《Environmental Pollution》：Synergistic Effects of Metal Pollution and Habitat Degradation from Artisanal Gold Mining Drive Species-Specific Oxidative Stress and Biodiversity Loss in a Semi-Arid River Catchment
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小型金矿开采对水生生态系统的影响研究。通过整合历史鱼类记录和现代生态毒理学分析，发现津巴布韦上姆津?万流域存在重金属（Cd、Cr、Pb、Hg）显著累积，底栖鱼类（Chiloglanis spp.）和浮游生物（Mesobola brevianalis）分别呈现高生物累积特征。氧化应激指标（谷胱甘肽）显示物种特异性响应，GSH induction与ΣMetals浓度呈显著正相关（p<0.01）。对比1947-1994年与2019年鱼类多样性，发现物种减少19%（4种灭绝），证实ASGM通过直接毒性（氧化应激）和间接生境破坏（ invasive species 优势）协同驱动生物多样性丧失。提出以特异鱼类为生物指示器的监测框架。
唐纳德·T·A·塔普富玛 | 阿尔伯特·查科纳 | 约格什库马尔·奈克
环境科学系，国立科学技术大学，邮政信箱AC939，阿斯科特，布卢瓦约，津巴布韦
摘要
手工和小规模黄金开采（ASGM）是发展中国家的重要经济活动，但通过释放重金属和破坏栖息地，对水生生态系统构成了严重威胁。本研究对津巴布韦上乌姆津格瓦内河流域的ASGM影响进行了综合生态毒理学和生态学评估。我们结合分析了12种鱼类中金属（镉、铬、铅、汞）的生物积累情况以及氧化应激生物标志物，并利用博物馆记录（1947-1994年）对生物多样性的变化进行了历史对比。在ASGM区域，沉积物和鱼类组织中的金属浓度显著升高。我们发现了两种主要的生物积累模式：底栖鲶鱼科鱼类（Chiloglanis属）是沉积物中铬和铅的超积累者（生物积累因子>10,000），而浮游动物Mesobola brevianalis则是镉和汞的高积累者。线性回归显示，不同物种的氧化应激反应存在显著差异。金属总浓度（ΣMetals）对谷胱甘肽（GSH）的诱导具有显著的叠加效应，尤其是在Labeobarbus mariequensis（p < 0.01, r2 = 0.54）、Enteromius属鱼类和M. brevianalis（p < 0.01, r2 = 0.42）中。当代调查显示只有17种鱼类，而历史上有21种，这证实了Gobiidae科鱼类和几种Enteromius属鱼类的局部灭绝。我们的研究结果表明，ASGM通过协同机制导致生物多样性丧失：直接金属毒性（通过氧化应激介导）和间接栖息地退化，从而加剧了入侵物种的捕食作用。本研究强调了规范ASGM操作的必要性，并提倡在监测项目中使用特定鱼类作为生物指示剂。这里发现的毒性和栖息地退化的协同机制具有全球代表性。我们的发现为使用多物种生物指示剂方法诊断和监测河流系统中的混合污染生态后果提供了全球适用的框架。
引言
半干旱地区的淡水生态系统是生物多样性的热点，具有高度的特有性，但极易受到人为压力的影响（Skelton, 2001; Marshall, 2011）。在津巴布韦，包括乌姆津格瓦内河在内的西南部流域处于恶劣的半干旱气候中，常年存在的池塘在长期干旱期间成为重要的水文避难所。这些生态系统支持适应极端条件的独特鱼类群落，但它们正日益受到人类活动的威胁。
