Editat de François M. M. Morel, Universitatea Princeton, Princeton, NJ și aprobat pe 4 august 2015 (primit pentru revizuire 2 aprilie 2015)

descărcat

Semnificaţie

Mercurul este o neurotoxină puternică care se acumulează în rețelele alimentare, reprezentând o amenințare globală pentru sănătatea mediului. Mamiferele marine sunt specii santinelă obișnuite pentru studierea poluării marine; cu toate acestea, rolul lor potențial ca vectori de contaminanți pentru ecosistemele locale a fost rar abordat. Cuantificând concentrația și forma chimică a mercurului în apa de mare afectată de colonizarea elefantului nordic (Mirounga angustirostris), am demonstrat aici că ecologia comportamentală a mamiferelor marine poate influența în mod substanțial ciclul mercurului de pe litoral. Nivelurile ridicate de metilmercur (MeHg) în apa de mare adiacentă la rookery în timpul sezonului de mutare pot deveni biodisponibile la niveluri trofice mai mici, indicând faptul că ansamblurile mari de mamifere marine reprezintă o sursă importantă de MeHg pentru lanțurile alimentare din apropierea țărmului și pentru pescuitul marin de coastă, amenințând astfel sănătatea ecosistemului.

Abstract

Metilmercurul (MeHg) este o neurotoxină puternică care este biomagnificată de aproximativ 1-10 milioane de ori în carnivorele acvatice, cum ar fi elefantul nordic (Mirounga angustirostris), ale cărui excreții și pelajul mutat, la rândul lor, constituie o sursă de contaminare a MeHg de mediu la nivelul baza lanțurilor alimentare marine. Potențialul acestei contaminări de sus în jos este cel mai mare în zonele de coastă, cu ecosisteme marine productive, care oferă habitate ideale pentru coloniile mari de mamifere marine, care se pot număra în mii. Această reciclare a MeHg a fost evidentă prin compararea concentrațiilor totale de mercur (HgT) și MeHg în apa de mare și HgT în pelajul năpădit de M. angustirostris, la coloana pinipedă din Rezervația de Stat Año Nuevo cu concentrații în siturile de coastă învecinate din California centrală. Concentrațiile de apă de mare de MeHg în jurul turnării (medie = 2,5 pM) au fost semnificativ mai mari decât cele de la siturile de coastă de comparație (medie = 0,30 pM) și au fost la fel de mari ca 9,5 pM în timpul sezonului de mutare a M. angustirostris. În consecință, excrementele și mușchii din această colonie de mamifere marine și, probabil, din alte populații de prădători marini, constituie o sursă majoră de MeHg la baza lanțului alimentar marin local.

Emisiile antropice au crescut depunerile globale de mercur atmosferic (Hg) în oceane de trei până la cinci ori de la preindustriale (1, 2). Deși mai mult de 95% din intrările industriale și naturale sunt forme anorganice de Hg [de exemplu, Hg (0) și Hg (II)], o mică fracțiune de Hg anorganic este convertită prin activitate microbiană în metilmercur (MeHg), o neurotoxină organică care se bioacumulează ușor în organismele marine și se biomagnifică în lanțurile alimentare (3 ⇓ –5). Ca rezultat, concentrațiile de MeHg la prădătorii cu nivel înalt de trofie (de exemplu, pești piscivori, păsări și mamifere marine) pot atinge niveluri care le sunt dăunătoare fiziologic și care constituie o amenințare pentru sănătatea umană (6, 7).

Locații de prelevare a probelor de apă de mare. (A) Locațiile Año Nuevo și site-urile de comparație de-a lungul coastei centrale din California. (B) Harta detaliată care prezintă stațiile de prelevare de la capătul sudic al recoltei de reproducție continentală Año Nuevo în timpul sezonului de mutare a elefantului nordic 2012 (M1 - M6) și sezonului de reproducere 2013 (B1 - B6), precum și a plajei Cove Año Situl de prelevare a rezervei de stat Nuevo.

Obiectivul acestui studiu a fost de a testa ipoteza fundamentală a contaminării cu Hg de sus în jos prin compararea concentrațiilor totale de Hg (HgT) și MeHg în apa de mare din apropierea mării de la coloana de focă a elefanților de nord din Año Nuevo South Beach cu cele ale apei de mare de pe site-urile de comparație afectate de populațiile mari de mamifere marine (Fig. 1). În plus, pelajul de mormânt al elefantului nordic a fost analizat pentru HgT pentru a determina dacă tegumentul sloughed-off a reprezentat o sursă potențială de Hg pentru ecosistemul local.

