《Environmental Pollutants and Bioavailability》：Macroinvertebrate diversity, bioavailability, and bioaccumulation of heavy metals reveal ecological stress in freshwater bodies of Southwest Nigeria
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本文通过分析奥帕水库及其支流中大型无脊椎动物群落结构及重金属（如Cu、Cr、Mn、Pb、Cd等）生物累积特征，揭示了热带淡水生态系统受人为活动影响的生态压力。研究发现腹足纲（Gastropoda）物种（如Melanoides maculata和Bulinus spp.）具有高耐受性和重金属富集能力，可作为污染指示生物（bioindicators）。研究强调需结合生物监测（Biomonitoring）与流域管理以减缓生物多样性丧失及健康风险。
摘要
本研究针对热带地区淡水生态系统受人为压力威胁加剧但长期生物多样性及污染物动态数据匮乏的现状，以尼日利亚奥帕水库（Opa Reservoir）及其支流为研究对象，在2020年至2021年两个年度周期内，系统调查了大型无脊椎动物群落结构及重金属累积特征。共鉴定出47个大型无脊椎动物类群，以昆虫纲（Insecta，27种）和腹足纲（Gastropoda，16种）为主。腹足纲在奥帕水库各区域及奥帕支流（除阿玛法河Amafa River雨季以昆虫纲为主外）均占优势。物种丰富度和个体丰度在湖沼区（lacustrine zone）最高，而多样性指数在河流区（riverine zone）最高。重金属生物累积分析显示显著的空间变异：铜（Cu）、铬（Cr）和锰（Mn）在几种Bulinus物种中从河流区向湖沼区递增，而铅（Pb）和镉（Cd）在不同类群和生境中呈现相反格局。所有分析金属在腹足纲中的浓度均高于其他类群。尤其值得注意的是，斑纹瘤螺（Melanoides maculata）和Bulinus spp.表现出高耐受性和重金属负荷，凸显其作为哨兵类群（sentinel taxa）的潜力。耐受物种的普遍存在及升高的痕量金属负荷标志着生态完整性的下降，并引发了对污染物通过水生食物网传递的担忧。这些发现证明底栖大型无脊椎动物是热带水库污染的可靠生物指示剂，并强调了采取综合流域管理和区域政策以减缓淡水生物多样性丧失和人类健康风险的紧迫性。
引言
淡水生态系统是全球受威胁最严重的栖息地之一，1970年至2000年间淡水生态系统的生命星球指数（Living Planet Index）下降了50%。生物多样性丧失及其级联生态后果在水生系统中比在陆地环境中更为显著。人为排放持续降解河流、水库和溪流的水质，破坏初级和次级生产力。流动水体输送多种污染物，包括营养物、矿物质、合成化学品和重金属，影响生态完整性和生命支持系统。历史上，丰富的淡水资源吸引了密集的人类定居、工业和农业，但也促进了 indiscriminate 废物处置造成的污染。人口增长和工业化增加了有毒物质和营养负荷的释放，改变了生物群落结构和生态系统功能。全球范围内，由于基础设施不足，数百万吨废物被不当处置，而工业废水进一步富集了水生系统中的重金属。虽然重金属自然存在于地壳中，但人为富集常将其浓度提升至有毒水平，威胁水生生物。这些金属在沉积物中积累，并易被水生生物群，特别是底栖生物吸收，在鳃、肝和肌肉中观察到积累。虽然某些金属（Mn、Fe、Zn、Cu）对生长和代谢是必需的，但其他金属（Pb、Cd、Hg）即使在痕量下也有毒。
大型无脊椎动物，特别是软体动物，由于与甲壳动物和脊椎动物相比其解毒能力有限，尤其易受金属生物累积的影响。它们的固着生活方式、滤食习性及生态重要性使其成为水生污染的 ideal bioindicators。升高的金属浓度不仅威胁其生存，还通过减少生物多样性和改变营养结构来破坏食物网。底栖大型无脊椎动物被广泛认为是生态质量的可靠指标，因为它们整合了污染和栖息地退化的累积效应。其丰度和多样性构成了国家和国际生物监测计划的基础。除了作为生态指标外，它们还在营养循环中发挥核心作用，并为更高营养级（如鱼类、鸟类和哺乳动物）提供必需的食物资源。与捕捉短期变异的物理化学测量不同，大型无脊椎动物群落反映了长期的生态条件，因此是水质的有力生物指示剂。
