《Infectious Disease Reports》：Feathers of Feral Pigeons (Columba livia) as Bioindicators of Atmospheric Metal Pollution: A Pilot Study in Kazakhstan
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城市生态系统中的大气金属污染是一个关键的全球性问题。野鸽（*Columba livia*）可作为环境空气质量的有效生物指示物。本试点研究评估了该方法在哈萨克斯坦三个对比区域的适用性：乌斯季卡缅诺戈尔斯克（有色金属冶炼）、巴甫洛达尔（燃煤发电）以及比加什村（乡村
城市生态系统中的大气金属污染是一个关键的全球性问题。野鸽（*Columba livia*）可作为环境空气质量的有效生物指示物。本试点研究评估了该方法在哈萨克斯坦三个对比区域的适用性：乌斯季卡缅诺戈尔斯克（有色金属冶炼）、巴甫洛达尔（燃煤发电）以及比加什村（乡村背景区）。研究人员采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）与电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）测定了羽毛中14种金属（类金属）和10种稀土元素（REEs）的浓度，并运用主成分分析、层次聚类分析和污染指数进行了数据处理。在乌斯季卡缅诺戈尔斯克，镉（Cd）、铅（Pb）和砷（As）的高污染因子（Cf）值（分别为26.0、41.2和19.0）表明有色金属冶炼造成了“极高污染”。在巴甫洛达尔，Cd（5.0）、As（5.0）和Cu（7.3）的Cf值显示出与燃煤和炼油相关的“显著污染”。乌斯季卡缅诺戈尔斯克的综合金属污染指数（MPI）为11.1，是巴甫洛达尔（2.3）的4.8倍。稀土元素剖面表现出由工业粉尘驱动的“稀释效应”，但钆（Gd）除外，其在巴甫洛达尔记录了显著的浓度峰值。多变量统计分析证实了利用鸽羽作为综合工具区分高人为压力区域的有效性。总体而言，本试点研究为哈萨克斯坦重污染负荷工业中心城市环境的长期生物监测奠定了基础。
**论文解读：野鸽羽毛作为大气金属污染生物指示物在哈萨克斯坦的试点应用**
**1. 研究背景与科学问题**
大气金属污染已成为全球性的严峻环境挑战，特别是在快速工业化和城市化地区。空气颗粒物（PM）表面能够有效吸附多种有毒金属和类金属，这些污染物具有高生物可利用性、不可生物降解性和生物蓄积性，对人类健康和社会环境构成严重威胁。此外，稀土元素（REEs）的潜在暴露正成为新兴的全球关注问题，已有证据表明这些元素可影响包括人类在内的多种生物系统。传统的大气监测物理化学方法虽然精确，但成本高、耗时长，且只能捕获瞬时的污染物浓度，无法反映真实的生物效应。为了克服这些局限，利用鸟类进行生物监测已被证明是评估环境空气质量的高效途径。在城市生态系统中，与人共栖的鸟类因数量丰富、易于识别且与人为污染密切接触，成为大气生物监测中最有前景的类群之一。鸟类的羽毛可提供独特的时空环境质量记录，其元素浓度反映换羽期间的污染水平，并能区分局部城市排放与全球迁移影响。野鸽（*Columba livia*）因其严格的定居习性、高生物蓄积能力和全年丰富的种群数量，成为城市区域极为可靠的生物监测模式生物。尽管哈萨克斯坦拥有大型采矿和冶金联合体，但目前利用共栖鸟类进行大气生物监测的研究明显不足。因此，这项试点研究旨在评估利用野鸽羽毛作为生物监测工具，在哈萨克斯坦巴甫洛达尔和乌斯季卡缅诺戈尔斯克两个工业城市评估环境空气质量的潜力。
