美国佛罗里达州大沼泽地保护区中蚊鱼（Gambusia holbrooki）体内总汞含量的长期趋势（1998–2022年）

《Science of The Total Environment》：Long-term trends (1998–2022) of total mercury in mosquitofish ( Gambusia holbrooki) from the Everglades Protection Area, Florida, USA

汞生物累积时空变化及环境驱动机制研究——基于佛罗里达大沼泽地蚊子鱼总汞浓度的25年监测数据，分析表明硫酸盐浓度（>20 mg/L）、溶解氧及总磷等环境因子通过复杂生物地球化学过程显著影响汞的甲基化与生物积累，12个监测站点中4个呈现显著汞浓度下降趋势，但25%样本超过USEPA野生动物保护阈值。

　　

顾斌河

佛罗里达大学热带研究与教育中心，地址：18905 SW 280th St, Homestead, FL, 33031, 美国

摘要

汞的生物累积一直是佛罗里达州大沼泽地面临的一个严重环境问题。1998年至2022年间，研究人员从大沼泽地保护区和大沼泽地国家公园内的12个站点收集了蚊鱼（Gambusia holbrooki）的样本，并对其总汞（THg）含量进行了分析。这12个站点的蚊鱼年平均THg浓度存在显著差异，最低为11 ng g^?1（位于一个入流站点），最高为86 ng g^?1（位于一个内陆站点）。有4个站点的蚊鱼THg浓度显著下降，6个站点则呈现轻微下降趋势。在整个监测期间，没有站点显示出THg浓度显著上升的趋势。此外，还评估了可能影响汞甲基化和生物累积的关键环境变量与蚊鱼THg浓度之间的关系。研究结果表明：当电导率、碱度和水体颜色从低水平上升到中等水平时，蚊鱼THg浓度会增加；而当这些变量达到较高水平时，THg浓度又会下降。溶解氧和总铁含量从低水平上升到中等水平时，蚊鱼THg浓度也会增加，但当这些变量进一步增加时，THg浓度没有显著变化。此外，当TP（总磷）浓度从贫营养状态转变为富营养状态时，蚊鱼THg浓度也会增加。当硫酸盐浓度低于20 mg L^?1时，蚊鱼THg浓度没有显著差异；但当硫酸盐浓度超过20 mg L^?1时，THg浓度会下降。将所有站点的数据汇总后发现，在大气汞负荷和年总降雨量不同的情况下，蚊鱼THg浓度没有显著变化。这些发现表明，复杂的生物地球化学过程控制着这一亚热带湿地中蚊鱼THg浓度的空间和时间变化。

引言

汞（Hg）是一种具有高度毒性的全球性污染物，会对人类和野生动物的健康产生严重影响（Kessler, 2013; Krabbenhoft and Sunderland, 2013）。20世纪70年代初首次在佛罗里达州大沼泽地的鱼类中检测到相对较高的汞浓度（Ogden et al., 1973），并在80年代末也在野生动物中发现了类似现象（Ware et al., 1990）。目前，大沼泽地保护区内大部分区域的鱼类汞浓度仍然很高（Lang et al., 2020）。水生食物网中的汞生物累积受多种环境因素的影响，包括微生物对汞的甲基化作用、水质条件、甲基汞（MeHg）的生物可利用性以及无机汞的负荷（Bodaly et al., 1993; Gilmour et al., 1998a, Gilmour et al., 1998b; Orem et al., 2011）。此外，营养级、资源可用性、生理特征和年龄等因素在汞在鱼类体内的生物累积过程中也起着重要作用（Bodaly et al., 1993; Julian and Gu, 2015; Morcillo et al., 2017）。