在尼日利亚西南部的伊莱-伊费（Ile-Ife），奥帕水库及其支流承受着日益增加的人为压力。先前的研究报告称Zn、Fe、Cu和Pb的浓度超过了世界卫生组织（WHO）和尼日利亚环境标准与法规执行局（NESREA）的饮用水限值。沉积物分析进一步揭示了与人为活动相关的Cd、Pb和Cu污染。尽管有这些发现，关于水库及集水盆地内生物群的大型无脊椎动物多样性和金属生物累积的信息仍然匮乏，即使该水库为奥巴费米·阿沃洛沃大学（Obafemi Awolowo University）社区及其周边地区提供饮用水。
因此，本研究旨在表征奥帕水库及其支流中大型无脊椎动物区系的季节和栖息地变异，并评估可食用大型无脊椎动物中重金属的生物累积，提供比单独的水或沉积物分析更具生态相关性的金属污染度量。
材料与方法
研究区
研究在位于尼日利亚奥孙州伊莱-伊费奥巴费米·阿沃洛沃大学校园内的奥帕水库及其支流进行（伊费中央地方政府区域）。水库位于北纬07°30′0″至07°30′10″，东经004°30′40″至004°30′50″之间。自然植被为低地热带雨林，由于农业扩张和人类活动，现已破碎成斑块，形成农田和次生生长的镶嵌体。该地区经历两个主要季节：雨季（4月至10月）和旱季（11月至3月）。年平均气温在23.0°C至31.3°C之间，而相对湿度通常全年较高，雨季期间高达85%，旱季由于热带海洋气团的影响可低至65%。
采样点与程序
设立了九个采样点：三个在奥帕水库内，其余分别位于其支流——埃辛米林河（Esinmirin River）、奥帕河（Opa River）、阿玛法河（Amafa River）、帕拉金河（Parakin River, 亦称Oloju meta）以及奥布布溪（Obubu Stream）和阿穆塔溪（Amuta Stream）。采样在2020年至2021年两个年度周期内按月进行，覆盖雨季和旱季。
采样点描述
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奥帕支流：奥帕河是伊莱-伊费的主要河流之一，有许多季节性溪流作为支流，深度小于5米。奥帕河与奥巴费米·阿沃洛沃大学内的其他河流和溪流一起筑坝形成奥帕水库，原水经处理后为大学社区及周边提供饮用水源。奥帕河发源于奥孙州的奥凯-奥帕（Oke-Opa），流经众多村庄后汇入阿塞吉雷（Asejire）的奥孙河。集水盆地周围的人为活动，如居民区排放废物、采矿和农业活动，导致了该水体的污染。
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埃辛米林河：是汇入奥帕水库的主要支流之一，深度小于5米，具体因地点而异。它被奥格贝（Ogbe）、伊洛德（Ilode）、莫库罗（Mokuro）、阿拉丹拉（Aladanla）等居民区环绕，发源于伊费镇中心，流经伊格博亚（Igboya）社区和奥巴费米·阿沃洛沃大学教学医院后进入奥帕水库。人为活动包括奥贾-通通市场（Oja-Tuntun market）和居民区的废物、农业废弃物直接排入水体。其他活动包括钓鱼、洗涤和沐浴。
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阿玛法河：该河水体较浅，底部多岩石，旱季深度小于1米。发源于奥巴费米·阿沃洛沃大学教学与研究农场的后山，流经奥巴费米·阿沃洛沃大学宿舍区、公园和花园，穿过2号路区域（阿布贾路口Abuja junction）的保安岗亭后汇入奥帕水库。采样时该水体周围人为活动较少。主要活动包括在阿孙勒（Asunle）倾倒废物、沐浴、洗涤和一年生作物的种植。
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帕拉金河：该河流经伊莱-伊费镇内的一些社区（从伊巴丹路到帕拉金和姆巴比姆巴约Mbabi Mbayo），接收来自周边社区的大量生活废物，加之农业和其他活动。河水在旱季用于灌溉，平均深度约1.6米，因地点而异。
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阿穆塔溪：发源于奥罗戈-奥凯村（Orogo-Oke），流经卫理公会教堂、伊费-伊莱沙高速公路路旁、伊莱沙路旁的阿拉科韦（Alakowe），靠近20A路，深度小于1米。沿岸主要人类活动是农业。
