评估河流水化学特性及其在鱼类各器官金属富集中的作用

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Assessing the impact of river water chemistry and its role in metal accumulation across fish organs

　　跨8条河流监测了鱼类从水体和沉积物中的微量金属生物富集情况。铜与铬及铅、铬-铅之间存在强相关性。沉积物中元素分布（钙、镁、铁）在很大程度上反映了天然地球化学背景。Bleak和Caras鱼类表现出广泛互联的金属关联模式。Trout鱼类仅与特定金属表现出强相关性。**引言**河流对于维持生态完整性（支撑生物多样性、水生栖息地和自然水循环）以及人类需求（饮用水、农业、能源生产、交通运输）至关重要，同时还促进文化遗产发展并推动经济活动（渔业、工业、旅游业）。然而，城市化、工业和农业活动，加上气候变化，已严重恶化了生态系统健康和淡水资源质量（Haque等人，2022；Varol和Tokatli，2023）。在这些污染物中，微量金属尤其令人担忧，因为它们不可生物降解，可在沉积物中长期存留，并能在水生生物体中积累（Anandkumar等人，2018；Viet Le等人，2024）。微量金属来源于工业排放、农业投入、采矿活动、废水以及包括岩石风化和火山活动在内的自然过程，使得金属和类金属在水体环境中广泛分布（Anandkumar等人，2018；Afonso等人，2023）。铜和锌（必需微量金属）对生物功能至关重要，但当其浓度超过生理限度时会产生毒性；而非必需金属，包括砷、镉、铅和汞，即使在微量水平下也可能有害，并与致癌、致突变和致畸效应相关（Varol和Tokatli，2023）。金属污染会对人类健康、水生生物多样性、生态系统功能和生物地球化学过程产生不利影响（Fadlillah等人，2023；Varol和Tokatli，2023；Viet Le等人，2024）。人体暴露可能通过接触受污染的水、食用受污染的鱼类以及摄入用受污染水灌溉的农作物而发生（Afonso等人，2023；Fadlillah等人，2023；Viet Le等人，2024）。尤其需要关注脆弱群体，特别是儿童和孕妇。在儿童中，铅暴露可能受营养状况影响，因为缺铁与铅吸收增加有关，因此可能增加对其毒性效应的易感性（Yüksel等人，2017）。在妊娠期间，胎盘不能完全阻挡金属转移，铬可能到达胎儿部位，引发对产前暴露和潜在发育影响的担忧（Yüksel等人，2021）。这些观察结果突显了对具有生理易感性的群体进行持续环境监测和有毒金属生物监测的重要性。农药和化肥的长期使用可能通过大气沉降、土壤径流和固体废物输入导致水体污染（?elebi等人，2024）。氧化还原电位、pH值、盐度、溶解氧、温度和水动力条件的变化可触发金属从沉积物向水体重新迁移，增加其生物可利用性和毒性（Afonso等人，2023）。一旦迁移，金属可抑制微生物活动、改变沉积物地球化学特征并扰乱水生食物链，从而影响生物多样性并改变生物地球化学循环（Haque等人，2022）。沉积物中的金属浓度通常用作环境污染的指标（Haque等人，2022）。虽然沉积物可通过复杂的地球化学相互作用固定金属，但环境条件的变化可使其转化为活性形态，增强其与上覆水体之间的迁移。由于沉积物是底栖生物和底栖鱼类的重要栖息地和摄食环境，沉积物污染可能构成直接且持续的暴露途径（Rozirwan等人，2024）。水生生物，特别是鱼类和底栖大型无脊椎动物，易受重金属积累影响。鱼类也是重要的食物来源，提供高质量蛋白质、脂肪酸、脂质、关键微量营养素以及维生素A、B、D。金属通过鳃、皮肤和食物吸收，随后在软组织、骨骼结构和肝脏中积累（Muneer等人，2022）。肝脏是金属储存和解毒的主要部位，这与其代谢活性和金属硫蛋白含量有关。积累的程度上取决于环境条件（如pH值、温度、盐度和水的硬度）、生物特征（年龄、大小、性别和摄食行为）以及暴露持续时间（Muneer等人，2022；Rozirwan等人，2024）。因此，不同物种和组织之间的金属浓度可能差异显著，反映了吸收途径、代谢和生理调节方面的差异（Muneer等人，2022；Rozirwan等人，2024）。地表水金属污染是环境管理的关键关注点，因为微量元素可在水体系统中持久存在，并在沉积物和生物体中积累（Viet Le等人，2024）。