手工和小规模黄金开采（ASGM）是当地经济的主要驱动力，同时也是全球人为汞污染的最大来源，贡献了超过35%的汞排放量（Kosai等人，2023年）。ASGM通常采用简单的技术，如水力开采、淘金和汞 amalgamation，导致水生系统受到重金属的广泛污染和栖息地的物理破坏（Habashi, 2016; Timsina等人，2022年）。在津巴布韦，ASGM作业经常涉及处理富含硫化物的矿石，从而产生酸性矿井排水（AMD），并将包括砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）和汞（Hg）在内的多种有毒金属渗入邻近河流。这些金属具有持久性，在水生生物体内积累，并能在多个生物层面上引起毒性效应，从细胞氧化应激到种群减少（Ali等人，2019; Lushchak, 2011）。除了污染之外，ASGM还通过河床挖掘和淤积导致严重的栖息地退化，改变鱼类产卵和觅食所需的流速和底质组成（Timsina等人，2022年）。这些影响还常常伴随着生物威胁，如引入入侵的食鱼物种（Ellender等人，2014年）。
尽管人们普遍认识到ASGM的威胁，但将特定金属暴露与非洲半干旱系统中的毒理学途径及随后的生物多样性丧失联系起来的研究却很少。此外，半干旱河流独特的生态毒理学脆弱性——有限的稀释作用和避难池的关键重要性可能会放大污染效应——在全球评估中常常被忽视。历史博物馆收藏为评估长期动物群变化提供了宝贵的基准（Shultz等人，2020; Rubenstein等人，2023），但这些数据很少与当代生态毒理学数据结合使用，以全面了解人为影响。
本研究利用历史博物馆记录和现代野外采样相结合的方法，研究了ASGM对上乌姆津格瓦内河流域的多方面影响。我们假设ASGM作业导致了：（i）水、沉积物和鱼类组织中重金属水平的显著升高；（ii）本地鱼类物种多样性的明显下降；（iii）某些生态类群的物种特异性生物积累模式和氧化应激反应，使它们面临更大的风险。通过整合生态学和生态毒理学数据，本研究旨在提供ASGM影响的明确证据，为环境管理和保护政策提供关键见解。
研究区域和站点选择
本研究在津巴布韦的上乌姆津格瓦内河流域进行，该地区ASGM活动频繁。选择了11个沿季节性河流分布的采样点，包括10个活跃的ASGM热点和1个受人为影响最小的上游参考点。参考点位于同一地质带内，但被视为一个神圣的池塘，在20公里范围内没有采矿活动，因此适合作为生态参考。
鱼类生物多样性的时间变化
历史博物馆记录（1947-1994年）显示，上乌姆津格瓦内河流域有21种本地鱼类，属于13个属、7个科和5个目。而当代调查（2019年）仅记录了17种鱼类，属于7个属、5个科和3个目，表明物种减少了4种（减少了19%）。值得注意的是，整个Gobiidae科（最后一次记录在20世纪50年代）以及Enteromius属中的几种物种（E. matozzi, E. afrohamiltoni）在所有当代样本中都不存在。
讨论
我们的综合发现提供了有力证据，证明ASGM是上乌姆津格瓦内河流域生态危机的主要催化剂，通过直接的毒理学途径和间接的生态系统退化导致生物多样性丧失。
最重要的发现是识别出两种不同的生物积累和应激反应综合征，它们对应于不同的生态类群。首先，底栖鲶鱼科（Chiloglanis属）被证实是这些物质的超积累者。
结论
本研究明确表明，上乌姆津格瓦内河流域的ASGM作业严重破坏了水生生态系统的健康，导致鱼类生物多样性的显著丧失。我们定量展示了以下结果：
- 1. 多种金属污染严重：ASGM区域的沉积物和鱼类组织中的砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）和汞（Hg）浓度显著升高。
- 物种特异性脆弱性：不同生态类群面临不同的威胁：例如，底栖鱼类（如Mochokidae）受到更严重的影响。
CRediT作者贡献声明
唐纳德·塔普富玛：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、项目管理、方法论、调查、概念化。阿尔伯特·查科纳：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、概念化。约格什库马尔·奈克：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、概念化
未引用的参考文献
Carlberg和Mannervik，1975；Flohé和?tting，1984a。
科学写作中关于生成式AI的声明
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