《Environmental Pollutants and Bioavailability》：Interactive dynamics of essential and potentially toxic elements in three native tilapia species during a drought period: associations suggestive of ionic mimicry and competitive uptake in a tropical lake
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本研究考察了赞比亚Itezhi-Tezhi湖三种本土罗非鱼肌肉组织中必需元素与潜在毒性元素之间的关联，样品采集于2023–2024年厄尔尼诺（El Ni?o）相关干旱期间。研究人员在五个采样点对Coptodon rendalli、Oreochromis and
本研究考察了赞比亚Itezhi-Tezhi湖三种本土罗非鱼肌肉组织中必需元素与潜在毒性元素之间的关联，样品采集于2023–2024年厄尔尼诺（El Ni?o）相关干旱期间。研究人员在五个采样点对Coptodon rendalli、Oreochromis andersonii和Oreochromis macrochir三种鱼类的钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）、锌（Zn）、镉（Cd）和铅（Pb）进行了定量分析。Nachisenga采样点记录了各鱼种中最高的Cd浓度（干重0.84–0.85 mg·kg?1），以及相对较高的Pb浓度（干重1.64–2.05 mg·kg?1）。O. macrochir通常具有最高的Pb浓度，而C. rendalli则具有最高的Ca浓度。主坐标分析（Principal Coordinates Analysis, PCoA）解释了总变异的76.3%，将主要由Ca、Mg、Cu和Zn主导的维度与Cd和Pb相关的维度分离开来。在O. andersonii和C. rendalli中观察到的正Ca–Pb关联，以及在O. macrochir中观察到的负Zn–Cd和Zn–Pb关联，与离子模拟（ionic mimicry）和竞争性吸收（competitive uptake）假说相一致，尽管空间暴露也可能有所贡献。因子分析（Factor analysis）解释了64.6%的变异。Cu、Zn和Cd的目标危害商数（Target hazard quotient, THQ）和危害指数（Hazard index, HI）值均低于1，其中Cd对估算的非致癌危害贡献最大。总体而言，元素积累因物种和采样点而异，并产生了关于生理调节和离子相互作用的可检验假说。
**论文解读：热带干旱条件下三种本土罗非鱼必需元素与潜在毒性元素的交互动态研究**
**一、研究背景与问题提出**
鱼类及其制品是全球高质量动物蛋白的重要来源，为超过30亿人口提供约20%的动物蛋白摄入量。在撒哈拉以南非洲地区，鱼类对膳食蛋白的贡献尤为突出，同时提供必需氨基酸、长链omega-3多不饱和脂肪酸以及支持生长发育和认知功能的关键微量营养素。然而，当水生系统受到重金属污染时，鱼类的营养价值可能受到损害。重金属在环境中持久存在，能在可食组织中积累，并沿食物网发生生物放大，使鱼类同时成为环境污染的生物指示物和人类暴露于毒性元素的重要途径。
