《Toxics》：Multi-Metal Leachate from Lithium Slag Induces Oxidative Stress, Circadian Disruption, and Neurobehavioural Toxicity in Zebrafish Larvae
Xueping Huang,
Shengping Zhang,
Yu Liu,
Shuai Liu,
Qiyu Wang,
Nannan Wan,
Shanghaojun Lu,
Yongming Wu and
Miao Zhang
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本研究探讨锂渣浸出液对水生生物的生态风险。研究人员为揭示锂渣浸出液对水生生物（以斑马鱼为模型）的毒性效应，开展了暴露实验，发现其可导致斑马鱼发育畸形、运动行为异常、氧化应激、昼夜节律紊乱及神经递质失衡，为评估锂渣的环境风险提供了重要毒理学依据。
随着全球对清洁能源和电动汽车的需求激增，锂离子电池作为核心储能设备迎来了爆发式增长。然而，在锂辉石提取碳酸锂的工业生产过程中，每生产1吨碳酸锂就会产生高达9吨的固体残渣——锂渣。这些堆积如山的锂渣通常被填埋处理，但其中含有的多种重金属元素（如Li、Fe、Mn、Ni、Zn、As、Cr、Cu、Hg、Cd、Pb等）可能通过雨水淋溶进入水体和土壤，对生态系统和生物健康构成潜在威胁。尽管锂盐本身是治疗双相情感障碍的情绪稳定剂，但复杂金属混合物对水生生物的神经毒性及其机制尚不清楚。为了填补这一知识空白，并科学评估锂渣的环境风险，研究人员利用模式生物斑马鱼，系统探究了锂渣浸出液的发育毒性与神经行为毒性。
本研究主要运用了以下关键技术方法：1. 浸出液制备与成分分析：参照标准方法（HJ/T299-2007）制备不同固液比（1:10和1:1）的锂渣浸出液，并使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析其中多种金属离子浓度。2. 斑马鱼暴露实验：使用野生型AB品系斑马鱼，在其受精后6小时（6 hpf）开始，持续暴露于不同浓度的锂渣浸出液中7天。3. 表型与行为分析：通过显微镜观察发育畸形（如卵黄囊水肿、心脏出血、鳔未充气等），并使用自动行为追踪系统（Labmaze v3.0）在明暗交替周期下分析幼鱼的运动距离和平均速度。4. 生化与分子检测：测定氧化应激指标（活性氧ROS、超氧化物歧化酶SOD、过氧化氢酶CAT、谷胱甘肽GSH、丙二醛MDA）和神经递质水平（乙酰胆碱ACh、去甲肾上腺素NE、多巴胺DA、γ-氨基丁酸GABA、5-羟色胺5-HT）。5. 转录组学与qPCR验证：对暴露组和对照组斑马鱼幼鱼进行RNA测序（RNA-seq），通过基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析差异表达基因，并使用实时荧光定量PCR（qPCR）验证核心生物钟基因的表达变化。
3.1. 锂渣浸出液成分分析
研究人员首先分析了浸出液的成分，发现其含有多种重金属离子，且在高浓度组中，Fe、Mn、Ni、As等元素的浓度超过了中国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）的限值，表明其具有潜在的生态风险。
3.2. 斑马鱼幼鱼体内金属积累与浓度变化
暴露7天后，斑马鱼幼鱼体内出现了显著的金属积累。与对照组相比，高浓度暴露组幼鱼体内的锂（Li）、铁（Fe）和锰（Mn）含量显著升高，其中锂含量是对照组的65.78倍，证实了浸出液中金属的生物富集效应。
3.3. 锂渣浸出液对斑马鱼幼鱼的发育毒性
形态学观察发现，暴露于锂渣浸出液的斑马鱼幼鱼出现了卵黄囊水肿、心脏出血和鳔未充气等发育畸形，但体长、体重和孵化率未受显著影响，表明浸出液主要诱导了特定的器官发育缺陷。
3.4. 运动行为变化
行为学分析显示，浸出液暴露显著抑制了斑马鱼幼鱼的自发运动能力。在明暗交替周期中，暴露组幼鱼的平均游动速度和总运动距离均显著降低，尤其是在黑暗期，运动抑制更为明显。此外，幼鱼的昼夜节律性运动模式被打乱，高浓度组在光期的运动距离仅为对照组的0.63倍，表明其生物钟功能受损。
3.5. 氧化应激相关标志物的变化
生化检测结果表明，高浓度浸出液暴露诱导了显著的氧化应激。具体表现为活性氧（ROS）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和脂质过氧化产物丙二醛（MDA）水平显著升高，而重要的抗氧化剂谷胱甘肽（GSH）水平下降，说明机体的抗氧化防御系统被激活但仍不足以抵消氧化损伤。
3.6. 锂渣浸出液改变全局转录组
RNA测序（RNA-seq）分析发现，暴露于浸出液后，斑马鱼幼鱼有大量基因表达发生改变。主成分分析（PCA）显示不同处理组转录谱明显分离。差异表达基因（DEGs）分析显示，低浓度和高浓度组分别有839和1337个差异表达基因。基因本体（GO）富集分析显著富集到与昼夜节律、节律过程调节、光刺激反应相关的生物过程。
3.7. 昼夜节律相关基因表达的验证
qPCR验证进一步证实，多个核心生物钟基因（包括
per1a,
per1b,
per2,
per3,
nr1d1,
cry2,
cry5）的表达均被显著下调。这些基因是构成生物钟转录-翻译负反馈环路的核心组件，它们的下调直接表明锂渣浸出液干扰了斑马鱼内在的昼夜节律调控机制。
3.8. 神经递质及相关基因分析
神经化学分析显示，浸出液暴露显著扰乱了神经递质平衡。兴奋性/调节性神经递质乙酰胆碱（ACh）、去甲肾上腺素（NE）和多巴胺（DA）水平呈浓度依赖性下降，而抑制性神经递质γ-氨基丁酸（GABA）和5-羟色胺（5-HT）水平则显著上升。基因表达分析发现，与神经发育和反应相关的基因（如
gfap,
gap43）表达上调，而酪氨酸羟化酶（
th，儿茶酚胺合成的限速酶）基因表达下调，这与DA和NE水平降低的现象一致。单胺氧化酶（
mao，负责降解单胺类神经递质）基因在低浓度组表达上调，可能加剧了神经递质的降解。
本研究综合多项实验证据，得出结论：锂渣浸出液能导致斑马鱼幼鱼发育畸形、运动行为抑制、昼夜节律紊乱，并诱导氧化应激和神经递质失衡。其毒性机制涉及金属离子在体内的积累，进而引发氧化损伤，通过下调核心生物钟基因（如per和cry家族基因）破坏昼夜节律调控网络，并通过影响神经递质（如ACh、NE、DA、GABA、5-HT）的合成、代谢或释放平衡，最终导致神经行为异常。这项由Xueping Huang, Shengping Zhang, Yu Liu, Shuai Liu, Qiyu Wang, Nannan Wan, Shanghaojun Lu, Yongming Wu和Miao Zhang完成的研究，首次系统揭示了锂渣浸出液这一复杂金属混合物对水生生物的神经行为毒性及其潜在的分子机制，将环境污染物暴露与生物钟功能紊乱联系起来，为全面评估锂工业固体废物的生态环境风险提供了重要的毒理学数据和科学依据。研究结果强调，需要对锂渣堆放场进行长期生态监测，并结合水、沉积物和生物样本的多维分析，以更准确地评估其对水生生物群落结构和功能的生态风险。该论文已发表在环境科学与毒理学领域期刊《Toxics》上。
