污染问题，通过分析肝脏、肌肉、羽毛和肾脏中Hg、As、Pb、Cr、Cd五种重金属及Cu、Zn、Se三种微量元素的分布规律，揭示了羽毛作为主要解毒途径的关键作用，发现雌性个体因繁殖生理特性呈现特定金属富集现象，并通过Hg:Se摩尔比值证实硒对汞毒性的保护机制，为海洋生态污染监测和物种保护提供重要科学依据。

　　

在世界海洋生态系统中，智利北部的梅希约内斯湾正面临着工业化发展带来的严峻挑战。这个位于洪堡海流系统（Humboldt Current System）核心地带的海湾，虽然拥有得天独厚的海洋生产力，却也因此成为了重金属污染的重灾区。沿岸的铜矿开采和其他采掘工业不断向海洋环境排放着包括铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）和铅（Pb）在内的多种重金属，这些污染物在沉积物和海洋生物体中不断积累，最终通过食物链向上传递，威胁着整个生态系统的健康。

在这个背景下，秘鲁鸬鹚（Leucocarbo bougainvilliorum）的命运引起了科学家的高度关注。这种 endemic（特有种）于洪堡海流系统的海鸟，曾经是秘鲁和智利沿岸最优势的海鸟物种，在20世纪50年代中期仅秘鲁中部就栖息着2100万只个体。然而由于厄尔尼诺事件、人类捕捞活动和渔业竞争等因素，其种群数量在过去三十年间急剧下降了20-29%，目前已被世界自然保护联盟（IUCN）列为近危（Near Threatened）物种。作为食物链顶端的捕食者，秘鲁鸬鹚主要以秘鲁鳀鱼（Engraulis ringens）为食，具有较高的营养级位置和强大的污染物积累能力，成为了监测海洋重金属污染的天然指示器。

为了深入理解重金属污染对这一濒危物种的影响，来自西班牙穆尔西亚大学的研究团队开展了一项系统性的研究。研究人员收集了2024年1月在梅希约内斯湾沿岸刺网中意外捕获的10只秘鲁鸬鹚尸体，其中包括6只雄性和4只雌性，全部为成年个体。通过对这些样本进行详细的解剖和样品采集，研究人员获取了肝脏、肌肉、肾脏和羽毛组织，运用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）这一高灵敏度分析技术，精确测定了铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）和硒（Se）八种元素的浓度。研究采用严格的质控措施，包括空白样分析和使用标准参考物质验证数据准确性，确保结果的可靠性。统计分析方法包括曼-惠特尼检验（Mann-Whitney test）、克鲁斯卡尔-沃利斯检验（Kruskal-Wallis test）和斯皮尔曼相关系数（Spearman's correlation coefficient），以探索不同组织和个体变量间的差异和关联。

研究结果揭示了重金属在不同组织中的分布特征和积累规律：

金属分布

研究发现所有八种重金属和微量元素在四个被检组织中均有检出，但分布模式存在显著差异。羽毛表现出最强的金属积累能力，成为最主要的解毒途径，其中铬（Cr：2.03±0.63 mg/kg）、铜（Cu：19.72±3.82 mg/kg）和锌（Zn：109.84±11.95 mg/kg）的浓度最高，分别占体内总检测量的79%、55%和64%。这表明羽毛在生长过程中通过将金属结合到角蛋白中来实现长期固定，成为一种有效的排泄机制。肝脏作为重要的代谢和解毒器官，在硒（Se：29%）、砷（As：28%）、铅（Pb：28%）、镉（Cd：27%）、汞（Hg：22%）和铜（Cu：19%）的滞留中发挥关键作用。肾脏则显示出对镉（Cd：68%）的特殊亲和力，同时与肝脏在锌（Zn：12% vs. 15%）和硒（Se：29%）的积累水平相似。肌肉中的金属浓度相对较低，但砷（As：28%）、锌（Zn：9%）和硒（Se：9%）的含量仍值得关注。

变量间元素关系

研究发现性别是影响金属积累的重要因素。雌性个体在肌肉中表现出显著更高的铜（Cu_Muscle）和铅（Pb_Muscle）浓度，以及在肾脏中更高的铬（Cr_Kidney）水平。这种性别差异可能与繁殖期间的生理和激素变化有关，雌激素影响必需金属的吸收和保留，而繁殖所需的营养需求增加了这些金属的储存。特别是铅在繁殖雌性肌肉中的积累增加，可能是由于蛋壳形成过程中从骨骼中动员出来的结果。虽然雌性通过产卵提供了一条解毒途径，但这种途径可能不足以抵消内部动员的增加，尤其是铅从骨骼储存向软组织的转移。

金属与组织间关系

组织间的相关性分析揭示了金属分布的复杂模式。汞在肾脏和肝脏之间显示出最强的相关性（r=0.967，p=0.001），表明这两个器官在重金属解毒中协同工作。镉在肾脏和肝脏（r=0.767，p=0.016）以及肾脏和肌肉（r=0.717，p=0.03）之间也显示出显著相关性，表明这些器官之间存在共同的转运和积累机制。羽毛与其他器官之间的相关性最为丰富（共22个），特别是汞在羽毛和肝脏（r=0.782，p=0.008）以及羽毛和肌肉（r=0.733，p=0.016）之间的相关性，支持了羽毛作为长期环境暴露可靠生物指示器的价值。

Hg:Se摩尔比值分析

研究计算了所有分析器官中的汞硒摩尔比，发现所有样本的比值始终低于1，其中肝脏为0.10，肌肉为0.10，羽毛为0.23，肾脏为0.06。这一发现表明硒在这一秘鲁鸬鹚种群中发挥了重要的解毒作用，通过形成惰性的硒化汞（HgSe）复合物来中和汞的毒性。这种保护机制对于生活在汞暴露环境中的海鸟尤为重要，可能涉及硒代蛋氨酸（selenoneine）等有机硒形式的抗氧化特性。

全球比较与风险评估

与国际上其他鸬鹚物种的研究比较显示，本次研究中的秘鲁鸬鹚金属浓度与同地区红腿鸬鹚（Poikilocarbo gaimardi）的研究结果相似，但低于淡水环境中鸬鹚物种的报道值。这种差异可能与饮食和栖息地有关，淡水鱼类由于渗透调节差异往往比海水鱼类积累更多的重金属。毒性评估表明，当前汞、铅和镉的浓度均低于已知的鸟类中毒阈值，表明这些金属水平不太可能直接导致急性毒性效应。然而，低水平重金属暴露可能通过亚临床效应（如内分泌干扰、氧化应激或免疫抑制）对野生动物构成风险，特别是在与食物短缺、寄生虫病或气候变化等其他环境压力因素相互作用时。

这项发表在《Journal of Trace Elements in Medicine and Biology》的研究不仅揭示了秘鲁鸬鹚体内重金属积累的特有模式，还强调了羽毛作为非侵入性生物监测工具的潜力。研究发现的重金属分布性别差异为理解繁殖生理对污染物代谢的影响提供了新视角，而汞硒相互作用的证实则为理解海洋生物对重金属暴露的适应机制提供了重要线索。尽管当前金属浓度未达到急性毒性水平，但研究人员强调需要持续监测和更全面的风险评估，包括使用酶学和生化生物标志物来评估潜在的亚致死效应。这些发现对于保护这一近危物种和管理洪堡海流系统这一全球重要海洋生态系统的健康具有深远意义，为制定有效的环境保护政策和物种保护策略提供了科学依据。