有機(jī)硫影響稻田土壤甲基汞的產(chǎn)生

蔡章棣

（福建省晉江市種植業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，福建 晉江 362200）

汞是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，可通過(guò)食物鏈富集到很高濃度，嚴(yán)重威脅人體健康[1]。膳食汞，尤其是甲基汞，可導(dǎo)致歐盟國(guó)家每年80 萬(wàn)～180 萬(wàn)新生兒智力受損以及我國(guó)新生兒智商平均下降0.146，并與男性罹患不育癥密切相關(guān)[2?3]。2014 年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤中汞的點(diǎn)位超標(biāo)率為1.6%。土壤中高含量的汞容易導(dǎo)致食品中汞超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的糧食汞限量值（GB 2762—2017），造成食品安全隱患。由于特殊的好厭氧交替、微生物群落結(jié)構(gòu)等條件，無(wú)機(jī)汞在稻田體系中容易發(fā)生甲基化，導(dǎo)致稻田甲基汞的大量形成[4]。和無(wú)機(jī)汞相比，甲基汞毒性更強(qiáng)，超過(guò)60%的稻米汞是以甲基汞的形式存在[5?6]。近期一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究也顯示，我國(guó)居民暴露的甲基汞有7%～96%來(lái)自于膳食稻米[7?8]。

稻米中的甲基汞主要依賴于水稻根系吸收甲基汞以及甲基汞在水稻體內(nèi)的向上轉(zhuǎn)運(yùn)，因此稻田是稻米甲基汞的主要來(lái)源。目前修復(fù)汞污染土壤的方法包括土壤淋洗、低溫?zé)峤馕?、植物修?fù)等，但是這些修復(fù)技術(shù)存在修復(fù)周期長(zhǎng)、破壞土壤理化性質(zhì)等缺點(diǎn)[9?11]。近期的研究表明，土壤中施加鈍化劑如硒、含硅材料、無(wú)機(jī)硫等可以有效降低土壤甲基汞的產(chǎn)生和水稻對(duì)甲基汞的蓄積[12?16]。然而硒的安全劑量范圍窄，能否大規(guī)模推行目前尚不清楚。而無(wú)機(jī)硫則對(duì)土壤甲基汞的產(chǎn)生起著降低和提高的雙重作用[14?15]。在水體沉積物中可溶性有機(jī)碳和甲基汞產(chǎn)生之間存在正相關(guān)關(guān)系[17]。生物炭由于其較大的比表面積和豐富的官能團(tuán)，而被廣泛用于重金屬污染土壤的修復(fù)。稻田土壤施加生物炭顯著降低了土壤甲基汞的生物有效性和稻米甲基汞含量[18?19]。WANG等[19]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭施加降低甲基汞產(chǎn)生及甲基汞有效性的原因在于生物炭中的有機(jī)硫化合物。擴(kuò)展X 射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）光譜顯示，還原性有機(jī)硫和氧/氮基團(tuán)參與了Hg?（Ⅱ）與土壤中腐殖質(zhì)的絡(luò)合作用[20]。有研究顯示在硫化物存在的條件下，可溶性有機(jī)質(zhì)增加了微生物汞的甲基化[19]。因此，有機(jī)硫在土壤甲基汞產(chǎn)生過(guò)程中扮演什么角色，起作用的關(guān)鍵因子是汞與有機(jī)硫的絡(luò)合，還是可溶性有機(jī)碳的溶出，亦或是有機(jī)硫引起的其他離子的溶出，目前這些問(wèn)題尚不明確。本研究采用簡(jiǎn)單的有機(jī)硫（谷胱甘肽），研究了有機(jī)硫施加對(duì)稻田土壤甲基汞產(chǎn)生及有效性的影響，并對(duì)有機(jī)硫影響甲基汞產(chǎn)生和有效性的關(guān)鍵因子進(jìn)行了探討。