来自天然风化和人为活动的金属通常沉降在底层沉积物中，沉积物起到汇的作用，并可在水文和地球化学条件变化时释放金属。水生生物，特别是鱼类，从水体和食物中吸收金属，形成反映环境暴露和生理调节的组织特异性积累模式（Chettri等人，2022）。利用水质指数（WQI）评估水质，结合沉积物和鱼类组织中的金属浓度，提供了评估自然和人类影响过程的实用框架（?elebi等人，2024）。然而，目前很少有区域研究同时整合水文地球化学特征、沉积物污染以及多个鱼类物种和器官的金属积累。这限制了我们判断有利的水质条件是否与沉积物和水生生物中的累积污染共存的能力。本研究的新颖性在于整合了多条河流系统的水体化学、沉积物污染以及物种和组织特异性的金属积累，从而为无机污染和累积暴露提供了跨介质评估。我们假设，即使河流总体水质指数分类较为有利，仍可能表现出局部沉积物富集和鱼类中的金属积累。因此，本研究旨在：（1）表征河流水文地球化学和总体水质；（2）识别沉积物组成中的自然和潜在人为影响；（3）评估物种和组织特异性的微量金属积累以及相对于水的生物富集模式；（4）评估水质条件是否与沉积物和鱼类中观察到的污染模式一致。研究结果可为有针对性的环境监测、污染缓解策略以及未来的膳食暴露和健康风险评估提供依据。**研究区域与样品采集**在水体取样在研究区域内的八条河流中进行：Somes（SO）、Tisza（TI）、Iza（IZ）、Sapanta（SP）、Viseu（VI）、Sasar（SA）、Lapusel（LA）、Sugatag（SU），位于罗马尼亚。样品每月采集一次，在2025年全年共进行了12次采样活动。在每个采样点，按照标准程序（SR ISO 5667–23:2011；SR ISO 5667–3:2013），将样品采集于清洁的高密度聚乙烯瓶中。采样点的空间分布……**水文地球化学特征**水质在八个不同采样点连续监测了12个月，平均值见表2。河流总体呈中性，pH值范围为6.88至7.44。微弱的酸性可能来自含水层中溶解的元素和当地化肥的使用。pH值强烈影响化学物质和溶解性，包括重金属、营养物质、碳、氮和磷的生物可利用性（Muneer等人，2022）。较低的pH值增加金属迁移性，降低水质的适宜性……**结论**本研究整合了水体化学、沉积物组成和鱼类微量金属积累，以评估所调查河流系统中的人为压力。河流水体总体呈近中性（pH 6.88-7.44），硝酸盐和磷酸盐浓度分别为3.04-16.0 mg/L和0.07-0.52 mg/L。多元统计分析表明，IZ和TI河流的营养物质和溶解盐输入更为显著，而SA、LA和SO主要受自然地质影响。**作者贡献声明（CRediT）****Thomas Dippong：** 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。**Claudiu T?n?selia：** 形式化分析。**Ana Moldovan：** 撰写初稿，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析。**Oana Cadar：** 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，资源，形式化分析**未引用参考文献**Atli和Canli，2010；Arulnagai等人，2021；Bhateria和Jain，2016；Cre?a等人，2024；Directive 2008；European Commission，2023；FAO/WHO，2011；Viet Le和Binh，2024；Yozukmaz和Yabanl?，2023；Yüksel等人，2022；Yüksel等人，2024；Yüksel和Ustao?lu，2024。**利益冲突声明**? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究由**欧盟**通过国家恢复与韧性计划（NextGeneration EU）第9组分I8资助，资助编号760104/2023年5月23日，代码CF 245/2022年11月29日。本工作由"感知、制图、互联：土壤功能与服务评估工具"项目支持，该项目由**罗马尼亚政府**创新与数字化转型部通过国家恢复与韧性计划（PNRR）PNRR-III-C9-2022-I8资助，合同编号……Thomas Dippong | Ana Moldovan | Claudiu T?n?selia | Oana Cadar