利用稳定同位素方法评估高纬度沿海海洋生态系统中有机污染的空间和季节性分布模式

《Marine Pollution Bulletin》：Stable isotope approaches for assessing spatial and seasonal patterns of organic pollution in a high-latitude coastal marine ecosystem

高纬度贝格尔海峡沿海海洋生态系统通过稳定同位素分析（δ15N、δ13C）研究有机污染的空间和季节性分布规律，发现δ15N值在冷季反映 sewage氮输入，δ13C值可区分有机质来源，季节性和水文地形特征显著影响同位素信号。

　　

作者：Yamila A. Becker、Natalia A. Dellabianca、Clara Natalia Rodríguez-Flórez、Andrea Malits、Luciana Riccialdelli 研究机构：阿根廷火地岛乌斯怀亚市Bernardo Houssay 200号，Centro Austral de Investigaciones Científicas (CADIC)，隶属于国家科学技术研究委员会（CONICET）

摘要

人类人口的增长对海洋环境造成了长期的压力，尤其是在受到人为营养物质输入影响的沿海系统中。源自污水的有机物质富集是营养物质负荷的主要来源，会显著改变生物地球化学过程和食物网结构。氮（δ^15N）和碳（δ^13C）的稳定同位素分析已被证明是追踪水生生态系统中营养物质来源、传输途径及其时空变化的有效工具。本研究旨在利用同位素方法评估高纬度沿海海洋系统（比格尔海峡）中有机污染的空间和季节性模式，该系统长期受到人为影响。研究人员在不同季节采集了浮游植物、浮游动物和大型藻类的样本，并测量了相关环境参数（如营养物质浓度和温度）。同位素分析结果显示，有机富集存在明显的空间和季节性变化。在寒冷季节，浮游动物的δ^15N值最能反映与污水输入相关的富集现象，而浮游动物和大型藻类的δ^13C值有助于区分受人为影响较大的区域。总体而言，我们的结果进一步证实了先前的研究结论：靠近污染源的位置以及季节性动态是影响海洋环境中有机污染同位素信号可检测性的关键因素。生物群落所暴露的显著季节性特征，结合当地的水动力和地形特点，会调节其对有机污染的同位素响应。本研究为比格尔海峡沿海海洋生态系统的长期监测和管理提供了有价值的同位素基准数据。

引言

人类人口的增长对自然环境产生了影响，尤其是沿海海洋生态系统（Savage等人，2010年；Sánchez等人，2020年）。其中一个主要问题是来自污水的营养物质富集。这些来源输入的有机物质可能导致富营养化，其中氮是主要的贡献因素（Nixon，1995年）。当这种影响变得长期存在时，会不利地影响食物网的结构和动态以及各种物种的生态（Morillo-Velarde等人，2018年）。因此，这些生态系统提供的基本服务，如生物生产、能源和食物供应、气候调节以及旅游业，可能会受到严重影响（Potts等人，2014年；Raya Rey等人，2017年）。 在这种情况下，人们正在付出巨大努力来监测有机污染及其对沿海生态系统的影响，尤其是因为这个问题几十年来一直在恶化（Heaton，1986年；Nixon，1995年）。为此，人们采用了多种技术（Gorman等人，2017年）。 在这些技术中，氮（δ^15N）和碳（δ^13C）的稳定同位素分析是一种有效的方法，可用于研究水生系统中的营养物质传输以及海洋环境中营养物质排放的空间范围（例如，McClelland等人，1997年；Costanzo等人，2001年）。由于同位素在化学和生物反应中的已知分馏行为，稳定同位素分析能够区分生态系统中的有机物来源（Wada等人，1991年；Fry，2008年）。最近的研究强调了这种方法在浮游和底栖成分中的重要性，可用于追踪水生环境中的有机营养物质。这些研究表明，稳定同位素在评估沿岸-离岸梯度的空间变异性、不同季节之间的时间变异性以及识别不同有机物来源方面非常有用。此外，稳定同位素还可以识别导致同位素分馏过程的营养物质转化（例如，Sánchez等人，2020年；Sánchez等人，2023年；Riccialdelli等人，2024年）。 在受污水排放影响的地区进行的研究表明，δ^15N值是沿海污染过程的有效指标（Costanzo等人，2005年；Savage等人，2010年；Sánchez等人，2020年）。研究表明，生活在高有机污染区域的生物体显示出比无排放区域更高的δ^15N值（Costanzo等人，2001年；Costanzo等人，2005年；Alquezar等人，2013年；Gorman等人，2017年）。 海洋环境中的有机物质，无论是排放的还是原生的，都会经历再矿化和硝化过程，其中溶解的无机营养物质（如铵NH4+、亚硝酸盐NO2-和硝酸盐NO3-）仍可供生物利用（Montoya，2007年；Golubkov等人，2019年）。在低氧浓度条件下，反硝化过程加速，导致14N2（气态形式）从海洋系统中流失，留下富含δ^15N的硝酸盐NO3-（Kendall等人，2007年；Montoya，2007年）。此外，14NH4+可以通过挥发流失，留下富含δ^15N的重铵NH4+（Heaton，1986年；Kendall等人，2007年；Sánchez等人，2023年）。相反，水生生物的排泄物（通常以铵的形式）为无机营养物质池提供了氮源。在有机污染严重的环境中，所有这些过程都会产生显著的同位素效应。 碳池的同位素组成在有机物降解过程中具有类似的影响，但其富集程度不如氮明显。然而，δ^13C值有助于区分生态系统中的不同有机物来源，从而更清晰地理解营养循环和能量流动（Fry，2008年）。 在水生环境中，溶解的CO2的可用性与温度密切相关，对生物体的同位素值具有关键调节作用（Goericke和Fry，1994年）。在低温条件下，水中溶解的CO2浓度增加，为初级生产者提供了更多的碳，导致对δ^13C的区分度降低，从而使得δ^13C值降低。相反，在营养物质吸收量高或温度升高的情况下，生物体对δ^13C的区分度降低，导致δ^13C值升高。这种动态会随季节变化（春季-夏季或秋季-冬季），并受到距离污染源的距离、洋流（可将污水带走）和河流排放（可稀释有机污染）等额外因素的影响（Gorman等人，2017年）。 比格尔海峡是一个高纬度生态系统，仍被认为是世界上最原始的地方之一。然而，由于乌斯怀亚市人口的快速增长，它面临着重大威胁。乌斯怀亚市被认为是世界上最南端的城市，也是主要的旅游目的地（Torres等人，2009年；Biancalana和Torres，2011年；Biancalana等人，2014年；Calderoli等人，2018年；Presta等人，2019年）。一个紧迫的问题是由于污水排放导致营养物质水平和粪便大肠菌群的增加（Torres等人，2009年；Biancalana和Torres，2011年；Gil等人，2011年；Granitto等人，2021年）。这些污水仅经过简单的过滤处理（主要是通过砂滤器），然后直接排放到周围的河流和溪流中，最终流入海峡（Torres等人，2009年；Biancalana和Torres，2011年；Gil等人，2011年）。这一过程为海洋生态系统带来了大量的营养物质（Amin等人，2011年）。 受影响最严重的区域是乌斯怀亚湾的北部和西北部海岸，那里有大量的城市和工业废水排放。因此，这些区域的营养物质浓度与富营养化环境相当（Torres等人，2009年；Biancalana和Torres，2011年；Diodato等人，2020年）。尽管已有研究关注乌斯怀亚市沿海地区的有机污染（Gil等人，2011年；Diodato等人，2020年），但这一问题的地理范围和时间变化仍不清楚。在这种情况下，稳定同位素分析是一种强大的工具，可用于研究营养物质来源并表征有机污染的同位素响应动态，为该沿海海洋生态系统的长期监测和评估提供了宝贵机会。 鉴于来自污水的营养物质直接被初级生产者吸收，并通过营养级联传递给初级消费者，本研究评估了氮（δ^15N）和碳（δ^13C）稳定同位素特征在比格尔海峡这一高纬度沿海海洋系统中的空间和季节性模式，特别关注靠近主要城市中心乌斯怀亚市的区域。

