: 巴西南部沿海五种海鸟体内金属与类金属污染及其与氧化应激生物标志物的关联

《Environmental Research》：Metal and metalloid contamination and associations with oxidative stress biomarkers in five seabird species sampled off the southeastern Brazilian coast

　　

评估海鸟体内的污染物负荷为了解环境质量和物种特异性暴露模式提供了有价值的见解。本研究量化了巴西南部沿海五种海鸟（Spheniscus magellanicus、Sula leucogaster、Fregata magnificens、Larus dominicanus和Thalasseus maximus）肝脏和肌肉中总As、Cd、Cu、Fe、Hg、Pb、Rb、Se、Ti和Zn的浓度，以及参与金属解毒的两种氧化应激生物标志物，即金属硫蛋白（MT）和还原型谷胱甘肽（GSH）。研究人员通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定了56个肌肉样本和36个肝脏样本中的金属浓度，并通过紫外-可见分光光度法测定了生物标志物。肝脏通常表现出较高的Cd、Cu、Fe、Hg、Se、Ti和Zn水平。总体而言，S. magellanicus和S. leucogaster体内的As、Cd、Fe、Hg、Rb和Se含量较高。尽管MT和GSH在物种间无显著差异，但两者在肝脏中的含量均显著高于肌肉。研究人员观察到As、Cd和Ti与GSH之间存在显著相关性，Cd、Cu、Fe、Rb与MT之间存在显著相关性，以及Ti与MT之间也存在显著相关性。各物种间Cu、Fe和Zn水平相似，数值低于毒性阈值，且与MT的相关性表明这些金属受到代谢调节。汞的解毒主要与Se有关，而不是MT或GSH。较低的Pb水平和As的种间差异突显了进一步研究的必要性，包括As形态分析以及Ti来源和生物放大的调查。此外，Ti和Rb对S. magellanicus和S. leucogaster体内MT和GSH的反应显示出显著影响。总体而言，本研究揭示了海鸟重要的种间变异和抗氧化反应，强调了未来评估的关键知识空白。

海洋环境持续暴露于多种污染物中，特别是金属和类金属。这些污染物主要源自工业生产、采矿冶炼、化石燃料燃烧及城市废水等人类活动，并在沿海沉积物和生物体内富集，对高营养级生物构成风险。金属和类金属会在生物体内发生生物蓄积和生物放大作用，引发脂质过氧化、蛋白质氧化和DNA损伤等氧化应激反应。为应对这种压力，生物体会激活生理反应，特别是涉及金属硫蛋白（MT，一种低分子量、富含半胱氨酸的金属结合蛋白，参与金属解毒和调节）和还原型谷胱甘肽（GSH，一种包含巯基的细胞内抗氧化剂，能中和活性氧并结合金属）的解毒途径。海鸟因分布广、寿命长和处于高营养级，是有效的海洋污染生物监测器。然而，尽管将生化反应纳入生态毒理学评估十分重要，但结合海鸟金属定量与氧化应激生物标志物的研究仍然有限，尤其是在西南大西洋等面临日益增加的人类压力且缺乏长期污染监测的地区。为填补这一空白，研究人员开展了一项研究，旨在量化巴西南部沿海五种海鸟肝脏和肌肉中的多种金属与类金属浓度，并评估其与Se、MT和GSH的潜在关联。研究揭示了海鸟的种间变异和抗氧化反应，强调了污染物暴露的早期预警指标。该研究对理解物种特异性解毒策略和沿海生态系统环境风险评估具有重要意义，并发表在《Environmental Research》上。

研究人员于2007年至2012年间在巴西里约热内卢州的多个市镇收集了搁浅海鸟的尸体样本，共获取56个肌肉样本和36个肝脏样本，涵盖Spheniscus magellanicus、Sula leucogaster、Fregata magnificens、Larus dominicanus和Thalasseus maximus五种海鸟。研究人员利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS，用于痕量元素分析）对样本中的金属和类金属元素进行定量分析，并运用紫外-可见分光光度法（UV-Vis，用于测定吸光度）测定了参与金属解毒的氧化应激生物标志物。在数据分析阶段，采用了非参数检验评估变量间的相关性和种间差异，并应用主成分分析（PCA，用于数据降维和模式识别）和冗余分析（RDA，一种解释响应变量与解释变量关系的多元梯度分析方法）等多变量统计方法探究元素与生物标志物间的关系。

3.1. 金属和类金属浓度
研究人员通过ICP-MS检测和组织间比较发现，肝脏中Cu、Fe、Se、Zn等必需元素以及Cd、Hg、Ti的含量显著高于肌肉，这与肝脏负责代谢和异生素解毒的功能相符。而As、Pb和Rb在两种组织间无显著差异，可能表明肝脏解毒机制超载导致这些元素重新分布到肌肉等代谢率较低的组织。在种间差异方面，S. magellanicus和S. leucogaster体内的As、Cd、Fe、Hg、Rb和Se水平较高，这主要受其摄食习性（如大量摄食头足类动物）和栖息地使用的影响。Cu和Zn的种间相似性表明这些是受代谢调节的必需元素；Pb的相似性则可能反映了食物链中的生物稀释作用。

