### 中文标题 Rum Jungle铀矿的遗产：Finniss River食物网中金属与类金属的生物累积研究

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Legacy of the Rum Jungle Mine: Bioaccumulation of Metals and Metalloids in the Finniss River Food Web

　　

### 摘要专业翻译
本研究对澳大利亚北领地Rum Jungle前铀矿下游Finniss River流域食物网中金属与类金属（metal(loid)s）的生物累积格局进行了首次整合性评估。研究人员将碳稳定同位素（δ13C）与氮稳定同位素（δ1?N）分析同金属浓度测定相结合，用以刻画该热带河流食物网的营养结构，量化各分类单元间的金属累积差异，评估金属沿食物网的营养级传递潜力，并探究基础资源利用与消费者体内金属累积之间的关联。研究发现，该食物网呈现高度网状连接的特征，由多种基础资源（包括悬浮有机质、碎屑及丝状藻类Spirogyra spp.）共同支撑。金属浓度在自养生物（如丝状藻类）和底栖无脊椎动物（尤其是淡水贻贝Velesunio angasi）中最高，而鱼类等较高营养级生物体内的金属浓度普遍较低。六种目标金属（铜Cu、锰Mn、锌Zn、砷As、铅Pb、镉Cd）的浓度均与δ1?N值呈显著负相关，斜率范围为?0.069（Zn）至?0.329（Pb），未观察到生物放大效应。此外，金属浓度与δ1?N之间的关系随消费者所关联的基础资源类型不同而存在显著差异，表明不同食物来源途径中的金属传递模式具有异质性。该研究首次为Finniss River提供了系统层面的金属生物累积与营养级传递的生态基准数据，为评估Rum Jungle矿区未来修复工作的生态恢复成效提供了关键的科学参考框架。研究结果强调，基础资源和底栖无脊椎动物（特别是Spirogyra spp.和V. angasi）可作为该受污染河流系统中生物有效性金属暴露的潜在指示生物。本文中“金属”（metals）一词统指所研究的金属及类金属元素。

### 论文解读文章

#### 一、研究背景与科学问题

澳大利亚在20世纪50年代因国际铀矿需求及联邦政府开发偏远北部地区的战略推动，铀矿业经历了快速扩张，由此在多个历史矿区遗留了长期的环境问题。Rum Jungle铀矿位于北领地Finniss River流域源头，是澳大利亚因长期酸矿排水（acid mine drainage, AMD）污染而导致严重且持续性生态影响的典型案例。该矿于1954年至1971年间主要开采铀矿，同时从富含硫化物的矿石中生产铜，产生了大量高反应性废石和尾矿。由于当时缺乏有效的封存措施，酸性且富含金属的废水被直接排入Finniss河东支，导致下游至少15公里范围内的水生生物灭绝。

尽管早期的修复工程在一定程度上减少了AMD输出，但工程覆盖层的退化使得AMD持续产生，持续制约着生态恢复进程。已有监测表明，东支河道中铜（Cu）、锰（Mn）、锌（Zn）、砷（As）和铅（Pb）等金属浓度在植被和沉积物中持续偏高，频繁超出沉积物质量指南阈值。然而，此前的研究多聚焦于单一环境介质或特定物种，缺乏从食物网整体层面评估金属生物累积和营养级传递的系统性研究。

食物网方法对于将金属累积模式与营养相互作用及生态系统功能联系起来至关重要。稳定同位素分析为识别支持消费者的基础能量来源和估算其营养位置提供了有效框架——碳同位素比值（δ13C）示踪基础食物来源，而氮同位素比值（δ1?N）通常随营养级升高而呈现可预测的富集。将稳定同位素分析与金属浓度数据相结合，可系统评估金属在食物网中的生物累积与营养级传递特征。

本研究旨在通过以下四个目标综合评估Finniss River食物网中的金属生物累积格局：（i）刻画食物网的营养结构；（ii）量化各分类单元间的金属累积差异；（iii）评估营养级传递及生物放大潜力；（iv）评估基础资源利用与消费者金属累积之间的关联。研究人员假设金属浓度在自养生物、无脊椎动物和脊椎动物之间以及不同基础资源关联的消费者之间存在差异。由于热带河流包含多种基础资源和灵活的摄食关系，研究进一步预期金属浓度与δ1?N之间的关系会因基础资源关联不同而变化，而非遵循单一线性食物链。

#### 二、研究区域与方法概述

研究区域位于澳大利亚北领地Finniss River流域，属Pine Creek造山带中央域。采样点包括东支（East Branch, EB）直接位于Rum Jungle矿下游的EB4和EB10、东西支汇合处的Finniss River Junction（FRJ）以及主河道Finniss River Main（FRM），构成从历史矿区影响核心区至下游的系统梯度。调查于2021年、2023年和2024年的旱季进行。

