野生蘑菇中铼的环境赋存与删失感知定量分析：基于英国莱斯特与莱斯特郡绿地样本的ICP–MS研究

《International Journal of Molecular Sciences》：Rhenium in Wild Mushrooms: Environmental Occurrence and Censoring-Aware Quantification

　　

摘要专业翻译 铼（Rhenium, Re）是一种稀缺的技术关键性过渡金属，用于高温超级合金、催化剂及其他先进材料，但其在陆地生物群中的赋存及其与环境暴露的潜在关联仍未得到充分表征。本研究采用电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP–MS）结合删失感知统计分析，调查了采集自英国莱斯特与莱斯特郡选定绿地的野生蘑菇子实体中的总Re含量。分析数据集包含157条记录。在排除4条无法匹配的组织单独记录后，153份分析样本被重建为121个蘑菇子实体层面的生物学单元，从而避免了将分别分析的菌盖与菌柄组织视为独立样本所导致的伪重复问题。分析过程纳入了程序消化空白、样本特异性干重分析限值及区间删失处理。在主要分析情景下，121个单元中有73个（60.3%）为未检出，21个（17.4%）检出值低于操作定量下限（lower limit of quantification, LLOQ），7个（5.8%）为部分定量，20个（16.5%）为完全定量。总体而言，121个单元中有48个（39.7%）至少含有一个高于操作检测阈值的Re信号，27个（22.3%）含至少一个定量有效组分。完全定量的浓度范围为3.91至163.70 ng g?1（干重）。完整数据集包含73个左删失、28个区间删失和20个精确观测值。区间删失对数正态模型估计总体中位数为1.055 ng g?1干重（95%自助法置信区间：0.672–1.571），全部1000次自助法重拟合均成功收敛。在主要定义与更严格的同批次程序空白定义下，所有59个可直接比较的单元分类结果完全一致。这些发现拓展了野生真菌子实体中Re赋存的有限证据，应将其解读为环境赋存数据，而非不良风险或安全性的证据。由于总元素态Re无法解析化学形态、胃肠道生物可及性或内剂量，所测浓度不足以支持膳食暴露或人类健康风险的定量评估。

论文解读

一、研究背景与意义

铼（Rhenium, Re）是地壳中丰度最低的天然元素之一，却因其极高的熔点、热稳定性和优异的难熔金属体系性能而具有重要的技术价值，主要应用于航空与燃气轮机部件的镍基高温超级合金、石油精炼中的铂–铼催化剂，以及热电偶、电触点、X射线靶材和先进涂层等专门领域。在氧化条件下，Re(VII)常以高铼酸根阴离子（ReO₄^?）形式存在，这是一种相对可溶且环境迁移性较强的物种。已有研究证实，环境可利用的Re能够进入陆地生物系统：日本农业土壤中总Re的几何均值约为0.23–0.34 ng g^?1，且水溶性Re占比因土壤类型而异；营养液暴露实验显示萝卜对Re和锝（Tc）具有相似的吸收和分布行为；苜蓿叶片中可积累大量Re且大部分可水提取；莴苣的受控暴露实验也表明Re可被浓度依赖性地吸收并产生生理效应。

野生蘑菇为研究陆地元素赋存提供了补充性且相对未被充分利用的基质。子实体的元素组成反映了底质地球化学、元素生物可利用性、真菌种类与生理、营养或生态策略、菌丝体分布以及微环境异质性之间的相互作用。然而，关于蘑菇中Re赋存的直接证据极为有限：仅有一项波兰研究在26元素调查中报告了Re含量，另有商业栽培香菇及Re富集矿区真菌中的零星报道。现有研究确立了真菌对Re的掺入能力，但缺乏在非矿化公共绿地的常规环境监测条件下野生蘑菇中Re赋存的信息。此外，Re的环境毒理学意义不能仅凭总元素浓度推断——可溶性高铼酸盐的急性毒性相对较低，但其他Re化合物具有不同的毒理学特征，且高铼酸根可通过钠–碘同向转运体（sodium-iodide symporter, NIS）被生物转运。因此，本研究旨在重建可追溯的蘑菇子实体层面Re数据集，利用研究特异性和样本特异性的操作分析限值表征检出与定量覆盖情况，采用删失感知方法估计潜在浓度分布，评估替代程序背景定义下分类的稳定性，并描述位置特异性和分类学层面的赋存模式，最终将真菌Re赋存置于环境迁移性、暴露相关不确定性、化学形态及外部毒理学文献的更广泛框架中。

