历史采矿区下游深层沉积物底栖无脊椎动物体内的重金属积累

《Environmental Pollution》：Heavy metal accumulation in deep sediment benthic invertebrates downstream from a historical mining district

重金属污染对三角州采矿区下游水体沉积物中底栖无脊椎动物的影响研究。通过采集Neosho河和Grand湖的沉积物及生物样本，发现锌浓度在近Tar Creek汇流处显著升高，且生物体内重金属浓度高于环境介质，揭示了深层沉积物在污染扩散中的关键作用。

　　金属采矿活动对生态环境造成了深远的影响，这些影响在采矿活动停止后仍可能持续。采矿产生的重金属可以通过废弃矿井和矿渣（即“矿渣”）渗入水体，对本土生物群落及相关的生态过程产生影响。通常情况下，重金属会在水中沉淀或以其他方式离开水体，最终沉积在水底的深层沉积物中。这些深层沉积物中可能栖息着大量未成熟的昆虫和其他无脊椎动物，但它们在评估生态系统影响时往往被忽视。本研究通过对位于美国俄克拉荷马州东北部内斯河和格兰德湖下游的深层沉积物中采集的常见大型无脊椎动物进行分析，评估了重金属的浓度。研究采集了多个地点的大型无脊椎动物、水体和沉积物样本，并利用电感耦合等离子体光谱法测定了17种元素的浓度。结果显示，靠近内斯河与塔克溪交汇处的无脊椎动物中锌的浓度显著高于下游地区。此外，无脊椎动物体内的重金属浓度高于同期采集的环境样本，且高于以往研究中记录的生物样本。尽管这些浓度似乎属于亚致死水平，但本研究揭示了塔克溪超级基金区（TCSS）污染影响的下游扩散现象。同时，该研究强调了在评估污染物对水生生态系统的影响时，必须将深层沉积物中的生物群落纳入考虑范围。这些沉积物中的生物群落可能携带高浓度的重金属，并通过成虫羽化重新将这些污染物引入水生和陆地的食物链中。

重金属污染是淡水生态系统中普遍存在的问题，主要来源于工业活动、城市径流和采矿作业。在水生生态毒理学的背景下，重金属通常被定义为在较高浓度下对生物有毒的可溶性元素。这些元素密度大（>5g/cm3），通常没有生物学功能，即使在某些情况下具有生物学功能，也仅需极微量即可满足需求。人类活动是导致环境中重金属浓度上升的主要因素，预计未来几十年内，如铝、铅、钴、锌、锂和铁等金属的使用量将增加100倍。据估计，世界上约有40%的湖泊和河流受到重金属污染的影响，而在北美地区，采矿和制造活动是重金属污染的主要来源。这些重金属不仅对人类健康构成威胁，还可能导致器官损伤、神经系统和心血管疾病，以及癌症风险的增加。

采矿活动产生的过程、废弃物和径流对生态环境造成了严重的影响，特别是在水生生态系统中。水体中的重金属可能对鱼类、水禽、两栖动物、爬行动物、大型无脊椎动物、浮游动物和微生物群落产生毒性作用。金属矿输入还可能导致水体pH值下降（即酸性矿排水），通过侵蚀引入固体废弃物，并与沉积物的地球化学特性产生复杂的相互作用。在极端情况下，重金属沉淀物可能覆盖水体底部，限制水生生物对结构栖息地的利用。重金属的生物可利用性在热分层带中变化显著，例如铁（Fe）在淡水系统中从浮游层到底栖层的溶解浓度可从0.2 mg/kg到214 mg/kg不等。这些影响通常会随着距离污染源的远近而系统性地减弱，因为重金属携带的颗粒物可能被其他输入稀释，形成沉淀物沉降至水底，或通过其他方式沉积在水体底部的沉积物中。采矿的影响不仅限于近期的矿场活动，据统计，英格兰和威尔士约有20%的水质问题是由金属矿排水引起的，尽管这些地区的采矿活动早在20世纪初就已停止。

