同步輻射X射線熒光和吸收譜技術(shù)在環(huán)境汞污染研究中的應(yīng)用進(jìn)展

李院霞，史雪倩，李紅，白旭，張晨曦,3,#，李玉鋒，趙甲亭,*，高愈希

1. 天津科技大學(xué)，天津 300457 2. 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 中國(guó)科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100049 3. 南開(kāi)大學(xué)，天津 300071

汞是一種環(huán)境中廣泛存在且毒性很強(qiáng)的重金屬污染物，其污染來(lái)源主要是某些行業(yè)例如汞礦開(kāi)采、金屬冶煉、燃煤、氯堿工廠、PVC工業(yè)等。汞通過(guò)廢水、廢氣、廢渣進(jìn)入環(huán)境，造成土壤、大氣、水體、農(nóng)作物中汞含量超標(biāo)，這不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了損害，而且嚴(yán)重危害人體健康。東亞和東南亞是全球大氣汞排放量最高的地區(qū)，共約占總排放量的39.7%，亞洲是世界汞排放量最高的地區(qū)占總排放量的31.8%[1]。我國(guó)的汞礦資源總保有量約8.14萬(wàn)噸，是世界上第三大產(chǎn)汞國(guó)，同時(shí)也是世界上煤生產(chǎn)、消費(fèi)大國(guó)[2]。燃煤可使其中相當(dāng)部分的汞進(jìn)入大氣，所以，我國(guó)部分地區(qū)的土壤、水以及空氣存在較為嚴(yán)重的汞污染問(wèn)題。我國(guó)汞污染區(qū)如貴州萬(wàn)山地區(qū)，部分水體、土壤、農(nóng)作物汞污染嚴(yán)重。其中涉汞行業(yè)作業(yè)區(qū)周邊土壤總汞含量高達(dá)0.33～790 mg·kg-1，甲基汞含量范圍為0.19～20 μg·kg-1[3]。大米總汞含為2.4～401.0 mg·kg-1，平均含量為42.4 mg·kg-1，有51%的樣品總汞含量超過(guò)我國(guó)食品汞限量標(biāo)準(zhǔn)(20 mg·kg-1)[4]。小秦嶺地區(qū)的農(nóng)作物例如蔬菜和小麥總汞含量可達(dá)到0.0417～0.636 mg·kg-1超過(guò)了規(guī)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(蔬菜0.01 mg·kg-1)[5]。另外，近年來(lái)越來(lái)越多的研究證明，稻米甲基汞蓄積是我國(guó)居民甲基汞暴露的一條重要途徑，對(duì)于農(nóng)田環(huán)境、農(nóng)作物尤其是水稻中總汞和甲基汞的研究越來(lái)越受到該領(lǐng)域研究人員的重視，由此對(duì)于環(huán)境介質(zhì)以及農(nóng)作物中總汞含量及其化學(xué)形態(tài)的分析要求也越來(lái)越高。

