斯洛伐克镍冶炼厂遗址的蚱蜢生物监测：揭示金属污染动态与植物-昆虫元素传递规律

本研究以斯洛伐克废弃镍冶炼厂周边为研究对象，通过三年生物监测分析蚱蜢（Euchorthippus declivus）及草本植物对51种元素的富集特征。发现主要污染元素（Ni、Cr、Co）在蚱蜢体内含量下降50-80%，PM10/PM2.5同步降低，首次证实旋花（Convolvulus arvensis）可作为元素污染生物指示剂，并揭示蚱蜢对Cu、Cd、U等元素的生物富集因子（BAF>1）。为工业遗留污染生态评估提供新方法。

　　

工业革命以来，金属污染如同隐形的生态锁链，持续威胁着全球生态系统。在斯洛伐克村庄Dolná Streda，一座1993年关闭的镍冶炼厂留下了面积达45公顷的黑色污泥堆，其中铁(Fe)、铬(Cr)、镍(Ni)等重金属含量惊人。这类工业遗迹如何通过食物链影响周边生物？昆虫能否成为监测污染的"活体传感器"？这些问题亟待解答。传统监测方法成本高昂且难以反映生物可利用性，而蚱蜢作为植食性昆虫，其元素组成直接反映环境-植物-动物的传递效率，是理想的生物指示剂。

斯洛伐克科学院与帕尔杜比采大学的研究团队选择当地优势种Jersey蚱蜢（Euchorthippus declivus），对污染区及两个对照点开展三年追踪。研究发现污染区蚱蜢体内主要元素含量呈现显著时间梯度：镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)在2021-2023年间下降50-80%，与区域PM₁₀/PM_2.5浓度降低趋势吻合。值得注意的是，虽有毒元素铅(Pb)、砷(As)及稀土元素未明显减少，但其含量仍低于全球其他工业区。通过生物富集因子(BAF)分析，首次发现蚱蜢对铜(Cu)、镉(Cd)、铀(U)等呈现主动富集(BAF>1)，而对铬(Cr)、锡(Sn)等表现为排斥(BAF<1)。相关成果发表于《Environmental Pollution》，为工业污染生态风险评估树立新范式。

关键技术包括：1) 采用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)检测51种元素；2) 基于GPS定位的三年纵向采样设计，包含污染区(P)与对照点(C1/C2)；3) 生物富集因子(BAF)量化模型；4) 主成分分析(PCA)与层次聚类(HCA)用于元素谱系区分。

Main elements of dump sludge in grasshoppers
通过对比污染区与对照点蚱蜢体内元素含量，证实铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)、钴(Co)在污染区显著富集，其中镍含量达4.4 μg/g干重。锰(Mn)因生理调节作用未表现地域差异。元素动态变化暗示环境修复可能。

PM particles and minor elements
PM₁₀/PM_2.5浓度下降与主要金属减少同步，但铀(U)、钍(Th)等放射性元素稳定性提示其污染来源差异。与全球数据对比显示该区域整体污染水平较低。

Herbs as potential bioindicators
旋花(C. arvensis)对镍(Ni)、铬(Cr)、硒(Se)的富集能力最强，与蚱蜢体内含量呈显著正相关(r>0.7)，证实其作为生物指示剂的潜力。狗尾草(S. viridis)则对镉(Cd)、钨(W)特异性富集。

Bioaccumulation patterns
生物富集因子(BAF)分析揭示蚱蜢对元素的选择性：对铜(Cu)、镉(Cd)、镝(Dy)等表现主动积累(BAF 1.2-3.8)，而对镁(Mg)、铷(Rb)等必需元素保持稳态(BAF≈1)。

Multivariate analyses
PCA与HCA证实污染区元素谱具有独特性，镍(Ni)-铬(Cr)-钴(Co)组合可作为该区域污染特征指纹。

这项研究开创性地构建了"工业遗址-植物-昆虫"元素传递模型，其价值体现在三方面：首先，证实蚱蜢作为生物指示剂的敏感性，尤其对铀(U)、镉(Cd)等高风险元素的富集预警作用；其次，发现旋花(C. arvensis)与污染元素的高度相关性，为低成本监测提供新方案；最后，BAF模型揭示昆虫对金属的选择性代谢机制，为污染生态毒理学研究奠定基础。研究团队特别指出，虽然主要污染物呈下降趋势，但放射性元素及稀土元素的持久性仍需长期监测。该成果不仅为斯洛伐克地区环境治理提供科学依据，其方法论更可推广至全球类似工业遗留污染区的生态评估。