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      三峽庫區(qū)消落帶土壤汞的研究現(xiàn)狀

      2012-08-15 00:54:58蔡葉茂劉志祥
      環(huán)境影響評價 2012年4期
      關(guān)鍵詞:甲基汞三峽庫區(qū)甲基化

      何 熙,蔡葉茂,劉志祥

      (西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,重慶400715)

      2008年,三峽大壩完成后,水庫“蓄清排渾”的調(diào)度方案使流域周邊形成面積超400km2的水庫消落帶。消落帶是庫區(qū)徑流的匯集地帶,自然也成為環(huán)境汞污染物的匯集區(qū)。該特殊地帶集中體現(xiàn)了庫區(qū)環(huán)境的物理、化學(xué)及生態(tài)特征,并成為庫區(qū)水體-土壤-土壤間物質(zhì)交流、能量交換及各污染物遷移轉(zhuǎn)化的活躍地帶[1-5]。

      汞及其化合物是一種具有較強的生物富集放大性和高神經(jīng)毒性的環(huán)境毒物,它性質(zhì)穩(wěn)定且不易揮發(fā),通過食物鏈對生物體造成危害。同時,消落帶土壤環(huán)境中的無機汞可通過微生物甲基化過程作用和化學(xué)作用轉(zhuǎn)化為毒性更強的甲基汞,這會加劇三峽庫區(qū)消落帶土壤中的汞污染。三峽庫區(qū)消落帶土壤汞的研究不僅可以揭示消落帶土壤汞遷移轉(zhuǎn)化的特征,也為以后研究庫區(qū)環(huán)境中汞的環(huán)境化學(xué)行為提供科學(xué)基礎(chǔ)。

      1 檢測方法的研究進展

      1.1 土壤總汞

      目前分析痕量汞的靈敏方法有冷原子熒光法(CVAFS)[6-7]和冷原子吸收法(CVAAS)[8-9],消解土壤和土壤樣品的方法則有HNO3-H2SO4-V2O5法、H2SO4-HNO3-KMnO4法、H2SO4-KMnO4法、HNO3-HClO4-HF法、HNO3-H2SO4-HClO4、HNO3法、王水法、加熱回流法、石英管燃燒法等[10-13],不同的消解方法操作程序繁雜程度各異,而且對測定結(jié)果影響很大[14-15]。例如,單獨使用硝酸消化土壤和土壤樣品,一般只能溶出樣品中1/5~1/3的總汞,應(yīng)用王水、硝酸/硫酸/高氯酸、硝酸/硫酸/高錳酸鉀和硝酸/硫酸/五氧化二釩等常用強氧化體系處理樣品,分析結(jié)果重現(xiàn)性較好。但后三者消解過程明顯繁瑣,影響分析速度,而王水消解法則被證明為一種有效、簡潔的消解法。而利用王水水浴一次消解,并結(jié)合BrCl氧化-金管預(yù)富集-冷原子熒光法對土壤和土壤樣品的總汞進行分析,方法可靠,簡便易行,精密度高,相對誤差小,樣品可以批量處理分析[16]。

      1.2 土壤甲基汞

      通常環(huán)境中甲基汞的含量相當(dāng)?shù)?,測定難。隨著科技的發(fā)展,高效、靈敏的甲基汞分析檢測方法也取得了進步。目前,土壤中甲基汞的分析多采用苯萃?。瓪庀嗌V電子捕獲法[17-18],巰基綿富集氣相色譜法[19-20],萃?。合嗌V法[21],溶劑萃取GC-AAS法[22]等。這些方法存在前處理過程繁瑣或操作困難,靈敏度和精密度相對較低,選擇性差等問題。萃取-乙基化結(jié)合GC2CVA FS法[23],是采用硝酸和硫酸銅溶液浸提,CH2Cl2萃取并結(jié)合水相乙基化等溫氣相色譜冷原子熒光(GC-CVAFS)法測定土壤和土壤中的微量甲基汞。該方法對45mL提取液的檢出限為0.009ng/L,具有選擇性好、絕對檢測限低、精密度和靈敏度高等優(yōu)點,而且前處理過程所需試劑少,不用連續(xù)萃取,操作簡易。

