海洋鱼类在生物积累和排泄过程中汞同位素的变化：不同组织的时间响应

《Environmental Pollution》：Mercury Isotope Dynamics in Marine Fish during Bioaccumulation and Excretion: Temporal Responses across Tissues

汞暴露对星ry鲈鱼组织中同位素分馏及排泄的影响研究

　　

郑赛彬（Saebom Jung）|卢西恩·贝斯纳尔（Lucien Besnard）|赵文京（Moonkyoung Cho）|姜珠灿（Ju Chan Kang）|权赛云（Sae Yun Kwon）

韩国浦项科技大学环境科学与工程系，浦项市南区Cheongam-Ro 77号

摘要

汞（Hg）是一种强效的神经毒素，会通过水生食物网在生物体内积累。在鱼类中，汞的排泄可以调节体内的汞负荷，但是否会导致组织特异性的汞同位素分馏目前尚不清楚。为了解决这个问题，我们进行了一项对照喂养实验，将星斑比目鱼（Platichthys stellatus）暴露于添加了无机汞（IHg；4和25μg/g）或甲基汞（MeHg；1μg/g）的饲料中，持续4周（生物积累期），随后再进行16周不添加汞的喂养（排泄期）。在此期间，我们测量了肌肉、肠道、肝脏、肾脏和粪便中的总汞和甲基汞浓度以及汞同位素比值（δ²⁰²Hg, Δ¹⁹⁹Hg）的变化。在生物积累期间，除了肌肉组织外，所有组织中的Δ¹⁹⁹Hg几乎完全与相应的饲料达到平衡；而δ²⁰²Hg则表现出处理特定的分馏现象。在甲基汞处理下，肝脏中的脱甲基作用及新形成的甲基汞的重新分布导致了肝脏、肾脏和粪便中的质量依赖性分馏（MDF）。在无机汞暴露下，MDF与谷胱甘肽-Hg的结合及随后的组织重新分布有关，较高的无机汞暴露量还表明发生了肠道甲基化，这从δ²⁰²Hg的负变化（-0.50‰）和肠道中甲基汞比例的升高（65%）中得到证实，尽管没有外部甲基汞的输入。在排泄期间，肠道和粪便中的Δ¹⁹⁹Hg变化最快，而肌肉、肝脏和肾脏中的同位素变化较慢。在高无机汞暴露下，轻微的Δ¹⁹⁹Hg变化和不同组织间明显的δ²⁰²Hg变化表明汞的消除分为两个阶段：首先是易变甲基汞的丢失，然后是难处理无机汞的清除，这延缓了包括肝脏和肾脏在内的组织中汞的转化速度。这些结果表明，汞的排泄会导致鱼类体内组织特异性的汞同位素分馏和转化，其模式受汞暴露水平、汞的形态以及内部代谢过程的影响，为汞的持久性和鱼类组织在生物监测中的应用提供了毒理学见解。

引言

汞（Hg）是一种强效的神经毒素，主要通过人们食用受污染的鱼类威胁野生动物和人类的健康。如今，人为活动是大气和水生生态系统中汞的主要来源（W. Zhu等人，2024年）。虽然大多数人为来源的汞以无机汞（IHg）的形式排放，但水生环境中的微生物甲基化作用会将无机汞转化为有毒的甲基汞（MeHg），后者通过食物网在生物体内积累并放大（Mergler等人，2007年；美国食品药品监督管理局，2014年）。鱼类被广泛用作环境汞的生物指示物，因为它们的组织中的汞浓度反映了长期汞暴露的情况（Buck等人，2019年；Eagles-Smith等人，2016年；Gandhi等人，2014年）。根据《水俣公约》（旨在减少全球汞排放），越来越需要改进鱼类作为生物指示物的使用，并量化其反映汞输入变化的速度（Kwon等人，2020年；联合国环境署，2024年）。

解释鱼类体内的汞含量受到内部过程的复杂影响，这些过程影响汞的生物积累、重新分布和排泄（Li等人，2022年；Stevenson等人，2025年）。与无机汞相比，甲基汞具有更高的膜通透性和与蛋白质中巯基配体的更强结合亲和力，导致其在鱼类组织中的消除速度更慢（Leaner和Mason，2004年）。此外，包括微生物甲基化和脱甲基化在内的内部转化可以改变汞的形态（Cai等人，2024年；Li等人，2019年），从而调节组织特异性的汞保留和排泄时间。最近的一项元分析进一步表明，汞的消除速率受多种因素影响，特别是汞的化学形态、暴露时间和排泄时间，这强调了进行长时间和实时控制的实验的必要性（Stevenson等人，2025年）。