重金属通过自然风化、火山喷发以及采矿、农业、城市扩张和水电开发等人类活动进入淡水生态系统。一旦释放，金属在水体与沉积物之间动态分配，通过鳃吸收和膳食摄入两种途径成为生物可利用态。其迁移性和形态受pH、温度、电导率、盐度和水硬度等物理化学参数的强烈调控，这些参数影响金属的溶解度和对生物结合位点的竞争。因此，环境条件的差异决定了金属发挥有益还是有害的生物学作用。必需元素如钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）和锌（Zn）支持骨骼形成、酶活性和免疫防御等关键生理功能。与之相对，非必需金属如镉（Cd）和铅（Pb）即使在低浓度下也可干扰离子转运、损害线粒体功能、诱导氧化应激并影响生殖生理。此外，共存金属之间的相互作用进一步调节毒性：Cd可与Zn和Cu竞争金属硫蛋白（metallothionein）结合位点，而Pb可能替代钙化组织中的Ca。在机制层面，Pb可能干扰离子调节表面（如鳃）的Ca转运通路，Cd和其他二价金属可能通过共享的转运系统（包括二价金属转运蛋白和金属硫蛋白相关结合位点）竞争吸收。这些相互作用凸显了在热带淡水生态系统中开展多元素评估以理解风险的重要性。
在非洲内陆水域中，土著罗非鱼（包括Coptodon rendalli、Oreochromis macrochir和Oreochromis andersonii）在渔获物中占主导地位，被广泛食用，并被视为水产养殖多样化的重要候选物种。由于这些物种占据不同的栖息地和摄食生态位，它们易于在组织中生物积累金属，积累程度受营养位置、沉积物接触和栖息地偏好的影响。这些风险在水文压力下可能进一步加剧。例如，2023–2024年厄尔尼诺引发的干旱导致水量减少、电导率升高和沉积物再悬浮增强，从而浓缩了生物可利用态金属组分，并可能增加金属进入鱼类组织的吸收。水文收缩还可通过增加滞留时间、浓缩溶解态离子和增强沉积物–水界面生物可利用态金属组分的交换来改变污染物传输与分配。已有研究表明，水库水位下降与旱季收缩期间鱼类组织金属负荷增加相关，提示干旱驱动的水文收缩可能加剧暴露。
尽管对气候驱动的水文变异的关注日益增加，但在非洲水域干旱条件下对必需元素与毒性金属相互作用的比较性多物种评估仍然有限。尤其是，生理调节、竞争性吸收和离子模拟对共域罗非鱼物种金属积累的综合影响尚缺乏了解。为填补这些知识空白，本研究以赞比亚南部省Itezhi-Tezhi湖为对象，系统调查了三种本土罗非鱼（C. rendalli、O. macrochir和O. andersonii）肌肉组织中必需金属（Ca、Mg、Cu和Zn）和毒性金属（Cd和Pb）的空间变异与物种特异性变异模式。
**二、研究目的与意义**
本研究的具体目标包括：（1）评估必需元素和毒性金属积累的空间格局与物种特异性格局；（2）利用相关分析和多变量分析评估与生理调节、离子模拟和竞争性吸收相关的金属相互作用模式；（3）评估食用三种罗非鱼相关的潜在人体健康风险。通过整合生态背景、水文压力和离子模拟与竞争性吸收等机制性过程，该研究有助于深化对气候敏感型热带水生生态系统中金属动态的认识。
**三、关键技术方法概述**
本研究于2024年8月（2023–2024年厄尔尼诺相关干旱期间）在赞比亚Itezhi-Tezhi湖五个采样点（Nachisenga、Lwabeza、Livingstone、Bwabwa和Musungwa）开展。在每个采样点，从当地渔民的渔获物中选取三种目标罗非鱼各5尾，共获得75尾鱼（每种25尾）。现场使用便携式多参数水质仪原位测定水温、pH、溶解氧、电导率和总溶解固体。鱼样经冰鲜运输至实验室后，取背部肌肉组织约2–3 g，经烘干至恒重、均质化处理后，采用王水消解程序（盐酸与硝酸3:1），并使用火焰原子吸收光谱法（Analytik Jena contrAA 700）定量测定Ca、Mg、Cu、Zn、Cd和Pb六种元素的浓度。分析质量控制包括程序空白、基质加标回收实验（回收率92%–106%）、三重消解精密度评估（相对百分比差异<10%）及方法检出限测定等。统计分析方面，采用双因素方差分析评估物种和采样点的主效应及交互作用，结合Tukey HSD事后检验；采用Spearman秩相关分析揭示各鱼种内元素间的单调关联；采用基于标准化浓度欧氏距离的主坐标分析（PCoA）和置换多变量方差分析（PERMANOVA）探索多变量格局；采用探索性因子分析和层次聚类分析（Ward法）识别潜在结构；最后，基于湿重浓度计算估计每日摄入量（EDI）、目标危害商数（THQ）和危害指数（HI）进行非致癌健康风险评估。
