關(guān)于水生生態(tài)系統(tǒng)中汞的國內(nèi)外研究進(jìn)展評述

武 岳 林 清

(廣西師范學(xué)院地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣西 南寧 530001)

汞是一種有毒元素，在自然界中以非常低的濃度存在。汞常溫下即可蒸發(fā)，汞蒸氣和汞的化合物多有劇毒。由于人類活動的影響進(jìn)入水體環(huán)境中汞污染越來越多，特別是隨著采礦、冶煉、化工、電鍍、電子、制革等行業(yè)的發(fā)展，以及民用固體廢棄物不合理填埋和堆放，重金屬污染物事故性排放，使得污染物進(jìn)入水體，當(dāng)它們在水體中不斷累積，除了使水生生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，更通過水體—水生植物—水生動物直接或間接影響人類的健康。因此關(guān)于汞在水生生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)機(jī)制的研究，對于解決汞的全球生態(tài)環(huán)境問題有至關(guān)重要的意義。

1 汞污染問題在全球環(huán)境問題中面臨長久挑戰(zhàn)

水生生態(tài)系統(tǒng)中汞的環(huán)境過程是生物地球化學(xué)循環(huán)過程的重要組成部分，且與整個生態(tài)系統(tǒng)中各物種的生存和發(fā)展密切相關(guān)。自1950年日本九州水俁灣汞中毒事件以來，對水體汞污染的各項研究不僅引起了國內(nèi)外不同領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的討論，也使水環(huán)境重金屬污染的研究和防治工作備受重視。

在此類問題的研究中，美國的科研水平相對較高，對汞污染的研究也相對較早。美國地質(zhì)勘測局(USGS)在1998年發(fā)布的公告中表示［1］，受到汞污染威脅的地理范圍覆蓋超過一千萬英畝的湖泊和超過40 萬英里的河流流程，并對水庫中汞遷移轉(zhuǎn)化的生物地球化學(xué)問題進(jìn)行了大量研究。2002年，勘探局公布了包括對14 個主要河流在內(nèi)的美國大陸盆地河流生態(tài)系統(tǒng)的汞污染程度和范圍的評估，對在超過120 個河流樣點(diǎn)采集到的水體、沉積物、掠食性魚類中總汞、甲基汞以及其他化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)的測評。

在上世紀(jì)九十年代初，瑞典學(xué)者提出了一個新的汞污染模式，他們在沒有人為和自然汞污染來源的斯堪的納維亞和美國北部偏遠(yuǎn)地區(qū)的大片湖泊中，發(fā)現(xiàn)了魚體中超量的甲基汞，并證實(shí)這些汞是因?yàn)橥ㄟ^人為排放后，經(jīng)大氣長距離運(yùn)輸后沉降在這些地區(qū)而形成的汞污染［2］。由此，在西方發(fā)達(dá)國家又興起了新一輪環(huán)境汞污染的研究討論。在瑞典科學(xué)家Oliver Lindqvist 教授的倡議下，第一屆汞全球污染物國際學(xué)術(shù)會議于1990年在瑞典召開。2004年，在斯洛文尼亞召開的第七屆會議上，中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所研究員馮新斌在會上的發(fā)言引起了各國科學(xué)家對中國汞污染問題研究水平的關(guān)注。經(jīng)激烈競爭，馮新斌代表中國取得了第九屆汞全球污染物國際學(xué)術(shù)會議在中國召開的主辦權(quán)。

自上世紀(jì)70年代以來，我國科研學(xué)者對有直接工業(yè)(如氯堿工廠)汞污染的水生生態(tài)系統(tǒng)，如第二松花江和薊運(yùn)河等其中汞污染問題開展了大量工作。該研究主要對于水生生態(tài)系統(tǒng)中各要素的汞的形態(tài)分布規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)探討［3］(水體，沉積物，水生動植物)。雖科研成果取得了一定的進(jìn)展，但汞污染研究工作開展比較晚，目前各項工作還處于起步階段，特別是水生動植物中汞的生物地球化學(xué)循環(huán)研究水平，更是落后于西方發(fā)達(dá)國家。

