首次利用EDS分析技术在硬蜱（Dermacentor reticulatus）的外骨骼中发现了元素积累模式的证据：这为了解波兰和乌克兰多种生境中的生物指示作用提供了新的见解

《Science of The Total Environment》：First evidence of elemental accumulation patterns in the hard tick Dermacentor reticulatus exoskeleton using EDS analysis: Insights into bioindicator potential across diverse habitats in Poland and Ukraine

本研究通过扫描电镜能谱分析，调查了波兰华沙、农村地区及乌克兰切尔诺贝利三地璃眼蜱外骨骼的化学组成，发现重金属浓度存在显著区域差异，解剖位置及性别间也有差异，证实蜱虫外骨骼可作为环境污染的生物指标。

　　

Kateryna Slivinska、Vitalii Demeshkant、Magdalena Zyzak、Grzegorz Karbowiak

波兰科学院动物学博物馆与研究所，Twarda 51/55，00-818，华沙，波兰

摘要

硬蜱是重要的疾病传播媒介，其几丁质外骨骼具有吸收污染物的特性。由于它们在食物链中的高位，蜱虫会生物累积持久性毒素，但这一过程尚未得到充分研究。本研究使用扫描电子显微镜-能量色散光谱（SEM-EDS）技术分析了Dermacentor reticulatus的外骨骼化学成分，重点关注代谢元素和环境污染物（包括Cd、Al、Sr、Cs、Ca、K、Fe、Ni、Co、Pb、Hg和Cr）。这种方法能够精确分析生物结构，为了解节肢动物中的污染物积累提供新的见解。样本来自三个具有不同环境特征的采样地点：华沙市区（5只雄性/5只雌性）、波兰Kosewo Górne乡村地区（0只雄性/10只雌性）以及受放射性核素污染的切尔诺贝利地区（5只雄性/5只雌性）。研究还考察了区域性和生物性差异，包括外骨骼不同区域及性别之间的差异。结果发现蜱虫外骨骼的化学成分存在地区性差异。切尔诺贝利地区的蜱虫体内重金属（如Fe、Co和Ni）浓度较低（分别为1.98%、0.60%和0.61%），而Kosewo Górne地区的蜱虫浓度较高（分别为2.62%、0.79%和0.74%）。此外，在不同解剖区域中也发现了显著差异；特别是在CEZ地区第3区域内，Fe浓度存在统计学上的显著差异；而在所有地点中，Cs（p = 0.0052）和Ca（p = 0.0039）的浓度最低。所有研究地点的蜱虫在特定元素的存在上也存在显著的性别差异。这项研究首次证明了D. reticulatus蜱虫外骨骼中某些元素积累的变异性。这些发现为进一步研究环境污染物对蜱虫生理和传播能力的影响奠定了基础，为更全面地了解外骨骼成分及其功能意义提供了可能。

引言

硬蜱是多种病原体（包括细菌、病毒和原生动物）的重要传播媒介，这些病原体可导致人类和动物患上严重疾病（Rochlin和Toledo，2020；Krupa等人，2024）。与所有节肢动物一样，它们的身体被外骨骼覆盖，其主要成分是几丁质。外骨骼作为外部骨架，保护内部器官免受环境因素的影响，防止水分流失，并具有许多其他功能。

几丁质是节肢动物（包括蜱虫）外骨骼的主要构成材料（Isibor等人，2023；Ahmad Dar等人，2022）。几丁质是一种具有高表面积的生物聚合物，因其作为污染物吸收剂以及用于改良成纳米复合材料以处理土壤和水污染物的潜力而受到广泛认可。先前的研究强调了昆虫外部覆盖物作为环境污染指标的作用。例如，蜻蜓和豆娘体内的金属浓度已被用作铁、铅和锌等污染物的生物标志物（Boroń和Miros?awski，2009；Lesch和Bouwman，2018）。同样，了解蜱虫外骨骼的化学成分及其对环境因素的反应对于制定控制蜱虫种群和减轻蜱传疾病的策略至关重要（Burtis等人，2019）。鉴于此，可以得出结论：蜱虫在幼虫阶段以小型哺乳动物的血液为食，因此可以作为它们是否受到重金属毒害的指标。在这方面，它们尤其有用，因为它们一次进食的血液量很大。蜱虫外骨骼的污染是由于脊椎动物血液中的金属积累所致。例如，迁徙鸟类带来的氢、氮等同位素可以通过血液传播到节肢动物体内，并被纳入其角质层（Rasgon，2008；Heylen等人，2019）。