研究地点

研究区域包括比格尔海峡的内陆部分（阿根廷），从Lapataia（54°51′S，68°31′W）到乌斯怀亚湾（54°54′S，68°18′W）（图1）。该区域的动态受到大气和海洋因素的季节性影响。Olivia河、Pipo河、Arroyo Grande河和Lapataia河在寒冷季节的流量最低，范围为1.9至7.0立方米/秒（Iturraspe等人，1984年）。在此期间，海水温度平均约为5°C，盐度达到...

浮游成分中的稳定同位素

我们发现分析的各成分在不同季节间的δ^15N和δ^13C值存在显著差异（图2，表1）。δ^15N值范围为1.3‰至13.4‰，δ^13C值范围为-27.6‰至-12.3‰。初级生产者（Pk和Mc）在SS17期间表现出最高的δ^15N值。此外，Mc在两个季节中的δ^13C值也最高。Ri中的POM显示出最低的δ^15N和δ^13C值。具体来说，RiM中的POM显示出比其他成分更高的同位素值...

讨论

本研究为监测乌斯怀亚市附近沿海海洋环境中的有机污染建立了首个同位素基准。传统方法，如水和沉积物中的营养物质分析，提供了有价值的见解。然而，它们只能提供情况的快照，并且容易受到生物因素（如浮游植物爆发）和水文条件（如洋流、河流排放稀释）的快速波动的影响（Mancinelli等人...）

结论

同位素分析已被证明是检测和绘制这个高度动态的高纬度沿海海洋生态系统（乌斯怀亚湾附近的比格尔海峡）中有机污染的有效方法，这一结果与全球多个地点的研究结果一致。然而，其有效性取决于每个研究地点特有的动态和静态因素的相互作用（Dolenec等人，2006年）。在研究区域，生物群落所暴露的显著季节性特征，以及变化的...

作者贡献声明

**Yamila A. Becker**：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源获取、数据分析、概念化。 **Natalia A. Dellabianca**：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资金获取。 **Clara Natalia Rodríguez-Flórez**：撰写——审稿与编辑、资源获取、数据分析。 **Andrea Malits**：撰写——审稿与编辑、资源获取。 **Luciana Riccialdelli**：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、资源获取、项目管理、方法论。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿期间，作者使用了ChatGPT和DeepL来提高文本的清晰度和语言表达。作者随后根据需要审查和编辑了内容，并对最终版本的手稿负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢Centro Austral de Investigaciones Científicas (CADIC-CONICET)提供的后勤支持，感谢R. Saenz Samaniego在野外工作期间的协助，以及M. Torres在样本处理方面的帮助。我们还要感谢隶属于阿根廷海军局的R/V “Bernardo Houssay”号的船员在2017年海洋调查中的帮助，以及隶属于CONICET的R/V “Puerto Deseado”号的船员在2018年海洋调查中的协助。