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奥布布溪：位于奥巴费米·阿沃洛沃大学校园内，发源于健康科学/药学系大楼和研究生院后方，深度小于1米。沿岸主要人类活动是农业。
奥帕水库
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(a) 下游区（湖沼区）：最靠近坝墙，主要位于开阔水域，可称为湖岸带。向水库中部延伸60米。该区域深度范围3.1至4.0米。主要人类活动包括钓鱼、沐浴和农耕。
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(b) 中游区（过渡区）：位于水库中部区域，同样在开阔水域，但与深水区相比有更宽的沿岸带。深度范围0至6.8米。主要人类活动包括钓鱼、沐浴和农耕。
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(c) 上游区（河流区）：水库最浅的区域，深度范围0至5.1米，比其他区域更具河流特征。水体周围和内部存在人为活动，包括非法采矿、农业活动、生活废物汇入等。
大型无脊椎动物采集与鉴定
在每个站点，使用改良的范维恩抓斗（0.04 m2，0.2×0.2 m）和捞网采集大型无脊椎动物。沉积物使用现场水通过0.5毫米孔径筛进行筛分。用长镊子从沉积物中挑出大型无脊椎动物，保存在70%乙醇中，并标记站点、日期和采集时间。在实验室，使用立体显微镜检查标本，并拍摄照片和绘制草图用于鉴定。分类鉴定遵循既定检索表。
痕量金属分析
将大型无脊椎动物的软组织切下，在60°C下烘干36小时，在干燥器中冷却，并使用瓷研钵和杵均质化成粉末。对于消化，取2克组织粉末，用2:1的HNO?和HClO?混合物处理。残留物用10 mL HCl溶解，并用蒸馏水稀释至100 mL。使用原子吸收分光光度计（AAS）定量重金属（Cd、Pb、Cu、Zn、Fe、Mn）浓度，遵循APHA等标准方法。
统计分析
使用描述性和推断性统计分析数据。使用方差分析（ANOVA）检验大型无脊椎动物丰度和金属浓度的差异。应用多元分析（主成分分析PCA）评估群落结构和金属累积模式。使用Microsoft Excel (2019)、古生物学统计软件（PAST v 4.0）和IBM SPSS Statistics (v29)进行统计分析。
结果
大型无脊椎动物多样性与丰度
在奥帕水库及其支流共鉴定出47种大型无脊椎动物。其中27种属于昆虫纲，16种属于腹足纲，软甲纲（Malacostraca）、环带纲（Clitellata）和蛛形纲（Arachnida）各1种。在奥帕水库的湖沼区，常见 Gomphus vulgatissimus（54 ind./m2）是最丰富的昆虫，其次是Libellula sp.（33 ind./m2）。在腹足纲中，斑纹瘤螺（Melanoides maculata，222 ind./m2）占主导地位，其次是瘤瘤螺（M. tuberculata，146 ind./m2）。相比之下，非洲招潮蟹（Ocypode africana，1 ind./m2）是最丰富的软甲纲动物，而医用水蛭（Hirudo medicinalis，6 ind./m2）和边缘无齿蚌（Anodonta marginata，7 ind./m2）在河流区最为丰富。昆虫的出现情况在各支流间不同。Gyrinus sp. 在阿玛法河（43 ind./m2）、奥布布溪（36 ind./m2）和奥帕河（20 ind./m2）最为丰富。总体而言，G. vulgatissimus（幼虫）在昆虫中总丰度最高（131 ind./m2），其次是Hydrophilus sp.（64 ind./m2），而Rhagoyelia ebesa丰度最低。在腹足纲中，斑纹瘤螺在奥帕河占主导（139 ind./m2），而尖膀胱螺（Physa acuta）在帕拉金河最为丰富（21 ind./m2）。
季节模式明显。腹足纲和昆虫纲在湖沼区的雨季更为丰富，而环带纲、双壳纲和软甲纲在河流区的旱季更为丰富。在支流中，腹足纲和双壳纲在奥帕河的雨季达到峰值，而昆虫纲在阿穆塔溪的旱季更为丰富。环带纲在帕拉金河的雨季最为丰富，软甲纲在帕拉金河的旱季达到峰值。
