南半球河流食物网中的汞生物累积与生物放大作用：智利3700公里纬度梯度上的环境驱动因素

汞及甲基汞在智利多流域系统中的分布与生物放大机制研究，揭示本地环境因素（pH、溶解氧、土地利用）对汞动态的主导作用，而非纬度梯度。沉积物和水中总汞浓度分别为0.01-0.11 g/g和1.72-28.93 ng/L，甲基汞在底栖无脊椎动物和鲑鱼中显著富集于采矿区。食物链放大因子（TMF）1.66-5.04，与pH正相关，受农业和矿业用地影响。

埃尔维拉·G·维尔加拉（Elvira G. Vergara）|塞琳·拉韦尔涅（Celine Lavergne）|加布里埃尔·兰巴尔迪（Gabriel Rambaldi）|曼努埃尔·布拉沃-梅尔卡多（Manuel Bravo-Mercado）|索尼娅·帕拉-瓦尔加斯（Sonnia Parra-Vargas）|博尔哈·贝纳莱斯-桑托拉亚（Borja Bernales-Santolaya）|尼尔森·J·奥德里斯科尔（Nelson J. O’Driscoll）|凯伦·A·基德（Karen A. Kidd）|古斯塔沃·蒋（Gustavo Chiang）|保琳娜·巴阿蒙德（Paulina Bahamonde）

环境科学跨学科博士学位项目，智利瓦尔帕莱索普拉亚安查大学自然科学与精确科学学院，地址：Subida Leopoldo Carvallo 270，邮编2360004

摘要

淡水食物网中的汞（Hg）和甲基汞（MeHg）是一个全球性的问题，通常通过主要来自北半球的数据集来解释其地理分布趋势，然而南半球河流中这些物质动态的控制因素仍不明确。我们的研究涵盖了智利约3700公里的纬度范围，使用综合了非生物（水体、沉积物）和生物（底栖大型无脊椎动物、鳟鱼）指标以及稳定同位素（δ¹³C、δ¹⁵N），并结合环境因素和土地利用情况进行了分析。沉积物中的总汞含量在0.01至0.11克/克干重之间，而水体中的汞浓度则在1.72至28.93纳克/升之间，北部流域的汞含量最高。在受采矿影响的地区，大型无脊椎动物（0.002–0.011微克/克湿重）和鳟鱼（0.006–0.234微克/克湿重）体内的甲基汞浓度较高。缺乏明显的纬度梯度表明，局部因素对汞动态的影响远大于广泛地理因素。营养级放大因子（TMF）的范围为1.66至5.04，证实了汞在食物网中的生物放大作用。TMF的变化与pH值和采矿土地利用呈正相关，而与农业土地利用和总氮含量呈负相关。模型选择（GLM/AICc）表明pH值是预测TMF的最强指标，PO₄^3-也具有辅助作用；溶解氧能较好地解释沉积物中的汞含量（负相关），而铜（Cu）则主要影响水柱中的汞浓度。这些发现突显了甲基汞动态的复杂性，并强调了局部环境和人为因素的关键作用。本研究为南半球提供了新的见解，进一步支持了国际框架下的汞监测工作。

引言

河流在将大气沉降和地质风化的汞从陆地环境输送到海洋的过程中起着关键作用。每年全球有大约11吨的总汞（THg）和甲基汞（MeHg）通过河流流入海洋系统（Gworek等人，2016年；M. Liu等人，2021年）。在全球性协议（如《水俣公约》）的背景下，这种汞流动尤其值得关注，该公约旨在减少汞排放并减轻其对生态和人类健康的影响（联合国环境规划署，2018年）。然而，支持这些全球评估的科学证据主要来自北半球的数据集，导致对南半球系统的了解存在很大不确定性（Schneider等人，2023年）。