大型无脊椎动物在生理和生态角色上具有独特性，使它们成为评估采矿影响的重要指标。由于其生理多样性，大型无脊椎动物群落会在暴露于重金属和矿井废水时表现出广泛的组成变化。大型无脊椎动物是相对较大的水生生物，它们在基础资源和上层营养级之间起到关键的连接作用。研究表明，金属采矿活动对大型无脊椎动物群落结构产生了负面影响，导致群落中以双翅目昆虫（真蝇）、鞘翅目昆虫（甲虫）和寡毛纲动物（环节动物）为主。大型无脊椎动物的多样性也有所下降，特别是那些具有暴露鳃部的物种（如蜉蝣和石蛾）对重金属污染尤为敏感。即使重金属浓度并未显著改变群落组成，大型无脊椎动物仍可能在体内积累重金属，并将其传递给更高营养级的生物。重金属在不同大型无脊椎动物中的积累程度可能因物种而异，但其积累机制尚不明确，或者可能在不同摄食策略和生活史特征的物种间保持一致。与深层沉积物的关联似乎会增加重金属的积累，这可以从重金属倾向于从水体中沉淀并被封存在底栖沉积物中这一现象中得到解释。生活在沉积物中的管吻蚓科蠕虫已被证明比其他功能相似的大型无脊椎动物积累更多的重金属。同样，与底栖沉积物能量路径相关的捕食性无脊椎动物类群中，重金属的浓度也高于其他捕食性类群。因此，理解深层沉积物特有生物（即生活在细颗粒深水沉积物中的无脊椎动物）中重金属的积累对于全面评估金属采矿对水生生态系统的影响至关重要。

美国三州采矿区（TSMD）为研究金属采矿对大型无脊椎动物的长期影响提供了一个独特的机会，特别是对深层沉积物特有生物的研究。TSMD自19世纪50年代至20世纪70年代一直是全球铅和锌生产的重要区域，留下了超过1.2亿立方米的地下空洞、5000万吨的矿渣堆以及广泛的地下水污染。位于俄克拉荷马州的塔克溪超级基金区（TCSS）是TSMD中受污染最严重的区域，其土壤和沉积物中铅、锌和其他金属的含量极高，污染的地下水渗透到地下含水层和附近的水体中，如塔克溪。尽管之前的研究对TSMD中的 riffle 生活的螯虾进行了评估，发现这些区域的螯虾密度低于参考区域，但对整个无脊椎动物群落的影响仍缺乏深入理解。TSMD的螯虾体内铅、锌、镉和镍等重金属的浓度远高于对肉食动物有毒和对人类有害的水平。此外，TSMD中贻贝的多样性也有所下降，其中重金属与幼年贻贝生物量的减少有关。TSMD贻贝中镉、铅和锌的浓度远高于TSMD螯虾，贻贝中的镉浓度可超过15 mg/kg，铅超过10 mg/kg，锌超过2000 mg/kg。

目前，据我们所知，仅有两项研究对TSMD的大型无脊椎动物进行了调查，且这两项研究提供的信息有限。其中一项研究观察了TSMD一条河流中大型无脊椎动物群落的变化，但无法确定这些变化是否由重金属、pH值下降或不同地点间显著的物理栖息地差异引起。另一项研究则基于快速生物评估方法，认为塔克溪的底栖群落受到污染影响，并观察到铁-氢氧化物沉淀物覆盖了溪流的底部。然而，由于研究设计的局限性，难以从中得出明确的结论。

本研究的目的是评估位于内斯河和格兰德湖下游的深层沉积物中常见大型无脊椎动物的重金属浓度。我们希望通过比较生物体内的重金属浓度与同期采集的沉积物和水体样本的浓度，以及与其他系统的相似物种，来更全面地理解重金属污染的影响。我们预测，内斯河中的大型无脊椎动物将比格兰德湖和其他研究中的无脊椎动物具有更高的重金属浓度，特别是锌。此外，我们还预测，靠近塔克溪进入内斯河的上游站点的重金属浓度将高于下游站点。通过这些预测，我们希望揭示重金属污染在水体中的传播路径及其对生态系统的影响机制，从而为未来的环境管理和污染治理提供科学依据。