《Regional Studies in Marine Science》：Marine bioindicators of volcanism: trace metal patterns in
Anemonia viridis across two eruptive events
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海洋火山岛屿通过喷发、热液喷口和新鲜熔岩风化向沿海水域释放痕量金属。这些自然输入在量级上可与人为源相匹敌甚至超过人为源，然而标准污染指数很少考虑自然地质成因输入（Mason等，2005；Rodriguez-Losada等，2015；Solomon等，2004）
海洋火山岛屿通过喷发、热液喷口和新鲜熔岩风化向沿海水域释放痕量金属。这些自然输入在量级上可与人为源相匹敌甚至超过人为源，然而标准污染指数很少考虑自然地质成因输入（Mason等，2005；Rodriguez-Losada等，2015；Solomon等，2004）。若缺乏将火山信号与人为污染区分开来的基线，环境管理者将面临风险：可能将自然地质成因富集误读为人为污染，或者相反，忽视被强烈地质成因背景掩盖的真实人为影响（Pragnya等，2020；Raj和Das，2023；Verma和Dwivedi，2013）。这一问题在年轻的、火山活动活跃的岛屿上尤为突出，这些岛屿工业活动极少，大部分金属负荷源自海床以下或新鲜喷发沉积物。
加那利群岛很好地说明了这一挑战。其位于撒哈拉沙漠下风向的位置带来了富含Fe和Al的季节性矿物粉尘脉冲（Barton等，1998；Carracedo等，2022；Mason等，2011；Troll等，2022），而其火山基底通过残余热液排放和周期性喷发供应金属（Carracedo等，2015；Carracedo等，2012；Da?obeitia和Canales，2000；Troll和Carracedo，2016）。十年内的两次喷发提供了一个罕见的自然实验。2011年，Tagoro火山在El Hierro岛以南约千米深处喷发。该事件产生了卫星可探测的热液羽流和以Fe、Mn及其他金属升高为特征的地球化学异常，该异常通过残余脱气和垂直混合持续存在（Ariza等，2014；Fraile-Nuez等，2018；Rodríguez-Santana等，2012；Santana-González等，2017）。十年后的2021年，Tajogaite火山在La Palma岛Cumbre Vieja山脊开始了为期85天的陆上喷发。熔岩到达西海岸并形成新的三角洲；熔岩-海水直接接触和降雨驱动的火山灰淋滤向近岸环境输送了金属脉冲。一次喷发从深部输送金属，主要以溶解态和胶体态形式。另一次喷发从上方输送金属，以颗粒沉降物和降雨释放的灰分淋滤液形式（Campeny等，2023；Martínez-Martínez等，2023；Taddeucci等，2023）。
追踪这些对比性输入的沿海足迹需要一种固着生物，能够随时间整合金属暴露。海葵Anemonia viridis满足这一要求。它广泛分布于东北大西洋岩石海岸，易于采集，且耐受较宽的深度范围（Arántzazu和Marrero，2012；Barhanin等，1981）。由于其固着生活且以悬浮颗粒和溶解营养物为食，其组织浓度反映数周至数月内的当地金属可利用性，而非单一时间点的快照。此前在加那利群岛的研究证实，A. viridis对与撒哈拉沙尘事件和火山活动相关的金属供应短期变化有响应（Horwitz等，2015；Horwitz等，2014；Lozano-Bilbao等，2025；Lozano-Bilbao等，2024c）。
选择A. viridis（Forsk?l, 1775）——在欧洲文献中历史上常报道为Anemonia sulcata（Pennant, 1777）——得到大量生物监测研究支持，这些研究使用该物种（无论用哪个名称）评估沿海大西洋和地中海水域的痕量金属暴露。该物种在两个岛屿的岩石潮间带也局部丰富，使配对设计可行。在此背景下，A. viridis是可用于在两个岛屿的火山区和对照区进行平衡配对比较的最合适的固着大型无脊椎动物，因为它是四个地点均以足够数量存在的唯一此类物种（Harland和Nganro，1990a；Lozano-Bilbao等，2026；Mitchelmore等，2003）。