汞，不僅具有易遷移蓄積、不易降解等特點(diǎn)，而且在對(duì)其樣品進(jìn)行前處理及分析時(shí)易吸附不易沖洗，具有很強(qiáng)的記憶效應(yīng)，這對(duì)于汞的精確分析，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其生態(tài)、生理毒性帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)。目前對(duì)汞的研究手段主要包括，電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)、Lomax測(cè)汞儀、冷原子熒光光譜法(CAFS)、原子熒光光譜法(AFS)、原子吸收光譜法(AAS)測(cè)定總汞；高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(HPLC-ICP-MS)、氣相色譜-冷原子熒光(GC-CVAFS)等聯(lián)用技術(shù)測(cè)定汞的形態(tài)。ICP-MS檢測(cè)總汞含量具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)線性范圍廣、且可同時(shí)檢測(cè)多種元素等優(yōu)點(diǎn)[6]。該方法由于其樣品前處理的方法和原子熒光、原子吸收類似主要是以消解為主，樣品揮發(fā)以及不完全消解會(huì)導(dǎo)致降低檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Lomax測(cè)汞儀技術(shù)無(wú)需消解過(guò)程且具備準(zhǔn)確度高、測(cè)定速度快，是目前優(yōu)選的一種測(cè)定固體樣品中總汞簡(jiǎn)便快捷的好方法，但局限于只能檢測(cè)固體樣品的總汞含量。HPLC-ICP-MS聯(lián)用技術(shù)可以檢測(cè)樣品汞形態(tài)，從而對(duì)樣品進(jìn)行定性、定量分析且檢出限較低，該方法的不足之處是工作量較大、操作步驟較多、成本較高，樣品分析時(shí)間較長(zhǎng)等。GC-CVAFS是目前較先進(jìn)的汞形態(tài)分析技術(shù)，不僅取樣量少、消解過(guò)程簡(jiǎn)便省時(shí)，而且精密度、靈敏度較高，基質(zhì)干擾低[7]，是一種較理想的甲基汞測(cè)定方法，但是它和Lomax測(cè)汞儀具有同樣的局限性，且對(duì)樣品前處理要求較高?？傊?，目前常用的汞分析檢測(cè)技術(shù)雖然已具備了相當(dāng)?shù)木_度、低檢出限等優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)汞分析手段同樣具有對(duì)樣品前處理要求較高、程序比較繁瑣，具有檢測(cè)局限性等不足。因此，發(fā)展對(duì)樣品前處理要求相對(duì)簡(jiǎn)單，分析精確度相對(duì)較高的汞分析檢測(cè)技術(shù)，補(bǔ)足傳統(tǒng)汞分析手段的不足，對(duì)于提高環(huán)境及食品汞污染分析水平，增強(qiáng)生態(tài)、健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的科學(xué)性是很有必要的。

同步輻射光源是一種具有從遠(yuǎn)紅外到X光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜，高強(qiáng)度、高準(zhǔn)直性、高度極化和可精確控制等優(yōu)異性能的脈沖光源，可以用以開(kāi)展其他光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的許多前沿科學(xué)研究。目前，同步輻射分析技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域。它可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行直接檢測(cè)且取樣量少，還原樣品的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的原位無(wú)損分析，從而達(dá)到對(duì)樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析的目的。其中在環(huán)境汞污染研究中主要用到同步輻射2種分析技術(shù)：同步輻射X射線熒光分析(Synchrotron X-ray Fluorescence Spectroscopy, SRXRF)和同步輻射X射線吸收譜分析技術(shù)(X-ray Absorption Spectroscopy, XAS)。兩者光譜分析原理都是根據(jù)不同的原子具有不同的電子結(jié)構(gòu)特征，當(dāng)光束獲得特定的能量打到樣品上從而獲得特征熒光或吸收譜[8]。同步輻射熒光分析技術(shù)(SRXRF)不僅可以得到熒光光譜圖從而進(jìn)行定性或定量分析，而且可以同時(shí)分析樣品中多種元素的空間分布。相較于傳統(tǒng)的XRF，SRXRF具有三大優(yōu)勢(shì)：第一，亮度比傳統(tǒng)的XRF高出10個(gè)數(shù)量級(jí)[9-10]；第二，由于能量可調(diào)，可以檢測(cè)到傳統(tǒng)XRF無(wú)法檢測(cè)的痕量金屬和類金屬元素[11]；第三，對(duì)于元素空間分布分析的分辨率較高，可以達(dá)到50 nm～20 μm[12]。同步輻射吸收譜分析技術(shù)(SRXAS)對(duì)于元素的化學(xué)形態(tài)十分靈敏，可以通過(guò)元素價(jià)態(tài)和指紋效應(yīng)鑒別多種化合物，提供物質(zhì)中元素的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息[13]。XAS的分析方法一般分為2種：X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)譜(X-ray absorption near-edge structure, XANES)和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜(Extended X-ray absorption fine structure, EXAFS)。汞污染研究常用到的XANES可以通過(guò)檢測(cè)原子的氧化還原狀態(tài)、局部微環(huán)境和配體的電負(fù)性等信息得到汞元素的代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)信息[14-15]，因此非常適合環(huán)境樣品中汞的化學(xué)形態(tài)分析。結(jié)合同步輻射X射線技術(shù)分析優(yōu)勢(shì)，多種分析手段綜合運(yùn)用，可以有效分析環(huán)境介質(zhì)以及動(dòng)植物組織中痕量的汞，這對(duì)于提高對(duì)典型汞污染地區(qū)汞的生態(tài)毒理評(píng)價(jià)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 同步輻射技術(shù)在環(huán)境汞污染方面的研究(Research on SR technology in environmental mercury pollution)