**2. 研究设计与方法概述**
研究人员在哈萨克斯坦选取了两个大型工业城市——乌斯季卡缅诺戈尔斯克和巴甫洛达尔作为主要城市化研究区域，并选择了乡村背景区比加什村。乌斯季卡缅诺戈尔斯克位于阿尔泰山前山间盆地，大气扩散条件极差，市内集中了“Kazzinc” LLP有色金属冶金综合体和“Ulba冶金厂”JSC等企业，排放富含Pb、Zn、Cd、Cu、As、Se等I类危险重金属的废气；巴甫洛达尔则拥有以高灰分埃基巴图兹煤为燃料的热电厂（TPP-1、TPP-2、TPP-3）、铝厂、电解厂、铁合金厂和石化厂，排放富含As、V、Pb的飞灰。研究人员于2026年2月6日至8日，在三个地点各捕获8只成年野鸽（共24只），采集每只鸟左翼第一或第二根初级飞羽（P1/P2）。样品经超纯水冲洗、60℃烘干后，采用密闭微波消解系统进行酸消解，并使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES；EXPEC-6500）和电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS；SUPEC-7000）测定了Al、As、V、Fe、Cu、Zn、Ga、Sr、Cd、Cs、Se、Gd、Lu、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Dy、Er、Pb、Th、U共24种元素。质量控制采用多元素标准溶液校准、内部标准化、质量控制（QC）溶液监测和标准参考物质（CRM，如贝加尔湖底泥BIL-1）验证。数据分析使用了污染因子（Cf）、金属污染指数（MPI）、以Al归一化并基于区域背景值（比加什村）计算的稀土元素富集因子（Xn）、铈（Ce/Ce*）和铕（Eu/Eu*）异常，以及层次聚类分析（HCA，Ward法，欧氏距离）和主成分分析（PCA）等统计方法。
**3. 主要研究结果**
**3.1 乌斯季卡缅诺戈尔斯克野鸽羽毛中金属（类金属）浓度**
乌斯季卡缅诺戈尔斯克样本中，Zn中位浓度最高（约145 mg kg?1），其次为Fe（75 mg kg?1）和Pb（47 mg kg?1）。Pb的变异系数（CV）达72%，Cd和As的CV分别为56%和46%，显示出高度的空间异质性。HCA在连接距离>7处形成两个主要宏聚类：第一簇由Pb、Cd、Sr、Th、Se、As组成，其中Pb–Cd对连接距离最小（<1.5）；第二簇包含U、Ga、V、Cs、Fe、Cu、Zn、Al等8种元素，反映混合的陆源-人为来源。
**3.2 巴甫洛达尔野鸽羽毛中金属（类金属）浓度**
巴甫洛达尔样本中Zn中位浓度为118 mg kg?1，Fe为94 mg kg?1，Cu为37 mg kg?1。Pb、Cd、As的中位值均低于1.0 mg kg?1，但CV极高（Pb为244.7%，Cd为210.9%，As为158.2%）。HCA显示两个宏聚类：第一簇包含Pb、Cd、As、Zn，其中Pb–Cd连接距离<0.5；第二簇包含Sr、Se、V、Th、Cs、U、Cu、Fe、Ga、Al，其中Th–Cs和U–Cu对连接紧密，Fe、Ga、Al形成陆源组分亚簇。
**3.3 背景区比加什村野鸽羽毛中金属（类金属）浓度**
背景区样本中Zn和Fe中位值分别为87和85 mg kg?1，Cu和Al分别为30和4 mg kg?1。Pb、Cd、As的变异性最小，大部分金属（类金属）中位值低于1.0 mg kg?1。HCA在连接距离约2.4处形成第一宏簇（U、Th、Cs、Fe、Cu），第二宏簇包含Sr、Cd、Pb、As、Ga、V、Zn、Se、Al，其中Se与Al紧密聚类（约1.8），提示该区域硒主要为自然地质来源。