生物多样性指数存在空间变异。湖沼区记录了最高的类群丰富度（44）、个体丰度（800）和马加利夫指数（6.43）。相比之下，河流区具有最高的香农指数（2.90）、辛普森指数（0.89）和均匀度（0.44）。在支流中，奥帕河支持了最高的丰富度（28个类群，249个个体），而帕拉金河具有最高的香农指数（2.96）、辛普森指数（0.93）和均匀度（0.72）。
大型无脊椎动物体内的重金属浓度
重金属平均浓度在不同类群、栖息地和支流间存在显著差异。铜（Cu）在帕拉金河的Bulinus sp.中达到最高浓度，在B. globosus中跨支流观察到显著差异（p < 0.05）。最大的Cu负荷记录在奥帕水库湖沼区的B. tropicus中。铬（Cr）浓度显示出明显的空间梯度，在B. globosus中从河流区向湖沼区递增。在Pila globosus、B. tropicus、B. nyassanus和Bulinus sp.跨采样点也检测到显著差异（p < 0.05）。类似地，锰（Mn）浓度在Bulinus sp.中沿相同梯度增加，在B. natalensis中变异显著（p < 0.05）。最高的Mn浓度出现在奥帕河的Ocypode africana和阿穆塔溪的B. jaussaumi中。
铅（Pb）在不同类群间呈现相反格局。O. africana中的Pb浓度从湖沼区向河流区递增，而斑纹瘤螺和B. jaussaumi则呈现下降趋势。最高的Pb浓度在奥帕河的O. africana以及帕拉金河和奥布布溪的B. tropicus中检测到。镉（Cd）浓度在埃辛米林河的斑纹瘤螺中达到峰值，在M. tuberculata和B. nyassanus中记录到其浓度的显著差异（p < 0.05）。空间上，Cd在B. globosus、Bulinus sp.和O. africana中从湖沼区向河流区递增，而在B. tropicus中递减。
锌（Zn）在M. tuberculata、B. tropicus、B. jaussaumi、B. reticulatus和O. africana中呈现从湖沼区向河流区递减的总体趋势。然而，在P. globosus和B. tropicus中观察到显著差异（p < 0.05）。值得注意的是，Zn在M. tuberculata、B. reticulatus和G. dehaani中呈现相反趋势，浓度从河流区向湖沼区递增。对于铁（Fe），最大浓度（0.059 ± 0.006 mg/kg）记录在奥帕河的边缘无齿蚌中。相比之下，镍（Ni）在所有站点均以相对较高的浓度持续存在，没有明显的空间变异。主成分分析图显示，Zn、Cd、Ni和Cu是斑纹瘤螺（Melanoides maculata）、天鹅无齿蚌（Anodonta cygaea）中的主要贡献金属；Pb和Mn是Bulinus globosus、B. tropicus、M. tuberculata、Bulinus sp.中的主要贡献金属；Fe是Bulinus reticulatus、B. jausseaumi中的贡献金属；而Cr是Ocypode africana、Pila globosus、B. nyassanus和A. marginata中的贡献金属。
金属的空间和季节模式
空间上，Cu浓度在阿玛法河的腹足纲和奥帕水库湖沼区最高。Cr浓度在埃辛米林河的腹足纲和河流区的双壳纲中达到峰值。Mn在奥帕河的腹足纲和软甲纲以及过渡区的腹足纲中最高。Pb浓度在帕拉金河最高，Cd在埃辛米林河最高，Zn在奥布布溪最高，而这三种金属在奥帕水库的过渡区也升高。Fe在阿玛法河和奥帕水库的河流区浓度最高，而Ni在所有站点均升高。
讨论
奥帕水库及支流的大型无脊椎动物群落结构
奥帕水库及其支流的大型无脊椎动物组合反映了这些淡水系统的生态状况，研究期间共鉴定出2829个个体。记录的丰度与来自其他非洲热带水体的报告大致相当，但高于尼日利亚几条河流和溪流的观测值。这种相对较高的多样性可能由入侵物种的引入以及水生大型植物提供的食物和庇护所驱动，而非仅由水和沉积物的物理化学条件决定。腹足纲在组合中占主导地位（1859 Org/m2），这与它们耐受低氧水平、高颗粒物和农业径流的能力一致。它们通过用厣封闭外壳来抵御不利条件的生存策略赋予了明显的优势。昆虫是第二大类群，反映了它们对广泛环境胁迫的耐受性及其跨栖息地的普遍性。相比之下，蛛形纲代表性稀疏，可能与该纲主要陆生有关，水生成员依赖富含大型植物的栖息地作为避难所和捕食场所。