環(huán)境汞污染評(píng)價(jià)首先要了解當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境中汞污染情況，大氣汞污染監(jiān)測(cè)是研究當(dāng)?shù)毓廴境潭鹊睦硐牍ぞ撸渲蓄w粒汞是大氣中汞的重要存在形式[16]。汞可以通過(guò)微生物等還原作用變成單質(zhì)汞(Hg0)，它是大氣中存在的主要汞形態(tài)，也是土壤向大氣釋放的主要汞形態(tài)[17]。Yue等[18]采用微區(qū)X射線熒光技術(shù)(μ-SXRF)與其他技術(shù)聯(lián)合分析，通過(guò)對(duì)上?？諝鈽悠返臋z測(cè)識(shí)別出了空氣污染物的來(lái)源如：冶金工業(yè)塵(18%)、汽車尾氣(14%)、土壤塵(11%)、燃煤煙塵(9%)、柴油機(jī)排氣(7%)、石油燃燒氣(2%)和摩托車排氣(1%)，通過(guò)對(duì)樣品的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)大氣污染物的主要來(lái)源是冶金行業(yè)、汽車尾氣的排放以及燃煤煙。這對(duì)地區(qū)大氣汞污染溯源具有重要意義。張?jiān)獎(jiǎng)椎萚19]利用SRXRF技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)苔蘚植物來(lái)評(píng)估大氣的污染程度，他們將苔蘚植物暴露在污染區(qū)一段時(shí)間，用XRF對(duì)莖和葉片切片進(jìn)行元素分布掃描，結(jié)果顯示樣品富集了K、Ni、Fe、Pb等元素，并且大氣中污染元素的富集抑制了K、Ca等微量營(yíng)養(yǎng)元素的吸收。Walker等[20]利用μ-SXRF技術(shù)對(duì)家庭不同活動(dòng)區(qū)的灰塵進(jìn)行元素分布掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品含有S、Cl、K、Ca、Ti、Hg、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Pb、Br、Rb和Sr，其中Pb、Zn、As的含量較高，分析得出這可能與裝修有關(guān)，因?yàn)殂U白和立德粉中含有較高含量這3種元素。

