《Microchemical Journal》：Monitoring essential and non-essential elements in lemurs using non-invasive sampling: a one health perspective
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本研究针对濒危动物物种（狐猴）健康监测中面临的元素暴露风险评估难题，采用无创生物监测（non-invasive biomonitoring）技术，评估了四种狐猴毛发、粪便和血液中的元素组成。通过ICP-MS、ICP-OES和GF-AAS等分析方法并结合多元统计，研究发现不同基质、地理来源和季节下的元素含量差异显著。该研究证实了无创生物监测在评估生态系统和动物健康方面的有效性和伦理优势，为自然和管理环境下的生物多样性保护提供了可复制的、符合“同一健康”原则的操作模型。
在环境污染物日益威胁全球生物多样性与生态健康的背景下，对濒危物种健康状况的监测尤为重要。无机污染物，特别是潜在有毒元素（Potentially Toxic Elements, PTEs），因其持久性、跨环境介质迁移性以及在食物链中的生物积累性，即使在低浓度下也可能带来风险。然而，对于像狐猴这样脆弱且对保护至关重要的类群，其生理功能受污染物影响的数据却出人意料地匮乏。这种科学证据的缺失，可能导致与生物多样性丧失相关的风险被低估，从而削弱生态系统保护和野生动物保护的努力。更重要的是，现有研究通常局限于单一生物基质或有限的分析物列表，限制了跨地区研究的比较，也阻碍了对地质成因、饲养相关输入和真实污染源之间的清晰区分。面对这些问题，研究者们亟需创新的、标准化的、无创的监测方法，以评估濒危物种的元素暴露水平，并理解其与栖息地环境之间的关联。这正是发表在《Microchemical Journal》上的这项研究旨在填补的空白。
本研究采用了一种符合“同一健康”原则的创新非侵入性标准化方法，旨在监测四种狐猴（Lemur catta, Eulemur macaco, Eulemur mongoz, Eulemur rubriventer）毛发、粪便和血液中的元素含量。研究选取了两个具有对比性和代表性的地点：意大利都灵的Bioparco Zoom动物园和马达加斯加塔那那利佛的Parc Botanique et Zoologique de Tsimbazaza。通过对比不同地理位置、基质和季节的样本，研究揭示了元素分布与地理来源、生物基质以及环境因素的显著关联。其核心结论是，毛发样本反映了长期积累机制，与原始栖息地的地球化学特性相关，而粪便样本则对环境短期变化（如季节变化）敏感。这证实了无创生物监测作为一种实用且合乎伦理的方法，在评估生态系统和动物健康方面的有效性，为未来在自然和管理环境中的应用提供了可复制的模型，有助于制定有针对性的生物多样性保护策略。
为了开展此项研究，研究团队运用了多种关键技术方法。采样方面，研究者从两个地点的四种狐猴中，采用标准化方案无创地收集了毛发、粪便和血液样本，并在意大利采集了土壤、水和饲料样本作为环境对照。样本预处理方面，针对毛发、粪便、血液、土壤和水等不同基质，采用了微波辅助酸消解等标准化前处理流程，以将生物和环境样品转化为可供分析的水溶液。元素分析方面，核心依赖于三种互补的仪器分析技术：电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, ICP-MS）、电感耦合等离子体发射光谱法（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy, ICP-OES）和石墨炉原子吸收光谱法（Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy, GF-AAS），具体元素根据其浓度水平和干扰情况由不同技术测定。数据处理方面，使用Python对数据进行了预处理（如对数转换和自标度化），并应用了t检验、火山图和多变量化学计量学技术，特别是主成分分析，来识别不同组别（如地理位置、基质、季节）之间的差异模式和相关性。
土壤、水和饲料的表征：结果表明，意大利和马达加斯加的土壤和水样本具有明显不同的元素特征。意大利土壤以高浓度的铬（Cr）和镍（Ni）为特征，这反映了都灵地区冲积土壤中这些元素的地质成因来源。而马达加斯加土壤则显示出较高的铅（Pb）浓度，很可能来源于采矿、车辆排放等人为污染源。水样分析也反映了这些环境差异，意大利水样以钙（Ca）、镁（Mg）含量较高为特征，而马达加斯加水样则含有较高浓度的铅等微量元素。饲料分析显示，其中必需元素（铁Fe、铜Cu、锌Zn、锰Mn）浓度差异较大，但也检测到镉（Cd）、铅（Pb）、砷（As）等痕量元素，但大多在法规限值之内。