Rezultate

Nu am găsit concentrații de apă de mare HgT măsurate la Año Nuevo (eșantionat în mai 2012 și februarie 2013) comparativ cu siturile de coastă din apropiere care nu aveau populații mari de mamifere marine (eșantionat în aprilie 2012; Tabelul 1 și Fig. 2B). Concentrațiile totale de Hg în apa de mare de suprafață colectate de la capătul sonor al recoltei de reproducție continentală Año Nuevo, unde majoritatea elefantelor de nord au fost scoase, au variat între 3,1 și 34,0 pM și au fost comparabile în timpul sezoanelor de reproducere și de mutare (Fig. 2B) . Acest interval a fost similar cu concentrațiile observate la locurile de comparație (9,2-41,7 pM), unde cea mai mare valoare HgT a fost de la râul San Lorenzo, care trece prin orașul Santa Cruz.

Concentrațiile de HgT și MeHg în apa de mare nefiltrată în apropierea țărmului și în elefantul nordic de focă au născut în pelaj

MeHg și HgT în probe de apă de mare nefiltrate nearshore. (A) Concentrațiile de MeHg pentru rookery-ul continental Año Nuevo în sezonul de năpârlire 2012 (M1 - M6), sezonul de reproducere 2013 (B1 - B6) și site-urile de comparație din California Centrală. (B) Concentrațiile de HgT pentru rookery în sezonul de năpârlire 2012, sezonul de reproducere 2013 și site-urile de comparație din California Centrală. Barele de eroare (± 1 SD) indică că proba a fost analizată de cel puțin trei ori. HgT pentru B5 (1.650 pM) a fost considerat contaminat și nu este reprezentat grafic.

Spre deosebire de concentrațiile de HgT de la Año Nuevo care nu au variat sezonier, au existat variații pronunțate ale concentrațiilor de MeHg de apă de mare de la malul mării la rookery Año Nuevo în timpul sezonului de mutare (0,28-9,5 pM) comparativ cu în timpul sezonului de reproducere (0,39-0,83 pM Tabelul 1 și Fig. 2A). Mai mult, concentrațiile de MeHg din rookery au fost semnificativ mai mari în ambele anotimpuri decât concentrațiile de la locurile de comparație (P -1 greutate uscată (Tabelul 1). Aceste valori sunt comparabile cu concentrațiile raportate anterior de Hg ale părului din portul Pacificului foci (2,96–144,31 greutate mare -1 greutate uscată) (11), lei de mare din California (6,55–139 µg⋅g −1 greutate uscată) (12), foci de blană australiene (9,59 µg⋅g −1 greutate uscată .) (13) și leii de mare sudici (19,16 µg⋅g −1 greutate uscată) (14). Presupunem că marea majoritate a HgT din pelajul năpârlit este Hg organic (de exemplu, MeHg), pe baza studii care au determinat că MeHg reprezintă mai mult de 80% (greutate/greutate) din HgT atât la blana de liliac (15), cât și la părul uman (16, 17).

Discuţie

Spre deosebire de ipoteza inițială conform căreia concentrațiile tuturor speciilor de Hg măsurate (adică, HgT și MeHg) în apa de mare adiacentă la rookery ar fi crescute, nu a existat o creștere evidentă a HgT în apa de mare la Año Nuevo (3,1-34,0 pM) comparativ cu apele de coastă prelevate în locuri care nu sunt colonizate de populații mari de mamifere marine (9,2-41,7 pM). Gama de concentrații de HgT pentru toate cele trei evenimente de eșantionare a fost comparabilă cu concentrațiile raportate anterior de HgT pentru estuarul golfului San Francisco (0,73-440 pM) (18), care este recunoscut pe scară largă pentru cantitatea considerabilă de surse istorice și în curs de desfășurare a Hg industrial, indicând faptul că toate siturile de prelevare din acest studiu au fost relativ îmbogățite în Hg.