      2 三峽庫區(qū)消落帶土壤汞的研究現(xiàn)狀

      2.1 三峽庫區(qū)消落帶土壤汞研究現(xiàn)狀

      根據(jù)學(xué)者預(yù)測,三峽水庫蓄水后,庫區(qū)汞活化效應(yīng)將增強,魚體對汞元素的生物富集作用加劇,水庫魚體汞含量將增加0.35~1.50倍,存在魚體汞含量超過食品淡水魚汞含量標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險[24-25]。三峽庫區(qū)土壤高汞背景是庫區(qū)汞污染的主要原因,忠縣至重慶段土壤汞濃度在0.048~0.200mg/kg之間,高于世界土壤汞濃度0.03~0.10mg/kg[26],同時消落帶又是汞的源和匯。針對三峽庫區(qū)消落帶土壤汞的研究,學(xué)者已開展了工作。王平安[27]就干濕交替進行了室內(nèi)模擬研究,指明土壤汞賦存形態(tài)、釋放及其動態(tài)變化規(guī)律;張金洋[28]對三峽庫區(qū)消落帶主要類型土壤對汞的吸附-解吸特征進行了研究,模擬淹水試驗,討論土壤汞的釋放規(guī)律及其環(huán)境因子影響。靳立軍等[25]對三峽庫區(qū)地表水和魚體甲基汞含量的分布做了初步研究。三峽庫區(qū)土壤和土壤是汞甲基化主要場所,土壤-水界面也是其主要場所[29]。很多研究表明,表層土壤是甲基化產(chǎn)生的關(guān)鍵層位。Heyes等[30]指出在河口和湖泊中,原位甲基化是甲基汞的主要來源,其他途徑的來源受到限制。修建水庫后引起的魚體甲基汞污染現(xiàn)象一般要持續(xù)20~30年時間,之后隨著淹沒土壤中能被甲基化的活性汞的耗盡,這種汞污染現(xiàn)象逐漸消失[31-32]。目前,三峽庫區(qū)消落帶這一特殊環(huán)境土壤汞的研究集中在常規(guī)監(jiān)測,吸附解吸動力學(xué)等領(lǐng)域,對甲基汞的實地研究還鮮見報道。

      2.2 三峽庫區(qū)土壤汞污染來源

      土壤母質(zhì)中的汞是土壤中汞最基本的來源,正常發(fā)育的自然土壤也會含有一定數(shù)量的汞,但不同母質(zhì)、母巖形成的土壤其含汞量存在很大差異,再加上人類生產(chǎn)活動的影響,從各種條件下得到的土壤汞含量往往有很大差異,而且不易確定其來源。

      近些年的研究表明,大氣沉降是土壤汞的一個重要來源[33]。據(jù)王定勇等[34]研究,土壤汞含量與大氣汞濃度顯著相關(guān)(r=0.741),可見大氣汞含量對土壤汞污染的貢獻(xiàn)較大。

      三峽庫區(qū)周邊分散著眾多大、中、小型工業(yè)企業(yè)、居民點、農(nóng)用地等汞污染源,且目前對這些污染源的處置率很低。工業(yè)和生活廢水、廢渣及其固廢的雨水淋洗和沖刷物,直接進入庫區(qū);庫區(qū)消落帶被當(dāng)?shù)鼐用裼米鬓r(nóng)業(yè)生產(chǎn),并對其施用化肥、農(nóng)肥,一些化學(xué)肥料的汞含量很高,如磷肥的平均汞含量為0.25mg/kg;且當(dāng)?shù)氐墓喔扔盟磶靺^(qū)水,也是污染來源之一。