二、研究设计与技术方法

研究人员从英国莱斯特市及莱斯特郡的公共绿地和选定乡村地点采集野生蘑菇子实体，野外采样于2019年9月12日至11月18日间的12个日期进行，仅选取新鲜、幼嫩且宏观完整的子实体，佩戴丁腈手套采集并单独封装。分类鉴定基于宏观特征并结合真菌核糖体内部转录间隔区（internal transcribed spacer, ITS）分子DNA条形码确认。样品经清洗、组织分离（菌盖与菌柄）后于50°C烘干至恒重，液氮低温研磨匀浆。采用密闭容器非微波酸消解（65% HNO₃ + 30% H₂O₂，96°C加热12小时），消解液过滤后定容至25 mL，进样前经11倍手动稀释。Re以¹⁸⁷Re通过电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP–MS）测定，仪器为PerkinElmer NexION 2000B，配备prepFAST M5自动进样系统，采用标准模式无碰撞池气体，驻留时间25 ms，总积分时间500 ms，并施加?0.121660 × ¹⁸⁹Os响应的数学干扰校正。外部校准涵盖0.005–0.137 μg L^?1五个非零标准，线性回归R2 = 0.999476，最低校准标准（0.005 μg L^?1）的RSD为7.15%、回算误差为?14.05%，被保留为研究特异性操作定量下限（lower limit of quantification, LLOQ）。质量保证包括程序酸消解空白、2% HNO₃仪器洗涤、¹¹⁵In内标归一化、独立来源的Re水溶液质控及NIST SRM 1570a菠菜叶基质参考物质。统计分析采用R 4.3.1，主要方法为区间删失对数正态模型（使用survival包的survreg函数），辅以非参数自助法（1000次重采样）估计中位数不确定性，并以对数逻辑、韦布尔和伽马分布进行分布敏感性分析。此外，研究人员还利用850个表层土壤增量合并生成的26个点位级复合表层土壤作为背景环境数据。

三、研究结果

数据集重建与分析性能。 原始157条蘑菇分析记录经排除4条无法匹配的组织单独记录后，153份分析样本（89份整子实体记录和64份对应32对菌盖–菌柄配对的组织特异性记录）被重建为121个蘑菇子实体层面的生物学单元。8个程序空白定义了主要程序背景总体，得出情景A的操作检测阈值为0.001046 μg L^?1（引入液尺度）。分析部分质量的差异导致样本特异性干重检出限和定量限不同。

Re赋存与删失感知浓度分布。 在情景A下，121个单元中73个（60.3%）为未检出，21个（17.4%）检出值低于操作LLOQ，7个（5.8%）为部分定量，20个（16.5%）为完全定量。完全定量浓度范围为3.910至163.705 ng g^?1干重，中位数为10.562 ng g^?1干重。完整数据集包含73个左删失、28个区间删失和20个精确观测值，83.5%为非精确观测。区间删失对数正态模型估计总体中位数为1.0548 ng g^?1干重，1000次自助法重拟合全部收敛，95%置信区间为0.6724–1.5711 ng g^?1干重。分布敏感性分析显示对数正态与对数逻辑模型支持度相当且中位数估计几乎一致。值得注意的是，完全定量单元中¹⁸⁷Re仪器RSD范围为44.22%–183.07%，表明超痕量信号水平下存在显著的重复测量变异性。

位置特异性和分类学层面的Re赋存模式。 城堡花园（Castle Garden）17个单元全部检出Re信号，其中14个完全定量，但该位置所有样本均属ITS扩增失败的不明分类群，且全部在B01和B02分析批次中测定，位置、分类学状态和分析批次存在结构性混杂。圣奥古斯丁路（St Augustine Road）22个单元中21个有检出证据。维多利亚公园（Victoria Park）有3个完全定量单元，修道院公园（Abbey Park）有1个完全定量和3个低于LLOQ检出。多个公园未检出Re信号。在命名分类群中，Agaricus bitorquis（22个单元）和Mycena citrinomarginata（22个单元）表现出相对较高的检出比例，但这些模式仅作描述性解读。