土壤汞污染的研究在汞的生物地球化學(xué)循環(huán)中起到至關(guān)重要的作用。Terzano等[21]采用同步輻射微區(qū)X射線吸收譜技術(shù)(SR μ-XAS)分析了土壤中汞的形態(tài)，通過(guò)對(duì)分析結(jié)果的近邊吸收譜擬合表明該土壤中汞的形態(tài)主要為黑辰砂、辰砂、高溶解度的氯硫汞礦(Hg3S2Cl2)以及無(wú)定形態(tài)汞(Hg-S/Cl)，增加了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)利用同步輻射微區(qū)X射線熒光分析技術(shù)(SR μ-XRF)對(duì)污染區(qū)的土壤進(jìn)行了元素分布分析，根據(jù)汞分布蓄積圖可以發(fā)現(xiàn)Hg的分布及含量變化趨勢(shì)與元素Cl、S高度一致，但與Fe元素的分布特征沒(méi)有明顯的相關(guān)性，說(shuō)明Hg有可能存在于一種含S和Cl的礦物中而不是與含鐵礦物相結(jié)合。Xia等[22]通過(guò)SRXAS揭示了無(wú)機(jī)汞與腐殖酸復(fù)合物的結(jié)構(gòu)信息，吸收譜圖的擬合結(jié)果表明，在該復(fù)合物中，Hg2+主要與S和O結(jié)合，Hg-O鍵長(zhǎng)為2.02 ?，Hg-S鍵長(zhǎng)為2.38 ?。另外，Yoon等[23]利用吸收譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)土壤中硫存在時(shí)會(huì)與CH3Hg+發(fā)生特異性結(jié)合，形成較為穩(wěn)定的汞化合物。Qian等[24]和Skyllberg等[25]進(jìn)一步證實(shí)CH3Hg+和Hg2+主要與土壤有機(jī)質(zhì)(DOM)中的硫結(jié)合，而不會(huì)與O或N等其他原子結(jié)合，并且DOM可以將Hg2+還原為可溶性Hg0[26]。Gu等[27]發(fā)現(xiàn)在厭氧且無(wú)光照條件下，低濃度的DOM可以將Hg2+還原為Hg0，但隨著DOM濃度的升高，Hg0的產(chǎn)率逐漸降低，也就是說(shuō)土壤DOM與Hg的相互作用取決于兩者的含量百分比及土壤微環(huán)境中的氧化還原條件。此外，Yin等[28]利用SRXAS分析了萬(wàn)山汞礦地區(qū)的礦渣發(fā)現(xiàn)，汞礦渣中黑辰砂占總汞52%，辰砂占42%，氯化汞占6%，再對(duì)比汞礦石中汞的形態(tài)發(fā)現(xiàn)汞礦冶煉過(guò)程中辰砂會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹诔缴?。在最近的一?xiàng)研究中，Li等[29]針對(duì)新汞污染的土壤及添加硫后的汞污染土壤，對(duì)其進(jìn)行SRXAS分析，研究結(jié)果表明，對(duì)照組土壤(非硫添加組)中汞主要以谷胱甘肽汞(Hg(GS)2)的形式存在(77%)，其次是HgS (～12%)和Hg2+(～10%)；分別添加硫酸鹽和單質(zhì)硫后，土壤中Hg(GS)2分別降低了約10%和23%，HgS百分比分別增加了約11%和23%。結(jié)果表明，硫添加可以顯著降低新汞污染土壤中活性汞含量。同時(shí)，該研究還對(duì)土壤中硫化物進(jìn)行了SRXAS分析，其研究結(jié)果進(jìn)一步證明添加硫酸鹽或單質(zhì)硫顯著促進(jìn)了該汞污染土壤中硫化物(HgS)的生成(圖1)。在Wang等[30]的研究中，研究人員利用SR-XANES結(jié)合透射

圖1 汞污染土壤中汞的同步輻射X射線吸收光譜(SRXAS)分析(左)；汞污染土壤中硫化物的SRXAS分析(右)[29]注：Hg(GS)2表示谷胱甘肽汞；MeHgCl表示甲基汞。Fig. 1 Synchrotron radiation X-ray absorption spectroscopy (SRXAS) analysis of Hg in Hg contaminated soil (left); SRXAS analysis of sulfide in Hg contaminated soil (right)[29]Note: Hg(GS)2 stands for glutathione mercury; MeHgCl stands for methylmercury.

