《Environmental Pollution》：Differential Effects of Gallium and Indium Addition on Metal Bioavailability and Toxicity in Paddy Soils: Insights from a Soil–Water–Fish Exposure System
编辑推荐：
本研究利用幼年鲤鱼模型生物，评估了酸性富含铝的Pc土壤和碱性低铝的Su土壤中镓和铟的生物有效性及生态毒性。结果表明，Pc土壤中镓显著促进铝活化释放，导致鱼类高死亡率；而Su土壤中镓和铟虽毒性较低，但仍引发生长抑制和游泳行为改变。该系统为评估高科技相关金属的农业生态风险提供了有效框架。
陆胜兰|迈克尔·埃德伯特·苏里亚诺|詹宜毅|陈佩珍
台湾国立大学生物资源与农业学院农业化学系，台北，台湾
摘要
镓（Ga）和铟（In）是半导体和光电行业中广泛使用的关键金属，它们的化合物对现代电子设备至关重要。然而，不当的处理和工业废水导致这些金属成为环境污染物，尤其是在稻田等农业系统中。这些金属在这些农业生态系统中的环境归趋、生态毒性以及对食品安全的潜在风险仍知之甚少。本研究开发了一种静态的土壤-水-鱼类暴露系统，使用青鳉（Oryzias latipes）作为模式生物，来研究两种不同性质稻田土壤中镓和铟的生物可利用性和毒性：一种是富含铝（Al）的酸性平镇（Pc）土壤，另一种是中性的低铝桑康（Su）土壤。顺序提取和KCl提取结果显示，随着镓或铟浓度的升高，Pc土壤中的交换性铝显著增加。土壤pH值强烈影响金属的迁移性和生物可利用性——Su土壤释放更多的可溶性镓，而Pc土壤释放更多的可溶性铟，其中镓显著增强了铝从土壤向水相的迁移。暴露于高浓度镓（>1 mmol/kg）或铟（>4 mmol/kg）的青鳉表现出显著的死亡率，这可能是由于铝的置换和释放。在Su土壤中未观察到显著死亡率，但暴露的鱼类以剂量依赖的方式积累了镓或铟，即使在较低暴露水平下也导致了生长抑制和游泳行为改变等亚致死效应。这些发现表明，稻田土壤中的镓和铟污染会破坏土壤-水的化学平衡，增加铝的释放，并对青鳉产生致死和亚致死毒性效应。所建立的土壤-水-鱼类暴露系统为评估新兴高科技相关金属的农业生态风险提供了有效的框架。这强调了进行环境监测和制定土壤质量标准的必要性，以确保可持续的稻米生产和食品安全。
引言
镓（Ga）和铟（In）是高科技领域中越来越需要的关键元素，用于半导体、光电设备和透明导电薄膜，因为它们能够实现高效能的芯片（Alfantazi和Moskalyk，2003；Wesselkaemper等人，2025）。特别是，镓形成了III-V族化合物，如砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN），这些化合物广泛应用于太阳能电池、发光二极管（LEDs）、激光器和集成电路（ICs）（Moskalyk，2003；Wesselkaemper等人，2025）。铟在日常技术中发挥着重要作用，尤其是在智能手机、显示器和光伏设备中，而基于铟的半导体如磷化铟（InP）和砷化铟（InAs）表现出优异的电子和光学性能（Battaglia和Peng，2002；Xiao等人，2026）。同时，67Ga和111In这两种放射性同位素也被用于医学扫描或抗癌应用（Bernstein，1998；Collery等人，2002）。
研究表明，高科技制造业的扩张以及含有镓或铟的工业废物和废水已成为土壤、地下水、空气和海洋环境的潜在污染源（Bu-Olayan和Thomas，2020；Chen，2006；Ha等人，2009；Uryu等人，2003；White和Shine，2016）。如表S1和表S2所总结的，全球地质调查和研究文献中报告的土壤中镓和铟的背景浓度范围为0.08 – 437 mg/kg（镓）和0.005 – 75 mg/kg（铟），由于采矿、工业操作和废物处理等人为活动，这些浓度显著增加。在工业区，镓的浓度可超过90 mg/kg，在金属加工设施附近甚至可达437 mg/kg（Po?edniok等人，2012），而铟在自然土壤中较少见，但在采矿、冶炼或制造场所附近可积累至75 mg/kg（Boughriet等人，2007；Mejías等人，2025）。
由于镓和铟是不可降解的金属，可能会增加接收环境的暴露和生物累积风险，因此暴露于受污染的栖息地可能会破坏生物的丰度、活动和多样性，从而通过直接吸收或食物网中的营养传递带来生态威胁（Jensen等人，2018；Syu等人，2021；Syu等人，2020）。水稻（Oryza sativa）的种植对全球粮食安全至关重要，但由于依赖河水、灌溉渠道和地下水，受镓或铟污染的土壤可能导致污染物在稻田中积累，增加环境风险和食品安全问题（Chang等人，2020b；Chen，2006）。在含有镓或铟的土壤中生长的水稻主要在根部积累了这些元素，虽然少量但可测量的元素会转移到谷粒中（Syu等人，2020），尽管小麦和水稻中的镓和铟的毒性受pH值和土壤中铝（Al）含量的显著影响（Su等人，2018；Syu等人，2021）。镓的迁移性比铟更强，在低铝可利用性的酸性土壤中其浓度更高（Chen等人，2022）。相比之下，铟在根部保留得更牢固，转移到谷粒中的量很少，尽管在抛光大米中仍能检测到微量（Chang等人，2023）。在受污染的稻田条件下，镓和铟都可以通过饮食途径进入水稻食物链，成为人类暴露的次要途径（Chang等人，2023；Chen等人，2022；Zhang等人，2023）。