**3.4 稀土元素（REEs）累积模式**
以比加什村为背景基线（Xn=1.00），乌斯季卡缅诺戈尔斯克样本中所有10种REE的Xn值均低于基线（Eu最低为0.250，Nd和Sm最高为0.500），表现出系统性的“稀释效应”。巴甫洛达尔样本中大部分REE的Xn在0.256（Sm）至0.640（Nd）之间，但Gd出现显著富集峰（Xn=1.537），这一正钆异常可能归因于该市医疗核磁共振成像（MRI）设施排放的含钆造影剂（GBCAs）进入城市水系统并沿食物链传递。
**3.5 野鸽羽毛元素剖面的主成分分析（PCA）**
前两个主成分解释了79%的总方差（PC1占60%，PC2占19%）。PC1对Al、Cu、Fe、V、Ga、Cs、Th、U及大部分REE呈强负载荷，对Se呈强正载荷（0.82）；PC2主要由Zn、As、Cd、Pb的强负载荷定义。PCA排序图中，乌斯季卡缅诺戈尔斯克样本形成紧密的独立簇，位于左下象限；而巴甫洛达尔和比加什村样本在PC2正方向出现显著重叠。这种相似性归因于巴甫洛达尔工业企业（包括热电厂）位于居民区之外的工业区，而乌斯季卡缅诺戈尔斯克的工业集群直接嵌入城市居民区，导致即时的人为暴露。
**3.6 污染指数评价**
基于全球鸟类背景值计算的Cf值显示：乌斯季卡缅诺戈尔斯克中Cd、Pb、As的Cf分别为26.0、41.2和19.0，达到“极高污染”等级；Cu（5.9）和Zn（2.7）分别为“显著污染”和“中度污染”。巴甫洛达尔中Pb（4.8）、Cd（5.0）、As（5.0）属于“显著污染”，Zn（2.4）为“中度污染”，Cu（7.3）也达到“显著污染”水平并超过乌斯季卡缅诺戈尔斯克，可能源于燃煤飞灰中的Cu。乌斯季卡缅诺戈尔斯克的综合MPI为11.1，是巴甫洛达尔（2.3）的4.8倍。
**4. 讨论与结论**
讨论部分将各元素的羽毛浓度与鸟类生态毒理学中公认的背景范围和毒性阈值进行了对比。乌斯季卡缅诺戈尔斯克鸽羽中的Pb（均值47 mg kg?1）超过背景值十倍以上，Cd（均值2.6 mg kg?1）超过系统毒性阈值（约2.0 mg kg?1），表明铅锌冶炼排放对城市近地面空气的严重污染。巴甫洛达尔Pb均值（4.8 mg kg?1）略超毒性阈值，但最大值（33.8 mg kg?1）多次超限，呈现局部点状污染。As在乌斯季卡缅诺戈尔斯克和巴甫洛达尔的均值未超过毒性阈值，但背景区出现的最大As值（0.7 mg kg?1）略超上限，提示存在点源污染。Zn、Cu、Fe等必需金属中，乌斯季卡缅诺戈尔斯克Zn超出生理上限，所有样点Cu均约为自然标准的两倍，可能反映了东哈萨克斯坦和北哈萨克斯坦多金属地球化学省的区域特征；Fe水平总体正常。Al在所有样点均处于安全范围，仅反映城市化环境的自然扬尘增加。与国外研究比较，乌斯季卡缅诺戈尔斯克鸽羽中的Pb和Cd含量显著超过中国北京、广州、哈尔滨等大城市以及法国、匈牙利和波兰的同类研究，与印度和巴基斯坦城市化地区的高污染上限相当；巴甫洛达尔的Pb水平接近法国下限但显著低于伊朗。研究局限性包括样本量小、异质性高以及缺乏同步的环境介质数据，但结果仍能捕捉到场地特有的工业信号。综合结论认为，野鸽羽毛元素剖面可作为乌斯季卡缅诺戈尔斯克和巴甫洛达尔以及哈萨克斯坦其他工业中心长期生物监测的有效工具，其中PCA和HCA的集成方法能够在初步范围内有效区分高暴露冶金枢纽和低暴露地点的细微地球化学差异，而REE谱显示除Gd外存在工业粉尘驱动的“稀释效应”。
