森林流域中水生和陆地食物网内部及之间的微量元素营养转移

《Frontiers in Environmental Science》：Trophic transfer of trace elements within and between aquatic and terrestrial food webs in a forested watershed

本研究调查了美国加利福尼亚州北部半偏远流域河流与森林食物网中铜、锌、砷、镉四种痕量元素生物积累与传递特征。通过稳定同位素分析（δ13C、δ1?N）和营养级放大因子（TMF）计算，发现铜、锌、镉在两个食物网中均发生生物放大（TMF>1），而砷在河流中发生生物稀释（TMF<1），在森林中无显著变化。铜、锌、镉存在显著正相关（Spearman相关系数0.44-0.85），表明其通过相似离子通道和金属硫蛋白等生理机制协同传递。河流食物网中基资源生物膜显著富集重金属，而森林食物网中节肢动物（如蜈蚣）和腐食性无脊椎动物（如蜚蠊）对铜、锌积累贡献突出。研究揭示了水陆生态系统间痕量元素传递的异质性，为全球气候变化与人类活动叠加影响下的重金属循环提供了新证据。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了四种痕量元素（铜、锌、砷和镉）在河流和森林食物网中的生物放大效应。研究地点位于美国加利福尼亚州北部的 Angelo Coast Range 保护区，这是一个相对未受人类活动干扰的半偏远流域。通过比较这两种不同生态系统中这些元素的生物累积和食物链传递情况，研究人员希望揭示自然食物网中这些元素的动态变化，并进一步理解它们在环境变化下的行为模式。

研究发现，铜、锌和镉在河流和森林食物网的较低营养级中表现出生物放大效应，而砷则在河流食物网中显示出生物稀释趋势。这种现象表明，尽管这些元素在自然环境中普遍存在，但它们的生物放大或稀释取决于多种因素，包括化学形态、生物体的生理机制以及环境条件的变化。例如，铜和锌作为必需元素，其在生物体内的积累与代谢需求密切相关，而砷和镉则因其非必需性以及化学形态的差异，表现出不同的生物放大模式。

在河流生态系统中，基础资源如沉水植物残骸、丝状藻类和固氮蓝藻构成了食物网的基础。这些资源被初级消费者如滤食性蚌类、飞虫幼虫和刮食性昆虫所利用。次级消费者包括食肉性无脊椎动物和食虫鱼类，而顶端消费者如蜘蛛和鸟类则通过捕食这些次级消费者将污染物传递到更高的营养级。在森林生态系统中，基础资源主要是落叶和腐殖质，支持着分解者和植食性昆虫。这些昆虫又被捕食者如蜘蛛和蝎子所捕食，形成较为复杂的森林食物网结构。

研究使用了稳定的氮同位素（δ1?N）和碳同位素（δ13C）来评估食物链中这些元素的传递效率。氮同位素的富集程度可以反映生物体在食物链中的位置，而碳同位素则有助于追踪能量来源和不同生态位的生物体之间的差异。通过计算生物放大因子（Trophic Magnification Factor, TMF），研究人员发现铜、锌和镉在两种生态系统中都表现出生物放大趋势，而砷则在河流中出现生物稀释，但在森林中则没有明显趋势。

在河流生态系统中，铜、锌和镉的浓度在不同营养级中逐渐增加，表明这些元素通过食物链传递得到了积累。而在森林生态系统中，虽然这些元素同样表现出生物放大趋势，但其浓度的变化模式与河流略有不同。这可能与不同生态系统中生物体的生理机制、营养需求以及化学形态的差异有关。例如，铜和锌作为必需元素，被无脊椎动物优先吸收并储存，而镉则可能通过类似机制被积累，尽管其非必需性使其在某些生物体中不易保留。

砷在河流食物网中表现出生物稀释趋势，这可能与其化学形态有关。在河流中，砷主要以无机形式存在，如砷酸盐和亚砷酸盐，这些形态的生物可利用性较低，且容易被代谢为毒性较低的有机形式，如砷胆碱和砷糖。这些有机形式可以迅速被排出体外，从而减少了其在食物链中的积累。而在森林生态系统中，砷的浓度在不同营养级之间没有显著变化，这可能与土壤中的化学转化有关，如砷（III）在森林土壤中被转化为甲基化形式，从而降低了其生物可利用性。

研究还发现，铜、锌和镉之间存在显著的正相关关系，这表明它们可能通过相似的生理途径进行吸收和积累。这些元素都以阳离子形式存在，可能通过相同的转运蛋白进入生物体，并在体内被储存或排除。这种共同的机制可能解释了它们在不同生态系统中表现出相似的生物放大趋势。而砷则表现出不同的行为，这可能与其化学形态和生物体的代谢方式有关。

此外，研究还探讨了不同生态系统中这些元素的浓度差异。总体而言，河流和森林生态系统中的无脊椎动物对这些元素的吸收和积累存在显著差异，这可能与它们的生理特性和环境条件有关。例如，某些无脊椎动物如甲壳类和虾类表现出较高的铜和锌浓度，这可能与其代谢需求有关。而镉的浓度则在某些森林无脊椎动物中较高，这可能与其在土壤中的分布和生物体的吸收能力有关。

研究还强调了环境因素对这些元素生物累积的影响。温度、pH值等环境条件可能会影响元素的生物可利用性，从而改变其在食物链中的传递效率。此外，生物体的生理策略，如储存和排除机制，也对这些元素的累积和传递起到关键作用。不同物种和个体之间的差异，如性别、体型和食性，也可能导致这些元素在食物链中的分布不同。

最后，研究指出，虽然目前的研究主要集中在河流和森林食物网中，但未来的研究需要进一步扩大样本量，包括更多的脊椎动物，以及深入探讨环境因素和化学形态对这些元素传递的影响。通过这些研究，可以更全面地理解这些痕量元素在自然生态系统中的动态变化，以及它们在环境变化下的响应机制。这不仅有助于评估生态系统的健康状况，也为未来的污染防控和生态修复提供了科学依据。