菌盖–菌柄重建。 32对匹配的菌盖–菌柄分析部分中，仅2对两个组分均产生定量精确结果，7对含一个精确组分，其余23对无精确组分。数据不足以支持菌盖与菌柄间Re浓度的推断性比较，配对测量仅用于按记录干重加权重建子实体层面的浓度或删失区间。

分析背景定义的敏感性。 情景B（更严格的同批次程序空白要求）可评估59个单元，与情景A的100%分类一致。情景C（纳入全部18个历史空白，包括早期高空白阶段）将120/121个单元分类为未检出，作为保守敏感性边界。情景D（仪器洗涤背景）与情景A的分类模式高度一致。

背景复合表层土壤数据集。 26个点位级复合表层土壤的52个物理子样本均低于操作检测阈值（约79.0 ng g^?1干重），包括与9个蘑菇采集点位匹配的土壤复合样本。由于土壤数据完全左删失，未计算定量土壤–蘑菇相关性、浓度比、生物富集因子或转移因子。

四、讨论与结论

讨论部分指出，本研究的Re检出范围（0.00391–0.16370 mg kg^?1干重）与此前报道的蘑菇Re浓度域部分重叠，但低于矿化环境中记录的最高值。真菌中Re的赋存与氧化态Re的环境行为一致——高铼酸根的可溶性有利于环境迁移，但土壤总Re并不代表潜在可转移部分。点位级土壤比较显示，土壤非检出不能解释为Re不存在，因为土壤方法检测阈值（约79 ng g^?1干重）远高于既往非富集农业土壤中约0.23–0.34 ng g^?1的报道浓度，也高于本研究蘑菇中位数1.055 ng g^?1干重。大气沉降仍是一个可能的额外途径，但本研究未进行来源归因。关于人类健康解读，总元素Re浓度无法确定消化过程中从食物基质释放的化学形态、胃肠生物可及部分或后续可被系统吸收的比例。早期实验研究显示可溶性高铼酸盐急性毒性相对较低，但Re化合物的毒理学特征因化学形态而异，且高铼酸根可通过钠–碘同向转运体被生物转运。因此，所测浓度既不应被解读为不良健康风险的证据，也不应被视为安全性的证据。研究还明确区分了环境Re与合成Re化合物（如Re(I)三羰基配合物）的文献语境，强调药理学和化合物特异性发现不能定量外推至环境蘑菇样品中测得的超痕量总元素Re。分析层面，研究强调了删失数据处理的重要性——排除删失观测会偏向保留高浓度样本，而固定值替代会强加分析证据中不存在的数值。

研究结论为：本研究提供了英国莱斯特和莱斯特郡选定绿地中机会性采集的野生蘑菇子实体中Re赋存的证据。在主要分析情景下，121个子实体单元中有48个含有高于操作检测阈值的Re证据，包括20个完全定量和7个部分定量单元。完全定量浓度范围为3.91至163.70 ng g^?1干重。保留分析删失结构至关重要，因为83.5%的数据集由非精确观测组成。区间删失对数正态模型估计总体Re浓度中位数为1.055 ng g^?1干重（95%自助法置信区间：0.672–1.571 ng g^?1干重），而主要定义与更严格的同批次程序空白定义下所有59个可直接比较单元的完全分类一致性支持了主要赋存分类的稳健性。这些发现拓展了在非已知Re矿化环境中野生真菌Re赋存的有限证据，但不应被视为英国绿地、更广泛真菌多样性或季节与年际变化的代表性样本。然而，总元素Re浓度本身无法定义膳食暴露或人类健康风险，因为化学形态、食品加工行为、胃肠道生物可及性、系统吸收和内剂量仍未解决。因此，本数据应被解读为环境赋存的证据，而非不良风险或安全性的证据。