本研究量化了在El Hierro和La Palma的火山位点和参考位点采集的Anemonia viridis中八种痕量金属（Al、Cd、Cu、Fe、Li、Ni、Pb和Zn）。选择这八种元素是为了使该面板同时涵盖四种不同角色：两种基本为岩石成因、追踪总体矿物负荷的元素（Al和Fe），三种受无脊椎动物主动调控的必需金属（Cu、Zn和Ni），两种具有生态毒理学关注的非必需元素（Cd和Pb），以及一种在热液流体中呈保守行为、对火山玻璃蚀变敏感的元素（Li）。这八种元素均见于海底喷口和陆上火山灰淋滤所释放的金属中，均可通过ICP OES在单个标本可获得的组织量中定量，且同一面板已应用于群岛此前的生物监测工作，可直接与早期系列比较。两个系统在喷发方式上存在差异，且重要的是，在喷发与采样之间经过的时间上存在差异：海底Tagoro喷口释放残余热液流体约11年，而陆上Tajogaite熔岩三角洲在采集时仅冷却约11个月。本研究并非简单比较海底与陆上火山作用，而是作为两个处于不同喷发后恢复阶段的火山系统的配对比较。喷发方式在此无法与岛屿、当地地点条件和喷发后经过的时间分离，下文呈现的任何分析均无法将其区分。在此框架内，研究人员结合相对于对照位点浓度计算的富集因子、金属污染指数、多元排序和元素间比值，以：(i) 表征每个系统在底栖组织上烙印的痕量金属特征；(ii) 评估这些特征是否在对比性恢复阶段下仍然趋同；(iii) 评估A. viridis作为贫营养岛屿海岸火山成因金属暴露实用哨兵物种的潜力，并确定能够确立该角色的设计所需条件。
海洋火山活动对沿海痕量金属输入的生物指示研究：以加那利群岛两次喷发事件中菊形海葵（Anemonia viridis）为模型
1. 研究背景与科学问题
海洋火山岛屿通过喷发、热液喷口和新鲜熔岩风化向沿海水域释放痕量金属。这些自然输入的量级可与人为源相当甚至超过人为源，然而标准污染指数很少考虑自然地质成因输入。缺乏区分火山信号与人为污染的基线，会导致环境管理者将自然地质富集误判为人为污染，或 conversely 忽视被地质背景掩盖的真实人为影响。这一问题在年轻火山岛尤为突出，因其工业活动极少而金属负荷主要来自海床以下或新鲜喷发沉积物。加那利群岛位于撒哈拉下风向，既受富含Fe、Al的矿物粉尘输入，又通过残余热液排放和周期性喷发供应金属。2011年El Hierro岛Tagoro海底火山喷发与2021年La Palma岛Tajogaite陆上喷发构成天然配对实验：前者从深部以溶解和胶体态释放金属，后者通过熔岩-海水接触和降雨淋滤火山灰从上方输送颗粒态金属。追踪这类对比输入的沿海足迹需固着生物，海葵A. viridis因其分布广、易采集、组织浓度反映数周至数月金属暴露而被选为研究对象。研究量化了八种痕量金属（Al、Cd、Cu、Fe、Li、Ni、Pb、Zn），旨在表征两种火山系统在底栖组织中的金属特征，评估其特征是否趋同，并检验该物种作为火山金属暴露哨兵的潜力。
2. 研究方法与技术
研究在2022年11月进行单次采样，共采集80个A. viridis标本，设计为平衡配对：El Hierro岛设火山位点La Restinga（距Tagoro海底喷口约2 km）和对照位点El Charco Azul；La Palma岛设火山位点Tazacorte（紧邻Tajogaite熔岩三角洲）和对照位点Los Cancajos。每个位点20个标本，均在低潮时手采自潮间带水坑。采样时间距Tagoro喷发开始约11年，距Tajogaite喷发结束约11个月。样品经解剖去除内脏、超纯水冲洗、3 g湿重等分、80°C干燥24 h、450°C灰化24–48 h后溶于1.5%硝酸，使用Thermo Scientific iCAP PRO ICP-OES测定八种金属。分析方法经DORM-1和DORM-5标准参考物验证，回收率97.1%–103.3%。统计分析包括双因素置换多元方差分析（PERMANOVA）、多元离散度检验（PERMDISP）、主成分分析（PCA）、典型判别分析（CDA）、相似性百分比分析（SIMPER）、富集因子（EF）和金属污染指数（MPI），并计算元素间比值。