尽管镓和铟对水生生物的急性毒性较低（例如，96小时半数致死浓度50）在mg/L水平（表S3）（Betoulle等人，2002；Zurita等人，2007），但它们在稻田暴露条件下的亚致死效应仍不甚清楚。鉴于镓和铟污染对稻田土壤的生态毒理学影响的不确定性，快速有效的生物监测和毒性测试对于评估受污染稻田土壤的危害风险至关重要。常用的土壤毒性测试模式生物包括蚯蚓和Caenorhabditis elegans（Fründ等人，2010；Graves等人，2005）；然而，这些物种不适合稻田典型的淹水条件（Schaefer，2003；Yasmin和D′ Souza，2010）。将化学和毒理学测试与适当的模式生物结合使用，可以更准确地评估稻田土壤污染物的生物可利用性和毒性。
青鳉（Oryzias latipes），俗称“稻鱼”，最初在日本稻田中发现，是一种广分布于亚洲水生环境中的广盐性物种（Wittbrodt等人，2002）。作为较高营养级的消费者（如脊椎动物），青鳉在稻田生态系统中起着关键作用。它与人类的基因相似性和脊椎动物的生理特性使其成为生态风险评估的理想候选者（Ishikawa，2000；Wittbrodt等人，2002）。青鳉还具有耐寒、耐盐和抗病性，在实验室或野外条件下易于饲养，并且对许多环境毒素或受污染的水、沉积物或土壤样本敏感（Chen等人，2020；Hsu等人，2022；Padilla等人，2009）。
本研究的创新之处在于应用了一种土壤-水-鱼类暴露系统，该系统结合了化学分析和生物毒性测试，使用青鳉作为模式生物来评估受镓或铟污染的稻田土壤的生物可利用性和生态毒性效应。研究了两种性质不同的稻田土壤：一种是富含铝的酸性平镇（Pc）土壤，另一种是中性的低铝桑康（Su）土壤，以揭示金属在土壤向水相（如孔隙水和上层水）的迁移性以及镓和铟污染与暴露鱼类之间的因果关系。重点关注了高铝含量的酸性土壤，在这种土壤中，镓或铟污染可能会引发铝从土壤基质中的释放，从而比单独的镓或铟污染带来更大的生态风险。本文明确讨论了镓和铟污染在稻田土壤及相关农业生态系统中的综合环境风险影响，特别是铝迁移的作用。
章节片段
土壤采样、预处理和表征（化学添加前）
遵循我们之前研究的方案（Hsu等人，2022），收集了两种性质不同的稻田土壤：一种是铝含量较高的酸性平镇（Pc）土壤（24.909215°N，121.186447°E），另一种是铝含量较低的中性桑康（Su）土壤（24.16683°N，120.48880°E）。分析了两种土壤的基本物理化学性质，包括土壤中的铝含量，并列在表1中。土壤在室温下风干，轻轻研磨后进行后续处理
土壤性质对金属从土壤向水相迁移的影响
表1显示了添加化学物质之前的Pc和Su土壤的物理化学特性，几个参数存在显著差异（p < 0.05）：Pc土壤的pH值较低（4.48 vs. 6.82），有机质含量（SOM）较高（9.03 vs. 3.52 g/kg），阳离子交换容量（CEC）也较高（9.00 vs. 6.10 cmol/kg）。此外，Pc土壤中含有更多的游离态和非晶态的铁和铝氧化物，而锰氧化物则没有这种差异。这些土壤性质的差异表明Pc土壤具有更强的
土壤pH值和结合活性控制镓和铟污染土壤中金属的迁移性和铝的置换
在添加镓或铟并进行三次淹水-干燥循环后，这两种金属主要存在于可还原（F2）和可氧化（F3）组分中，只有少量存在于酸交换性（F1）组分中（表S6），表明90天的添加过程有效地模拟了原位污染情况。本研究首次证明了pH值（在土壤中，图S2；以及孔隙水中，表S9）和金属结合能力在影响受污染金属迁移性方面起着不同的作用
结论
在本研究中，土壤pH值强烈影响土壤-水-鱼类系统中的金属迁移性：中性的Su土壤促进了镓的释放，而酸性的Pc土壤在镓污染条件下促进了铟和铝的释放。因此，受镓（>1 mmol/kg）或铟（>4 mmol/kg）污染的Pc土壤导致青鳉的死亡率显著升高，其中镓的急性毒性更为明显，这与镓引起的铝置换和随后的铝释放密切相关
CRediT作者贡献声明
陈佩珍：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。詹宜毅：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，软件，资源，项目管理，数据管理。迈克尔·埃德伯特·苏里亚诺：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，数据管理。陆胜兰：
利益冲突声明
? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：陈佩珍和詹宜毅报告称获得了国家科学技术委员会的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC 112-2221-E-002 -061 -MY3、NSTC 114-2111-M-002-006 和 NSTC 114 2811-E-002-006）的财政支持
