中国南方稀土矿区陆地食物网中稀土元素及共存重金属的分布与营养动态

《Journal of Hazardous Materials》：Occurrence and Trophodynamics of Rare Earth Elements and Co-existing Heavy Metals in a Terrestrial Food Web from REE Mining Areas in South China

本研究在南方稀土矿区周边的农业土壤中构建了简化的土壤食物网（三级营养级），利用稳定氮同位素技术评估了稀土元素及共存重金属的生物迁移规律。结果表明：第二营养级生物中稀土及非必需重金属（As、Pb、Cr）浓度最高，第三营养级铜浓度最高；稀土在第一至第二营养级发生富集（BMF>1），非必需金属在第二至第三营养级出现稀释，而铜、镉则呈现持续富集；原子序数高的稀土富集潜力更大，且与营养级间稀土谱变化一致。该研究为评估稀土矿区周边土壤生态风险提供了关键数据支撑。

　　

李文星|邱浩|Cornelis A.M. Van Gestel|Willie J.G.M. Peijnenburg|何尔凯

华东师范大学地理科学学院，中国上海200241

摘要

在采矿活动周围的土壤中，广泛观察到了高浓度的痕量金属，包括稀土元素（REEs）和共存的重金属（HMs）。然而，关于这些元素的营养转移风险的实地证据仍然很少。在这里，我们收集了来自16个目的60种土壤生物的多样化的土壤食物网成分，以定量评估中国南部稀土矿区附近受污染农业土壤中痕量金属的营养动态模式。我们使用稳定氮同位素构建了一个由三个营养级（TLs）组成的简化土壤食物网。第二营养级的生物体表现出最高的REEs和非必需金属（As、Pb和Cr）浓度，而第三营养级的生物体表现出最高的必需金属Cu浓度。值得注意的是，REEs的生物放大潜力主要发生在第一和第二营养级之间，这些转移的生物放大因子（BMFs）超过了1。同样，非必需金属（包括As、Pb和Cr）从第一营养级到第二营养级表现出生物放大效应，但从第二营养级到第三营养级则表现出生物稀释效应。相比之下，Cu和Cd表现出一致的生物放大趋势，其BMFs随着营养级的升高而逐渐增加。此外，原子序数较高的REEs在陆地食物链中的生物放大效应更大，表明与轻稀土元素相比，重稀土元素的转移潜力更强。这一观察结果得到了不同营养级中REEs分布变化的支持。总体而言，我们的研究提供了关于陆地食物网中痕量金属营养动态的实地证据和新的见解，突显了中国南部稀土矿区周围农业土壤中的潜在生态风险。

引言

由于其独特的性质，稀土元素（REEs）在高科技创新、生物医学和农业等多个领域变得越来越重要。全球对REEs需求的增加导致了这些资源的广泛开发和提取，尤其是在中国[1]。因此，采矿等人为活动导致大量REEs释放到周围的生态系统中，农业土壤受到特别严重的影响[2]。值得注意的是，自然界中的重金属（HMs）相对丰富。因此，REEs资源的开发和提取可能会加剧采矿废水和邻近土壤中HMs的浓度[3]。例如，在邻近的农业土壤中，HMs的浓度超过了中国土壤环境质量风险控制标准（GB15618-2018）为农业土地污染设定的风险筛选阈值[3]。植物和土壤动物都能够生物累积REEs和HMs[3]，[4]，从而通过食物网带来生态风险。因此，人们对稀土矿区周围农业土壤食物网中REEs和共存HMs的潜在转移越来越关注。

REEs和HMs的营养转移非常复杂，并且在不同的食物网中有所不同。先前的研究一致报告称，与浮游生物和海蜗牛相比，双壳类动物、甲壳类动物和鱼类中的REEs浓度较低，表明在河口、湖泊和沿海生态系统中存在生物稀释现象[5]、[6]、[7]、[8]。然而，关于陆地生态系统中REEs营养转移的实证证据仍然有限。最近的一项研究表明，从植物到陆地无脊椎动物的REEs浓度呈下降趋势，表明在基于土壤的食物网中也存在类似的生物稀释模式[9]。已经强调，不能直接从水生系统的观察结果推断陆地生态系统中痕量金属的营养转移潜力。例如，一些研究观察到，某些化学物质（如持久性有机污染物[10]、抗生素[11]和HMs[12]）在陆地和底栖食物网中表现出生物放大潜力，而在水生浮游食物网中则表现出生物稀释现象。此外，食物网的复杂性，包括物种多样性和生态联系，进一步增加了痕量金属转移的评估难度以及准确预测土壤动物中金属浓度的难度。例如，Cu和Zn在沿海食物网中沿着三个营养级表现出生物放大效应，但并非在整个食物网中都遵循这一趋势[13]。尽管如此，目前对陆地食物网中痕量金属营养转移潜力的理解仍然有限，这阻碍了有效评估生态风险。因此，需要进一步的实地研究来更全面地了解REEs和共存HMs在土壤食物网中的复杂营养动态模式。

