热带河流中金属污染物及物理化学污染物的来源——采矿活动产生的负债

《Journal of Contaminant Hydrology》：Mining liabilities as a source of toxic metals and physicochemical contaminants in tropical rivers

全球采矿活动导致广泛河流污染，威胁生态与人类健康。本研究聚焦哥斯达黎加利班诺地区，分析圣何塞河与卡纳斯河水中砷、镉、铅浓度及底泥中重金属分布，发现雨季径流加剧污染物迁移，底泥砷、铅浓度显著升高，导致底栖无脊椎动物群落结构变化，小型个体金属富集更明显。结论揭示了采矿遗留问题对热带河流生态系统的长期影响。

　　在全球范围内，随着人口增长和工业活动的加剧，采矿活动的规模不断扩大，对自然环境和人类健康带来了诸多挑战。采矿过程中不仅涉及大量有毒物质的使用，如氰化物和汞，还伴随着大量废弃物的产生，这些废弃物通常包含超过99%的提取矿物。这些废弃物在采矿活动结束后仍会长期滞留在环境中，形成所谓的“采矿负债”（mining liabilities）。随着时间推移，这些负债会逐渐释放出大量金属污染物，它们容易在环境中积累，进而对生态系统造成潜在的毒性影响。在哥斯达黎加，黄金开采曾经是一项重要的工业活动，持续数十年，受到政府和私人企业的共同支持。尽管2010年黄金开采已被法律禁止，但其遗留的采矿负债仍然存在，并且在酸性环境中积累了高浓度的金属。其中，Líbano de Tilarán矿区是尤为关键的区域，这里堆积了超过106,000吨的废弃采矿材料，已经暴露在环境中超过30年。这些残留物中估计含有20吨砷、0.4吨镉和38吨铅。雨水的侵蚀和氧化作用会引发这些污染物的迁移，尤其是在雨季和洪水期间，地表径流和地下水渗透增加，使得污染物质从采矿负债中释放并进入邻近河流，改变河流的理化特性，进而导致溶解态和颗粒态金属的富集。

热带河流是地球上最丰富的生态系统之一，提供了诸如水净化、营养循环和水生生物栖息地等关键的生态服务。然而，这些生态系统对金属污染尤为敏感，因为它们的水文条件具有高度动态性，而有毒物质在食物链中的生物累积能力也较强。因此，理解采矿相关污染对热带河流的影响对于保护其生态完整性以及减轻对人类健康的潜在威胁至关重要。在这些河流中，底栖无脊椎动物群落是重要的组成部分，它们在水生食物网中发挥着关键作用，作为能量传递的重要中介。由于这些生物直接与河床底质接触，它们在沉积物和水体之间促进了物质交换。此外，它们对污染物的敏感性使得它们成为评估金属污染对水生生态系统影响的重要指标。金属可以通过鳃面和体表结构直接吸收，同时，摄入受污染的食物也会进一步促进生物累积。底栖无脊椎动物群落不仅在生态系统中扮演着重要角色，其结构也可能会因污染物暴露的程度而发生变化，进而对整个生态系统和食物链的稳定性产生影响。

本研究聚焦于哥斯达黎加北部的San José和Ca?as河流，分析这些河流中受采矿负债影响的水体和沉积物中的金属浓度，探讨其是否成为底栖无脊椎动物的暴露源。研究还进一步评估了金属在这些生物体内的浓度是否与沉积物和水体中的空间分布有关，这可能揭示金属污染对这些生物群落的影响机制。此外，研究还揭示了水体理化特性在空间上的变化，这些变化可能与废弃采矿地点释放的污染物有关。通过这些分析，我们希望能够更好地理解采矿负债对河流生态系统的潜在影响，并为制定有效的环境保护措施提供科学依据。

