铯对水生昆虫氮转运的影响：以Kamimuria tibialis（襀翅目）和Epeorus latifolium（蜉蝣目）为例的稳定同位素示踪研究

《Chemosphere》：Perspective of the effect of caesium on nitrogen transport in the aquatic insect body of Kamimuria tibialis (Plecoptera) and Epeorus latifolium (Ephemeroptera)

本研究针对福岛核事故后放射性铯对水生昆虫生理功能的影响，通过比较污染区与非污染区两种水生昆虫（Kamimuria tibialis和Epeorus latifolium）头部与腿部δ13C和δ15N值的差异，发现铯污染可能干扰K. tibialis的氨基酸转运机制，导致δ15N分布异常，为放射性铯的生态毒理效应提供了新见解。

　　

2011年福岛第一核电站事故后，大量放射性铯被释放到环境中，并通过食物链在水生生物体内积累。水生昆虫作为淡水生态系统中的重要组成部分，通过摄食藻类和碎屑等途径，可能误将铯当作化学性质相似的钾元素吸收进体内。尽管铯和钾同为碱金属元素，具有相似的单价阳离子特性，但它们在生物体内的吸收效率和生理活性存在显著差异。已有研究表明，铯会与钾竞争细胞膜上的离子通道，并可能影响氨基酸的跨膜运输，进而干扰昆虫的氮代谢和蛋白质合成过程。然而，关于放射性铯如何具体影响水生昆虫体内营养物质的转运和分配，尤其是对氮元素稳定同位素分馏的影响，尚缺乏深入的研究。

为了探究这一问题，研究人员在《Chemosphere》上发表了一项研究，比较了在放射性铯污染区和未污染区采集的两种水生昆虫——石蝇（Kamimuria tibialis，属于襀翅目Plecoptera）和蜉蝣（Epeorus latifolium，属于蜉蝣目Ephemeroptera）——其头部和腿部组织的碳稳定同位素（δ¹³C）和氮稳定同位素（δ¹⁵N）比值。稳定同位素分析技术是生态学研究中的一项关键技术，能够追溯营养来源和揭示代谢过程。研究者假设，由于头部发育通常优先获得营养，其δ¹⁵N值应低于腿部；而铯污染可能会干扰这种正常的氮分配模式。

本研究的关键技术方法主要包括：样本采集于日本四个不同距离福岛核电站（25-570公里）的山地溪流，包括一个高污染点（A点）和三个低/无污染点（B、C、D点）；使用D型网采集水生昆虫样本；通过元素分析仪-同位素比值质谱仪（EA-IRMS）联用技术精确测量昆虫头部和腿部样品的δ¹³C和δ¹⁵N值；并采用威尔科克森符号秩检验和克鲁斯卡尔-沃利斯检验等非参数统计方法分析不同身体部位以及不同地点间同位素值的差异。

3. 结果

研究结果显示，在未受污染的站点（C和D），石蝇K. tibialis腿部组织的δ¹⁵N值显著高于头部，这与预期一致，表明在正常生理状态下，氮同位素在身体不同部位的分配存在差异。然而，在受放射性铯严重污染的A站点，K. tibialis头部和腿部的δ¹⁵N值却不再有显著差异。进一步分析发现，K. tibialis腿部与头部δ¹⁵N的差异值在四个站点之间存在显著不同，特别是在污染站点A与未污染站点C、D之间差异显著。与此形成对比的是，另一种昆虫蜉蝣E. latifolium在所有站点（包括污染站点A）均表现出腿部δ¹⁵N值显著高于头部的模式，其站点间的差异也不显著。对于δ¹³C值，两种昆虫在多数站点都显示出腿部高于头部，但其站点间的差异模式不如δ¹⁵N明显。

4. 讨论

同位素值在动物不同组织间的差异已被多项研究证实。本研究中，在未污染站点观察到的K. tibialis腿部δ¹⁵N值高于头部的现象，可能与幼虫期食性从植食性向捕食性转变有关，捕食性食物通常具有更高的δ¹⁵N值，并且营养物质优先供应头部发育，导致较轻的¹⁴N优先用于头部构建，而较重的¹⁵N则在腿部积累。在污染站点A，K. tibialis体内δ¹⁵N分布模式的异常改变，且这种改变具有物种特异性（E. latifolium未受影响），强烈提示放射性铯污染主动干扰了K. tibialis的氮代谢过程，而非简单地由环境因素变化引起。

从生理机制上分析，铯与钾化学性质相似，但原子尺寸更大，在通过钾离子通道时移动较慢，且一旦进入细胞更难排出，导致其在细胞内积累。研究表明，氨基酸（如酪氨酸、蛋氨酸）的跨膜运输常与钾离子或钠离子的协同转运（symport）相关。铯的存在可能通过竞争性或替代性作用，干扰这种依赖于钾离子的氨基酸转运机制。已有文献报道，另一种襀翅目昆虫Isoperla grammatica存在依赖于阳离子的氨基酸协同转运机制，而蜉蝣目昆虫Ephemera danica则可能没有。这或许可以解释为何本研究中同为襀翅目的K. tibialis对铯污染更敏感，其氨基酸（氮）转运过程更容易受到铯的干扰，从而导致δ¹⁵N分馏异常。此外，铯离子与氨基酸（如天冬氨酸）的络合作用也可能因其原子大小而与钠、锂等离子不同，从而影响氨基酸的行为。

5. 结论

本研究通过比较污染区与非污染区两种水生昆虫身体部位间的稳定同位素比值，发现放射性铯污染与石蝇Kamimuria tibialis头部和腿部之间δ¹⁵N差异的消失存在关联，这表明铯可能干扰了其体内的氨基酸转运过程。这种影响表现出物种特异性，提示不同水生昆虫的氨基酸协同转运机制可能存在差异，使得它们对铯污染的敏感性不同。尽管未能直接测量个体昆虫体内的铯含量是本研究的局限性之一，但研究结果为了解放射性铯对水生昆虫生理功能，特别是氮代谢和蛋白质合成潜在影响的生态毒理学机制提供了新的重要线索。未来研究需要结合更直接的离子测量技术和生理实验，进一步阐明铯干扰氨基酸转运的具体分子途径。