圖2 汞和硒聯(lián)合作用的大蒜根莖葉中汞和硒的同步輻射X射線熒光分析(SRXRF)成像分析[32]注：a～a1，單硒暴露大蒜根橫截面硒的分布；b～b2，汞硒聯(lián)合暴露大蒜根橫截面汞和硒的分布；c～c1，單硒暴露大蒜鱗莖橫截面硒的分布；d～d2， 汞硒聯(lián)合暴露大蒜鱗莖橫截面汞和硒的分布；e-f1，單硒暴露大蒜葉片中硒的分布；g～h2，汞硒聯(lián)合暴露大蒜葉片汞和硒的分布。Fig. 2 Synchrotron X-ray fluorescence spectroscopy (SRXRF) imaging of Hg and Se in Hg and/or Se exposed garlic tissues [32]Note: a-a1, distribution of Se in Se exposed garlic root; b-b2, distribution of Hg and Se in Hg and Se co-exposed garlic root; c-c1, distribution of Se in Se exposed garlic bulb; d-d1, distribution of Hg and Se in Hg and Se co-exposed garlic bulb; e-f1, distribution of Se in Se exposed garlic leaf; g-h2, distribution of Hg and Se in Hg and Se co-exposed garlic leaf.

電鏡-能量色散X射線光譜元素分析(TEM-EDX)技術(shù)探索了土壤中硒-硫-汞的作用，研究發(fā)現(xiàn)土壤中的汞更容易與硒而不是與硫結(jié)合生成較為穩(wěn)定的納米HgSe復(fù)合物。隨著同步輻射技術(shù)的發(fā)展，由于其具有無(wú)可比擬的分析優(yōu)越性，在環(huán)境污染領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究開(kāi)始應(yīng)用該技術(shù)分析土壤、水體及大氣汞的污染特征，使得相關(guān)研究取得了很大的進(jìn)展，在此不一一贅述。

2 同步輻射技術(shù)在植物汞污染研究中的應(yīng)用(Application of SR in the study of plant mercury pollution)

近些年來(lái)，同步輻射技術(shù)不僅在環(huán)境介質(zhì)中汞污染分析的應(yīng)用逐漸增多，對(duì)于動(dòng)植物體中汞污染、毒性特征分析方面的應(yīng)用也取得了很大的進(jìn)展。利用不同同步輻射X射線技術(shù)手段，可以同時(shí)分析汞在生物組織微區(qū)中的分布蓄積形式和該組織微區(qū)中汞的化學(xué)形態(tài)，該分析技術(shù)結(jié)合常規(guī)的色譜、質(zhì)譜分析手段的應(yīng)用，顯著提高了對(duì)于汞生物毒性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和精確性。Zhao等[31]利用SRXRF結(jié)合SRXAS方法，分析了汞在水培大蒜中的組織微區(qū)分布和存在形式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大蒜的根部汞主要分布在其表皮和中柱組織部分，且主要以類似Hg(GS)2和蛋氨酸汞(Hg(Met)2)的結(jié)合形式存在(>60%)。另外，對(duì)大蒜中硒和汞拮抗的SRXRF和SRXAS研究[32]表明，添加硒后，由于硒汞拮抗作用，硒顯著降低了汞在根部導(dǎo)管部分的蓄積，表明硒抑制了大蒜對(duì)汞的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，同時(shí)汞也可以顯著抑制大蒜對(duì)于硒的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，通過(guò)這種拮抗作用，降低了汞和硒對(duì)該植物的毒性(圖2)。Jar McNear等[33]利用SRXRF及XANES技術(shù)也發(fā)現(xiàn)汞硒暴露洋蔥中汞主要分布在其根部表皮層，而硒分布于整個(gè)根部組織；硒汞作用在根部可以形成穩(wěn)定的硒汞復(fù)合物。

Carrascogil等[34]通過(guò)對(duì)汞暴露的野生苜蓿植物根部的SRXRF成像分析發(fā)現(xiàn)，汞主要分布在苜蓿的根尖和導(dǎo)管組織部位，利用EXAFS技術(shù)的研究表明進(jìn)入該植物組織中的汞主要以硫醇鹽或蛋白質(zhì)復(fù)合物的形式存在。Rajan等[35]利用SRXAS技術(shù)研究了葫蘆植株在有氧、無(wú)氧條件下的汞甲基化情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有氧時(shí)甲基汞約占總汞的5%，但厭氧條件下甲基汞含量上升了大約11%。這說(shuō)明水葫蘆植物在厭氧的條件下出現(xiàn)了汞的甲基化現(xiàn)象。Patty等[36]利用SRXRF及SRXAS對(duì)米草根部汞吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明汞主要分布于根部表面，并且可能與根表鐵膜等結(jié)合。

