深海采矿排放可破坏中层食物网：营养稀释效应对中层生态系统的影响

《Nature Communications》：Deep-sea mining discharge can disrupt midwater food webs

本刊推荐：为评估深海采矿对中层生态系统的潜在影响，研究人员针对克拉里昂-克利珀顿区多金属结核开采提出的中层排放方案，开展了一项关于中层食物网营养基础的研究。通过氨基酸化合物特异性同位素分析(CSIA-AA)和贝叶斯混合模型，发现>6μm的天然颗粒是食物网的重要基础，而采矿排放颗粒虽尺寸相似但氨基酸浓度显著降低(PMedium=0.028, PLarge=0.035)。研究证实53%的浮游动物类群为颗粒摄食者，60%的微型游泳生物类群以浮游动物为食，表明中层采矿羽流可通过营养稀释引发自上而下的生态系统级联效应。

　　

在浩瀚的太平洋深处，克拉里昂-克利珀顿区(Clarion-Clipperton Zone, CCZ)的海床上沉睡着数以万亿计的多金属结核，这些富含镍、钴、铜等关键金属的矿藏正成为深海采矿的新焦点。随着国际海底管理局已批准覆盖150万平方公里海域的19个勘探许可证，人类对深海资源的开发正迈向工业化规模。然而，当采矿船从5000米深的洋底采集结核时，伴随产生的沉积物废水该如何处置？目前矿业公司提出的方案是将这些废水排放至中层水域（下中层带/上深层带），这个决策犹如在黑暗的深海中投下一枚生态炸弹。

中层水域是海洋中最大的栖息地，这里生活着独特的动物群落，包括浮游动物(zooplankton)和微型游泳生物(micronekton)。它们构成了海洋食物网的关键环节，连接着上层的初级生产者和金枪鱼、鲸类等顶级捕食者。更重要的是，这些生物每天进行着地球上最大规模的垂直迁徙——从白天的深水层迁移至夜间的表层觅食，犹如无形的生物泵将碳从表层输送至深海。但采矿废水形成的羽流可能会打破这片黑暗世界的生态平衡。

53μm（绿色）粒径组分的总氨基酸浓度（归一化至颗粒氮含量）。P值显示中型和大型背景颗粒与羽流/排放颗粒物之间的显著差异（单因素方差分析）。'>

为了揭示采矿羽流的潜在影响，由Michael H. Dowd领衔的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究人员通过创新的氨基酸化合物特异性同位素分析(Compound-Specific Isotope Analysis of Amino Acids, CSIA-AA)技术，结合贝叶斯混合模型(Bayesian mixing model)，首次系统评估了中层食物网对采矿排放的脆弱性。他们比较了自然背景颗粒与采矿排放颗粒的营养差异，分析了中层生物群落的营养结构，结果发现了一个令人担忧的生态陷阱：采矿排放的颗粒物虽然尺寸与天然颗粒相似，但其营养价值却大打折扣。

关键技术方法

研究团队在2021-2022年期间通过三次航次在CCZ区NORI-D采矿权区域采集样本。采用原位大体积水泵系统收集三种类型颗粒物（背景、排放和羽流颗粒），按粒径分为小(0.7-6μm)、中(6-53μm)、大(>53μm)三个组分。通过激光原位散射和透射法(LISST)测量颗粒浓度和粒径分布。使用氨基酸化合物特异性同位素分析(CSIA-AA)技术测定δ¹⁵N值和δ¹³C值，并应用贝叶斯混合模型量化不同粒径颗粒对食物网基础的贡献。浮游动物通过1m²多联网(MOCNESS)采集，微型游泳生物通过10m² MOCNESS采集，并进行全群落DNA代谢条形码分析。

研究结果

采矿排放颗粒营养质量显著降低

研究发现，采矿相关颗粒物的氨基酸浓度远低于天然背景颗粒。背景颗粒中小、中、大粒径的氨基酸浓度分别为4.7±2.7、41.1±25.3和46.3±34.7 ngN/μgPN（颗粒氮），而羽流和排放颗粒的对应浓度仅为3.8±4.4、1.7±1.5和4.2±4.7 ngN/μgPN。中型和大型背景颗粒的氨基酸浓度显著高于羽流/排放颗粒(P_Medium=0.028, P_Large=0.035)，表明采矿排放的中大型颗粒在氨基酸含量上严重贫乏。

颗粒物浓度急剧增加

背景颗粒物在小和大粒径组分中的浓度分别为0.08和0.23μL/L，而羽流颗粒物在相同粒径组分中的浓度高达9.80和2.18μL/L，增加了两个数量级。颗粒物计数显示类似趋势，背景小、大粒径颗粒计数分别为0.014和0.003×10⁸颗粒/L，而羽流颗粒对应为11.15和0.12×10⁸颗粒/L。羽流颗粒粒径分布峰值出现在2.6-4.3μm之间，视觉分析也证实羽流中小颗粒(0.7-6μm)显著增加。

大型颗粒是食物网的重要基础

贝叶斯混合模型分析表明，>6μm的大型颗粒对氧最小区(Oxygen Minimum Zone, OMZ)以下（700-1500米）食物网基础贡献显著。在46个动物样本中，65%的消费者样本依赖大型颗粒作为超过一半的食物网基础。按类群分析，8个类群中的5个显示大型颗粒平均贡献超过50%。在拟议的排放深度(1000-1500米)，26个动物样本中的16个显示大型颗粒贡献超过50%。

中层生物群落易受冲击

全群落代谢条形码(18S rDNA)分析显示，在700-1500米深度，53%的浮游动物类群为颗粒摄食者（包括桡足类、介形类和镰虫类），它们以悬浮颗粒有机质为主要食物源。此外，20%的类群为凝胶质生物（管水母、被囊动物和钵水母），这些生物对悬浮颗粒特别敏感。微型游泳生物中，60%的80个类群为浮游动物食性，37.5%为微型游泳生物食性，85%的个体密度为浮游动物食性。这表明采矿羽流对浮游动物的影响将沿食物链向上传递。

6μm）粒径组分对浮游动物（0.2-0.5、0.5-1.0、1.0-2.0和2.0-5.0 mm粒径组）和微型游泳生物类群（A. brevicarinata、Cyclothone spp.、Japatella spp.和Eucopia spp.）食物网基础的平均贡献。'>

研究结论与意义

本研究首次提供了中层采矿排放破坏食物网的实证证据。研究表明，在拟议的排放深度，大型颗粒(>6μm)是中层食物网的重要基础，而采矿羽流将用营养贫乏的颗粒稀释或替代这些天然颗粒。鉴于半数以上浮游动物类群为颗粒摄食者，且大多数微型游泳生物依赖浮游动物为食，这种营养稀释效应可能引发整个生态系统的级联影响。

研究还探讨了可能的缓解措施，包括改变排放深度或将沉积物废物返回海底。然而，在OMZ氧跃层附近或核心区排放可能干扰生物对低氧的精细适应行为，而在更深水层排放可能影响高生物多样性的深层群落。将废物返回海底虽然可能产生海底羽流，但或许能通过减少一个排放源来最小化整体环境影响。

这项工作强调了在深海采矿环境风险评估中考虑中层生态系统的重要性，为监管机构制定排放政策提供了科学依据。随着全球对关键金属需求的增长，必须在资源开发和生态保护之间寻找平衡，确保深海这片地球上最后的边疆不被不可逆地破坏。