空间上，奥帕水库支持了1868个个体，而其支流总计仅952个，这种差异可能归因于沉重的人为压力，包括污水排放、农业径流和采矿活动。在支流中，奥帕河栖息着最大的丰度，主要由已知耐污染的斑纹瘤螺（Melanoides maculata）主导，而埃辛米林河表现出最低的密度，可能反映了生活废水输入的影响。这些发现强调了人为干扰和营养富集对大型无脊椎动物群落结构的影响，与热带河流和溪流表现出高恢复力和繁殖能力的观点一致。
季节趋势也塑造了群落组成。腹足纲在大多数调查站点的雨季和旱季均占主导，除阿玛法河外，该处以昆虫为主。腹足纲和昆虫纲的共同主导与大型植物的存在密切相关，大型植物促进了定殖并提供了结构栖息地。相比之下，双壳纲在奥帕河的雨季很突出，而由医用水蛭（Hirudo medicinalis）代表的环带纲在帕拉金河占主导，反映了它们对污染环境的耐受性。耐受类群如Melanoides spp. 和Hirudo spp. 的丰度表明水质受损和高度的人为压力。在奥帕水库本身，湖沼区支持了最高的丰度（800 Org/m2），可能由于干扰较少和沉积物中营养沉积较高，而过渡区显示出减少的密度，与深水和不那么有利的条件一致。这些模式与先前的尼日利亚研究基本一致。
多样性指数
群落多样性指数证实了水库和支流中存在中等但不均匀的组合。优势度指数在支流中为0.07至0.33，在水库中为0.11至0.27，这些值与低异质性一致。香农指数（1.93至2.96）表明低至中等多样性，奥帕河和水库过渡区的值降低，凸显了人为压力的影响。所有调查站点的均匀度值都较低，表明群落组成偏斜和少数耐受类群占主导，与早期在非洲河流中的发现一致。然而，费希尔α指数表明即使在受干扰条件下，物种丰富度也相对较高。
大型无脊椎动物体内的重金属累积
类群的分布和丰度反映了对重金属污染的不同耐受性。在大型无脊椎动物中检测到升高的Cu、Cr、Mn、Pb、Cd、Zn、Fe和Ni浓度，特别是在腹足纲（Melanoides spp., Bulinus spp.）和双壳纲（边缘无齿蚌Anodonta marginata）中，这与它们的摄食和滤食方式一致，便于沉积物摄入和金属吸收。其他地方也报告了类似的趋势，软体动物积累了显著的重金属负荷。在奥帕支流中检测到的高浓度可能反映了多种人为输入，包括农业径流、污水排放、采矿活动以及最近的疏浚作业，这些活动可能将沉积物中的金属重新动员到水柱中。升高的Cu水平，虽然在痕量下是必需的，但与Bulinus spp. 和Anodonta spp. 中的毒性风险相关。在Bulinus和Melanoides中检测到的高浓度Cr可能来源于生活排放、工业废水和采矿相关活动。高毒性的非必需元素Cd在Pila globosus和Bulinus spp. 中达到了令人担忧的水平，可能是由于磷肥、采矿和城市径流所致。
观察到的重金属生物累积具有重要的生态和公共健康影响。Cd、Pb和Hg等金属可导致软体动物生长抑制、繁殖障碍和死亡，并可能通过食物网产生级联效应。此外，生物累积的金属通过生物放大作用对更高营养级构成风险，包括鱼类、鸟类和人类。例如，升高的Pb浓度会损害人类的酶功能、神经健康和心血管系统。类似地，高Cd和Ni负荷可能增加肾毒性和致癌风险。总体而言，在腹足纲和双壳纲中观察到的升高重金属负荷突出了它们作为淡水污染生物指示剂的适用性。耐受类群如斑纹瘤螺（Melanoides maculata）和Bulinus spp. 的普遍存在，加上降低的多样性指数，强调了人为压力在塑造奥帕水库及其支流水生群落方面的程度。
对淡水管理和保护的意义
在奥帕水库及其支流观察到的模式突出了底栖大型无脊椎动物作为生态变化哨兵和污染物循环积极参与者的双重作用。耐受类群如斑纹瘤螺（Melanoides maculata）和Bulinus spp. 的主导地位，加上高生物累积金属负荷，表明这些淡水系统存在显著的人为压力。鉴于大型无脊椎动物作为更高营养级猎物的重要生态作用，重金属的生物放大作用对渔业、野生动物以及最终人类健康构成风险。我们的发现强调了迫切需要采取综合流域管理策略，以解决农业径流、污水排放和采矿废水问题。此外，应将腹足纲和双壳纲纳入长期生物监测框架，作为淡水污染的可靠生物指示剂