**四、主要研究结果**
**4.1 重金属浓度的空间变异与物种差异**
必需金属在肌肉组织中的浓度均高于Cd和Pb，并呈现明显的空间和物种水平变异。Ca浓度在Nachisenga最高，尤其在O. andersonii和O. macrochir中，Nachisenga的Ca显著高于其他站点。Zn浓度在Musungwa普遍较高。Mg呈现中等程度的空间变异，Cu则未显示一致的站点格局。对于毒性金属，Cd浓度在Nachisenga一致最高，三种罗非鱼的平均Cd浓度分别为：C. rendalli 0.85±0.07 mg·kg
?1，O. andersonii 0.85±0.11 mg·kg
?1，O. macrochir 0.84±0.05 mg·kg
?1（均为干重）。Pb在Nachisenga亦显著升高，尤其在O. macrochir和C. rendalli中，而Lwabeza的O. macrochir也呈现较高的Pb浓度。物种间比较显示，C. rendalli的Ca浓度显著高于O. andersonii和O. macrochir；O. macrochir的Cu和Mg浓度较低；Zn浓度在O. macrochir中低于C. rendalli；Cd浓度在物种间无显著差异；Pb浓度则呈现物种差异，O. macrochir和C. rendalli总体高于O. andersonii。
**4.2 三种罗非鱼中金属的交互效应**
Spearman相关分析揭示了物种特异性的金属关联模式。在O. andersonii中，必需金属间呈现强正相关：Mg–Zn（r=0.755）、Mg–Cu（r=0.667）和Cu–Zn（r=0.613）。Cd与Pb呈正相关（r=0.539），Cd和Pb均与Ca呈正相关（r分别为0.424和0.596），Pb与Zn呈负相关（r=?0.308）。在O. macrochir中，Mg、Cu和Zn间维持正相关网络，Cd与Pb（r=0.562）及Cd与Ca（r=0.470）呈正相关，同时观察到Cd与Zn的负相关（r=?0.352）和Pb与Zn的负相关（r=?0.417）。在C. rendalli中，Ca与Cu之间存在极强的正相关（r=0.922），Ca还与Cd（r=0.670）、Zn（r=0.504）和Pb（r=0.378）呈正相关。三种鱼种中，O. andersonii展现出最强的Ca–Pb相关，O. macrochir展现出最清晰的Zn与Cd/Pb的负相关，而C. rendalli则以Ca为中心的关联模式最为突出。
**4.3 金属积累的多变量分析**
基于标准化浓度的主坐标分析（PCoA）前两轴共解释总变异的76.32%，其中PCO1（42.46%）与Cu（载荷0.548）、Mg（0.528）、Zn（0.500）和Ca（0.389）的正载荷相关，PCO2（33.86%）主要与Cd（?0.602）和Pb（?0.596）相关。PERMANOVA显示物种间和采样点间的金属组成差异极显著。Nachisenga与其他站点在三种鱼种中均呈现更高的多变量差异，其特征为Cd和Pb载荷升高。
**4.4 因子分析与层次聚类**
探索性因子分析识别出双因子结构：因子1与Mg（0.812）、Cu（0.766）和Zn（0.873）强关联，Ca中度关联（0.361），解释36.4%的变异；因子2以Cd（0.836）、Pb（0.701）和Ca（0.662）的高载荷为特征，解释28.2%的变异，两因子合计解释64.6%的总变异。层次聚类分析（Ward法）识别出两个主要聚类：第一聚类包含Zn、Cu和Ca；第二聚类包含Cd、Mg和Pb，其中Cd和Mg关联最为紧密，Pb形成相关但独立的分支。Mg在两种多变量方法间呈现出双重分组特征——在因子分析中与Cu和Zn同载，在层次聚类中与Cd和Pb共类。
**4.5 鱼类金属的人体健康风险评估**
在标准化暴露假设下，三种罗非鱼的估计每日摄入量（EDI）值整体较低。O. andersonii的Mg和Cu的EDI最高（分别为4.95×10
?4和2.42×10
?3 mg·kg
?1·day
?1），C. rendalli的Zn的EDI最高（1.51×10
?3 mg·kg
?1·day