水生生态系统中的物理化学参数变化（如有机物组成、温度或盐度）以及微生物群落结构的变化，会影响汞形态的生物可利用性和无机汞向高生物可利用性甲基汞的转化（Bravo & Cosio，2020年；Tsui & Finlay，2011年）。甲基汞的生物可利用性指的是其被生物体吸收的程度，尤其是处于较低营养级的生物体。甲基汞与有机组织（尤其是蛋白质中的巯基）有很强的亲和力，这种强结合能力会干扰蛋白质功能，从而导致各种毒性效应（Jeong等人，2024年）。它会在不同生物体内积累并通过食物网放大（Chiang等人，2021年；Yurkowski等人，2023年），使得顶级捕食者体内的汞浓度可能比水体中的高六个数量级（Córdoba-Tovar等人，2022年；McMeans等人，2015年）。个体生物体内的甲基汞浓度受到多种因素的影响，这些因素往往难以定量分析。

稳定同位素分析（SIA）是一种有价值的工具，可用于评估水生食物网中污染物（如汞）的来源和营养级放大作用。通过分析δ¹⁵N、δ¹³C和δ³⁴S，SIA可以帮助理解顶级捕食者体内污染物水平的变化，这些变化可能是由于饮食摄入（δ¹⁵N、生物放大作用）、栖息地利用（δ¹³C、δ³⁴S）或其他环境因素（Clayden等人，2013年；Lescord等人，2019年）引起的。汞浓度与δ¹⁵N之间的关系可以量化食物网中的平均营养级放大因子（TMF），从而允许在不同生态系统之间进行比较（Páez等人，2022年）。TMF是一个关键指标，可以跨不同生态系统进行比较，并且已知会受到水质、食物网结构和纬度等大尺度梯度的影响（Lavoie等人，2013年）。

然而，绝大多数关于营养级放大因子（TMF）的研究和比较数据集都来自北半球的温带和北方森林生态系统，特别是在北美、亚洲和欧洲（Clayden等人，2013年；Driscoll等人，2013年；Evers等人，2024年；Kerfoot等人，2018年；Liu等人，2022年）。这种不平衡的代表性导致全球汞循环模型及其衍生的生态和人类健康风险评估存在明显的地理偏差（Schneider等人，2023年）。解决这一不平衡问题至关重要，因为南半球拥有广阔且生物多样性丰富的河流网络，支持重要的内陆渔业（联合国粮食及农业组织，2020年），并且面临独特的环境压力，包括亚南极地区的快速气候变化影响。

在水生系统中，无论是非生物（沉积物和水）还是生物（大型无脊椎动物和鱼类）样本中，都可以检测到汞浓度的空间差异（Azad等人，2019年；Gutiérrez-Mosquera等人，2021年；Nagorski等人，2021年）。值得注意的是，鱼类体内的汞含量变化幅度大于大多数其他样本，这突显了这些生态系统中汞动态的复杂性。还需要注意的是，在较高营养级的水生生物中，尤其是鱼类肌肉中，汞主要以甲基汞的形式存在，通常占汞总量的80–100%（Bloom，1992年；Karimi等人，2012年）。这证明了在较高营养级的生物中使用总汞作为甲基汞的替代指标的合理性，也解释了为什么通常在较高营养级的生物中测量甲基汞，而在非生物样本中优先测量总汞。

了解汞从水体和沉积物转移到生物体中的过程，以及随后在鱼类中的生物放大作用及其影响因素至关重要，特别是在南半球，因为该地区在全面的汞命运和传输数据方面存在重大缺口（Schneider等人，2023年），尽管全球大部分鱼类供应和许多生物多样性丰富的淡水系统都位于南半球。填补这一缺口对于改进全球风险评估和制定国际政策框架至关重要（Wu等人，2019年）。