2 水生植物中的汞

汞(Hg)是一種有毒元素，是在自然環(huán)境中以非常低的濃度存在。不過，在很多淡水地區(qū)的生物群中，是人為因素導(dǎo)致了汞含量增加。天然無機(jī)汞可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)甲基汞，也就是說它擁有許多倍的毒性，而且已經(jīng)在水生植物蕹菜中發(fā)現(xiàn)了它。當(dāng)無機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞的時候，它的可用性和對生物的毒性都會增加，這是因?yàn)樗挠H脂性和蛋白結(jié)合的特性，還因?yàn)樗苋菀自谏镏懈患⒀厥澄镦湲a(chǎn)生生物放大作用［4］。

2.1 汞的來源及分布形態(tài)

水生植物中的汞一般來源于水體以及根部附著的沉積物。水體中的汞主要通過兩類途徑積累。一是大氣降水，燃料燃燒、焚燒廢物等過程都向大氣釋放汞，并通過降水分散到世界各地。第二類是通過工業(yè)污水的不合理排放而進(jìn)入到水體中。

水體中的汞一般是以無機(jī)汞的形式存在，無機(jī)汞毒性較小，且不易在植物中積累。但通過某些微生物的作用后，無機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞，并開始在水生植物體內(nèi)富集。研究發(fā)現(xiàn)，水生植物葉片中的甲基汞含量高于陸生植物葉片甲基汞含量［5］。

2.2 汞對水生植物生長發(fā)育的影響

研究表明，低濃度的汞在一定程度上對水生植物的細(xì)胞分裂和伸長有刺激作用，但高濃度的汞會抑制種子的萌發(fā)，降低根部和莖部的長度和重量，使植物生長減緩。有機(jī)汞的毒性主要通過根系影響植物的生長發(fā)育，有機(jī)汞對植物生長的抑制作用更強(qiáng)，世界健康協(xié)會的研究報告指出，在水生生態(tài)系統(tǒng)中，有機(jī)汞對植物的毒性作用比無機(jī)汞大得多。國內(nèi)研究中，學(xué)者選取了兩種具有代表性的沉水植物——沼生水馬齒、蓖生眼子菜，來研究它們對于汞的耐受力及凈化作用。實(shí)驗(yàn)表明，汞濃度在兩種植物中的增加，對其節(jié)數(shù)增幅、長度增幅、鮮重增幅都有較大影響［6］。

3 生物中的汞

3.1 生物中汞的來源及水平

綜合研究發(fā)現(xiàn)，魚中的汞含量水平取決于以下幾個因素:①汞的來源，比如說煤炭燃燒排放到大氣中;②甲基化的效率，這取決于某些生物、化學(xué)和環(huán)境的特性;③食物網(wǎng)，在生態(tài)系統(tǒng)中全食喂養(yǎng)的交互作用，以及把藻類當(dāng)做食物的掠食性魚類。

表1 汞對水生生物的毒性值(EPA 1997d and 1997e)［7］

(1)在動物急性毒性試驗(yàn)中，使受試動物半數(shù)死亡的毒物濃度，用LC50 表示。半最大效應(yīng)濃度(concentration for 50% of maximal effect，EC50)是指能引起50%最大效應(yīng)的濃度。

