里海南部和安扎利泻湖中鲟鱼及鲶鱼胸鳍棘刺中主要元素和微量元素的生物累积

《Journal of Great Lakes Research》：Bioaccumulation of major and trace elements in pectoral fin spines of sturgeons and catfish from the southern Caspian Sea and Anzali Lagoon

定量分析濒危鲟鱼及鳢鱼胸鳍棘元素组成，揭示物种间及栖息地差异。通过ICP-MS检测66种元素，OPLS模型显示Cu、Zn、Mn、Pb等金属元素是主要区分因子，鳢鱼元素浓度显著高于鲟鱼。鳍棘作为非致命生物矩阵，可反映物种运动生态与生境特异性暴露模式，为里海濒危鲟鱼监测提供基准。

　　

作者：Shima Bakhshalizadeh、Keyvan Abbasi、Rafael Mora-Medina、Nahúm Ayala-Soldado 所属机构：伊朗吉兰大学里什特分校里海盆地研究中心海洋科学系

摘要

我们进行了一项探索性研究，旨在量化来自里海南部两种濒危鲟鱼（Acipenser gueldenstaedtii 和 A. nudiventris）以及安扎利泻湖中一种鲶鱼（Silurus glanis）胸鳍棘中的主要元素和微量元素。通过使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测量了66种元素，并应用正交偏最小二乘法（OPLS）分析来描述元素分布的种间差异。该模型能够区分不同物种，其中某些金属元素（如Cu、Zn、Mn、Pb）在区分物种方面起到了关键作用；针对性的单变量检验进一步证实了S. glanis中某些元素的浓度较高。值得注意的是，沿里海海岸活动的溯河洄游鲟鱼在迁徙过程中可能经历了咸水-淡水环境的暴露，而S. glanis则是安扎利泻湖中的定居种群。由于我们的研究设计同时考虑了物种和地理位置因素，因此即使S. glanis中的元素浓度较高，我们也不对其可能的污染来源进行因果推断。我们认为这些元素分布模式反映了物种和栖息地的特异性以及生活史差异，并强调胸鳍棘作为能够捕获有价值元素信息的非致命性生物基质的重要性。这些结果为未来在不同地点对相同物种进行采样以评估其暴露情况提供了基础。

引言

里海是世界上最大的湖泊，位于欧洲和亚洲之间，周边国家包括俄罗斯、哈萨克斯坦、土库曼斯坦、伊朗和阿塞拜疆。从北到南延伸约1200公里，东西宽度约为200-400公里，总面积约为371,000平方公里（Herdendorf, 1982）。虽然被称为“海”，但实际上它是一个无自然出口的咸水内流湖，其水位取决于河流（主要来自伏尔加河）的流入量与蒸发量的平衡（Lattuada等，2019；Leroy等，2022）。长期的水文分析表明，里海是一个盐度具有强烈空间和时间梯度的半咸水系统：北部盐度较低且变化较大，而中部和南部盐度相对稳定，约为12.7-13.0‰，这种变化受河流排放、海平面波动和气候因素的影响（Matishov等，2018）。由于缺乏与海洋的连接以及水体停留时间较长，里海有利于溶解物质和微量元素的积累（Ghayebzadeh等，2020）。 安扎利泻湖位于里海南岸，是世界上最重要的湿地之一，自1975年起被列为拉姆萨尔湿地。该湿地季节性泛滥的沼泽为众多迁徙鸟类提供了关键栖息地。在雨季，泻湖面积约为160平方公里，促进了海水与流入河流之间的咸淡水交换，从而直接影响其生态动态。长期的水文观测显示，这里的盐度约为1.7‰，变化范围在0.8-2.3‰之间，这种变化受河流流量、蒸发量和水分平衡过程的影响（Naderi和Saatsaz，2020）。这里还栖息着许多依赖这种独特环境生存的特有物种（Leroy等，2011）。 在鱼类中，硬组织（尤其是耳石和鳍棘）的元素组成是栖息地和环境历史的自然标志。随着这些矿化结构的生长，它们会吸收受水质、盐度、温度、饮食和停留时间影响的微量元素，从而记录下了时空上的暴露历史（Avigliano等，2020；Pereira等，2025）。通过分析鳍棘的元素组成，可以间接了解生态系统状况和物种的移动模式。由于鳍棘可以无损采集，因此它们成为探索性研究和长期监测的实用工具，尤其是在受威胁或受保护的物种中（Avigliano等，2019）。 里海共有五种鲟鱼：Acipenser gueldenstaedtii（Brandt & Ratzeburg, 1833）、A. nudiventris（Lovetsky, 1828）、A. persicus（Borodin, 1897）、A. stellatus（Pallas, 1771）和Huso huso（Linnaeus, 1758）（Leroy等，2020），它们都被国际自然保护联盟（IUCN, 2024）列为极度濒危物种。这些物种的种群数量因大坝建设阻断迁徙路线以及鲟鱼卵的过度捕捞而受到严重影响。过去几十年来捕捞量的增加导致种群数量急剧下降（Leroy等，2020）。2006年4月，《濒危物种国际贸易公约》（CITES）对鲟鱼卵出口实施了限制，包括对大多数里海国家的出口禁令（Wang等，2008）。然而，非法偷猎现象仍然存在（Leroy等，2020）。 溯河洄游的鲟鱼会从里海的半咸水环境迁移到淡水河流和湿地进行繁殖。相比之下，安扎利泻湖中的鱼类是定居种群，不会迁移。例如欧洲鲶鱼（Silurus glanis）（Linnaeus, 1758）（Froese和Pauly, 2025）是一种顶级捕食者，以多种猎物为食，包括鱼类、水鸟和无脊椎动物。它的存在会通过减少本地物种的数量并对食物网产生自上而下的压力，尤其是在封闭或受干扰的生态系统中（Cucherousset等，2017；Lyach, 2022）。 尽管鲟鱼和鲶鱼在分类学上有所不同，但它们具有相似的特征，如体型较大、肉食性饮食、底栖生活习性和较长的寿命。然而，它们的移动生态有所不同：鲟鱼是溯河洄游的，而鲶鱼则是定居的，因此它们可能在不同盐度梯度和流域输入条件下经历不同的暴露情况。这一对比为我们提供了探索种间差异的机会，以及研究鳍棘化学成分如何反映物种和栖息地特异性暴露及生活史差异的契机。为此，我们开展了这项探索性研究，旨在回答以下问题：里海南部和安扎利泻湖中的鲟鱼和鲶鱼鳍棘中的主要元素和微量元素分布情况如何？鳍棘的元素组成是否能够反映物种和栖息地的差异？为此，我们使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测量了A. gueldenstaedtii、A. nudiventris和S. glanis边缘胸鳍棘中的66种元素。