1 材料與方法

1.1 土壤采集

因早期民間無(wú)序混汞冶煉活動(dòng)，福建省泉州市某企業(yè)周邊的稻田土壤汞含量達(dá)到（15.658±12.726）mg·kg?1，嚴(yán)重超過(guò)《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618—2018）中汞的風(fēng)險(xiǎn)管制值[21]。試驗(yàn)土壤采自泉州市某企業(yè)周邊稻田表層土壤。土樣經(jīng)充分混合、風(fēng)干過(guò)篩后，測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)以及土壤中總汞、甲基汞含量。試驗(yàn)土壤pH 6.37，總汞和甲基汞含量分別為（18.34±2.63）mg·kg?1和（3.21±0.48）μg·kg?1，總硫和有機(jī)質(zhì)含量分別為0.24 g·kg?1和6.54 g·kg?1。

1.2 試驗(yàn)處理

早期的研究結(jié)果表明，施加0.5%（m/m）的生物炭顯著降低了稻田土壤中甲基汞的產(chǎn)生、甲基汞的生物有效性和甲基汞在稻米中的蓄積量（82%～87%）[18?19]。萬(wàn)山汞礦區(qū)周邊污染土壤中硫含量為8～767 mg·kg?1[22]，其他汞礦區(qū)周邊土壤中硫含量介于1 100～37 400 mg·kg?1[23?24]?；诖耍狙芯恐羞€原型谷胱甘肽施用量設(shè)置為0、500 mg·kg?1和1 000 mg·kg?1，分別用CK、Low?G 和High?G 表示。每個(gè)處理組設(shè)置兩個(gè)平行。試驗(yàn)具體操作為：稱取5 g 過(guò)2 mm 篩的土壤于50 mL離心管中，淹水高度2 cm。為了增加土壤中微生物活動(dòng)，每個(gè)處理組中加入乳酸鈉（終濃度為5 mmol·L?1）作為電子供體[25]。所有處理組放置在28 ℃黑暗的培養(yǎng)箱中，試驗(yàn)周期為60 d?？紤]到試驗(yàn)第0 d 土壤理化性質(zhì)及甲基汞含量變化不顯著，因此分別在第10、30 d 和60 d 收集土壤樣品。土壤樣品離心（4 000 r·min?1）10 min，分離上清液和土壤固相，上清液用0.2 μm 微孔過(guò)濾膜過(guò)濾即為土壤溶液，土壤固相冷凍干燥后研磨過(guò)100目篩。所有樣品保存在?20 ℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3 分析方法

試驗(yàn)分析指標(biāo)包括土壤pH、總汞、甲基汞、土壤溶液甲基汞、鐵、錳、可溶性有機(jī)碳（DOC）等。土壤總汞采用電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定（ICP?MS，Nex?ION300X，Perkin Elmer，USA）。土壤pH 采用pH 計(jì)在室溫下測(cè)定（土∶水=1∶2.5）（HACH，USA）。土壤溶液中鐵和錳含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定（ICP?MS，NexION300X，Perkin Elmer，USA）。土壤溶液中可溶性有機(jī)碳采用總有機(jī)碳分析儀測(cè)定（Vario Max Cube，Elementar）。土壤中總硫含量采用元素分析儀測(cè)定（EA3100，Euro Vector，Italy）。土壤中甲基汞含量用氫氧化鉀?甲醇提取后采用氣相色譜分離冷原子熒光測(cè)定（GC?CVAFS，Brooks Rand MERX，USA）。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在測(cè)定總汞和甲基汞的過(guò)程中加入標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[GBW07405（GSS?5）和ERM?CC80，歐洲IRMM]，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中汞的回收率為90%～108%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)和作圖采用的軟件為SPSS 19.0、Origin 8.5 和Sigma plot 12.5。差異顯著性分析采用LSD法，差異顯著水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷胱甘肽對(duì)土壤溶液鐵和錳含量的影響

不同時(shí)間段采集的土壤溶液中鐵和錳的含量見表1。從整個(gè)模擬試驗(yàn)周期看，土壤溶液中鐵含量表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，在模擬試驗(yàn)第30 d 增加，到第60 d下降。培養(yǎng)試驗(yàn)第60 d土壤溶液中鐵含量與第10 d沒有顯著差異。和CK組相比，模擬試驗(yàn)第10、30 d和60 d，谷胱甘肽施加均提高了土壤溶液中鐵的含量。在試驗(yàn)第10 d，Low?G和High?G處理土壤溶液中鐵的增加率分別為83.71%和59.60%；第30 d 和60 d，兩個(gè)處理中鐵的增加率分別為228.31%、192.58%和41.64%、58.36%。因此，谷胱甘肽施加促進(jìn)了土壤中鐵的溶出，其施用量對(duì)鐵溶出的影響不顯著。

