隱藏在海水中的汞元素

撰文/童國(guó)慶

隱藏在海水中的汞元素

撰文/童國(guó)慶

伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的科學(xué)家正在檢查一種海洋中的神秘元素——汞。

冶金廢水的排放會(huì)很輕易地將汞元素傳播到海洋

大多數(shù)人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)，我們現(xiàn)在應(yīng)該限制某些魚(yú)類的食用，因?yàn)樗鼈凅w內(nèi)積累的汞（水銀）含量已經(jīng)超過(guò)了安全標(biāo)準(zhǔn)。

從陸地或者空氣進(jìn)入海洋的水銀，大多數(shù)是以汞元素的形式存在，對(duì)于海洋生命的威脅很小，因?yàn)楹Ｑ笊軌蜉p而易舉地?cái)[脫汞元素。然而，能夠存在于魚(yú)的體內(nèi)的汞元素是指甲基汞，因?yàn)樗幸粋€(gè)甲基CH3，連接著一個(gè)汞原子。

左圖：水俁病事件之后受害群眾的抗議游行

問(wèn)題是，我們不知道甲基汞來(lái)自哪里。因?yàn)檫M(jìn)入海洋的汞并不多，所以進(jìn)入魚(yú)體內(nèi)的汞也不多，然而，在海洋的某處某時(shí)，仍然進(jìn)行著由元素汞到甲基汞的轉(zhuǎn)化。

由于工業(yè)發(fā)展或其他經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，汞可能在三四十年前就已經(jīng)被不知不覺(jué)地傾倒在人們生活的地方附近。汞元素本身對(duì)生物界的威脅并不大，但是因?yàn)樯钤谒锘蛘吣嗬锏娜湎x(chóng)、貝類和其它微小生物，總是在不斷地?cái)噭?dòng)著那些汞元素，促成汞元素的甲基化，即產(chǎn)生了毒性。

水俁病:

汞是如何進(jìn)入海洋的？

水俁病是指人或其他動(dòng)物食用了含有機(jī)汞污染的魚(yú)貝類，使有機(jī)汞侵入腦神經(jīng)細(xì)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(zhèn)發(fā)生，當(dāng)時(shí)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(lái)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(lái)源有兩個(gè)。一些來(lái)自地球的自然活動(dòng)，例如火山噴發(fā)等；大約三分之二的汞元素來(lái)源于人類活動(dòng)，其中最大的來(lái)源就是化石燃料的燃燒，特別是煤的燃燒，僅美國(guó)一個(gè)國(guó)家一年因?yàn)槊喝紵欧胚M(jìn)入空氣中的汞元素就達(dá)160噸。汞被排放到空氣中以后，降雨又會(huì)使它們進(jìn)入海洋。人類還向河流或海洋排放含有汞的工業(yè)廢水。汞的排放是人類社會(huì)一直存在的問(wèn)題。自從羅馬時(shí)代以來(lái)，汞礦開(kāi)采就一直向的里雅斯特海灣傾倒廢水。

甲基汞是從哪兒來(lái)的？

即使大量的汞元素被排放進(jìn)海洋，如果汞沒(méi)有轉(zhuǎn)化為甲基汞，也不會(huì)對(duì)人類健康造成多大的威脅。被排放到海洋中的汞，擴(kuò)散到浮游植物生長(zhǎng)的環(huán)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(yú)類體內(nèi)聚積，例如金槍魚(yú)等，魚(yú)體內(nèi)的甲基汞含量是周圍水體的10萬(wàn)倍以上。

“就像一個(gè)種濾食性海洋生物，非常接近食物鏈的最底層，其體內(nèi)的甲基汞含量可能沒(méi)有金槍魚(yú)、鯖魚(yú)、旗魚(yú)或鱸魚(yú)那么高，但是，所有的這些魚(yú)類，都是我們真的很喜歡吃的魚(yú)類?！蔽槠澔魻柡Ｑ髮W(xué)研究所的生化專家卡爾蘭博格（Carl Lamborg）說(shuō)。