      2.3 土壤汞存在的形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化的研究

      對于土壤汞形態(tài)的分類,目前尚無統(tǒng)一規(guī)范。土壤汞按化學(xué)形態(tài)可分為金屬汞、無機結(jié)合態(tài)汞、有機結(jié)合態(tài)汞。按Tessier[35]的連續(xù)提取分離法分為水溶態(tài)、交換態(tài)(碳酸鹽結(jié)合態(tài))、鐵錳氧化態(tài)、有機結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)。在許多含汞土壤中,汞主要以HgO或HgS無機形式存在,土壤中具有致命毒性汞的形態(tài)是分析的重點,也是研究的熱點。

      在一定條件下,各種形態(tài)的汞可相互轉(zhuǎn)化,土壤是一個復(fù)雜的環(huán)境,各形的態(tài)汞組成一個相互轉(zhuǎn)化、相互競爭的動態(tài)平衡。土壤中的無機汞有HgSO4、Hg(OH)、HgCl和HgO,它們因溶解度相對較低,在土壤中的遷移能力很弱,但在土壤微生物的作用下,可向甲基化方向轉(zhuǎn)化;微生物合成甲基汞在需氧或厭氧條件下都可以進行,在需氧條件下主要形成甲基汞,它是脂溶性物質(zhì),被微生物吸收、積累而轉(zhuǎn)入食物鏈造成對人體的危害;在厭氧條件下主要形成二甲基汞,在微酸環(huán)境中,二甲基汞又可轉(zhuǎn)化為甲基汞。研究表明,形態(tài)汞的轉(zhuǎn)化特征與土壤質(zhì)地和土壤環(huán)境等因素緊密相關(guān),其中包括土壤pH、Eh、有機質(zhì)含量、微生物等因素。在研究汞的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律時,必須綜合考慮各過程及其影響因素。但目前研究較多的主要是土壤對汞的吸附和釋放過程。張金洋[28]在試驗中采集了三峽庫區(qū)消落帶主要5種類型土壤,進行了吸附-解吸研究,通過對其等溫吸附解吸過程的擬合,發(fā)現(xiàn)土壤汞的吸附動力學(xué)過程用雙常數(shù)方程和Elovich方程擬合較好,其次是拋物線方程,一級反應(yīng)動力學(xué)方程擬合最差。解吸動力學(xué)規(guī)律與吸附過程相類似。吸附速率順序為:灰棕潮土>紫色潮土>中性紫色土>黃壤>酸性紫色土。解吸動力學(xué)規(guī)律與吸附過程相類似。

      2.4 土壤汞遷移轉(zhuǎn)化影響因素

      土壤中的各類膠體對汞均有強烈的吸附作用。土壤膠體對汞的吸附受土壤膠體性質(zhì)、pH值、有機質(zhì)的共同影響。pH值可通過影響汞在土壤的形態(tài)和穩(wěn)定性而影響汞在黏土礦物和有機質(zhì)上的吸附,進而影響土壤中汞的遷移轉(zhuǎn)化反應(yīng)。有機質(zhì)的存在可能促進土壤對汞的吸附。有研究認(rèn)為,有機土壤較礦質(zhì)土壤含有更多的汞,森林土壤表層汞與有機質(zhì)存在很好的相關(guān)性[36]。這是因為土壤可溶性的有機質(zhì)比固相有機質(zhì)含有更多的吸附點位,它充當(dāng)了汞的“遷移載體”。有機質(zhì)對汞的吸附要受土壤pH值的影響。在弱酸性土壤中(pH<4.5~5)吸附無機汞離子的有效物質(zhì)是有機物質(zhì),而在中性土壤中鐵氧化物和黏土礦物的作用則更顯著。林陶等[37]研究發(fā)現(xiàn),三峽庫區(qū)土壤對汞的吸附和解析速率均與土壤的pH值呈顯著相關(guān)(r=0.933,p<0.05)和極顯著相關(guān)(r=0.962,p<0.01)。