人们普遍认为，痕量金属的物理化学性质影响它们在土壤动物中的吸收、代谢、储存和排泄[14]。此外，痕量金属的吸收和消除率的变化可能会影响它们的生物累积和转移潜力。例如，我们之前的研究表明，轻稀土元素在蚯蚓和模拟的生菜-蜗牛食物链中的生物累积和转移潜力高于重稀土元素，这归因于它们不同的毒代动力学过程[15]、[16]。此外，土壤无脊椎动物对于必需金属（如Cu和Zn）和非必需金属（如Cr和Pb）具有不同的代谢策略，以满足其代谢需求[14]。据报道，必需金属（Cu和Zn）在海洋食物网中表现出显著的生物放大效应，而非必需金属（Cd和Cr）则表现出生物稀释效应[17]。然而，最近的一项研究报道，在沿海食物网中某些HMs（包括Co、Cu、Ni、Pb和Zn）表现出显著的生物稀释效应，而Cr则表现出明显的生物放大效应[18]。此外，REEs和HMs在不同生物体中的生物累积也有所不同，进一步影响了它们的营养转移。例如，早期的一项研究发现Hypericum perforatum的根部积累的La比Cd多；然而，在茎部这一趋势发生了逆转[19]。因此，探索痕量金属的营养动态与其在土壤食物网中的物理化学特性之间的联系对于准确评估生态风险至关重要。

在这个背景下，我们的研究对中国南部稀土矿区附近农业土壤食物网中REEs和共存HMs（Cu、Zn、Mo、Ni、Pb、As、Cr和Cd）的生物累积和营养动态进行了实地调查。具体来说，这项研究关注了三个关键方面：（1）量化不同土壤生物体内的痕量金属负荷；（2）建立一个系统框架来评估构建的土壤食物网中REEs和HMs的营养转移效率；（3）阐明营养动态行为与痕量金属的物理化学特性之间的关系。这项研究为中国南部受稀土矿影响的陆地生态系统中痕量金属的生物累积和营养模式提供了关键信息。

研究区域

该研究在中国江西省赣州市定南县（东经115°0′–115°4′，北纬24°53′–24°59′）进行（表1）。研究区域的海拔从160米到1032米不等。该地区属于亚热带季风湿润气候，年平均气温为18.8℃[2]。年平均降水量为1609毫米，主要集中在3月至6月[2]。定南县以其丰富的稀土元素储备而闻名，并有着悠久的

研究土壤的物理化学特性和痕量金属含量

研究的农业土壤为沙壤土质地，含有0.900–1.54%的粘土、18.7–26.1%的粉砂和72.7–80.4%的沙子（表1和S5）。研究农业土壤的pH-H₂O值介于5.32（Site2）到6.53（Site4）之间，表明其略微偏酸性（表1）。土壤中的DOC、TC、TN、SO₄^2-、NO₃^-、PO₄^3-和Cl^-含量分别为38.8–116毫克/千克干土、1.10–2.07%、0.108–0.197%、7.81–31.3毫克/千克干土、10.4–81.9毫克/千克干土、4.65–26.7毫克/千克干土和5.48–28.1毫克/千克干土

结论

本研究调查了中国南部稀土矿区附近农业土壤食物网中REEs和共存HMs的营养动态。我们首次阐明了这一食物网中的复杂相互作用，全面概述了这些元素在各个营养级之间的生物转移过程。总体而言，REEs和非必需金属（如As、Pb和Cr）的生物放大潜力主要发生在第一和第二营养级之间。

环境意义

本研究阐明了中国南部稀土元素（REE）矿区附近土壤食物网的结构和相互作用，并量化了其中痕量金属的营养动态。这些发现为了解陆地食物网底部痕量金属的行为提供了关键见解。这些数据还支持了将中国其他稀土矿区附近的土壤金属浓度作为当地土壤生物中金属积累预测因子的潜力。

CRediT作者贡献声明

邱浩：写作——审稿与编辑，监督。Cornelis A.M. Van Gestel：写作——审稿与编辑。李文星：写作——初稿，调查，数据管理。何尔凯：写作——审稿与编辑，概念化。Willie J.G.M. Peijnenburg：写作——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42277117、42230505、42477285和42507390）的支持