采样与样品制备

本研究从安扎利泻湖采集了11条S. glanis样本，从里海南部采集了26条A. gueldenst样本和29条A. nudiventris样本（图1）。捕获后，每条鱼都测量了总长度并称重。为减少处理过程中的应激和痛苦，鱼类被单独捕获，并在整个处理过程中保持浸没状态，仅在测量和提取鳍棘时短暂暴露于空气中。样本由经验丰富的人员操作，并确保其处于适宜的环境中。

结果与讨论

主要元素包括Na（2810–3164 mg/kg）、K（626–811 mg/kg）、Mg（1421–2192 mg/kg）和S（940–1155 mg/kg）。其他常见元素包括Fe（21–93 mg/kg）、Zn（43–77 mg/kg）、B（38–67 mg/kg）和Mn（5–102 mg/kg）。Cu、Ti和Ba的浓度处于主要元素范围内，分别为1.8–7.7 mg/kg、4.7–7.4 mg/kg和4–7 mg/kg；Pb的浓度为1.1–2.2 mg/kg。所有这些元素的浓度均超过1.0 mg/kg，因此被归类为主要元素。次要元素的浓度较低。

结论

鳍棘中的元素组成显示了三种物种之间的明显生态差异：两种鲟鱼的元素分布相似但存在细微差别，而S. glanis的元素分布则明显不同。这一模式与它们在相同区域系统内的栖息地利用、移动生态和营养途径的差异一致。基于这一发现，通过在不同地点对相同物种进行采样并分析鳍棘生长过程中的元素变化，有助于揭示栖息地转换对物种的影响。

关于生成式AI和AI辅助技术的声明

作者仅使用生成式AI和AI辅助技术来提高文本的清晰度和可读性。这些工具在人类密切监督下使用，所有生成的文本都经过作者的仔细审查和编辑。作者对最终稿件的准确性、原创性和完整性负全责。

数据和材料的获取

本研究的数据可从通讯作者处获取。

伦理审批

本研究遵循了所有相关的国际、国家和/或机构关于动物护理和使用的指南。鱼类在研究中的使用和护理得到了吉兰大学的伦理批准（批准编号：1400.8.3-89122/15p）。

作者贡献声明

Shima Bakhshalizadeh：撰写、审稿与编辑、数据管理、概念构思。 Keyvan Abbasi：调查、数据管理。 Rafael Mora-Medina：撰写初稿、数据分析。 Nahúm Ayala-Soldado：撰写、审稿与编辑、监督、数据分析、概念构思。

资金支持

本研究未获得任何资金、资助或其他形式的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢所有参与野外采样、鱼类处理和实验室分析的人员提供的技术支持。同时，我们也感谢四位匿名审稿人的建设性反馈，以及副主编Marlene Evans对稿件的重要贡献，这些贡献极大地提升了论文的质量。