DOI: https://doi.org/10.3389/fimmu.2026.1733912
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41890716
تاريخ النشر: 2026-03-11
المؤلف: Neeraj Kumar وآخرون
الموضوع الرئيسي: إدارة الأمراض في تربية الأحياء المائية والميكروبيوتا
نظرة عامة
تدرس الدراسة تأثير الحديد الغذائي (Fe) على صحة ومرونة Pangasianodon hypophthalmus المعرضة لضغوط بيئية مشتركة، تحديدًا الأمونيا والزرنيخ ودرجات الحرارة المرتفعة (NH₃ + As + T). نظرًا للتهديدات المتزايدة لاستدامة تربية الأحياء المائية بسبب التلوث وتغير المناخ، تهدف الأبحاث إلى تحديد ما إذا كان يمكن أن يخفف مكمل الحديد من الآثار السامة لهذه الضغوط. تم إجراء تجربة محكومة مع 360 سمكة، حيث تم تقييم تركيزات مختلفة من الحديد الغذائي (40 و50 و60 ملغ كغ⁻¹) وقياس التعبير الجيني، ونشاط الإنزيمات الأيضية، ومستويات الكورتيزول، وعلامات المناعة.
أشارت النتائج إلى أن مكمل الحديد، وخاصة عند 50 ملغ كغ⁻¹، زاد بشكل كبير من التعبير عن الجينات المستجيبة للإجهاد (مثل HSP70 وCYP450 وCaspase 3a و3b) والجينات المتعلقة بالمناعة (مثل TNF-α وIL وIg وTLR)، بينما عزز أيضًا إزالة سمية الزرنيخ وزيادة التعبير الجيني المرتبط بالنمو. تشير النتائج إلى أن الحديد الغذائي يمكن أن يحسن بشكل فعال صحة الأسماك ومرونتها الفسيولوجية ضد الضغوط البيئية المتعددة، مما يوفر تدخلًا استراتيجيًا لإدارة تربية الأحياء المائية. تؤكد هذه الأبحاث على إمكانية استخدام الأنظمة الغذائية النانوية في الدراسات المستقبلية لمعالجة التحديات غير الحيوية المختلفة في تربية الأحياء المائية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير للعوامل غير الحيوية والحيوية على النظم البيئية المائية، مع التركيز بشكل خاص على الآثار الضارة للملوثات غير العضوية والملوثات المائية على صحة الأسماك وإنتاجيتها. تؤكد على أن تقلبات درجات الحرارة والملوثات السامة، مثل الأمونيا والزرنيخ، هي ضغوط حاسمة تسهم في تراجع إنتاج الغذاء المائي. يمكن أن تؤدي مستويات الأمونيا المرتفعة، التي تكون سامة للأسماك، إلى تقليل النمو، وضعف المناعة، وزيادة الوفيات. تشير الورقة إلى أن درجة الحرارة تزيد من سمية الأمونيا، بينما يشكل الزرنيخ، المصنف كعامل مسرطن من المجموعة 1 من قبل الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC)، مخاطر صحية خطيرة على كل من الحياة المائية والبشر.
تهدف الدراسة إلى التحقيق في إمكانية الحديد الغذائي للتخفيف من الآثار السلبية للجرعات المنخفضة من الأمونيا والزرنيخ ودرجات الحرارة المرتفعة على الأنواع السمكية ذات الأهمية الاقتصادية، Pangasianodon hypophthalmus. تسعى لتقييم كيفية تأثير الحديد الغذائي على التعبير عن الجينات المتعلقة بوظيفة المناعة، والدفاع المضاد للأكسدة، وأداء النمو، والسمية الجينية، والاستماتة، وإزالة السموم، وبالتالي معالجة التحديات التي تطرحها الضغوط غير الحيوية المتعددة. تمهد المقدمة الطريق لفهم التفاعل بين الضغوط البيئية والاستجابات الفسيولوجية للأسماك، مما يبرز أهمية الحديد كعامل وقائي محتمل في تربية الأحياء المائية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم استخدام Pangasianodon hypophthalmus الصحية للتحقيق في تأثيرات تركيزات الحديد المتغيرة في وجود زرنيخ الصوديوم وكبريتات الأمونيوم. تم وضع 360 سمكة، بمتوسط وزن 6.02 غرام وطول 5.12 سم، في الحجر الصحي وتقسيمها إلى ثماني مجموعات علاجية باستخدام تصميم عشوائي كامل (CRD)، حيث تتكون كل مجموعة من 45 سمكة عبر ثلاث تكرارات. شمل الإعداد التجريبي خزانًا سعة 150 لترًا، حيث تم إطعام الأسماك أنظمة غذائية غنية بالحديد (0 و40 و50 و60 ملغ كغ\(^{-1}\)) مرتين يوميًا، مع الحفاظ على جودة المياه المثلى من خلال المراقبة المنتظمة وتبادل المياه الجزئي.
