中非铜带水体金属污染生物指示中的微藻多样性变化

《Science of The Total Environment》：Microalgal diversity changes as a bioindicator of aquatic metal pollution on the Central African Copperbelt

　　

采矿活动的加剧增加了中非铜带(CACB)河流生态系统对金属污染的脆弱性。本研究评估了微藻作为CACB上卡富埃河上游(UKR)水生生态系统健康生物指示物对采矿污染的响应。研究人员在UKR沿线三个位点进行了季节性采样：卡富埃河农场(KRF)、河马潭(HP)和穆富查尼桥(MB)。对河流沉积物和微藻样品进行了金属分析。通过形态分类学鉴定微藻，计算相对丰度(p_i)、Shannon-Wiener多样性指数(H^′)、Margalef丰富度指数(M)和Simpson优势度指数(D)。HP位点沉积物和微藻中分别检测到显著高浓度的Cu (7.04 g/kg; 3.1 mg/kg)、Co (214 mg/kg; 0.8 mg/kg)和Pb (68 mg/kg; 0.3 mg/kg)，该位点的Cu沉积物污染因子(CF = 176)和金属污染负荷指数(PLI = 2.4)也最高。然而，KRF的沉积物和微藻金属浓度最低，但显示出最高的微藻多样性(H^′ = 4.0)和分类群丰富度(M = 5.6)。Fragilaria sp.和Closterium sp.等微藻属在KRF占优势，而包括Microcystis sp.和Volvox sp.在内的耐污种在HP和MB位点普遍存在。微藻中的金属生物累积在旱季普遍较高(Cr 0.044–Ni 0.92 mg/kg DW)。主成分分析确认了环境因子与微藻指标之间存在强相关性(p < 0.05)。研究结果表明微藻对采矿污染位点特异性变异的敏感性，支持其作为CACB及类似受影响景观水生生态健康生物指示物的潜力。

**研究背景与问题**

撒哈拉以南非洲(SSA)地区工业化和手工采矿及其加工活动的持续加剧，使得流经矿区景观的河流生态系统日益暴露于金属污染风险之中，对宏观和微观生物群落之间的紧密联系以及生态系统服务供给造成了显著干扰。金属污染改变水生微生物群落组成并重组种群结构，而微藻作为初级生产者，在水生食物网中承担着物质循环和能量流动的关键角色，其受到的负面影响最终波及整个河流生态系统的健康与生产力。更重要的是，微藻具有金属生物累积和生物放大效应，可增加金属在水生环境高营养级中的毒性风险。

然而，常规理化监测方法存在明显局限：其难以捕捉生物、化学和物理环境基质间的复杂交互作用，无法全面评估水生生态系统健康；且分析过程使用的试剂和化学品可能释放污染物。因此，整合利用本地及哨兵指示生物作为生态状况代理的生物监测技术具有重要补充价值。在赞比亚铜带(ZCB)所在的中非铜带(CACB)河流网络中，已有研究多聚焦于大型生物层面的金属污染生物监测，仅有一项研究调查了水产养殖废水对浮游生物多样性的影响，但未涉及微藻多样性作为金属污染生物指示物的响应潜力。当前缺乏微藻群落对金属污染混合物响应的基线数据，限制了对群落结构变化的准确解读。为此，该研究以流经CACB矿区景观的卡富埃河系统(KRS)为对象，假设微藻群落对采矿污染引起的环境干扰具有差异性响应，并探究环境因子和金属污染物对KRS中微藻多样性的影响，旨在为矿区河流生态健康监测提供精细化、本地化的生物指示工具。

**研究内容与意义**

研究人员在赞比亚铜带省上卡富埃河上游(UKR)沿线选取卡富埃河农场(KRF，参照位点)、河马潭(HP)和穆富查尼桥(MB)三个位点，跨越湿雨季(WRS, 2023年11月—2024年4月)、冷干季(CDS, 2024年5月—8月中旬)和热干季(HDS, 2024年8月中旬—11月)开展系统性采样。研究发现HP位点沉积物和微藻中Cu、Co、Pb浓度显著最高，其Cu污染因子(CF = 176)与金属污染负荷指数(PLI = 2.4)亦为最高；KRF位点金属浓度最低，但微藻多样性(H^′ = 4.0)和分类群丰富度(M = 5.6)最高。敏感属Fragilaria sp.与Closterium sp.在KRF占优，而耐污种Microcystis sp.和Volvox sp.在HP和MB位点普遍存在。研究证实微藻对位点特异性采矿污染变异的敏感性，支持其作为CACB及类似受影响景观水生生态健康生物指示物的潜力。该研究发表于《Science of The Total Environment》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用多参数水质仪(WTW? 3220)现场原位测定水温、pH、溶解氧(DO)、氧化还原电位(Eh)和电导率(EC)；利用电感耦合等离子体-光学发射光谱仪(ICP-OES)对酸消解后的沉积物和微藻样品进行金属浓度分析；通过配带数字相机的三目显微镜进行微藻形态分类学鉴定，并使用血球计数板结合细胞计数技术估算各分类群的相对丰度(p_i)；采用Shapiro-Wilk正态性检验、Kruskal-Wallis检验、Dunn事后检验及主成分分析(PCA)进行统计推断；同时计算污染因子(CF)、污染负荷指数(PLI)和金属污染指数(MPI)评估沉积物污染程度及微藻金属生物累积水平。样本来源为赞比亚铜带省UKR沿线的KRF、HP和MB三个位点。

**研究结果**

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