Dimpotrivă, concentrațiile ridicate de MeHg în apa de mare în jurul rookery față de alte situri de coastă au fost substanțiale. Elefantii nordici se repezesc repede pe tot parcursul șederii la Año Nuevo; astfel, aporturile organice de Hg din fecalele M. angustirostris au fost considerate a fi neglijabile pe tot parcursul anului (19). Prin urmare, îmbogățirea aproximativ dublă a MeHg în apă de mare la Año Nuevo în timpul sezonului de reproducere a elefantului a fost probabil rezultatul concentrațiilor ridicate de Hg în fecale excretate de mii de alte pinnipede și păsări marine care locuiesc pe insula Año Nuevo, care se află adiacent rookery-ul pentru elefantul continental de pe un canal de 500 m (Fig. 1B) (20). S-a constatat că MeHg reprezintă 45% (greutate/greutate) din Hg în guano de păsări marine, care are o concentrație medie de HgT de 0,11 µg⋅g -1 greutate uscată. (21). După cum sa menționat anterior, excrementele de leu de mare din California au ∼0,80 µg⋅g −1 HgT în greutate uscată. (8), un procent substanțial din care se presupune că este MeHg (22). Probabil, a existat, de asemenea, o cantitate considerabilă de Hg în apele de pe malul apei din degradarea lanugului născut sau a hainei natale, aruncată de puii de focă de elefant nou-născuți, care numărau peste 1.700 la Año Nuevo în 2010 (20). S-a descoperit că lanugo de elefant nordic conține o concentrație medie de HgT de 19,0 µg⋅g -1 greutate umedă. (23).

Îmbogățirea și mai mare (de -17 ori) a MeHg în apa de mare la Año Nuevo în timpul sezonului de mutare a M. angustirostris (0,28-9,5 pM) a fost remarcabilă și a depășit gama concentrațiilor de MeHg din apa de suprafață observate în estuarul extrem de urbanizat din Golful San Francisco (−1 greutate uscată), care probabil conținea> 80% (greutate/greutate) MeHg (15 ⇓ –17). Presupunând că masa medie a tegumentului năpârlit eliminat dintr-o elefantă de 400 kg este de ∼13,5 kg (24), cele 4.000 de foci adulte prezente la rookery-ul Año Nuevo în 2010 (20) au aruncat aproximativ 54.000 kg de pelaj. Aceasta echivalează cu un factor de emisie anual pe cap de locuitor de 0,05 g MeHg per elefant de focă adult. Pe baza acestei estimări, calculăm că ± 0,2 kg de Hg organic au pătruns în mediul nearshore al Año Nuevo în acel sezon de năpârlire. Pentru a pune această cantitate în perspectivă, Golful San Francisco acoperă,11,100 km2, drenează 40% din statul California (26, 27) și primește o sarcină anuală estimată de 8,0 kg MeHg din surse externe, cum ar fi râurile și sursa punctuală deversări (25). Dimpotrivă, zona de conservare a statului marin Año Nuevo acoperă doar 26,4 km 2 (28), indicând faptul că magnitudinea intrărilor anuale provenite din colonizarea pinipedului constituie o sursă relevantă de MeHg, care nu a fost identificată anterior, în acea rezervație marină.

Ilustrarea conversiei mercurului anorganic [Hg (II)] în MeHg de către bacteriile anaerobe, biomagnificarea MeHg la niveluri trofice marine succesive și apoi reintroducerea MeHg la baza lanțului alimentar prin contaminare de sus în jos. Imaginile sunt oferite de Laboratorul de Științe Moleculare de Mediu (EMSL), un birou al Departamentului Energiei al Facultății de Științe din Laboratorul Național Pacific Northwest (bacterii anaerobe); Richard R. Kirby, proiectul Secchi Disk (fitoplancton); Maria Grazia Mazzocchi, Stația zoologică Anton Dohrn, Italia (zooplancton); și FishWatch, Administrația Națională Oceanică și Atmosferică (pești de pradă).

Materiale și metode

Mulțumiri

Îi suntem recunoscători Anjali Kumar (MIT) pentru ajutorul ei cuantificând concentrațiile de HgT în eșantioanele de muta, lui Carl Lamborg pentru contribuția manuscrisului și membrilor Laboratorului WIGS (în special Jeremy Merckling) pentru asistență analitică și pe teren. Mulțumim, de asemenea, Laboratorului de sisteme cognitive și senzoriale Pinniped, Departamentului de Parcuri și Recreere din California și Rezervației Naturale Laguna Tânără a Universității din California pentru acordarea accesului la locațiile noastre de eșantionare. Manuscrisul nostru a beneficiat foarte mult de contribuția atentă a recenzorilor anonimi și apreciem timpul lor. Acest proiect a fost sprijinit cu finanțare de la Colegiul Stevenson (Universitatea din California, Santa Cruz), Dr. Earl H. Myers Oceanographic and Marine Biology Trust din Pebble Beach și Fundația Robert & Patricia Switzer. Permisele de eșantionare pentru efectuarea lucrărilor noastre de teren au fost eliberate către P.M.G.

Note de subsol

  • ↵ 1 Cui trebuie să i se adreseze corespondența. E-mail: jennboonrohan.sdsu.edu .