隱藏在海水中的汞元素

撰文/童國慶

隱藏在海水中的汞元素

撰文/童國慶

伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的科學家正在檢查一種海洋中的神秘元素——汞。

冶金廢水的排放會很輕易地將汞元素傳播到海洋

大多數人都聽說過，我們現在應該限制某些魚類的食用，因為它們體內積累的汞（水銀）含量已經超過了安全標準。

從陸地或者空氣進入海洋的水銀，大多數是以汞元素的形式存在，對于海洋生命的威脅很小，因為海洋生命能夠輕而易舉地擺脫汞元素。然而，能夠存在于魚的體內的汞元素是指甲基汞，因為它有一個甲基CH3，連接著一個汞原子。

左圖：水俁病事件之后受害群眾的抗議游行

問題是，我們不知道甲基汞來自哪里。因為進入海洋的汞并不多，所以進入魚體內的汞也不多，然而，在海洋的某處某時，仍然進行著由元素汞到甲基汞的轉化。

由于工業發展或其他經濟活動，汞可能在三四十年前就已經被不知不覺地傾倒在人們生活的地方附近。汞元素本身對生物界的威脅并不大，但是因為生活在水里或者泥里的蠕蟲、貝類和其它微小生物，總是在不斷地攪動著那些汞元素，促成汞元素的甲基化，即產生了毒性。

水俁病:

汞是如何進入海洋的？

水俁病是指人或其他動物食用了含有機汞污染的魚貝類，使有機汞侵入腦神經細胞而引起的一種綜合性疾病，是世界上最典型的公害病之一。“水俁病”于1953年首先在日本九州熊本縣水俁鎮發生，當時由于病因不明，故稱之為水俁病。

日本水俁灣事件中，汞污染是來源于化工廠甲基汞的傾倒。在正常情況下，海洋汞元素的主要來源有兩個。一些來自地球的自然活動，例如火山噴發等；大約三分之二的汞元素來源于人類活動，其中最大的來源就是化石燃料的燃燒，特別是煤的燃燒，僅美國一個國家一年因為煤燃燒排放進入空氣中的汞元素就達160噸。汞被排放到空氣中以后，降雨又會使它們進入海洋。人類還向河流或海洋排放含有汞的工業廢水。汞的排放是人類社會一直存在的問題。自從羅馬時代以來，汞礦開采就一直向的里雅斯特海灣傾倒廢水。

甲基汞是從哪兒來的？

即使大量的汞元素被排放進海洋，如果汞沒有轉化為甲基汞，也不會對人類健康造成多大的威脅。被排放到海洋中的汞，擴散到浮游植物生長的環境中，被浮游植物俘獲，然后在生物圈的食物鏈中不斷地傳遞和積累，最后在大型的捕食魚類體內聚積，例如金槍魚等，魚體內的甲基汞含量是周圍水體的10萬倍以上。

“就像一個種濾食性海洋生物，非常接近食物鏈的最底層，其體內的甲基汞含量可能沒有金槍魚、鯖魚、旗魚或鱸魚那么高，但是，所有的這些魚類，都是我們真的很喜歡吃的魚類。”伍茲霍爾海洋學研究所的生化專家卡爾蘭博格（Carl Lamborg）說。

那么，汞是怎樣被轉化為甲基汞的呢？卡爾說，這個過程可能是一種生化過程，也就是汞與生物相互作用的結果。除此之外，人類關于這方面的認知仍然是零。我們知道，魚不會使汞甲基化，浮游植物和浮游動物可能也不會使汞甲基化。

然而，某些細菌卻能夠產生甲基汞，主要是作為其呼吸功能的副產物的形式出現。這已經可以從生活在海洋底泥或者大陸架中的細菌中觀察到。汞的甲基化也可能發生在深海的沉積物中，但這一點人類了解的不多。

海洋底泥以下的幾厘米處，氧氣非常少，生活在那里的微生物必須使用無氧呼吸。一個常見的方式是一種被稱為“硫酸鹽還原”的化學反應，在呼吸過程中，微生物利用周圍海水中的硫酸根離子（SO42-），并且向水體中排出負2價的硫離子（S2-），它是作為一種代謝廢物排出的。如果海洋泥沙中的多孔空間中還包含了大量的汞，就為汞的甲基化創造了條件。汞一旦進入細胞的內部，就變成了甲基汞。科學家們目前還沒有發現這種轉換過程所涉及的化學反應，但汞的硫化物進入細菌細胞后不久，細胞就會釋放出甲基汞。一些擴散的甲基汞進入了開放水域的泥沙中，在那里，甲基汞被浮游植物所捕獲，開始了它在食物鏈中的傳播。

上圖：浮游生物是甲基汞傳播中的重要一環

下圖：汞（水銀）是水俁病事件的禍首

但是，泥沙中的細菌所制造的甲基汞有多少進入了上述發現的水域呢？甲基汞是使魚有毒的唯一原因嗎？

卡爾對這一想法一直持懷疑態度。他認為，海洋中的甲基汞還有其他來源。“我一直在思考的問題是，大量的甲基汞實際上是從海洋水體自身產生的。”他說。

神秘的海洋汞富集層

卡爾發現，在海洋中存在著一個水層，他稱之為“中水層”，大約在100～400米厚，其中含有高濃度的甲基汞。這個水層出現在中層水域水深100～1000米的海域，實際深度取決于海洋中的具體位置。他在相對孤立的黑海附近、非洲西部海岸附近的公海海域、百慕大附近水域發現了含量較高的甲基汞層。特別有趣的是，最高水平的甲基汞濃度出現在水中的溶解氧含量大幅度下降的海域。

“溶解氧的減少是由靠近表層生長的浮游生物造成的，”他說，“當浮游生物死了，或者被其他浮游生物吃了，那些死去的浮游生物或者細胞向下沉積，并且腐爛，腐爛過程消耗水中的氧氣。”

這是可能的，像沉積物中的細菌一樣，任何生活在海洋低氧區的細菌也依靠硫酸鹽進行呼吸，可以在中層低氧區產生甲基汞。

卡爾試圖證實自己的假設，但他首先要排除另一種可能性：低氧區的甲基汞是否會來自較高的水層。科學家研究浮游植物時發現，它們體內20%至40%的汞都已經被甲基化了。卡爾思考：浮游植物和浮游動物被吃掉、死亡、沉降，然后被降解，這些過程釋放出的甲基汞是否會在中水層積累呢？

如果表層水域的生物組織并不是中層水中甲基汞的來源，那么甲基汞是從哪里來的呢？卡爾說，它可能是大陸架上的細菌沉積物中的細菌產生的，然后被釋放到水中。水流會沖刷和攜帶這些甲基汞進入海洋，并將它們帶到開放海域的中層水中，其他研究人員正在探索這種可能性。

雖然卡爾贊同中層水發現的甲基汞來源于細菌的呼吸作用，最近，他又與微生物學家特雷西明瑟，以及其他伍茲霍爾海洋研究所的部門同事合作，確定細菌的基因，希望揭開汞甲基化過程的神密面紗。

“汞正在悄悄進入海洋的低氧區，”卡爾說，“這些粒子正在發揮著過去甲基汞在那里發揮的作用。”