3.2. 毒性阈值
研究人员将测得的元素浓度与已建立的毒性阈值进行比较发现，As和Pb的中位数和平均数均低于毒性限值，表明暴露于背景水平。Zn和肌肉中的Cu含量虽部分超出阈值，但可能是典型的受代谢调节的浓度，不具毒性。然而，S. magellanicus肝脏中的Cd含量中位数和平均值高于毒性限值（>3 mg kg^-1 d.w.），部分样本超标，可能导致潜在毒性。此外，T. maximus、S. leucogaster和S. magellanicus的Hg含量在肌肉和肝脏中普遍超出毒性阈值，部分样本甚至达到与严重损伤和死亡率相关的水平（>20 mg kg^-1 d.w.），这与其饮食偏好密切相关。在Se:Hg摩尔比方面，大部分样本表现出大于1的保护性比值，但S. leucogaster有四个样本比值小于1，且Hg浓度极高，表明存在潜在的Hg毒性风险。

3.3. 生物标志物
研究人员通过统计学和相关性分析发现，MT和GSH在肝脏中的浓度显著高于肌肉，表明肝脏活跃地参与金属解毒。MT和GSH在多个物种的两种组织中呈显著正相关，说明两者受共同因素调节，且MT可能参与抗氧化防御。GSH与As、Cd、Ti呈正相关，可能作为对抗这些元素氧化效应的第一道防线；而MT与Cd、Cu、Fe、Rb、Se、Ti呈正相关。多变量分析（RDA）表明，在肌肉和肝脏中，Ti和Rb是对MT和GSH响应最具影响力的变量。特别是TiO₂-NP（二氧化钛纳米颗粒）暴露常导致GSH下降，但本研究中Ti与GSH呈正相关，表明GSH可能控制Ti的氧化毒性效应；而Rb可能与预先存在的MT结合以实现解毒。

在讨论部分，研究人员总结指出，必需金属水平与基线水平一致，且与MT的正相关表明存在有效的代谢调节。Pb水平较低且未与生物标志物相关联，表明不足以引发反应。As在S. magellanicus和S. leucogaster中浓度较高，突显了进行As形态分析的必要性。Cd和Hg在S. magellanicus和S. leucogaster中含量较高。S. magellanicus体内Cd与解毒生物标志物之间缺乏关联，表明其Cd解毒能力有限，具有潜在毒副作用风险。此外，Hg的解毒并非主要通过GSH或MT，而是依赖于Hg-Se相互作用。Ti与MT和GSH的显著相关性和正向效应表明这些生物标志物对Ti有主动调节作用，突显了评估Ti生物放大潜力的必要性。S. magellanicus体内检测到高浓度的Rb，但仅S. leucogaster表现出Rb与MT的相关性，表明该候鸟物种可能面临较高的暴露风险且解毒能力有限。

研究结论部分翻译如下：分析海鸟中发现的必需金属水平与预期的基线水平一致，表现为物种间相似性、低于已建立的毒性阈值以及与MT呈正相关，表明这些元素受到有效的代谢调节。各组织中的Pb浓度较低，且与GSH或MT均无相关性，表明检测到的水平不足以引发抗氧化或解毒反应。尽管As水平也较低，但物种间的显著差异，特别是S. magellanicus和S. leucogaster中的高浓度，突显了进一步研究的必要性，包括详细的As形态分析。Cd和Hg水平在S. magellanicus和S. leucogaster中较高。S. magellanicus体内Cd与解毒生物标志物之间缺乏关联，表明Cd解毒能力降低，引发了对潜在毒性效应的担忧，并强调了进一步研究的必要性。此外，GSH和MT似乎都不是Hg解毒的主要途径，而Hg-Se相互作用似乎占主导地位。虽然大多数个体的Se:Hg摩尔比超过1，但一些具有最高Hg负荷的S. leucogaster样本表现出低于1的比值，表明对Hg毒性的脆弱性增加。钛与MT和GSH均表现出显著的相关性和正向效应，表明这些生物标志物进行了主动调节。这些结果强调了未来研究评估Ti生物放大潜力以及评估里约热内卢沿海生态系统是否可能作为海鸟种群Ti暴露源的重要性。在S. magellanicus中也检测到了高浓度的Rb，但只有S. leucogaster表现出Rb与MT之间的相关性，表明该候鸟物种可能经历更高的暴露并伴随有限的解毒能力。总体而言，这项研究为暴露于金属的海鸟的种间差异和抗氧化反应提供了新见解，同时识别了关键的知识空白。因此，继续监测和全面评估里约热内卢州金属和类金属对海鸟健康的影响，对于支持有效的保护策略至关重要。