研究区域主要位于哥斯达黎加北部的Guanacaste省，具体涵盖San José和Ca?as河流及其流域。Ca?as河流域的主要河道是一条四级河流，拥有96条支流，总长度约为35.66公里。在雨季，尤其是9月和10月，该地区的年平均降水量可达1805毫米，这使得流域上部（最高海拔为1540米，平均气温约为17摄氏度）的径流量显著增加，从而导致流域下部（最低海拔为140米）的水位上升。这种水文动态性使得污染物更容易从采矿负债中迁移至河流中，影响水体的理化特性。此外，由于该地区的地形特征，河流的形态也具有一定的延展性，这可能对污染物的扩散和沉积物的分布产生影响。

在San José和Ca?as河流的水体中，研究发现它们的水化学类型主要为碳酸钙型，这表明水体中含有较高浓度的碳酸氢盐和钙（见表1）。在FQ-2站点（位于采矿负债下游）的某些理化参数略有上升，与FQ-1站点（上游参考点）相比，这可能暗示采矿负债对San José河水中离子的贡献。然而，由于样本数量有限，研究结果主要以描述性方式呈现。这一发现表明，尽管采矿活动已停止，但其遗留的污染仍然对河流的水质产生影响，特别是在雨季期间，污染物的迁移和沉积物的分布更加显著。

讨论部分指出，本研究发现金属在沉积物中的空间分布与底栖无脊椎动物的生物可利用性之间存在明显的关联，尤其是在雨季，由于河流径流的增加，沉积物的迁移更为活跃，导致金属在水体中的富集。这种现象凸显了金属在沉积物中富集的动态性，以及其对水生生物的潜在影响。此外，研究还发现，尽管样本数量有限，但这些数据仍然能够反映出采矿负债对河流生态系统的影响，尤其是在水体理化特性方面。这可能意味着，即使在采矿活动结束后，其遗留的污染仍然可能对河流生态系统的长期健康构成威胁。

研究结果表明，金属污染不仅影响水体的理化特性，还对底栖无脊椎动物的生存、繁殖和生长产生潜在的负面影响。特别是砷、镉和铅的高浓度，可能对这些生物造成毒性作用，降低其种群数量和生物多样性。在San José河中，这些金属的高浓度与低数量的底栖无脊椎动物家族之间存在明显的关联，其中较小个体的Leptohyphidae家族显示出更高的平均砷、镉和铅浓度。这种现象表明，金属污染对生物体的影响不仅取决于其在水体中的浓度，还与其在沉积物中的分布密切相关。此外，由于这些生物直接与水体和沉积物接触，它们可能成为金属污染的“指示生物”，用于评估河流生态系统的健康状况。

研究还指出，尽管采矿活动结束后，金属浓度通常会随着洪水的频率和强度而有所下降，但Líbano de Tilarán矿区的情况表明，某些采矿负债可能会导致金属的长期释放，从而对河流生态系统和周边人类社区构成持续威胁。这表明，采矿负债的影响可能远超采矿活动本身，其对环境的长期影响需要引起高度重视。此外，研究还强调，尽管样本数量有限，但这些数据仍然能够提供有价值的科学信息，有助于进一步理解采矿负债对河流生态系统的潜在影响，并为环境保护和治理提供参考。

最后，研究结论表明，金属在沉积物和底栖无脊椎动物中的空间分布与水体理化特性之间的紧密联系，清楚地展示了采矿负债对San José和Ca?as河流的影响。靠近采矿负债的区域，金属如砷和铅的环境释放可能导致潜在的毒性水平，直接对底栖无脊椎动物群落产生影响。这种影响可能不仅限于局部区域，还可能通过水体的流动和沉积物的扩散，影响更广泛的生态系统。因此，对采矿负债的影响进行深入研究，有助于更好地理解其对河流生态系统的潜在威胁，并为制定有效的环境保护措施提供科学依据。同时，这一研究也提醒我们，采矿负债可能成为热带河流生态系统中的重要环境压力源，需要引起更多的关注和研究。