汞的稳定同位素已成为追踪汞来源和内部转化过程的强大工具，这些过程控制着生物体内汞的形态、重新分布和命运（Besnard等人，2025年；Li等人，2022年）。在生物体内，来自不同食物来源的汞同位素的混合形成了反映每种来源对总汞池相对贡献的同位素组成（Cho等人，2025年；Kwon等人，2016年，2013年；Lee等人，2020年）。汞同位素会发生质量依赖性分馏（MDF；δ²⁰²Hg），这有助于了解生物地球化学转化过程，如甲基化（Rodríguez-González等人，2009年）和脱甲基化（Bolea-Fernandez等人，2019年），这两种过程既发生在环境中，也发生在生物组织内部（Kwon等人，2016年；Lee等人，2020年）。相比之下，奇数质量数同位素的质量独立分馏（MIF_odd；Δ¹⁹⁹Hg）主要发生在无机汞和甲基汞的光化学还原和降解过程中，它们不同的Δ¹⁹⁹Hg/Δ²⁰¹Hg斜率（约1.0和约1.3）可用于区分主导的光化学过程（Bergquist和Blum，2007年）。尽管在鸟类研究中观察到轻微的内部奇数质量数分馏（Manceau等人，2021年），但在鱼类中类似体内效应的证据仍然有限，而且控制研究通常报告在黑暗条件下微生物还原Hg(II)、Hg(II)甲基化以及汞介导的甲基汞脱甲基化过程中未检测到或仅有微弱的MIF（Kritee等人，2008年，2009年；Rodriguez-Gonzalez等人，2009年；Xu和Wang，2015年）。在生物积累、内部转化和营养级转移过程中未观察到显著的MIF_odd，这使得可以使用Δ¹⁹⁹Hg值来识别导致水生食物网中汞积累的食物来源（Kwon等人，2020年；Sherman等人，2013年）。

尽管汞的生物积累和营养级转移已得到广泛研究（Feng等人，2015年；Kwon等人，2016年，2013年，2012年），但排泄如何驱动组织特异性的同位素分馏以及不同汞物种和暴露水平下的组织响应时间尺度仍不清楚。最近的鱼类喂养实验表明，在生物积累期间，不同组织中的δ²⁰²Hg发生了显著变化，这是由于甲基汞脱甲基化或巯基配体结合后同位素不同的无机汞或甲基汞的优先重新分布所致（Kwon等人，2016年；Lee等人，2020年）。药代动力学模型确定胆汁和粪便途径是消除食物中汞的主要途径（Wang和Wang，2020年；Xu和Wang，2015年）。然而，现有研究对排泄过程如何根据汞浓度和形态调节汞毒性以及这些差异如何调节组织特异性的汞积累、排泄和转化速率提供的见解有限。这种不确定性限制了鱼类组织作为环境汞变化生物指示物的使用，尤其是在政策或技术驱动的汞减排措施下。

本研究旨在：1）确定排泄如何通过汞同位素分馏揭示组织内部汞池的变化；2）确定这些过程如何随汞的形态和暴露水平而变化；3）阐明鱼类组织对新食物中汞输入的响应时间尺度的相对差异。总体而言，这些发现为使用鱼类组织作为汞污染或修复后环境汞变化的可靠生物指示物提供了框架，从而提高了我们对鱼类对政策驱动的缓解措施和监管行动响应敏感性的理解。

实验部分

喂养实验

实验使用的星斑比目鱼（Platichthys stellatus）是一种在韩国常见的海洋底栖鱼类，从韩国鸡江的一家当地渔场获得（初始重量为42.6±9.7克）。将这些鱼运输到浦项国立大学，并在实验室条件下适应一周，期间没有自然光照。适应期间，鱼被喂食对照饲料颗粒（不含汞的饲料颗粒，由智利和秘鲁太平洋沿岸的凤尾鱼制成，含有5%的纤维素），喂食量为鱼体重的1%

饲料颗粒和鱼类中的THg和MeHg浓度

对照饲料颗粒中的THg浓度（0.03±0.005μg/g，n=3）和甲基汞比例（62%）与海洋鱼类的自然饮食（THg；0.05μg/g，甲基汞比例；85%；Lee等人，2020年）以及由海洋鱼类副产品制成的商业饲料（THg；0.06±0.01μg/g；甲基汞比例；80%；Feng等人，2015年）相当。添加了合成甲基汞（THg；1.05μg/g，甲基汞含量超过100%）或无机汞（中等剂量；4.2μg/g，高剂量；25.8μg/g，甲基汞含量<0.5%；两种处理方式见表S4）的饲料颗粒也显示出相应的浓度和甲基汞比例

结论

本研究表明，汞的形态和暴露水平决定了不同的内部代谢途径，从而导致组织特异性的汞同位素变化。甲基汞和无机汞遵循不同的分馏路径，且只有在高无机汞暴露下才会发生肠道甲基化。在本研究的实验条件下，这些发现表明，内部转化和重新分布可能会根据汞的化学形态和暴露水平影响其毒性。鉴于组织会整合这些过程

作者贡献声明

权赛云（Sae Yun Kwon）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。姜珠灿（Ju Chan Kang）：验证、资源准备、方法学设计、概念构思。赵文京（Moonkyoung Cho）：撰写 – 审稿与编辑、验证、实验研究。卢西恩·贝斯纳尔（Lucien Besnard）：撰写 – 审稿与编辑、验证。郑赛彬（Saebom Jung）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、方法学设计、实验研究、正式数据分析、概念构思

未引用的参考文献

Blum等人，2013年；Kwon等人，2014年；联合国环境署，2017年；Zhu等人，2024年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MIST）资助（项目编号：NRF-2021R1C1C1008429）。