表1 土壤溶液中鐵和錳的含量（mg·L?1）Table 1 Fe and Mn contents in soil solution（mg·L?1）

在第10 d和第30 d，谷胱甘肽添加促進(jìn)了土壤溶液中錳的溶出，但只是在第10 d土壤溶液中錳含量呈現(xiàn)顯著差異。和CK 組相比，第60 d 谷胱甘肽施加反而降低了土壤溶液中錳的含量，但差異不顯著。因此，谷胱甘肽施加在土壤培養(yǎng)前期顯著促進(jìn)了土壤中錳的溶出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，谷胱甘肽施加降低了土壤溶液中錳含量，但是影響不顯著。

2.2 谷胱甘肽對(duì)土壤可溶性有機(jī)碳含量的影響

不同時(shí)間段采集的土壤溶液中可溶性有機(jī)碳的含量見表2。從表2 可以看出，CK 組和Low?G 組中，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤中可溶性有機(jī)碳含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。和CK 組相比，第10 d 兩個(gè)谷胱甘肽施加處理都顯著增加了可溶性有機(jī)碳的含量。但是在第30 d和第60 d，谷胱甘肽的施加對(duì)可溶性有機(jī)碳的含量影響不顯著。綜上，谷胱甘肽在試驗(yàn)前期顯著提高了可溶性有機(jī)碳的含量，且隨著谷胱甘肽施用量的增加，可溶性有機(jī)碳的含量增高；但在試驗(yàn)后期，谷胱甘肽施加對(duì)土壤溶液中有機(jī)碳含量影響不顯著。

表2 土壤可溶性有機(jī)碳（mg·L?1）Table 2 DOC contents in soil solution（mg·L?1）

2.3 谷胱甘肽施加對(duì)土壤固相中甲基汞含量的影響

圖1 表示在土壤模擬試驗(yàn)不同時(shí)間段，谷胱甘肽施加對(duì)土壤固相甲基汞含量的影響。從圖1 可以看出，在土壤培養(yǎng)的第10 d，兩個(gè)濃度的谷胱甘肽提高了土壤固相中甲基汞的含量，但是差異不顯著。第30 d 和60 d，兩個(gè)濃度的谷胱甘肽都顯著提高了土壤中甲基汞的含量。在土壤培養(yǎng)的后期，谷胱甘肽添加對(duì)土壤甲基汞的增加率為87.36%～212.48%。盡管谷胱甘肽施加增加了土壤固相甲基汞含量，但施加量對(duì)土壤固相甲基汞含量的影響不顯著。

2.4 谷胱甘肽施加對(duì)土壤溶液中甲基汞含量的影響

圖2表示谷胱甘肽施加對(duì)土壤中甲基汞有效性的影響。從圖2可以看出，在土壤培養(yǎng)的第30 d和60 d，兩個(gè)濃度的谷胱甘肽顯著提高了土壤溶液中甲基汞的含量，這和土壤固相甲基汞含量變化規(guī)律一致。土壤溶液中甲基汞的含量與谷胱甘肽的施用量關(guān)系不顯著。在土壤培養(yǎng)的第30 d和第60 d，兩個(gè)濃度的谷胱甘肽對(duì)土壤溶液中甲基汞含量的增加率分別為4 380%、5 346.83%和5 388%、5 890.30%。因此，谷胱甘肽施加顯著促進(jìn)了土壤中甲基汞的溶出，但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤溶液中甲基汞含量沒有顯著提高。

2.5 土壤理化性質(zhì)與甲基汞含量之間的相關(guān)性

表3 為谷胱甘肽添加后，土壤溶液中鐵、錳、有機(jī)碳、甲基汞含量及土壤固相中甲基汞之間的相關(guān)性分析結(jié)果。從表3 可以看出，土壤溶液中可溶性有機(jī)碳與土壤溶液中鐵、錳、甲基汞及土壤固相中甲基汞之間均不存在顯著相關(guān)性。但是土壤溶液中鐵與土壤固相、土壤溶液中甲基汞之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。此外，土壤固相中的甲基汞與土壤溶液中甲基汞之間也存在正相關(guān)關(guān)系。