تم تحليل تركيزات الزرنيخ والحديد في كل من المياه التجريبية وأنسجة الأسماك المختلفة، بما في ذلك الكبد والعضلات والخياشيم والدماغ والكلى. تم تصفية عينات المياه وتحمضها للتحليل، بينما خضعت أنسجة الأسماك والعلف لهضم مساعد بالميكروويف. تم إجراء تقدير الزرنيخ والحديد باستخدام مطيافية الكتلة مع البلازما المقترنة بالحث (ICP-MS). سمح هذا النهج المنهجي بتقييم شامل لتراكم الزرنيخ والتأثير الغذائي للحديد في الأسماك، مما ساهم في تقديم رؤى قيمة حول ممارسات تربية الأحياء المائية.
النتائج
تشير النتائج إلى أن النظام الغذائي المدعوم بالحديد (Fe) عند 50 ملغ كغ\(^{-1}\) يخفف بشكل كبير من استجابات الإجهاد في الأسماك المعرضة لجرعات منخفضة من الأمونيا والزرنيخ وضغط درجات الحرارة العالية. على وجه التحديد، تم تقليل مستويات الكورتيزول بشكل ملحوظ (p = 0.0014)، وتم تقليل التعبير عن جينات بروتين الصدمة الحرارية 70 (HSP70) وبروتين الاستجابة لتلف الحمض النووي (DDIP) (p = 0.0011 وp = 0.011، على التوالي) في الأسماك التي تم إطعامها هذا النظام الغذائي، بغض النظر عن التعرض للضغوط. بالمقابل، كانت الأنظمة الغذائية التي تحتوي على Fe عند 40 و60 ملغ كغ\(^{-1}\) أقل فعالية. كما تم تقليل تلف الحمض النووي في مجموعة 50 ملغ كغ\(^{-1}\)، حيث أظهرت أقل نسبة تلف (6%) مقارنةً بتركيزات الحديد الأخرى تحت ظروف الضغط.
بالإضافة إلى ذلك، تم تقليل التعبير عن السيتوكروم P450 (CYP450) وإنزيم أكسيد النيتريك المحفز (iNOS) بشكل كبير في الأسماك التي تم إطعامها الحديد عند 40 و50 ملغ كغ\(^{-1}\) (p = 0.001)، بينما تم زيادة التعبير عن كلا الجينين في المجموعات المعرضة للضغوط. تم تقليل تعبيرات Caspase 3a و3b بشكل مشابه في المجموعات التي تتغذى على الحديد، ولكن تم زيادتها في الأسماك المجهدة. علاوة على ذلك، تم زيادة تعبيرات الجينات المعدنية (MT) وNa\(^+\)/K\(^+\)-ATPase في مجموعة الضغوط ولكن تم تقليلها في الأسماك التي تتلقى نظام غذائي يحتوي على 50 ملغ كغ\(^{-1}\) من الحديد. تشير هذه النتائج إلى أن مكمل الحديد عند المستويات المثلى يمكن أن يوفر تأثيرات وقائية ضد الضغوط البيئية في الأسماك.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثير الكبير لمكمل الحديد الغذائي (Fe) على الأسماك المعرضة للضغوط غير الحيوية، تحديدًا سمية الأمونيا والزرنيخ، بالإضافة إلى درجات الحرارة المرتفعة. تظهر الدراسة أن مكمل الحديد عند 50 ملغ كغ⁻¹ قلل بشكل ملحوظ من مستويات الكورتيزول، على الأرجح من خلال تعديل محور الوطاء-الغدة النخامية-الكظرية (HPI)، وهو أمر حاسم لتخليق الكورتيزول. يعتبر هذا الانخفاض في الكورتيزول ضروريًا حيث ترتبط مستويات الكورتيزول المرتفعة بخلل في توازن الطاقة والاضطرابات الأيضية بسبب سمية المعادن. بالإضافة إلى ذلك، تكشف الدراسة أنه بينما أدى الحديد الغذائي إلى تقليل التعبير عن جينات بروتين الصدمة الحرارية (HSP)، فإن التعرض المتزامن للضغوط أدى إلى زيادة التعبير عن HSP70، مما يشير إلى آلية استجابة للإجهاد.