在技术方法层面，本研究综合运用了多项主要分析技术：（1）稳定碳氮同位素分析（stable isotope analysis, SIA），使用元素分析仪-同位素比质谱仪测定δ13C和δ1?N，用于表征食物网结构和营养级（trophic level, TL）计算；（2）电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS），用于测定生物样品中Cu、Mn、Zn、As、Pb和Cd六种金属的浓度；（3）基于δ1?N的复合基线法计算消费者营养级；（4）主成分分析（principal component analysis, PCA）用于解析金属累积的多变量模式；（5）线性回归和协方差分析（ANCOVA）用于检验金属浓度与δ1?N的关系及不同基础资源组间的差异。所有统计分析均在R 4.5.1环境中完成。

#### 三、主要研究结果

**环境条件与生态背景。** 采样期间各点位水质呈中性（pH 7.5—7.7）且含氧量良好（溶解氧4.6—8.0 mg/L）。研究人员指出，在近中性、氧化条件下，金属倾向于与颗粒物和有机相结合，降低了直接从水相吸收的可能性。但先前研究表明，中性pH并不必然意味着不存在生物相关的金属暴露，金属仍可通过颗粒物和有机质途径持续存在。

**食物网结构与同位素特征。** 研究共收集了碎屑、悬浮有机质（suspended organic matter, SOM）及36个分类单元，涵盖初级生产者、底栖无脊椎动物和常见鱼类。δ1?N值范围为?1.3‰至10.8‰，跨越约四个营养级。δ13C值范围为?38.3‰至?16.6‰，表明多种基础碳源（丝状藻类、碎屑、陆源植物和SOM）共同支撑该食物网。消费者被划分为与SOM、碎屑或Spirogyra spp.关联的三类基础资源组。

**金属生物累积的分类单元差异。** 自养生物、无脊椎动物和脊椎动物在金属累积上存在显著差异。自养生物（特别是丝状藻类Spirogyra spp.）普遍表现出多种元素的高浓度。无脊椎动物中，甲壳类（如红螯螯虾Cherax quadricarinatus和河虾Macrobrachium bullatum）因代谢需求含有较高的Cu浓度；淡水贻贝Velesunio angasi则含有特别高的Mn、Zn、As和Pb浓度，其多数元素浓度超过了Ranger矿区的报道值，表明Finniss River底栖生物仍持续暴露于遗留金属污染。

**营养级间金属累积差异。** 六种金属浓度在不同营养组间均存在显著差异（所有p < 0.001），总体趋势为自养生物和杂食/碎屑食性生物最高，较高营养级组较低。线性回归显示，六种金属的浓度均与δ1?N呈显著负相关，斜率为负且自举置信区间完全低于零，表明金属浓度随营养级升高而降低，未发现生物放大的证据。其中Pb（β = ?0.329）和Mn（β = ?0.289）下降最陡，Zn（β = ?0.069）关系最弱。

**不同基础资源组的金属传递差异。** ANCOVA分析表明，资源组与δ1?N的交互作用对所有六种金属均显著（p < 0.001至0.004），说明金属浓度与δ1?N关系的斜率在三个资源组间存在差异。与Spirogyra spp.关联的消费者表现出最陡峭的负斜率，而SOM关联组下降较平缓，碎屑关联组内未检测到显著关系。这表明金属随营养位置升高而衰减的模式并非均匀分布，不同资源利用方式的消费者面临不同的金属暴露情境。

#### 四、研究结论与意义

本研究首次将稳定同位素比值与多种营养组的金属浓度数据相结合，系统评估了Finniss River中金属污染的生态效应。研究发现，在旱季，Finniss River具有高度互联的食物网，由多种基础碳源和灵活的摄食关系支撑。来自Rum Jungle矿的遗留污染在基础资源和底栖无脊椎动物中最为明显，而向较高营养级消费者的传递有限，尤其是As、Pb和Cd，其次是Cu、Mn和Zn。

丝状藻类（Spirogyra spp.）和淡水贻贝（V. angasi）可作为该系统中生物有效性金属暴露的潜在指示生物，其中Spirogyra spp.代表了该系统中此前未被充分利用的指示物种。持续监测基础资源、哨兵无脊椎动物和代表性鱼类，将有助于加强长期生态风险评估，并为判断矿区修复是否推动生态系统恢复提供依据。该研究为Rum Jungle矿区修复效果评估提供了关键的生态基准框架。