      無機和有機配位體對汞的絡(luò)合-螯合作用一般具有強親和力的基團能與Hg2+形成高溶解度的化合物,從而提高汞化合物的溶解度。Gilmour[38]計算出Hg2+對Cl-、OH-、NH3、F-、SO42-、NO3-有較高的穩(wěn)定常數(shù),其中Cl-對Hg2+而言是最易移動和最常見的結(jié)合試劑,對Hg2+有很強的親和力。土壤中存在的有機化合態(tài)汞包括CH3HgS-、CH3HgCN、CH3HgSO3、CH3HgNH3+和腐殖質(zhì)結(jié)合汞等,其中以腐殖質(zhì)結(jié)合汞最為重要。腐殖質(zhì)與Hg有很強的結(jié)合力,影響Hg在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化行為,這可能與腐殖酸中硫蛋白與汞結(jié)合牢固,不能被其他金屬離子取代有關(guān)。

      3 汞的甲基化與去甲基化研究

      由于甲基汞的檢測技術(shù)在近期才得以推廣,國內(nèi)學(xué)者關(guān)于土壤甲基汞的研究(特別是消落帶)甚少。前人集中進行了水庫水體與魚體的甲基汞含量的研究,探討了甲基汞的轉(zhuǎn)化過程、影響因子,但觀點尚未統(tǒng)一。而對于大面積消落帶這個特殊環(huán)境的土壤研究極少。因此,筆者建議應(yīng)大量開展對消落帶甲基汞的研究。三峽庫區(qū)作為我國最大的水庫,擁有超400km2廣闊的消落帶,同時庫區(qū)消落帶干濕交替的特殊條件,周期性地改變著周邊土壤的水文條件,為深入研究甲基化與去甲基化過程,提供了充裕的環(huán)境。

      3.1 汞的甲基化與去甲基化

      汞的甲基化包括生物甲基化和非生物甲基化過程。生物甲基化主要依靠生物的代謝產(chǎn)物(甲基維生素B12和甲烷)在微生物體外進行??梢允篃o機汞甲基化的微生物有多種,其中以硫酸鹽還原菌和鐵還原菌的研究最多。非生物甲基化是在醋酸、甲醇、乙醛、2-氨基酸共存時,用紫外線、日光照射HgCl2溶液,也可發(fā)生甲基化。甲基化主要是在厭氧條件下進行,相反,在好氧環(huán)境中更有利于去甲基化的進行。

      生物甲基化是主要的汞甲基化過程[39],此過程大多發(fā)生在厭氧土壤中,甲基鈷胺素是主要的環(huán)境甲基供給者。研究發(fā)現(xiàn)其他種類微生物也可進行汞的甲基化[40]。汞的生物甲基化除了受微生物條件以及氧化還原條件兩個關(guān)鍵因子的影響外,還受溫度、pH、可利用的活性汞濃度、有機質(zhì)等眾多環(huán)境因子的影響。

      3.2 影響因子的研究

      3.2.1 有機質(zhì)對甲基化的影響

      有機物在汞的甲基化過程中所起的作用機制至今尚不清楚。很多研究發(fā)現(xiàn),水體、土壤和生物體中的甲基汞含量隨著有機物含量的升高而增加。在很多新建的水庫里,常觀察到異常升高的魚體甲基汞含量。一些研究認(rèn)為,水庫淹沒的土壤和植被釋放出大量的有機質(zhì)是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因之一[41]。通常認(rèn)為,有機質(zhì)對甲基化的影響是由于豐富的營養(yǎng)物質(zhì)可使微生物活動增強,從而提高了甲基化率;還有研究發(fā)現(xiàn)腐殖酸和胡敏酸可直接參與非生物甲基化過程[42]。另一方面,由于有機物可以和二價汞結(jié)合,降低了生物可利用的汞濃度,從而降低了汞的甲基化率。特別是在中性pH環(huán)境中,高溶解有機碳濃度在很大程度上可抑制甲基化的進行,而由于低pH環(huán)境不利于汞和有機質(zhì)之間螯合作用的發(fā)生,故這種抑制作用并不明顯。

