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重金属污染对黑眉信天翁肝MT水平的影响及生物标志物验证
吉列尔梅·德·埃斯平多拉·达·席尔维拉（Guilherme de Espindola da Silveira）| 吉列尔梅·多斯·桑托斯·利马（Guilherme dos Santos Lima）| 芭芭拉·帕切科·哈里森·里盖托（Bárbara Pacheco Harrison Righetto）| 卡米拉·利萨布·维拉斯克斯·巴斯托利亚（Camila Lisarb Velasquez Bastolla）| 雅科·若阿金·马托斯（Jacó Joaquim Mattos）| 阿莫里·安东尼奥·梅内加里奥（Amauri Antonio Menegário）| 阿方索·塞尔索·迪亚斯·巴伊尼（Afonso Celso Dias Bainy）| 卡里姆·哈恩·吕赫曼（Karim Hahn Lüchmann）| 帕特里夏·佩雷拉·塞拉菲尼（Patricia Pereira Serafini）
水生污染生物标志物与免疫化学实验室（LABCAI），圣卡塔琳娜联邦大学（UFSC），弗洛里亚诺波利斯，SC，88.037-000，巴西
摘要
金属类物质在自然界中普遍存在；然而，人类活动可能会向生态系统释放大量这些物质，从而对生物群落构成威胁。作为对此类暴露的反应，生物体会诱导产生金属硫蛋白（MT），这是一种参与多种生物体内金属解毒的低分子量蛋白质。在本研究中，我们调查了肝脏中金属硫蛋白水平与砷（As）、镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）、锰（Mn）、钼（Mo）、铅（Pb）和锌（Zn）浓度之间的关系，同时考虑了其他生物学变量，研究对象是滞留在巴西东南海岸的黑眉信天翁（Thalassarche melanophris）。通过相关性和线性回归分析，仅发现锌（Zn）与肝脏金属硫蛋白水平之间存在正相关关系。此外，广义加性模型（GAM）表明锌是预测金属硫蛋白变异性的最佳指标，这支持了将金属硫蛋白作为黑眉信天翁锌暴露生物标志物的应用。其他显著影响金属硫蛋白水平的因素包括肝脏中镉、汞、锰和铅的浓度，以及体重、性别和胃肠道内固体碎片的存在。广义加性模型显示金属硫蛋白水平与镉、汞和锌浓度之间存在复杂的非线性关系。起初，金属硫蛋白与锌之间存在正相关，但当锌浓度超过约600 mg·kg?1 dw时，这种关系发生逆转。对于镉和汞而言，情况则相反：起初，随着这两种金属浓度的增加，金属硫蛋白水平趋于下降，但在达到某个转折点后又会再次上升。这些结果表明，多种解毒途径可能与金属硫蛋白共同发挥作用，强调了综合评估海鸟金属类物质暴露情况的必要性。
引言
金属类物质天然存在于生物圈中，主要来源于火山活动和大陆岩石的风化作用，通过土壤淋溶和大气沉降进入水生环境（Richir和Gobert，2016）。然而，诸如采矿、农业、城市开发和工业过程等人为活动显著增加了这些物质在水生环境中的输入量，对生物群落构成了风险（Richir和Gobert，2016；Kolarova和Napiórkowski，2021；Reichelt-Brushett和Batley，2023）。虽然某些金属，如铜（Cu）、铁（Fe）、锰（Mn）和锌（Zn）对大多数生物体的发育和稳态维持至关重要，但高浓度下它们可能具有毒性（Souza等人，2019）。相比之下，非必需金属如镉（Cd）、汞（Hg）和铅（Pb）没有已知的生物学功能，即使在低浓度下也会引发毒性效应（Theron等人，2012；Sun等人，2020；Hernández-Domínguez等人，2025）。
脊椎动物主要通过饮食吸收金属类物质。在体内，这些物质可能与细胞成分相互作用，被储存或通过金属硫蛋白（MT）或形成不溶性沉淀物进行解毒（Gallien等人，2001；Wallace等人，2003；Wallace和Luoma，2003；Manceau等人，2021）。金属硫蛋白是存在于多种生物体内的低分子量、富含半胱氨酸的细胞内蛋白质。尽管其具体功能尚未完全阐明，但已知它们在维持必需金属的稳态、解毒有毒金属、向金属蛋白输送金属以及抵御氧化应激方面起着关键作用（Isani和Carpenè，2014；Amiard等人，2006）。在鸟类中，两种金属硫蛋白异构体——MT1和MT2——由不同的基因编码（Isani和Carpenè，2014）。这两种异构体都含有63个氨基酸，其中20个半胱氨酸残基位于保守位置，并在多种组织中广泛表达（Nam等人，2007；Isani和Carpenè，2014）。
对于寿命较长的顶级捕食者（如海鸟）而言，金属硫蛋白在金属暴露和解毒中的作用尤为重要。由于海鸟寿命长且处于食物链较高位置，它们倾向于在体内积累金属类物质（Einoder等人，2018）。这些特征，加上它们相对较大的体型、显眼的体型以及通常群居的生活方式，使海鸟成为海洋生态系统中环境污染的理想生物指示物（Burger和Gochfeld，2004）。信天翁正是这类鸟类的代表，因此被认为是海洋区域环境污染的宝贵指标。然而，它们的远洋生活方式给研究带来了挑战，因为成鸟和幼鸟通常只在繁殖季节才能被观察到（Del Hoyo等人，2020；Billerman等人，2025）。此外，它们广泛的迁徙行为使得污染热点难以识别，只能通过追踪技术和/或稳定同位素分析来推断（Renedo等人，2021；Baak等人，2024）。