大沼泽地地区的汞主要通过大气沉降进入该地区（Guentzel et al., 1995; Vijayaraghavan and Pollman, 2019）。沉降后的无机汞可以转化为毒性更强的甲基汞（MeHg）。汞的甲基化过程主要由硫酸盐还原菌（SRB）控制，其速率取决于硫酸盐浓度、无机汞的生物可利用性和溶解有机碳（DOC）的浓度（Gilmour et al., 1992, Gilmour et al., 1998a, Gilmour et al., 1998b），尤其是在缺氧沉积物中。影响硫酸盐和汞浓度的因素也可能间接影响汞的甲基化过程。例如，降雨量、水深、干旱和洪水等因素会影响硫酸盐和无机汞的可用性，进而影响甲基汞的产生和生物累积（Rumbold and Fink, 2006）。其他微生物如铁还原菌和产甲烷菌也具备甲基化汞的能力（Gilmour et al., 2007; Orem et al., 2019）。

沉积物或附生藻类中的甲基汞可以通过食物链传递进入水生食物网（Liu et al., 2012）。多种水柱参数（如碱度、氯化物、pH值等）会影响鱼类的生理状态或改变汞的生物地球化学循环（Spry and Wiener, 1991; Lange et al., 1993）。食物来源和猎物选择也会影响鱼类体内汞的累积量（Cabana and Rasmussen, 1994; Mills et al., 2019）。与食物来源相关的因素可能间接影响这一过程。例如，不同水文单元之间的营养浓度差异通常会决定水生植物的群落结构，而这些植物是鱼类的主要食物来源（Julian and Gu, 2015; Mills et al., 2019）。

由于鱼类是人类和野生动物摄入甲基汞的主要途径（Sunderland, 2007），因此监测鱼类体内汞浓度的变化对于理解大沼泽地中汞的空间和时间分布及其生物累积的生态意义至关重要。本研究的目标是：（1）评估蚊鱼（Gambusia holbrooki）体内THg浓度的时空变化；（2）确定影响蚊鱼THg浓度变化的环境因素。这一评估对于制定应对南佛罗里达州汞污染问题的有效水质控制策略具有重要意义。

章节片段

背景

大沼泽地是一个历史悠久的贫营养生态系统（Richardson, 2010）。自人类定居以来，奥基乔比湖以南的大部分湿地被开发为农田，称为大沼泽地农业区（EAA）。剩余的大沼泽地被排水渠、堤坝和水控制结构划分为三个水资源保护区（WCA-1、WCA-2和WCA-3）以及大沼泽地国家公园（ENP），这些区域共同构成了大沼泽地保护区。

环境条件

表1列出了监测期间主要水质参数的年均值。图1显示了采集水质和鱼类样本的各个站点位置。所有站点的水深通常都较浅，一般不超过0.5米。不同站点之间的营养物质和其他物理化学成分存在显著差异。直接接收EAA或大沼泽地雨水处理区（STA）排放物的监测站点显示出最高的TP（总磷）浓度。

讨论

大沼泽地具备有利于汞甲基化的理想条件，如低溶解氧水平以及丰富的DOC（溶解有机碳）和元素底物，从而导致水生生物长期受到汞污染。研究结果显示，25%的蚊鱼样本中的甲基汞含量超过了美国环保署（USEPA）为野生动物保护设定的标准（77 ng g^?1）。这一结果可能被高估了，因为并非所有测得的汞都以甲基汞的形式存在，而且蚊鱼可能处于较低的营养级。

结论

数据分析显示，在过去25年里，大沼泽地保护区内12个监测站点的蚊鱼THg浓度存在较大差异。部分站点表现出明显的下降趋势，但总体上没有观察到上升趋势。然而，食物网中的汞污染仍然严重，25%的蚊鱼样本中的甲基汞含量超过了USEPA为野生动物保护设定的标准。这表明……

作者贡献声明

顾斌河：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据分析以及概念框架的构建。

利益冲突声明

作者声明自己没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢Manuel Zamorano制作图1，以及南佛罗里达水资源管理区的员工在样本采集、实验室分析和数据质量控制方面所付出的辛勤工作。