      3.2.2 光照對甲基化的影響

      甲基汞在日光照射下降解為無機汞,從而使水體中甲基汞濃度維持在相對較低的水平。通常,淡水中甲基汞的光降解速率較快。多項研究表明,日光雖然可導(dǎo)致苯基汞的直接光解[43],但對于甲基汞、二甲基汞、二乙基汞等非芳基汞,僅UV-C可導(dǎo)致其直接光降解[44-45]。因此,環(huán)境中甲基汞的光降解為間接光解,光照引發(fā)活性自由基并進一步導(dǎo)致甲基汞的降解,日光中的UV-A與UV-B對甲基汞的降解發(fā)揮著主要作用[46-47]。

      Sellers等[48]首次證明了湖水表層存在著甲基汞的光降解,甲基汞光降解速率與甲基汞濃度、太陽光照強度等因素相關(guān)。這表明,在淡水水體中,除了微生物脫甲基化作用外,甲基汞的光化學(xué)降解也起著很重要的作用。Hammerschmidt等[49-50]考察了北極阿拉斯加地區(qū)Toolik湖水表層甲基汞的降解,估計每年由于光降解導(dǎo)致的Toolik湖中甲基汞的損失占底泥產(chǎn)生甲基汞的80%[51]。

      3.2.3 土壤質(zhì)地對甲基汞的影響

      土壤質(zhì)地影響甲基化的因子,進而影響汞的遷移轉(zhuǎn)化[52]。袁蘭[53]的試驗結(jié)果表明,土壤的性質(zhì)會影響二甲基汞(DMM)的揮發(fā)和轉(zhuǎn)化,土壤黏土和細(xì)粒含量高,有機質(zhì)含量高時,DMM揮發(fā)性弱。不同土壤中甲基化的有效性大小順序為:黏土>壤土>砂土。

      3.2.4 溫度對甲基化的影響

      在一定溫度范圍內(nèi),溫度越高,甲基化速度越快;在一定含量范圍內(nèi),汞離子含量與甲基化產(chǎn)率呈正相關(guān)。不同季節(jié)的變化會顯著影響汞的凈甲基化速率。試驗表明,夏季汞的去甲基化速率為每天低于1.9%,明顯低于春季汞的去甲基汞化速率(4.1%)。Qiu等[54]對汞礦區(qū)土壤甲基汞調(diào)查發(fā)現(xiàn),稻田土壤甲基汞含量明顯高于旱土土壤甲基汞含量,認(rèn)為稻田厭氧環(huán)境中有豐富的可溶性碳。

      3.2.5 其他

      汞的甲基化還受汞離子含量影響。但汞離子含量過高會抑制某些促進甲基化微生物的生命活性,甲基化作用反而下降。

      4 問題與展望

      近年來,汞的環(huán)境化學(xué)行為研究取得了一系列重要進展。自然界中汞的轉(zhuǎn)化、遷移行為的研究,為進一步明晰汞的循環(huán)奠定了基礎(chǔ)。但由于汞的甲基化是一個受諸多因素影響的復(fù)雜過程,甲基化的作用機制尚未明確?,F(xiàn)有研究工作集中在汞在湖泊、河流等水生態(tài)系統(tǒng)中的遷移、富集。鑒于三峽庫區(qū)消落帶的特殊性,學(xué)者們大多集中研究總汞含量、分布、規(guī)律及其生態(tài)評價,對甲基汞的研究處于空白;再者甲基汞檢測條件的局限,導(dǎo)致三峽庫區(qū)消落帶土壤甲基汞的研究相對缺失。

      針對此現(xiàn)狀,筆者認(rèn)為,今后應(yīng)在以下幾方面進行重點研究:(1)三峽庫區(qū)消落帶土壤甲基汞定性、定量研究,為以后更深入研究汞循環(huán)夯實基礎(chǔ)。其中應(yīng)當(dāng)包括底泥甲基汞的研究。(2)庫區(qū)土壤甲基化機制的研究。目前關(guān)于甲基化的過程,觀點尚未統(tǒng)一。(3)汞同位素示蹤及同位素稀釋技術(shù)的應(yīng)用有助于分析庫區(qū)甲基汞源。(4)關(guān)于水庫汞污染治理,目前采取的主要措施是減少污染源。

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