近年來(lái)，越來(lái)越多的研究表明水稻對(duì)于汞具有一定的蓄積能力，因此對(duì)汞污染稻田及水稻的研究顯得尤為重要，提高分析的準(zhǔn)確和精確性對(duì)于汞污染稻田的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及以大米為主要糧食作物的人群的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估都具有重要現(xiàn)實(shí)意義。同步輻射X射線技術(shù)，具有原位無(wú)損分析優(yōu)勢(shì)，可以大大簡(jiǎn)化樣品前處理的步驟，對(duì)于分析時(shí)保證樣品的原始理化性質(zhì)具有很大的幫助，減少前處理帶給樣品的外界因素，這樣可以顯著提高分析的準(zhǔn)確性。在Li等[37]的研究中，通過(guò)誘導(dǎo)水稻根表鐵膜形成，利用SRXRF分析水稻根表Hg-Fe的分布蓄積關(guān)系發(fā)現(xiàn)，根表鐵膜的形成可以吸附大量的汞，促進(jìn)了汞在水稻根表的蓄積，阻抑根部吸收汞進(jìn)入導(dǎo)管組織，從而抑制了水稻對(duì)汞的吸收和蓄積(圖3)。

圖3 無(wú)機(jī)汞(IHg)暴露水稻根部Fe和Hg的SRXRF成像(a，無(wú)鐵膜；b，有鐵膜)；甲基汞(MeHg)暴露水稻根部SRXRF成像(c，無(wú)鐵膜；d，有鐵膜；e，f，根部縱向Fe、Hg的XRF成像)[37]Fig. 3 Fe and Hg SRXRF imaging of inorganic Hg (IHg) and methyl Hg (MeHg) exposed rice root (left, IHg exposed group; right, MHg exposed group; a, c, for Iron-free film; b, d, for Iron film; e, f, for Root portrait)[37]

Zhao等對(duì)汞污染水稻進(jìn)行硒干預(yù)，通過(guò)SRXRF分析表明汞和硒在水稻根、莖葉和籽實(shí)中的分布特征高度一致，對(duì)于水稻的可食用部分稻米的縱切面進(jìn)行SRXRF成像分析發(fā)現(xiàn)汞和硒主要蓄積在稻米的胚芽和背面表皮糊粉層組織部位，在胚乳部位含量極低；硒干預(yù)顯著降低了稻米胚芽部位汞的蓄積水平，提示硒對(duì)于降低稻米汞含量具有顯著效果，而且硒可以降低汞對(duì)于水稻的生殖生長(zhǎng)毒性(圖3)。Wang等[38]在探索水稻中MeHg與Se拮抗作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)中，借助于SRXANES技術(shù)發(fā)現(xiàn)加硒后土壤和水稻中MeHg含量降低的一個(gè)重要原因是水稻根際汞和硒發(fā)生反應(yīng)生成難溶性的HgSe復(fù)合物，阻滯了汞的甲基化途徑，從而降低了微生物甲基汞產(chǎn)率。