?1），O. macrochir的Pb的EDI最高（5.34×10
?4 mg·kg
?1·day
?1）。Cu、Zn和Cd的目标危害商数（THQ）在所有物种中均低于1，Cd对THQ贡献最大（C. rendalli 0.256，O. macrochir 0.254，O. andersonii 0.172）。危害指数（HI）亦均低于1，分别为C. rendalli 0.316、O. andersonii 0.236和O. macrochir 0.289。
**五、讨论与结论**
**讨论要点总结：** 本研究最突出的空间发现是Nachisenga站点三种罗非鱼Cd浓度一致偏高，表明该区域鱼类经历了与其他站点不同的暴露条件。虽然Nachisenga和Lwabeza的电导率和总溶解固体均较高，但仅Nachisenga鱼类Cd浓度显著升高，说明测定的水质变量本身不足以解释鱼类肌肉浓度的变异。多种交互因素可解释这一格局，包括上游Kafue河入流带来的集水区输入、沿岸定居点和农业活动的影响、栖息地结构和食物资源差异，以及沉积物相关暴露途径。干旱条件可能通过降低水量和稀释效应、改变栖息地可用性和颗粒物分布来放大这些局部因素的影响。
必需元素（Ca、Mg、Cu、Zn）的浓度远高于Cd和Pb，Mg、Cu和Zn之间呈现协调的正关联，与这些元素在酶活性、代谢和离子调节中的相互关联功能一致，可能反映了共享的生理需求、关联的转运和储存过程或共同的膳食来源。物种间必需元素浓度的差异比Cd更为明显：C. rendalli的Ca浓度较高，O. macrochir的Cu和Mg浓度较低，O. andersonii一般呈现中间值。这种种间分化提示物种生物学特征（食性、栖息地利用、代谢需求和离子调节生理）对必需元素的积累和调控有重要影响。Cd和Pb在三种鱼种中均呈正相关且在空间上平行变异，表明两种毒性金属可能受相关空间暴露条件的影响，而物种间生态和生理差异则调节了响应的幅度。
Ca–Pb正相关（在O. andersonii和C. rendalli中）与Pb可作为Ca类似物并干扰Ca转运体和结合位点的实验证据相容，为离子模拟假说提供了野外层面的支持。O. macrochir中Zn与Cd和Zn与Pb的负相关与实验研究中Zn可抑制Cd在鳃或肠道表面吸收的发现相一致，提示竞争性吸收可能参与了该物种中观察到的格局。金属硫蛋白介导的螯合也可能是不依赖直接摄取的替代或补充解释。值得注意的是，这些元素关联在物种间存在差异，表明离子相互作用可能受物种特异性生理的调节。
在非致癌健康风险评估方面，所有物种的THQ和HI均低于1，表明在标准化暴露假设下，估算的慢性膳食暴露未超过选定的口服参考剂量。Cd是HI的主要贡献者。但由于使用平均浓度可能掩盖Nachisenga等站点的高暴露风险，且膳食评估假设的摄入量和体重来自文献而非本地调查数据，因此未来应开展更精细的本地化暴露评估。
**研究结论：** 本研究表明，干旱期间Itezhi-Tezhi湖三种本土罗非鱼必需元素和潜在毒性元素的积累呈现出明显的空间格局与物种特异性模式。在标准化暴露假设下，Cu、Zn和Cd的目标危害商数及相应危害指数均低于1，表明估算的慢性暴露未超过选定的口服参考剂量。必需元素（尤其是Ca、Mg、Cu和Zn）的浓度相对较高，且显示出与生理调节广泛相容的协调关系。与之相对，Cd和Pb表现出更强的空间结构化特征，以Nachisenga站点的鱼类肌肉浓度最高，这表明Nachisenga是鱼类Cd和Pb积累升高的关键区域，尽管其环境来源和暴露途径尚未明确。Ca、Zn、Cd和Pb之间的关联为离子模拟、竞争性吸收和金属结合过程的可检验假说提供了基础，但这些关系本身并不直接证明所提出的机制。干旱相关的水量、稀释效应、栖息地可用性和颗粒物分布变化也可能改变了暴露条件，但其影响无法与站点间持续的空间差异区分开来。持续的监测和跨水文周期的综合调查将有助于阐明控制元素积累的过程。此类工作应将鱼类、水体、沉积物、悬浮物和食物生物的分析与多组织评估、生理生物标志物和受控暴露实验相结合，以增进对热带淡水渔业中元素积累及其食品安全影响的环境与生物学过程的理解。
