揭示淺水湖泊中汞的動(dòng)態(tài)變化：來(lái)自巴塔哥尼亞安第斯山脈自然汞熱點(diǎn)地區(qū)一個(gè)原始寡營(yíng)養(yǎng)湖泊的證據(jù)
《Chemosphere》：Unraveling mercury dynamics in shallow lakes: Evidence from a pristine oligotrophic lake in a natural mercury hotspot of the Patagonian Andes
編輯推薦：
本研究分析了阿根廷巴塔哥尼亞西北部Pire湖的汞動(dòng)態(tài)，時(shí)間跨度為2021年3月至2022年12月。通過(guò)監(jiān)測(cè)總汞、可過(guò)濾汞和顆粒汞濃度，結(jié)合溶解有機(jī)物（DOM）的質(zhì)量和濃度，發(fā)現(xiàn)水文期顯著影響汞的分布。濕期高顆粒汞與木質(zhì)DOM相關(guān)，雪融期汞濃度降低；干期因熱分層，深層水汞濃度升至365 ng/L，DOM質(zhì)量變化揭示陸地汞輸入和沉積物貢獻(xiàn)。研究揭示了氣候與水文驅(qū)動(dòng)汞循環(huán)機(jī)制，支持自然汞熱點(diǎn)評(píng)估模型。
Zaida Fernandez | Carolina Soto Cárdenas | Marina Arcagni | Andrea Rizzo | María C. Diéguez
水生生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)小組（GESAP），生物多樣性與環(huán)境研究所（INIBIOMA，科馬韋國(guó)立大學(xué)–科學(xué)技術(shù)研究委員會(huì)），Pasaje Gutiérrez 1415，San Carlos de Bariloche，Río Negro，8400，阿根廷
摘要
原始地區(qū)中的天然汞（Hg）熱點(diǎn)是評(píng)估汞循環(huán)的氣候和環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素的理想系統(tǒng)。在這項(xiàng)研究中，我們探討了受火山噴發(fā)影響且沒(méi)有直接人為干擾的貧營(yíng)養(yǎng)湖泊中汞的動(dòng)態(tài)變化。我們重點(diǎn)研究了2021年3月至2022年12月期間阿根廷西北部Pire湖中汞的濃度、分配和可用性。分析了水樣中的總汞（THg）、過(guò)濾汞（FHg）和顆粒汞（PHg）濃度，以及溶解有機(jī)物質(zhì)（DOM）的濃度和質(zhì)量等物理化學(xué)變量。季節(jié)性水文輸入影響了DOM的濃度和質(zhì)量，進(jìn)而影響了湖泊中汞的遷移和分配。在濕潤(rùn)期，高濃度的PHg與腐殖質(zhì)相關(guān)；而在融雪期，融雪徑流稀釋了PHg和DOM的濃度。相比之下，在干燥期，高濃度的FHg與高芳香性的DOM相關(guān)，這可能是由于沉積物內(nèi)部的轉(zhuǎn)化和擴(kuò)散所致。汞、DOM和顆粒物從流域的共遷移僅發(fā)生在水文連通性較高的時(shí)期，此時(shí)湖泊剖面中的汞濃度較為均勻（濕潤(rùn)期：最高82.42 ng/L；融雪期：最高73.4 ng/L）。在干燥期，由于水文連通性較低，湖泊表現(xiàn)出明顯的熱分層現(xiàn)象，深層水體的汞濃度較高（最高365 ng/L）。DOM的質(zhì)量有助于追蹤陸地來(lái)源的汞輸入和沉積物的貢獻(xiàn)。高濃度的PHg與葉綠素a峰值同時(shí)出現(xiàn)，表明汞在浮游植物中積累并進(jìn)入了浮游食物網(wǎng)。
引言
汞（Hg）是一種全球公認(rèn)的污染物和生物累積性有毒金屬，以多種化學(xué)形式存在于環(huán)境中，包括大氣、巖石圈和水圈（Driscoll等人，2013年；Pavithra等人，2023年）。有機(jī)形式的汞——甲基汞（CH?Hg?）尤其令人擔(dān)憂，因?yàn)樗哂猩窠?jīng)毒性，并且在水中食物網(wǎng)中容易生物放大，威脅野生動(dòng)物和人類（Chételat等人，2020年）。
汞的排放來(lái)源于自然和人為來(lái)源。自然排放來(lái)自火山活動(dòng)、森林火災(zāi)、植被、土壤和海洋。人為排放則來(lái)源于化石燃料燃燒、采礦、工業(yè)過(guò)程和廢物管理等（Selin，2009年；Driscoll等人，2013年；Pavithra等人，2023年）。大氣傳輸是汞全球擴(kuò)散的主要途徑。主要的大氣形式是氣態(tài)元素汞（Hg?），其滯留時(shí)間為0.5–1年，可以在沉積之前進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸。相比之下，反應(yīng)性氣態(tài)汞（RGM）和顆粒汞（PBM，均為Hg2?）的大氣壽命較短，通常在局部或區(qū)域范圍內(nèi)沉積（Selin，2009年；Streets等人，2017年）。這些氧化形式的汞通過(guò)降水（雨和雪）的濕沉降以及干沉降（包括植被吸收、霧、云和顆粒物）從大氣中去除（Driscoll等人，2013年）。在森林地區(qū)，植被通過(guò)氣孔吸收Hg?在汞循環(huán)中起重要作用（Driscoll等人，2007年；Wang等人，2016年；Obrist等人，2018年）。一旦沉積，汞通過(guò)降水物和枯落物轉(zhuǎn)移到森林土壤中，隨后通過(guò)徑流進(jìn)入水生系統(tǒng)，其中位于景觀較低位置的湖泊起到了天然濃縮器的作用（Shanley等人，2022年）。
汞在流域內(nèi)的遷移與顆粒物和溶解有機(jī)物質(zhì)（DOM）的傳輸密切相關(guān)，這兩種物質(zhì)是主要的結(jié)合劑（Grigal，2002年；Shanley等人，2008年；Dittman等人，2010年；Eagles-Smith等人，2016年）。在湖泊中，Hg2?可以通過(guò)光化學(xué)作用還原為Hg?并重新釋放到大氣中。它還可以與DOM和顆粒物結(jié)合，以溶解和顆粒形式存在于水柱中，最終沉降到沉積物中，從而成為浮游和底棲途徑的一部分（Oladoye等人，2024年）。在沉積物和微環(huán)境/宏觀環(huán)境（即懸浮顆粒）的缺氧/厭氧條件下，Hg2?可以被生物甲基化為有毒形式的CH?Hg?（Gascón Diez，2016年；Branfireun等人，2020年；Cao等人，2023年；Rodríguez，2023年）。
汞與DOM之間的相互作用受溶解有機(jī)碳（DOC）的濃度和質(zhì)量、汞的可用性以及水化學(xué)性質(zhì)的控制（Ravichandran，2004年）。淡水生態(tài)系統(tǒng)中的汞可用性受pH值、氧化還原電位、溫度、硫酸鹽和鐵的可用性、DOC、顆粒物以及微生物活動(dòng)等多種因素的共同影響（Ullrich等人，2001年；Branfireun等人，2020年）。這些因素與流域和氣候條件一起決定了淡水中汞的甲基化和生物累積程度（Taylor等人，2019年；Qin等人，2025年）。湖泊中的熱分層和氧氣梯度促進(jìn)了沉積物和顆粒物中的低氧條件，增強(qiáng)了CH?Hg?的微生物生成途徑（Ullrich等人，2001年；Xie等人，2024年）。
阿根廷巴塔哥尼亞的大部分淡水位于安第斯山脈的一條狹窄地帶。安第斯湖泊受人為影響較小，由于碳（C）和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較低，屬于超貧營(yíng)養(yǎng)到貧營(yíng)養(yǎng)系統(tǒng)（Diaz等人，2007年；Queimali?os等人，2019年）。C湖的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)源與季節(jié)性徑流有關(guān)（Queimali?os等人，2019年）。安第斯巴塔哥尼亞流域經(jīng)常受到南火山帶（SVZ）火山噴發(fā)的干擾，導(dǎo)致不同環(huán)境介質(zhì)中地質(zhì)元素的濃度顯著升高（Perez Catán等人，2016年；Diéguez等人，2022年）。除了火山輸入外，空氣和降水中的基線汞濃度還與來(lái)自太平洋的遠(yuǎn)距離大氣傳輸有關(guān)（Diéguez等人，2019年）。該地區(qū)的湖泊是大氣傳輸元素（包括汞）的有效匯（Ribeiro Guevara等人，2010年；Mladenov等人，2012年）。
在納韋爾瓦皮國(guó)家公園（NHNP），多項(xiàng)研究報(bào)告了非生物和生物組分中中等到高濃度的汞（Higueras等人，2014年；Diéguez等人，2019年，2022年）。公園內(nèi)一個(gè)特殊的天然汞熱點(diǎn)是納韋爾瓦皮湖的“Brazo Rincón”（BR）流域，該流域毗鄰Puyehue-Cordón Caulle火山復(fù)合體（PCCVC）。該地區(qū)的土壤、地表水以及陸地和水生生物中的汞濃度處于受污染地點(diǎn)的范圍內(nèi)（Perez Catán等人，2016年；Diéguez等人，2022年）。
本研究重點(diǎn)關(guān)注Pire湖中汞的季節(jié)性和空間動(dòng)態(tài)變化。Pire湖是一個(gè)開(kāi)放流域系統(tǒng)，毗鄰PCCVC，其流域是一個(gè)原始的森林覆蓋區(qū)，先前的研究已報(bào)告其中含有高濃度的總汞（THg）、Hg2?和甲基汞（CH?Hg?）（Soto Cárdenas等人，2018a）。這個(gè)湖泊接收自然汞輸入，為研究氣候和水文對(duì)汞循環(huán)的影響提供了理想的環(huán)境。我們考察了整個(gè)水文循環(huán)中的汞動(dòng)態(tài)，評(píng)估了氣候變量對(duì)Pire湖中汞濃度和分布的影響。此外，我們還研究了汞的動(dòng)態(tài)變化及其與湖泊學(xué)變量的關(guān)系，特別關(guān)注汞與DOM的共動(dòng)態(tài)。
研究地點(diǎn)
研究地點(diǎn)
Pire湖位于阿根廷巴塔哥尼亞納韋爾瓦皮國(guó)家公園（NHNP）的西北部，海拔約764米（40°43′26.53″S；71°48′8.41″W），是一個(gè)淺湖（最大深度在17至19米之間，面積為20.57公頃）（圖1；表S1a）。該湖屬于納韋爾瓦皮流域，與納韋爾瓦皮湖的“Brazo Rincón”分支（BR）相連，后者是一個(gè)大型深湖。Pire湖和BR的子流域以陡峭的坡度為特征，坡面上覆蓋著常綠植被。
氣候參數(shù)的變化
溫度和降水量記錄顯示了明顯的季節(jié)性模式，分為三個(gè)明顯的水文階段：南半球夏季的干燥期（1月至3月）、貫穿秋季和冬季的濕潤(rùn)期（4月至9月），以及僅限于春季的融雪期（10月至12月；圖S1）。干燥期的特點(diǎn)是降水量少且氣溫升高，偶爾會(huì)有降水風(fēng)暴（2022年1月）。總降水量的55%至70%來(lái)自
討論
Pire湖中硫（S）、鐵（Fe）和汞（Hg）的濃度升高，反映了其流域受到火山活動(dòng)的影響，這一現(xiàn)象在該地區(qū)其他安第斯湖泊中也有報(bào)道（Perez Catán等人，2016年；Diéguez等人，2022年；Soto Cárdenas等人，2025年）。值得注意的是，盡管當(dāng)?shù)貨](méi)有人為污染源，總汞（THg）的濃度仍接近中度到高度污染系統(tǒng)的水平。湖泊與流域面積較小，使其成為陸地來(lái)源汞的有效濃縮器
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Zaida Fernandez：撰寫(xiě)——初稿、可視化、方法論、研究、數(shù)據(jù)分析、概念化。Carolina Soto Cárdenas：撰寫(xiě)——審稿與編輯、方法論、研究、資金獲取、概念化。Marina Arcagni：撰寫(xiě)——審稿與編輯、方法論、研究、數(shù)據(jù)管理。Andrea Rizzo：撰寫(xiě)——審稿與編輯、方法論、資金獲取、概念化。María C. Diéguez：撰寫(xiě)——審稿與編輯、監(jiān)督利益沖突聲明
作者聲明沒(méi)有利益沖突。
致謝
本研究得到了Agencia FONCyT PICT 2018-03867（AR）、PICT 2020-00346（CSC）和PICT 2020-00068（MCD）項(xiàng)目的資助，以及UNComa B237項(xiàng)目的支持。阿根廷國(guó)家公園局（APN）允許我們?cè)赑ire湖進(jìn)行采樣，而跨轄區(qū)流域管理局（AIC）提供了Puesto Rincón站的氣象數(shù)據(jù)。我們感謝C. F. Mansilla Ferro、P. E. García、S. Allen Dohle、D. Gianello和A. Mayoral在野外和實(shí)驗(yàn)室方面的支持。