علاوة على ذلك، تشير النتائج إلى أن مكمل الحديد يعزز مرونة الأسماك ضد الإجهاد التأكسدي من خلال تقليل إنتاج الأنواع التفاعلية للأكسجين (ROS) وتحسين تعبير السيتوكروم P450 (CYP450)، وهو أمر حيوي لعمليات إزالة السموم. كما تلاحظ الدراسة أن استخدام جين مرجعي واحد (b-actin) لتطبيع qPCR قد يحد من قوة تقديرات التعبير الجيني، مما يشير إلى أن استخدام جينات مرجعية متعددة يمكن أن يوفر بيانات أكثر موثوقية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الدور الوقائي للحديد الغذائي في التخفيف من الآثار السلبية للضغوط البيئية على صحة الأسماك وإنتاجيتها، مما يبرز إمكانيته في تطبيقات تربية الأحياء المائية لتعزيز مرونة الأسماك في النظم البيئية المائية الملوثة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fimmu.2026.1733912
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41890716
Publication Date: 2026-03-11
Author(s): Neeraj Kumar et al.
Primary Topic: Aquaculture disease management and microbiota
Overview
The study investigates the impact of dietary iron (Fe) on the health and resilience of Pangasianodon hypophthalmus exposed to combined environmental stressors, specifically ammonia, arsenic, and elevated temperatures (NH₃ + As + T). Given the increasing threats to aquaculture sustainability from pollution and climate change, the research aims to determine whether Fe supplementation can mitigate the toxic effects of these stressors. A controlled experiment was conducted with 360 fish, assessing various concentrations of dietary Fe (40, 50, and 60 mg kg⁻¹) and measuring gene expression, metabolic enzyme activity, cortisol levels, and immunological markers.
Results indicated that Fe supplementation, particularly at 50 mg kg⁻¹, significantly upregulated stress-responsive genes (e.g., HSP70, CYP450, Caspase 3a and 3b) and immune-related genes (e.g., TNF-α, IL, Ig, TLR), while also promoting arsenic detoxification and enhancing growth-related gene expression. The findings suggest that dietary Fe can effectively improve fish health and physiological resilience against multiple environmental stressors, offering a strategic intervention for aquaculture management. This research underscores the potential for using nanoformulated diets in future studies to address various abiotic challenges in aquaculture.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significant impact of abiotic and biotic factors on aquatic ecosystems, particularly focusing on the detrimental effects of inorganic pollutants and waterborne contaminants on fish health and productivity. It emphasizes that temperature fluctuations and toxic pollutants, such as ammonia and arsenic, are critical stressors contributing to the decline in aquatic food production. Elevated ammonia levels, which are toxic to fish, can lead to reduced growth, impaired immunity, and increased mortality. The paper notes that temperature exacerbates ammonia toxicity, while arsenic, classified as a Group 1 carcinogen by the International Agency for Research on Cancer (IARC), poses serious health risks to both aquatic life and humans.