Li等[39]在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)貴州清鎮(zhèn)汞污染稻田選取一定區(qū)域進(jìn)行不同劑量硒干預(yù)補(bǔ)充后種植水稻，利用SRXRF/XANES結(jié)合ICP-MS分析證明硒與汞在水稻根際及根部皆生成大量的HgSe化合物，從而抑制了水稻對(duì)汞的吸收蓄積，降低了稻米中汞的含量(圖4)。對(duì)于水稻中硒和汞拮抗作用的分子機(jī)制研究，Li等[40]綜合利用SRXRF技術(shù)分析了水稻根部汞和硒響應(yīng)蛋白的種類及其表達(dá)量的變化情況，通過(guò)SRXRF掃描成像電泳凝膠中硒或/和汞的響應(yīng)蛋白質(zhì)條帶，并對(duì)其進(jìn)行質(zhì)譜分析，結(jié)果表明硒干預(yù)可以顯著降低汞與水稻根部小分子蛋白的結(jié)合，促進(jìn)汞與大分子蛋白質(zhì)的結(jié)合，通過(guò)該途徑使汞的活性降低，從而降低汞的植物毒性。

圖4 水稻中硒和汞分布蓄積的SRXRF成像分析[32]注：a，Hg暴露下水稻根尖Hg分布；b，Hg和Se暴露下水稻根尖Hg、Se分布；c，Hg暴露下水稻葉子Hg分布； d，Hg和Se暴露下水稻葉子Hg、Se分布；e，Hg暴露下稻米的Hg分布；f，Hg和Se暴露下稻米Hg、Se分布。Fig. 4 SRXRF imaging of Hg and Se in rice plant [32]Note: a, Hg distribution of rice root tips exposed by Hg; b, Hg and Se distribution of rice root tips exposed by Hg and Se; c, Hg distribution of rice leaf exposed by Hg; d, Hg and Se distribution of rice leaf exposed by Hg and Se; e, Hg distribution of rice exposed by Hg; f, Hg and Se distribution of rice exposed to Hg and Se.

圖5 SRXRF/XANES結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)技術(shù)研究土壤-水稻體系中硒汞拮抗作用的機(jī)制[39]Fig. 5 Mechanism of Hg and Se interaction in the soil-rice system studied by SRXRF/XANES combined with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) techniques [39]

另外，Meng等[41]利用SRXRF發(fā)現(xiàn)Hg、Cd、Se、Mn、Cu、Zn等元素主要蓄積在稻米的果皮和糊粉層，同時(shí)結(jié)合SRXAS技術(shù)探知稻米中無(wú)機(jī)汞主要以跟半胱氨酸或植物螯合肽的結(jié)合形式而存在，推測(cè)甲基汞主要以與半胱氨酸等結(jié)合的形式存在于金屬蛋白質(zhì)中。Xu等[42]利用SRXANES結(jié)合HPLC-ICP-MS技術(shù)對(duì)甲基汞暴露的水培水稻整體植株進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)SRXANES譜圖進(jìn)行最小二乘法擬合發(fā)現(xiàn)，甲基汞暴露水稻根和莖葉組織中存在大量無(wú)機(jī)汞化合物，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示該品種的水稻體內(nèi)可能存在一種甲基汞去甲基化的途徑。

3 總結(jié)與展望(Summary and outlook)

由于汞本身具有高毒性、易遷移蓄積、易吸附和不易降解等特點(diǎn)，一直以來(lái)對(duì)于環(huán)境介質(zhì)，例如大氣、土壤和水, 中汞及農(nóng)作物組織中汞含量及形態(tài)的分析，不管是樣品前處理過(guò)程還是分析方法的建立及儀器分析都有很高要求。同步輻射X射線熒光和X射線吸收譜是目前最有效的微觀成像、元素成分分析的檢測(cè)手段之一，且因其獨(dú)特的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛和深入。同步輻射分析無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程，可直接對(duì)土壤、水和植物組織等介質(zhì)進(jìn)行原位無(wú)損分析，從微觀層面如分子結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)、鍵長(zhǎng)、鍵角等到宏觀元素分布分析都可以實(shí)現(xiàn)，彌補(bǔ)了常規(guī)儀器測(cè)汞的一些弊端，為環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品汞污染生態(tài)毒理評(píng)價(jià)、污染修復(fù)和治理等提供快速準(zhