《Ecohydrology & Hydrobiology》：Responses of riparian herbaceous plants to spatio-temporal variations in water pollution: A case study from the Riva Stream
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本研究评估了土耳其伊斯坦布尔Riva溪流中潜在有毒元素（PTEs）的分布及行为，分析五个采样点（上游S1、中游S2-S3、下游S4-S5）的宏phyte重金属累积模式及水质空间变化。结果显示中游水质最差，铜、铁、铅、锌浓度显著升高，植物种类对重金属累积能力差异显著，证实植物可作为生物指示器及流域管理工具，支持欧盟水框架指令和可持续发展目标6.3、6.6。
雷汉·萨格勒姆（Reyhan Sa?lam）|费尔哈特·戈克布拉克（Ferhat G?kbulak）
伊斯坦布尔大学-切拉赫帕夏分校（Istanbul University-Cerrahpa?a），林业学院，流域管理系（Faculty of Forestry, Department of Watershed Management），巴赫切科伊（Bah?ek?y），34473，伊斯坦布尔，土耳其
摘要
本研究通过分析河岸大型水生植物中的污染物积累模式以及沿污染梯度的水质空间变化，评估了土耳其伊斯坦布尔里瓦河（Riva Stream）中潜在有毒元素（PTEs）的分布和行为。选取了五个采样点，分别代表河流的上游（S1）、中游（S2–S3）和下游（S4–S5）区域。在2024年的生长季节期间，对这些地点的四种常见大型水生植物（Typha latifolia、Phragmites australis、Lythrum salicaria 和 Persicaria lapathifolia）以及每月的地表水进行了采样。研究结果显示，水质存在明显的空间差异，其中中游区域（S2–S3）的PTE浓度始终最高。统计分析表明，地点和植物种类对金属积累有显著影响。植物的响应反映了当地的污染状况，并显示出强烈的物种特异性差异。P. lapathifolia 在S3点的铜（Cu）和铁（Fe）积累量最高，分别达到275.3 mg kg?1 和 694.9 mg kg?1。L. salicaria 在S3点的铅（Pb）和锌（Zn）积累量比上游站点（S1）高出9.7倍和1.8倍。P. australis 是所有站点中铬（Cr）的主要积累者，而T. latifolia 除镉（Cd）外，其他元素的积累量最低。总体而言，镉浓度较低，但在中游区域略有上升。这些发现表明，在自然河流条件下，河岸大型水生植物对空间污染梯度具有可预测的响应。研究结果支持将其作为PTE污染的生物指示物，并用于基于自然的河流管理措施，为欧盟水框架指令（EU Water Framework Directive）和可持续发展目标6.3及6.6提供了实地证据。
引言
河流和湿地提供了重要的生态系统服务，包括清洁水源、养分循环、洪水调节和污染物去除，同时支持生物多样性并调节水文过程。然而，这些功能正受到农业集约化、城市扩张和工业排放的日益威胁，这对淡水生态系统造成了压力，削弱了它们维持人类福祉和生态完整性的能力（Zhao等人，2024年）。特别是未经充分处理的市政废水、工业排放以及来自施肥农田和过度放牧牧场的径流混合污染，导致水质下降，威胁到生态系统的完整性（Tekebayeva等人，2024年）。
在这些污染物中，潜在有毒元素（PTEs），包括镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、铁（Fe）、镍（Ni）、铅（Pb）和锌（Zn），尤其值得关注，因为它们在环境中长期存在，会在食物网中积累，并对生态系统和人类健康构成长期风险（Islam等人，2021年；Hauser-Davis和Wosnick，2022年）。长期接触Cd和Pb等元素与神经系统、肾脏和心血管疾病有关，而Cr和Ni即使在相对较低的环境浓度下也可能增加致癌风险。尽管Cu、Zn和Fe是必需的微量元素，但过量暴露会导致氧化应激和代谢紊乱，这突显了控制水生环境中PTE水平的重要性（Selahvarzi和Sobhan Ardakani，2022年；Hosseini和Sobhanardakani，2024年）。这些风险已在主要政策框架中得到明确承认。欧盟水框架指令（WFD）要求地表水保持良好的化学和生态状态，并优先对受影响区域进行监测和修复（Hering等人，2010年）。同样，联合国可持续发展目标（SDGs）也呼吁减少污染并保护与水相关的生态系统（目标6.3和6.6，联合国，2015年）。在土耳其，土耳其地表水质量法规（TSWQR，2015年）为潜在有毒元素和关键物理化学参数设定了可执行的阈值，在国家阈值缺失的情况下参考世界卫生组织（WHO）的指导。将站点级别的水质评估与这些监管框架对齐，为生态修复和可持续的河流及河岸管理提供了实际基础。
同时，城市用水模式和定价对市政供水系统的经济和管理压力起着重要作用。在土耳其的主要城市中，人均每日用水量约为135升（伊斯坦布尔）、119升（安卡拉）和167升（伊兹密尔），与包括英国、德国、法国和意大利在内的许多欧洲国家相当（Güven和Ba?aran，2024年）。这些大城市的水价约为每立方米1.16至1.5欧元，接近经合组织（OECD）的平均水平1.7欧元（Reynaud等人，2015年）。在人口密集的大城市如伊斯坦布尔，高用水需求加上较高的水价导致处理需求和分配成本增加。当原水质量较差时，必要的处理过程变得更加复杂和昂贵，从而增加了水公司的财务负担。在这种情况下，通过植物修复改善流域水质尤为重要且成本更低。植物修复利用植物去除、稳定或转化污染物，是一种经济高效且可扩展的生态工程和基于自然的恢复策略。在水生环境中，大型水生植物主要通过地上组织的直接吸收和积累（植物提取）、根系从河水中截留污染物（根系过滤）以及将金属固定在根部和周围沉积物中（植物稳定化）来减少污染物的迁移性和生物可利用性（Brunner等人，2008年；Fasani，2012年；Hamuto?lu等人，2012年）。如Typha latifolia L.、Phragmites australis（Cav.）Trin. ex Steud.、Lythrum salicaria L. 和 Persicaria lapathifolia（L.）Delarbre等水生大型水生植物分布广泛，耐污染能力强，能够吸收金属，适合用于自然和人工湿地的恢复（Heidarzadeh等人，2020年；Chitimus等人，2023年；Cay等人，2025年）。吸收效率受当地条件的影响，包括水质和土壤化学性质、pH值、溶解氧、电导率、浊度和沉积物特性。因此，应将基于植物的指标与水质测量结果一起解读（Li等人，2015年；Coimbra和Borges，2023年）。
尽管关于植物修复和植物-金属相互作用的研究很多，但大多数现有研究集中在土壤、实验室实验、盆栽试验或在受控和稳定污染条件下的人工湿地（Kafle等人，2022年；Sharma等人，2023年；Haghighizadeh等人，2024年）。来自自然流动水系统的证据仍然有限，尤其是在排放、水质和污染物负荷在空间和时间上变化的动态流动水环境中（Khan等人，2022年；Kushwaha等人，2024年）。
在这些系统中，了解河岸大型水生植物对污染物的耐受性和去除PTE的能力对于有效的恢复规划至关重要（Cristóbal-Mu?oz等人，2025年）。然而，水生大型水生植物作为PTE污染可靠生物指示物的适用性仍不确定，因为大多数现有证据来自实验室实验、短期野外研究或人工湿地，而在自然流动河流条件下进行的评估较少（Bonanno等人，2018年；Ribeiro等人，2022年；Gecheva等人，2023年）。在土耳其，这种局限性尤为明显，因为全面、长期的基于野外的研究很少，现有研究主要依赖于短期或实验方法（Karahasan和Bayrak-?zbucak，2015年；Yilmaz等人，2015年）。
土耳其伊斯坦布尔的里瓦河（Riva Stream）为解决这一空白提供了合适的自然环境。该河流受到多种人为压力的影响，包括农业径流、生活污水排放和工业排放，先前的研究已经报告了对水质和水生生物的负面影响（Yilmaz等人，2015年；Oz等人，2019年；D?kümcü和Ko?al ?ahin，2022年）。此外，由于里瓦河最终流入污染敏感的黑海，了解该系统中的PTE动态和植物响应具有超出局部范围的意义。
为填补这一空白，本研究通过提供来自自然流动河流系统的长期实地证据做出了新的贡献。具体而言，本研究通过在同一河流段内分析多种共存的大型水生植物物种，评估了实际条件下的植物修复和生物指示潜力，允许直接比较不同物种在特定污染梯度下的响应。此外，在一年的监测期间，同时采集了植物组织和水质数据，提供了自然条件下植物-水相互作用的代表性评估。
本研究的概念框架基于以下假设：自然河流系统中的植物修复过程受到污染强度、物种特异性响应和河流环境条件相互作用的影响。具体来说，我们假设河岸大型水生植物组织中的金属积累随环境污染程度的增加而增加，这支持将其作为污染的生物指示物；共存的大型水生植物物种在不同水质条件下的响应和吸收能力存在差异；在同一物种内，积累模式沿里瓦河的空间分布与特定地点的水质条件相关。
为了验证这些假设，我们量化了同一物种在不同污染水平下的PTE积累变化，比较了野外条件下的物种特异性吸收模式，并绘制了里瓦河沿线的水质和污染指标的空间分布图。通过将长期野外观察与多变量分析相结合，本研究为支持河流修复和基于自然的治理策略提供了政策相关的证据，以减轻向黑海的污染物排放。
研究区域和采样点
本研究在土耳其西北部马尔马拉地区（Marmara Region）的里瓦河（?aya?z? Stream）进行，位于伊斯坦布尔市行政区域内。研究区域位于北纬41°03′–41°13′、东经29°13′–29°20′之间（图1）。研究重点关注从奥梅尔利水库（?merli Dam Lake，该市的主要饮用水源）流出到贝伊科兹（Beykoz）汇入黑海的河段。该河段长约32.2公里。
地表水的物理化学特性
五个采样点的物理化学参数总结见表S3。电导率（EC）、总悬浮固体（TSS）、溶解氧（DO）、硫酸根离子（SO?2?）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）、钾（K）和磷（P）存在显著的空间差异（单因素方差分析，p < 0.05），而pH值、温度、浊度和颜色没有显著差异（p > 0.05）。平均pH值在7.65到8.01之间，表明所有地点的水质略呈碱性（表S3）。根据Tukey的HSD结果，电导率在S5点最高（4769 μS cm?1），在S1点最低（579 μS cm?1）。总悬浮固体浓度...里瓦河沿线的水质退化及其管理意义
由人类活动引起的河流水质下降是全球普遍现象。本研究显示，里瓦河的情况符合这一普遍规律，水质从上游到中游明显恶化。特别是中游区域（S2–S3）的污染程度明显高于上游参考点（S1）。在整个监测期间，S2–S3点的潜在有毒元素浓度显著增加。结论
本研究提供了一个基于实地的框架，阐明了常见河岸大型水生植物如何有助于金属污染的诊断和基于自然的河流系统修复。该研究不仅将大型水生植物视为污染的被动响应者，还将其视为在真实河流条件下连接监测和修复的实际工具。通过将水质指数与植物积累信号结合在一个明确的空间梯度上，...
CRediT作者贡献声明
雷汉·萨格勒姆（Reyhan Sa?lam）：撰写初稿、可视化、软件应用、方法论设计、概念构建。费尔哈特·戈克布拉克（Ferhat G?kbulak）：撰写审查与编辑、方法论设计、概念构建。