(2)枝角目動物的常用名是水蚤，糠蝦是小蝦，屬于甲殼類。

3.2 汞的毒性對魚類的作用

一般來說，毒性嚴(yán)重的汞導(dǎo)致的結(jié)果是在張開的鰓蓋中，增加呼吸運(yùn)動，失魚類去平衡，最終因?yàn)檫t緩衰竭而亡。慢性或亞致死導(dǎo)致魚類的繁殖、生長、行為、新陳代謝、血液化學(xué)、滲透調(diào)節(jié)和在水中的氧氣交換受到影響。汞是一種強(qiáng)有力的導(dǎo)致畸形胎的因素。產(chǎn)于淡水的將科小魚的卵(胚囊階段)含有0.003mg/L 到0.1mg/L 的無機(jī)汞，這將導(dǎo)致相當(dāng)比例的胚胎表現(xiàn)出獨(dú)眼畸形。淡水的將科小魚中，甲基汞含量在0.003mg/L到0.004mg/L 之間的也將導(dǎo)致許多胚胎的獨(dú)眼畸形和心血管方面的缺陷［7］。

4 汞的轉(zhuǎn)化以及對食物鏈的影響

4.1 無機(jī)汞的甲基化

汞的甲基化是生物地球化學(xué)作用中的重要環(huán)節(jié)，并對自然環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)無機(jī)汞通過甲基化作用，轉(zhuǎn)化為甲基汞后，毒性增大，并通過生物放大作用在生物體內(nèi)積累，經(jīng)食物鏈的富集而威脅人類健康。另外，汞的甲基化過程還會引起水質(zhì)的惡化。

4.1.1 甲基化的場所

大多數(shù)人認(rèn)為汞是以無機(jī)狀態(tài)進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)的，并認(rèn)為汞污染來源于當(dāng)?shù)兀聦?shí)并不是如此。伊朗學(xué)者認(rèn)為，甲基汞的發(fā)生場所主要是沉積物和無氧水生生態(tài)系統(tǒng)中。硫酸鹽減低細(xì)菌常常參與無機(jī)與有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)換。甲基鈷胺素輔酶似乎也扮演著重要作用［8］。在水生生態(tài)系統(tǒng)中，推進(jìn)甲基化進(jìn)程的因素有高溫、低PH 值、無氧環(huán)境、較高的有機(jī)物含量。然而，在過程中，沉積物中的硫化物表現(xiàn)出限制甲基化的作用。伊朗研究者發(fā)現(xiàn)，科威特海灣之外的沉積物中汞含量為0.005 ±0.003μ/g－1d·w。在科威特海灣的內(nèi)部沉積物中的汞含量為36.5μ/g－1d·w［8］。這表明沉積物成為甲基汞的主要來源。

4.1.2 生物甲基化作用

在上文提到的伊朗學(xué)者對甲基汞的研究中表明，一些微生物以及細(xì)菌常常參與到無機(jī)物與有機(jī)化合物的轉(zhuǎn)換，并且，在無機(jī)汞轉(zhuǎn)化為有機(jī)汞的過程中發(fā)現(xiàn)，甲基鈷胺素輔酶也起到重要作用。在對生物的甲基化作用的歷來研究中，這并不是第一次提到。Wood 在1968 便首次發(fā)現(xiàn)沉積物中的甲基鈷胺素利用產(chǎn)烷細(xì)菌可以導(dǎo)致汞的甲基化。隨后的大量研究顯示，沉積物中的許多微生物都可以使無機(jī)汞甲基化。

4.2 對食物鏈及人體健康的影響

綜合國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，人體中汞的來源可能通過以下幾種途徑:①呼吸空氣中的汞蒸氣;②食用被污染的食物(通常是魚類或貝類)—更大更老的魚往往汞含量水平最高;③飲用被汞污染的水(此原因較為罕見);④執(zhí)行宗教或民間醫(yī)學(xué)的儀式，其中包含汞。

甲基汞中毒的臨床病例歷史可以追溯到19 世紀(jì)，是源于第一個化學(xué)合成的發(fā)生。汞和預(yù)期有密切關(guān)系的甲基汞都被發(fā)現(xiàn)能夠有效的殺死真菌，這導(dǎo)致農(nóng)業(yè)上在植物的結(jié)籽期大范圍的申請預(yù)防真菌侵入的方法。在20 世紀(jì)中期，國外爆發(fā)了幾個災(zāi)難性的中毒事件，是因?yàn)楣任锏奶幚礤e誤，導(dǎo)致食用自制的面包而中毒。最大的中毒事件爆發(fā)，發(fā)生在1970年初的伊拉克農(nóng)村。在日本也發(fā)生了人類汞中毒事件，是因?yàn)楹Ｋ蟹e累了大量的甲基汞，人們食用含有高濃度甲基汞的魚類而導(dǎo)致的中毒。