在所有南半球的海洋中都能找到黑眉信天翁（Thalassarche melanophris），估计其成熟个体数量约为1,400,000只（Birdlife International，2025）。它们的主要食物是甲壳类动物和鱼类，经常跟随渔船活动，这增加了与人类活动发生负面互动的风险。像大多数远洋鸟类一样，黑眉信天翁大部分时间都在海上度过，仅在繁殖季节返回孤立的海岛上筑巢（Del Hoyo等人，2020）。这些生态特征，加上它们较长的寿命和较高的食物链位置，使它们容易积累大量的金属类物质（Cherel等人，2018；Lima等人，2023；Lima等人，2025）。然而，关于该物种中金属硫蛋白水平与金属生物积累之间的关系知之甚少。
在这种情况下，金属硫蛋白被提出作为金属暴露的宝贵生物标志物（Amiard等人，2006）。针对海鸟的研究报告了肝脏和肾脏中金属硫蛋白水平与镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）和锌（Zn）浓度之间的正相关关系（例如，Elliott等人，1992；Stewart等人，1996；Elliott和Scheuhammer，1997；Trust等人，2000；Barjaktarovic等人，2002；Kojadinovic等人，2007；Braune和Scheuhammer，2008；Kehrig等人，2015）。然而，大多数研究仅关注线性关联，而污染物-生物体的反应往往是非线性的，并受到环境和其他生态因素的影响（Walker，2014）。
在本研究中，我们调查了巴西桑托斯盆地沿岸搁浅的黑眉信天翁肝脏中金属硫蛋白水平与砷（As）、镉（Cd）、铜（Cu）、汞（Hg）、锰（Mn）、钼（Mo）、铅（Pb）和锌（Zn）浓度之间的关系。基于对其他海鸟物种的类似研究，预计金属硫蛋白水平与镉、铜、汞和锌等金属之间存在正相关关系。同时，我们也假设当考虑其他生物学变量时，这些关系会偏离简单的线性趋势。因此，我们还研究了生物学变量（性别、体重和身体状况）和压力因素（寄生虫负担和摄入固体碎片）对肝脏金属硫蛋白水平的影响。我们采用了广义加性模型（GAM）来识别潜在的复杂非线性关系，旨在评估金属硫蛋白作为黑眉信天翁金属暴露生物标志物的有效性，并为未来的海洋环境监测计划提供参考。
样本收集
2017年至2023年间，在巴西南部和东南部海岸，由参与桑托斯盆地海滩监测项目（Projeto de Monitoramento de Praias da Bacia de Santos – PMP-BS）的机构在进行监测期间收集了搁浅的黑眉信天翁尸体（图1）。由于黑眉信天翁的远洋生活方式，绝大多数尸体在分解过程中已经处于中等或更高级阶段（根据Geraci的分类标准）。
样本特征分析
共分析了19只黑眉信天翁，包括11只雌性和8只雄性。大多数为幼鸟（n = 17），仅有2只成鸟。身体状况以消瘦为主（n = 12），其次是消瘦严重的（n = 6），另有1只身体状况良好。68%的鸟类（n = 13）的胃肠道内检测到内寄生虫，26%的鸟类（n = 5）体内有固体碎片。体重范围在1.4至4.0公斤之间。有关肝脏中金属类物质的详细数据...
生物学变量对金属类物质浓度的影响
在本研究中，发现胃肠道内存在内寄生虫的黑眉信天翁肝脏中的镉浓度显著较高。多项研究表明，长期接触镉可能损害不同动物模型的免疫反应（例如，Wang等人，2021），这表明镉负担较重的鸟类可能更容易受到寄生虫感染，这与我们的发现一致。
此外...
结论
本研究证明了黑眉信天翁肝脏中锌（Zn）与金属硫蛋白浓度之间存在强烈的正相关关系，广义加性模型分析表明锌是预测金属硫蛋白变异性的最强指标。这些发现支持将金属硫蛋白作为该物种锌暴露生物标志物的潜力。其他显著影响金属硫蛋白水平的因素包括镉、汞、锰和铅的浓度，以及体重、性别和胃肠道内固体碎片的存在。
伦理与许可
本项目获得了巴西环境机构SISBIO/ICMBio和IBAMA颁发的所有必要许可。
CRediT作者贡献声明
吉列尔梅·德·埃斯平多拉·达·席尔维拉（Guilherme de Espindola da Silveira）：撰写——初稿、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。
吉列尔梅·多斯·桑托斯·利马（Guilherme dos Santos Lima）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究、数据分析。
芭芭拉·帕切科·哈里森·里盖托（Bárbara Pacheco Harrison Righetto）：撰写——审阅与编辑、方法论、数据分析。
卡米拉·利萨布·维拉斯克斯·巴斯托利亚（Camila Lisarb Velasquez Bastolla）：撰写——审阅与编辑、方法论、概念化。
雅科·若阿金·马托斯（Jacó Joaquim Mattos）：资助
本研究得到了ICMBio（02061.000187/2021-95）、KHL（资助编号#313843/2023-6）和ACDB（资助编号#311725/2021-0）的支持，这些机构提供了CNPq生产力奖学金。
致谢
我们衷心感谢桑托斯盆地监测项目（Projeto de Monitoramento de Praias da Bacia de Santos – PMP-BS）的整个团队在野外工作、样本收集和运输方面所做的不可或缺的努力。PMP-BS项目是巴西联邦环境机构要求PETROBRAS在盐下层区域进行海上石油和天然气勘探及生产许可的必要条件。我们还要感谢PETROBRAS允许我们使用相关数据。