表3 有機(jī)硫施加后土壤溶液中鐵、錳、DOC、土壤甲基汞以及土壤溶液甲基汞之間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis between Fe，Mn，DOC，MeHg in soil solution and MeHg in soil after organic sulfur application

3 討論

3.1 有機(jī)硫?qū)ν寥兰谆a(chǎn)生及甲基汞有效性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)和CK 組相比，第30 d 和第60 d 兩個(gè)劑量的谷胱甘肽施加顯著提高了土壤固相和土壤溶液甲基汞含量，土壤固相中甲基汞的提高率為87.36%～212.48%，土壤溶液中甲基汞的提高率為4 380%～5 890.30%。因此簡(jiǎn)單的有機(jī)硫化合物添加促進(jìn)了土壤汞的甲基化和甲基汞的有效性。根據(jù)路易斯酸堿理論，汞屬于路易斯軟酸，易于與路易斯軟堿如巰基結(jié)合，因此汞與有機(jī)硫化合物的絡(luò)合作用可以影響土壤中無(wú)機(jī)汞的形態(tài)。稻田土壤中甲基汞的產(chǎn)生取決于無(wú)機(jī)汞的形態(tài)。不同形態(tài)的無(wú)機(jī)汞甲基化能力不同，具體為β?HgS<α?HgS

3.2 土壤中鐵、錳溶出對(duì)土壤甲基汞產(chǎn)生及甲基汞有效性的影響

本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)硫施加促進(jìn)了土壤中鐵、錳尤其是鐵的溶出。淹水條件利于土壤中硫轉(zhuǎn)化為S2?，而S2?被報(bào)道能夠?qū)e3+還原為Fe2+，將MnO2還原為Mn2+[29]，因此有機(jī)硫的施加提高了土壤溶液中鐵、錳含量。早期的研究顯示鐵鹽添加降低了底泥中甲基汞的產(chǎn)生，這是因?yàn)槎嗔蜩F化合物的存在影響了體系中中性可溶性汞硫絡(luò)合物如HgS0和Hg（HS）02[30?31]的形成。也有研究發(fā)現(xiàn)汞甲基化與介質(zhì)中鐵的濃度密切相關(guān)，低濃度的鐵能夠促進(jìn)汞甲基化，而隨著鐵濃度的增加，汞甲基化率反而降低[32]。這說(shuō)明土壤中鐵濃度是影響無(wú)機(jī)汞甲基化的一個(gè)重要因子。硫化汞是土壤中重要的汞存在形態(tài)，硫化汞的溶出也與鐵的濃度密切相關(guān)。Fe3+作為氧化劑，可以催化硫化汞轉(zhuǎn)化為可溶性的Hg2+[33]。相關(guān)性分析結(jié)果表明，土壤固相和溶液中甲基汞均與土壤溶液中鐵之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。逐步回歸得到如下回歸模型：土壤固相甲基汞=19.550+11.598[Fe]，R2=0.414，F(xiàn)=0.004；土壤溶液甲基汞=?3.712+0.947[Fe]，R2=0.388，F(xiàn)=0.03。上述結(jié)果說(shuō)明土壤中鐵的溶出是影響土壤甲基汞含量及有效性的一個(gè)關(guān)鍵因子。

4 結(jié)論

（1）稻田土壤施加有機(jī)硫顯著提高了土壤中鐵、錳的溶出，以及土壤中可溶性有機(jī)碳的含量。

（2）培養(yǎng)初期（10 d）有機(jī)硫施加對(duì)土壤中甲基汞的影響不顯著。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)硫施加顯著提高了土壤中甲基汞的產(chǎn)生以及甲基汞的溶出。

（3）有機(jī)硫施加不僅可以通過(guò)絡(luò)合作用影響無(wú)機(jī)汞的形態(tài)，還可以通過(guò)影響土壤中鐵、錳等離子的溶出影響甲基汞的產(chǎn)生及有效性，且土壤中鐵的溶出是影響汞甲基化的關(guān)鍵因子。