上個世紀(jì)八十年代，我國學(xué)者蔡文超在《廣州醫(yī)學(xué)院學(xué)報》上發(fā)表的《重金屬水體污染與健康影響》一文指出，我國第二松花江流域，因礦山及工廠廢水等污染(排汞重25 噸/年，有機(jī)汞6.0 噸/年)，造成了河流含汞量增高，超過對照水質(zhì)500 倍，當(dāng)?shù)貪O民也有不同程度的甲基汞中毒體征［9］。

汞能夠通過食物鏈并經(jīng)過積累而進(jìn)入人體內(nèi)是主要導(dǎo)致重金屬引起關(guān)注的原因。汞最有效的積累是發(fā)在水生食物網(wǎng)中。無機(jī)汞轉(zhuǎn)化為甲基汞后，大量甲基汞在魚體積累，食用魚類就成為人類攝取甲基汞的主要路徑，這代表著魚體中的甲基汞通過生物放大作用影響食物鏈。與單質(zhì)汞相比，一定數(shù)量的無機(jī)汞在人的大腦和胎盤中積累水平較低，是因?yàn)檩^低的類脂溶解度。相反，在人的肝臟和腎臟中無機(jī)汞更容易積累［10］。汞進(jìn)入人體會導(dǎo)致許多癥狀，例如視覺、聽覺受損，頭暈、嘔吐、肌肉無力、過敏等癥狀，免疫系統(tǒng)受到破壞后可能導(dǎo)致腦損傷，并導(dǎo)致死亡［8］。在眾多研究中，Krisha McCoy 在EBSCO 上發(fā)表的一篇文章中，對汞中毒做出了非常詳細(xì)的解釋與探討。受到汞的影響后神經(jīng)系統(tǒng)是非常敏感的，接觸汞會導(dǎo)致，腦損傷、腎損害、肺損傷、消化系統(tǒng)出現(xiàn)問題。由于汞中毒屬于慢性中毒，在出現(xiàn)中毒癥狀之前就會對身體造成傷害。當(dāng)以下癥狀出現(xiàn)時應(yīng)引起注意:震顫、失眠、聽力視力的變化、頭痛、惡心、腹瀉、血壓升高、易怒、神經(jīng)緊張、呼吸困難、腹痛、發(fā)冷或發(fā)熱、過度出汗等。汞通過母體傳遞給嬰兒的損害包括:腦損傷、智力殘疾、缺乏協(xié)調(diào)能力、失明、癲癇發(fā)作、語言障礙［11］。

綜上所述，汞對人體的危害很大，盡管我們已認(rèn)識到并開展了大量的工作，但由于汞污染研究方面開展的比較晚，各項工作還處于探索階段，特別是在汞的生物地球化學(xué)循環(huán)、汞的遷移轉(zhuǎn)化方面的研究落后于發(fā)達(dá)國家。水生生態(tài)系統(tǒng)是汞發(fā)生甲基化的重要場所，在水生生態(tài)系統(tǒng)中，對汞生物地球化學(xué)循環(huán)展開研究，特別是對汞形態(tài)遷移轉(zhuǎn)化展開系統(tǒng)研究，將會促使人類對汞的生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生新的認(rèn)識。同時，也將為防治汞污染以及對保護(hù)水生生態(tài)系統(tǒng)的完整性和多樣性提供理論依據(jù)。

［1］Mark E.Brigham，David P.Krabbenhoft，and Pixie A.Hamilton Mercury in Stream Ecosystems—New Studies Initiated by the U.S.Geological Survey［J］.Fact Sheet 016－03Month 2003．

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