生態系代謝は熱帯汽水湿地におけるアタイドシュリンプ（Neocaridina denticulata）における金属の季節的な生物蓄積を制御している

Ecosystem metabolism regulates seasonal bioaccumulation of metals in atyid shrimp (Neocaridina denticulata) in a tropical brackish wetland.

• Cheng-Hao Tang
• Wei-Yu Chen
• Chin-Ching Wu
• Ezekiel Lu
• Wan-Yu Shih
• Jein-Wen Chen
• Jeng-Wei Tsai

抄録

自然溶存有機物（DOM）は水生生物の食物網の基盤を形成し、水生生物の金属の生物学的利用能に影響を与える重要な環境要因である。水生生物群集は、金属の混合物を含み、DOM のレベルと組成が異なる環境に同時に自然にさらされている。しかし、DOM の供給源、生産、消費における時間的・空間的変動、および DOM と金属の相互作用のため、金属の生物蓄積に対する DOM の正確な効果を予測することは困難である。生態系の代謝は、有機炭素の生産と消費のプロセスを記述しており、したがって、生態系の栄養状態を表している。しかし、生態系代謝が金属の生物蓄積の季節性を決定しているかどうか、また、どのように決定しているかは不明である。本研究では、生態系代謝の季節性、関連する環境・生物学的調節因子、バルク水中・堆積物中の金属種分化・濃度、およびそれらの金属生物蓄積との関係を明らかにするために、原位置での水質調査と個別のフィールドサンプリングを用いて、生態系代謝の季節性を調査した。対象個体群は、台湾熱帯地域の汽水湿地に建設された湿地帯で、2014年8月から2015年11月までの間に採集されたアユエビ(Neocaridina denticulata)であった。金属の生物蓄積は、夏季（Cu, Cd, Cr, Zn, Mn, Se）または冬季（Pb, Ni）にピークを迎える明確な季節パターンを示した。この従属栄養湿地では、有機物の原位置生産（総一次生産）と従属栄養的消費（生態系呼吸）が、水性DOMレベルの増加に伴って有意に減少した。呼吸表面に生物学的に利用可能な溶存遊離金属（As、Zn、Cu、Cr）と食餌摂取に利用可能な不溶性金属（Mn、Ni）の両方が、DOM の増加に伴って減少し、一次産生総量と生態系呼吸が減少すると同時に減少した。金属の生物蓄積の季節的変動もまた、湿地の栄養状態の変化と平行しており、これは湿地の DOM プールにおける潜在的な質的変化の影響を反映していた。ほとんどの金属の生物蓄積は、総一次生産量、生態系呼吸、湿地の栄養状態と強い相関関係を示した。本研究で得られた知見は、生態系の代謝が、DOM レベル／供給源、種分化／生物利用可能性、水生生物による金属の取り込み効率の間の変動と相互作用を結びつけ、ア チヤエビにおける金属の生物蓄積の季節性において重要な媒介的役割を果たす可能性があることを示した。本研究は、地域環境における水生金属曝露のリスク評価に貢献している。また、気候や環境の変化に伴う生態系固有のスペクトルも明らかにした。

Natural dissolved organic matter (DOM) forms the base of aquatic food webs and is a key environmental factor that affects the bioavailability of metals for aquatic organisms. Aquatic communities are naturally exposed simultaneously to environments containing a mixture of metals and varying DOM levels and compositions. However, the exact effect of DOM on metal bioaccumulation is difficult to predict due to temporal and spatial variations in sources, production, and consumption of DOM, and to interactions between DOM and metals. Ecosystem metabolism describes the process of organic carbon production and consumption and, therefore, the trophic status of ecosystems. However, whether and how ecosystem metabolism determines the seasonality of metal bioaccumulation remains unclear. The present study used in-situ water quality sondes and discrete field samplings to establish the relationship between the seasonality of ecosystem metabolism; related environmental and limnological regulators; the metal speciation and concentration in bulk water and sediments; and their metal bioaccumulation. The target population consisted of atyid shrimp (Neocaridina denticulata) in a brackish constructed wetland in tropical Taiwan was sampled between August 2014 and November 2015. Metal bioaccumulation displayed distinct seasonal patterns that peaked in summer (Cu, Cd, Cr, Zn, Mn, and Se) or winter (Pb and Ni). The in situ production (gross primary production) and heterotrophic consumption (ecosystem respiration) of organic matter significantly decreased with increasing waterborne DOM levels in this heterotrophic wetland. Both dissolved free metals bioavailable for respiratory surfaces (As, Zn, Cu, and Cr) and insoluble metals available for dietary intake (Mn and Ni) decreased with increasing DOM, as well as with decreasing gross primary production and ecosystem respiration. Seasonal variations of metal bioaccumulation also paralleled the transition in wetland trophic status, which reflected the effect of potential qualitative changes in the wetland DOM pool. Bioaccumulation of most metals displayed strong correlations with gross primary production, ecosystem respiration, and wetland trophic status. Our findings demonstrated that ecosystem metabolism can play a key mediating role in the seasonality of metal bioaccumulation in atyid shrimp, as it links the variation and interaction between DOM level/source, the speciation/bioavailability, and the uptake efficiency for metals by aquatic organisms. This study contributes to the temporal-specific risk assessment of aquatic metal exposure in regional environmental settings. It also reveals ecosystem-specific spectra in the context of changes in climate and environment.

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