The study aims to investigate the potential of dietary iron to mitigate the adverse effects of low doses of ammonia, arsenic, and elevated temperatures on the economically important fish species, Pangasianodon hypophthalmus. It seeks to evaluate how dietary iron influences the expression of genes related to immune function, antioxidant defense, growth performance, genotoxicity, apoptosis, and detoxification, thereby addressing the challenges posed by multiple abiotic stressors. The introduction sets the stage for understanding the interplay between environmental stressors and the physiological responses of fish, highlighting the importance of iron as a potential protective agent in aquaculture.
Methods
In this study, healthy Pangasianodon hypophthalmus were utilized to investigate the effects of varying iron concentrations in the presence of sodium arsenite and ammonium sulfate. A total of 360 fish, averaging 6.02 g in weight and 5.12 cm in length, were quarantined and divided into eight treatment groups using a completely randomized design (CRD), with each group consisting of 45 fish across three replicates. The experimental setup included a 150 L tank, where fish were fed iron-enriched diets (0, 40, 50, and 60 mg kg\(^{-1}\)) twice daily, while maintaining optimal water quality through regular monitoring and partial water exchanges.
Arsenic and iron concentrations were analyzed in both the experimental water and various fish tissues, including liver, muscle, gill, brain, and kidney. Water samples were filtered and acidified for analysis, while fish tissues and feed underwent microwave-assisted digestion. The quantification of arsenic and iron was performed using inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). This methodological approach allowed for a comprehensive assessment of the bioaccumulation of arsenic and the nutritional impact of iron in the fish, contributing valuable insights into aquaculture practices.
Results
The results indicate that a diet supplemented with iron (Fe) at 50 mg kg\(^{-1}\) significantly mitigates stress responses in fish exposed to low doses of ammonia, arsenic, and high-temperature stress. Specifically, cortisol levels were notably reduced (p = 0.0014), and the expression of heat shock protein 70 (HSP70) and DNA damage-inducible protein (DDIP) genes was downregulated (p = 0.0011 and p = 0.011, respectively) in fish fed this diet, regardless of stressor exposure. In contrast, diets with Fe at 40 and 60 mg kg\(^{-1}\) were less effective. DNA damage was also minimized in the 50 mg kg\(^{-1}\) group, showing the lowest damage percentage (6%) compared to other Fe concentrations under stress conditions.
Additionally, the expression of cytochrome P450 (CYP450) and inducible nitric oxide synthase (iNOS) was significantly downregulated in fish fed with Fe at 40 and 50 mg kg\(^{-1}\) (p = 0.001), while both genes were upregulated in stressor-exposed groups. Caspase 3a and 3b expressions were similarly downregulated in Fe-fed groups, but upregulated in stressed fish. Furthermore, metallothionein (MT) and Na\(^+\)/K\(^+\)-ATPase gene expressions were upregulated in the stressor group but downregulated in fish receiving the 50 mg kg\(^{-1}\) Fe diet. These findings suggest that iron supplementation at optimal levels can provide protective effects against environmental stressors in fish.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant impact of dietary iron (Fe) supplementation on fish subjected to abiotic stressors, specifically ammonia and arsenic toxicity, along with elevated temperatures. The study demonstrates that Fe supplementation at 50 mg kg⁻¹ notably reduced cortisol levels, likely by modulating the hypothalamus-pituitary-interrenal (HPI) axis, which is crucial for cortisol biosynthesis. This reduction in cortisol is essential as elevated cortisol levels are associated with impaired energy homeostasis and metabolic disruptions due to metal toxicity. Additionally, the study reveals that while dietary Fe led to downregulation of heat shock protein (HSP) gene expression, concurrent exposure to stressors resulted in upregulation of HSP70, indicating a stress response mechanism.
Moreover, the findings indicate that Fe supplementation enhances the fish’s resilience against oxidative stress by decreasing reactive oxygen species (ROS) production and improving cytochrome P450 (CYP450) expression, which is vital for detoxification processes. The study also notes that the use of a single reference gene (b-actin) for qPCR normalization may limit the robustness of gene expression estimates, suggesting that multiple reference genes could provide more reliable data. Overall, the research underscores the protective role of dietary Fe in mitigating the adverse effects of environmental stressors on fish health and productivity, emphasizing its potential application in aquaculture practices to enhance fish resilience in polluted aquatic ecosystems.