在本研究中，我们探讨了智利广泛纬度范围（21°S至55°S）对河流食物网中甲基汞和总汞浓度分布、生物积累及营养级放大因素的影响。智利独特的地理环境——涵盖了干旱、地中海型、温带和亚南极气候——提供了一个类似于其他大陆（如澳大利亚、南非、新西兰）的天然实验室，有助于更广泛地推广研究结果，并帮助填补南半球的数据空白。研究考察了气候（纬度）、土地利用和物理化学特性（汞的来源、水质）的影响。这种综合方法将有助于更好地理解汞的动态及其生态影响，为完善全球汞模型提供关键数据，并强调将南半球数据纳入全球评估的重要性，特别是表明局部因素比广泛的纬度趋势更为重要。

研究区域和站点选择

智利拥有多样的地理环境和纬度梯度（约3700公里，从17°30′S到56°30′S）。这一广阔的范围涵盖了多种景观和四个不同的淡水生态区（图1）：阿塔卡马地区、南安第斯太平洋坡地、瓦尔迪维亚湖泊和巴塔哥尼亚（Abell等人，2008年）。智利多样的气候条件孕育了不同的生态系统，并支持多种主要经济活动，包括北部沙漠的采矿、农业和林业等。

非生物水因素

采样点的水质参数存在显著差异（SM1表S1和S2）。在北部地区，洛阿河（Loa River）站点的矿化程度最高，电导率为7,977微欧姆/厘米，砷含量高达1.51毫克/升，远超世界卫生组织（WHO）建议的安全限值0.01毫克/升（WHO & UNICEF，2018年）。此外，该站点的氯（Cl）浓度为2,245.27毫克/升，钙（Ca）和镁（Mg）浓度分别为288.01毫克/升和109.71毫克/升。磷酸根离子（PO₄^3-）的含量也较高。

讨论

本研究分析了智利七条河流中总汞（THg）和甲基汞（MeHg）的分布、生物积累和生物放大作用，这些河流跨越了较大的纬度范围。研究结果并未显示出简单的纬度趋势，而是突显了明显的空间差异，进一步证明了局部地球化学和生态因素在塑造汞和甲基汞动态中的重要性（C. Y. Chen & Evers，2023年；Driscoll等人）

结论

研究表明，智利七条河流中总汞和甲基汞的分布、生物积累和生物放大作用主要受局部环境条件和人为因素的影响，而非纬度。汞浓度与流域特定特征（包括水质和氧化还原敏感过程）密切相关。溶解氧是预测沉积物中汞含量的最强指标，而铜（Cu）则是影响水中汞含量的主要因素。

作者贡献声明

埃尔维拉·G·维尔加拉（Elvira G. Vergara）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、方法论设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构建。保琳娜·巴阿蒙德（Paulina Bahamonde）：撰写——审稿与编辑、数据验证、项目监督、资源协调、方法论设计、资金获取、数据分析、概念构建。古斯塔沃·蒋（Gustavo Chiang）：撰写——审稿与编辑、数据验证、资源协调、方法论设计、资金获取、数据分析

未引用的参考文献

Anderson and Burnham, 2002; Klapstein and O’Driscoll, 2018; Ro, 2023; iTsui and Finlay, 2011; WHO& UNICEF, 2018.

资金支持

本研究得到了FONDECYT启动基金（项目编号11180914）和FONDECYT基金（项目编号1230485、1161504、1221348）的支持；以及ANID CIN250047（IRIS中心，P.A.B.）；CHIC项目（P.A.B.）；ANID InES I + D 2021项目（项目编号INID210013）；Marie Curie博士后奖学金（项目编号HORIZON-MSCA-2022-PF-01，项目编号101106387）；以及由AEI（智利国家研究机构）资助的CEX2024-001494-S项目（项目编号10.13039/501100011033）。此外还获得了其他支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Andrea Hirmas、Winfred Espejo、Constanza Meriño、Gabriela Mancilla、Maria Soledad Sepulveda和Carlos Cantergiani在野外工作方面的支持。Céline L.感谢ANID InES I + D 2021项目（项目编号INID210013）、Marie Curie博士后奖学金（项目编号101106387）以及由AEI资助的CEX2024-001494-S项目（项目编号10.13039/501100011033）提供的支持。