意大利数据集中的元素分布：对最全面的意大利数据集分析发现，不同生物基质中的元素分布存在差异。粪便中大多数元素的浓度最高，包括必需的宏量营养素（如镁Mg、钙Ca、铁Fe、锰Mn）以及潜在有毒元素（如砷As、铬Cr），这反映了消化和排泄系统在金属稳态和解毒过程中的生理作用。毛发样本中则检测到较高浓度的钆（Gd）、镧（La）和铅（Pb），这可能与铅对含硫蛋白质（如角蛋白）的高亲和力及其在毛发结构中的积累有关。血液样本呈现出独特的元素分布模式，其钠（Na）浓度显著高于其他基质，反映了其在调节渗透平衡、神经传递和肌肉收缩中的基本作用。
毛发数据集的多变量分析：对毛发数据集的主成分分析显示，意大利和马达加斯加样本之间存在明显的分离。马达加斯加样本富含多种分析元素，而意大利样本则以较高浓度的砷（As）、钙（Ca）、铬（Cr）、铜（Cu）、钾（K）和镱（Yb）为特征。火山图分析进一步确认，定义马达加斯加样本的元素包括铝（Al）、钡（Ba）、钙（Ca）、镉（Cd）、铈（Ce）、镝（Dy）、铁（Fe）、钆（Gd）、钾（K）、镧（La）、镁（Mg）、钠（Na）、铅（Pb）、镨（Pr）、钪（Sc）、钛（Ti）、钒（V）和钇（Y），而砷（As）是意大利样本的主要区分元素。值得注意的是，区分毛发样本地理来源的大部分元素，在区分两地土壤样本时也起主导作用，这表明生物基质的元素组成与其周围环境的地球化学特征之间存在强相关性。此外，主成分分析还揭示了基于采样季节的清晰分离模式，意大利冬季（12月）样本与意大利春季（3月）及马达加斯加夏季（11月）样本明显区分，表明气候因素可能通过影响食物供应、饮食构成、代谢需求或环境中元素的生物利用度，进而影响狐猴体内的元素含量。
粪便数据集的多变量分析：对粪便数据集的分析得出了相似的结论，主成分分析揭示了清晰的季节性聚类模式。载荷图表明，稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）如铈（Ce）、钕（Nd）、镨（Pr）、钐（Sm）、钆（Gd）、铽（Tb）和镱（Yb）主要表征意大利冬季样本，而意大利春季和马达加斯加样本则主要与铁（Fe）、铝（Al）、镁（Mg）、锰（Mn）、锌（Zn）、铅（Pb）、钒（V）、钠（Na）和钾（K）相关联。与毛发数据集不同的是，粪便数据并未显示出明显的地理位置分离。这很可能是因为粪便参与了代谢排泄机制，其周转速度比毛发角蛋白基质中的积累机制更快，因此更能反映近期饮食或环境的即时变化。
生物学和生态学意义：从生态学角度看，观察到的金属积累模式差异既反映了环境可得性，也反映了物种特异的代谢过程。研究区域土壤中某些PTEs（如马达加斯加的铅Pb，意大利的铬Cr和镍Ni）的水平可能通过其神经毒性、血液毒性和生殖毒性对狐猴健康构成更大风险。然而，本研究中定量的多种元素是必需的宏量和微量营养素，它们在基质间的变异性也可能反映了饮食构成、饮水和生理调节的差异，而非仅仅是污染。同时，稀土元素和成岩元素可被主要解释为局部地球化学和土壤摄入的“指纹”，有助于在环境和生物区室之间进行来源归因，并帮助理解食土行为作为一种暴露途径的背景。鉴于狐猴中观察到的重复食土行为，有必要控制土壤中PTEs的水平，以预防慢性毒性风险，从长远保护狐猴种群的健康。
综上所述，这项研究在生态毒理学监测领域，特别是在应用于濒危物种的无创方法学方面做出了重要贡献。结果强调了不同生物基质反映了不同的暴露和积累动态：毛发显示出更稳定的模式，代表慢性积累，并与土壤的元素组成显著相关；而粪便对环境短期变化（特别是季节性变化）特别敏感，为生理状态和近期元素暴露提供了有用信息。多元分析成功将毛发样本按地理来源区分，铅（Pb）、铝（Al）、钡（Ba）和铁（Fe）是马岛样本的关键区分元素，这与历史上受交通污染且无排放监管的PBZT环境特征相符；而意大利样本则与砷（As）、铬（Cr）、铜（Cu）和镍（Ni）关联，符合都灵周边土壤的地球化学性质。这种环境和生物样本间元素含量的相似模式，有力地支持了栖息地与生物积累之间存在直接关联的假说。研究还观察到了毛发和粪便数据集中均存在的季节性分离现象，样本被分为与热季和冷季相关的组别，这提示气候因素可能通过影响食物可得性、饮食构成、代谢需求及环境中元素的生物利用度，来影响狐猴体内的元素含量。该研究证实了无创环境生物监测方法的有效性和实用性，它能在最小化动物应激的前提下获取生态毒理学数据，这对于研究与脆弱或濒危物种至关重要。通过比较环境和生物数据，可以更全面地理解生态系统相互作用，从而识别暴露于污染物的早期迹象和潜在健康风险。这项工作为“同一健康”范式在动物学和保护领域的应用提供了坚实的方法学基础，并强调了加强国际和本地合作以克服后勤和监管障碍的必要性，尤其是在生物多样性和生态脆弱性高的国家。所提出的方法可推广至未来对其他物种和不同背景的研究，通过有效、伦理和科学为基础的监测，为生物多样性保护做出具体贡献。