那么，汞是怎樣被轉(zhuǎn)化為甲基汞的呢？卡爾說(shuō)，這個(gè)過(guò)程可能是一種生化過(guò)程，也就是汞與生物相互作用的結(jié)果。除此之外，人類關(guān)于這方面的認(rèn)知仍然是零。我們知道，魚(yú)不會(huì)使汞甲基化，浮游植物和浮游動(dòng)物可能也不會(huì)使汞甲基化。

然而，某些細(xì)菌卻能夠產(chǎn)生甲基汞，主要是作為其呼吸功能的副產(chǎn)物的形式出現(xiàn)。這已經(jīng)可以從生活在海洋底泥或者大陸架中的細(xì)菌中觀察到。汞的甲基化也可能發(fā)生在深海的沉積物中，但這一點(diǎn)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(wú)氧呼吸。一個(gè)常見(jiàn)的方式是一種被稱為“硫酸鹽還原”的化學(xué)反應(yīng)，在呼吸過(guò)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(fù)2價(jià)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(chuàng)造了條件。汞一旦進(jìn)入細(xì)胞的內(nèi)部，就變成了甲基汞?？茖W(xué)家們目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過(guò)程所涉及的化學(xué)反應(yīng)，但汞的硫化物進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后不久，細(xì)胞就會(huì)釋放出甲基汞。一些擴(kuò)散的甲基汞進(jìn)入了開(kāi)放水域的泥沙中，在那里，甲基汞被浮游植物所捕獲，開(kāi)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(huán)

下圖：汞（水銀）是水俁病事件的禍?zhǔn)?/p>

但是，泥沙中的細(xì)菌所制造的甲基汞有多少進(jìn)入了上述發(fā)現(xiàn)的水域呢？甲基汞是使魚(yú)有毒的唯一原因嗎？

卡爾對(duì)這一想法一直持懷疑態(tài)度。他認(rèn)為，海洋中的甲基汞還有其他來(lái)源?！拔乙恢痹谒伎嫉膯?wèn)題是，大量的甲基汞實(shí)際上是從海洋水體自身產(chǎn)生的?！彼f(shuō)。

神秘的海洋汞富集層

卡爾發(fā)現(xiàn)，在海洋中存在著一個(gè)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(gè)水層出現(xiàn)在中層水域水深100～1000米的海域，實(shí)際深度取決于海洋中的具體位置。他在相對(duì)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(zhǎng)的浮游生物造成的，”他說(shuō)，“當(dāng)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(xì)胞向下沉積，并且腐爛，腐爛過(guò)程消耗水中的氧氣?！?/p>

這是可能的，像沉積物中的細(xì)菌一樣，任何生活在海洋低氧區(qū)的細(xì)菌也依靠硫酸鹽進(jìn)行呼吸，可以在中層低氧區(qū)產(chǎn)生甲基汞。

卡爾試圖證實(shí)自己的假設(shè)，但他首先要排除另一種可能性：低氧區(qū)的甲基汞是否會(huì)來(lái)自較高的水層?？茖W(xué)家研究浮游植物時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們體內(nèi)20%至40%的汞都已經(jīng)被甲基化了?？査伎迹焊∮沃参锖透∮蝿?dòng)物被吃掉、死亡、沉降，然后被降解，這些過(guò)程釋放出的甲基汞是否會(huì)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(lái)源，那么甲基汞是從哪里來(lái)的呢？卡爾說(shuō)，它可能是大陸架上的細(xì)菌沉積物中的細(xì)菌產(chǎn)生的，然后被釋放到水中。水流會(huì)沖刷和攜帶這些甲基汞進(jìn)入海洋，并將它們帶到開(kāi)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(fā)現(xiàn)的甲基汞來(lái)源于細(xì)菌的呼吸作用，最近，他又與微生物學(xué)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(xì)菌的基因，希望揭開(kāi)汞甲基化過(guò)程的神密面紗。

“汞正在悄悄進(jìn)入海洋的低氧區(qū)，”卡爾說(shuō)，“這些粒子正在發(fā)揮著過(guò)去甲基汞在那里發(fā)揮的作用。”