3. 研究结果
3.1 描述性统计与富集模式：所有八种金属在火山位点的浓度均高于对应对照位点，其中Ni相对增幅最大（火山组达1.05 mg/kg，对照组低于0.32 mg/kg），Cu在火山标本中增至近三倍，Al、Fe、Pb、Li、Zn均有升高。火山组个体间变异性更大。
3.2 PERMANOVA与PERMDISP：双因素PERMANOVA显示所有金属的Zone效应极显著（p=0.0001），其中Cu的F值高达947.0；Island因子除Zn外均不显著，且无交互作用，表明火山富集模式在跨约100 km的两个岛屿上一致。PERMDISP显示Cd、Cu、Ni、Pb、Zn的离散度异质性显著，火山组变异性更大，但方向明确。
3.3 主成分分析：前两个主成分解释71.7%总方差（PC1=60.5%，PC2=11.2%）。所有金属在PC1正方向负载，Cu、Fe、Cd、Ni贡献最大；控制组与火山组沿PC1完全分离。
3.4 典型判别分析：四组模型交叉验证准确率仅48.8%，但错误分类均未跨越对照-火山界线；两类模型（对照vs火山）实现100%交叉验证准确率、敏感性和特异性。Cu与判别函数几乎完美相关（r=0.99）。跨岛屿验证显示，基于任一岛屿训练的规则可完全正确分类另一岛屿全部标本。
3.5 相似性百分比分析：对照与火山间平均相异度4.67，Cu贡献最大（16.2%），依次为Cd（13.5%）、Fe（13.3%）、Al（12.8%）等；两个火山组间平均相异度3.44，Li、Zn、Ni、Pb贡献约70%，Cu仅1.8%。两个对照位点为整个数据集最相似组对（相异度1.83）。
3.6 富集因子与金属污染指数：所有EF>1，Ni富集最高（El Hierro 3.56，La Palma 3.37），其次Cu（合并2.79）、Pb（2.39）、Al和Fe（2.10），Li（1.50）和Zn（1.25）最低。MPI在火山组约翻倍（对照0.35–0.36，火山0.76–0.82，p=0.0001）。
3.7 元素间比值：Fe/Al无显著变化，Cu/Al略升但不显著；Ni/Al显著增加约36%（p=0.023），Li/Al显著下降约41%（p=0.002），Cd/Zn显著增加（p=0.0001）。
4. 讨论与结论小结
讨论部分指出，火山活动以两种根本不同方式向沿海海洋供应金属：海底热液释放溶解/胶体态元素，陆上喷发通过火山灰可溶盐和后续淋滤释放金属。8种元素选择对应四种生态地球化学角色：Al、Fe示踪岩石成因负荷，Cu、Zn、Ni为必需调控金属，Cd、Pb为毒理学关注非必需元素，Li指示热液保守性和玻璃蚀变。火山信号一致性显著：PERMANOVA、PCA、MPI和EF谱均在两个独立岛屿上收敛，Ni作为加那利地幔源镁铁质岩浆特征组分富集最高。尽管PERMDISP表明部分金属离散度异质，但方向一致。判别分析显示火山信号强度远大于两个火山系统间的差异，SIMPER结果进一步支持Cu是区分火山与对照的主元素，而区分两个火山系统的元素是Li、Zn、Ni、Pb。元素比值分析排除单纯颗粒摄食假说，Ni超出矿物负荷的富集指向岩浆源贡献，Li/Al下降指示玻璃蚀变释锂有限。生态毒理学背景将火山组Cu（0.74–0.75 mg/kg）与地中海工业排放口附近刺胞动物水平比较，Ni（1.05 mg/kg）接近温带海葵实验水相Ni亚致死阈值。关于撒哈拉沙尘，尽管其贡献区域岩石成因背景，但配对位点朝向相反却产生几乎一致的富集排序，且富集最强元素（Ni、Cd、Cu）为基性岩浆特征组分，故沙尘无法解释火山-对照差异。
研究结论：来自所采样火山位点的A. viridis标本中所有八种金属浓度均高于配对对照位点，无一例外。Ni富集最高（两岛屿均约3.5倍），其次Cu、Pb；MPI在火山位点约翻倍。基于八种金属的判别模型在留一交叉验证中正确分配每个标本至其区域，且从单一岛屿拟合的规则可无误分类另一岛屿标本。综合结果支持A. viridis作为贫营养岛屿海岸火山成因金属暴露哨兵的潜力，并主张在此类环境中将火山强迫明确纳入痕量金属基线，因为自然输入可与通常归因于人类活动的输入相匹敌或超过之。确立该角色需设计多个火山和对照位点、重复采样喷发后序列并同步表征周围水和颗粒相。