人类活动引起的生物多样性变化导致环境中蜱虫数量增加，因此需要提高警惕并改进控制策略（Boulanger等人，2019）。此外，大规模的环境污染（如切尔诺贝利灾难造成的放射性核素污染）对整个欧洲产生了深远的不利影响（Dillon等人，2024）。

关于硬蜱（Ixodidae）物种角质层的元素组成，目前的研究相对较少。先前对Dermacentor属蜱虫外骨骼的EDS研究已发现Cl、Ca和Na等元素的存在（Cote等人，2020）。然而，关于其他化学元素的知识仍然不足，尤其是比较受污染地区和参考地区的对比研究更为缺乏。

蜱虫作为脊椎动物的寄生虫，位于食物链的较高层次。蜱虫在成年之前会经历两次进食——幼虫期和若虫期。每次进食后，每个幼虫发育阶段都会经历变态和蜕皮。宿主体内的毒素（包括重金属）会在其体内积累，包括在变态过程中形成的新角质层中。可以推测，在从若虫变态为成虫的过程中，幼虫进食时积累在角质层中的毒素会与旧表皮一起被排出，但蜱虫会将若虫食物中的重金属带入新的表皮中。一些概念验证研究使用少量实验动物表明，宿主血液的同位素特征会在未进食的蜱虫阶段得到复制（Schmidt等人，2011；LoGiudicea等人，2018；Hamer等人，2015）。

目前尚未有研究探讨蜱虫体内重金属和持久性毒素的积累与其对蜱传疾病病原体感染敏感性之间的关系，以及它们在传染病传播中的作用。

这种潜在的功能关系突显了蜱虫作为生物指标的独特价值，这源于它们在食物链中的高位和大量吸血的行为。因此，分析其外骨骼成分可以为环境监测提供新工具，并同时揭示积累的污染物如何影响蜱虫的生理和传播能力。基于地区、性别和解剖区域的成分变异性存在显著差异。

本研究旨在使用能量色散X射线光谱（EDS）技术在扫描电子显微镜下，评估波兰华沙、波兰马祖里景观公园附近的Kosewo Górne以及乌克兰切尔诺贝利地区Dermacentor reticulatus蜱虫外骨骼中的选定化学元素（包括关键代谢元素和环境污染物）。研究还旨在评估不同外骨骼区域的化学成分差异，并比较不同性别的化学成分。

研究区域和样本采集

2024年5月，使用旗标法在三个地点采集了未进食的成年蜱虫：乌克兰切尔诺贝利（51°16′38.59″N 30°10′41.32″E）；华沙（蜱虫采集于交通繁忙的公路附近）（52°13′56″N 21°00′30″E）；以及波兰马祖里景观公园附近的Kosewo Górne（53°49′12″N 21°26′36″E）（图1）。选择切尔诺贝利作为研究地点，是因为该地区放射性核素污染严重，是研究这种影响的理想场所。

结果

分析显示，基于地区、性别和解剖区域的元素积累存在显著差异。主要发现包括重金属浓度的区域性变化、不同解剖区域间的显著变异性以及性别间的元素组成差异。

总体而言，蜱虫外骨骼表面的元素组成分析发现了Fe、Cu、Zn、Co、Mo、Ni、Pb、Cd、Hg、Cr、Al、Cs、Sr、Ca和K的存在。

讨论

结果证实，蜱虫可以作为环境污染的生物标志物，因为它们能够从环境中生物累积污染物。昆虫的外骨骼主要由几丁质构成，几丁质因其独特的结构特性而被认为具有吸收污染物的潜力（Butzloff，2011；Mohan等人，2020）。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）技术对蜱虫外骨骼的元素组进行了分析。

结论

这是首次使用能量色散X射线光谱（EDS）技术在扫描电子显微镜下评估D. reticulatus蜱虫外骨骼化学成分的研究，重点关注对代谢和环境污染物至关重要的元素。研究评估了不同外骨骼区域及性别间的化学成分差异，为了解区域性和生物变异性提供了宝贵见解。

作者贡献声明

Kateryna Slivinska：撰写初稿、验证、监督、资源提供、调查、数据分析、概念构思。Vitalii Demeshkant：撰写与编辑、可视化、软件应用、方法论设计、数据分析、数据管理、概念构思。Magdalena Zyzak：撰写与编辑、可视化、验证、监督。Grzegorz Karbowiak：撰写与编辑、撰写初稿、验证、监督、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢切尔诺贝利辐射生态生物圈保护区（乌克兰）的管理人员和工作人员在野外考察和材料收集过程中提供的帮助。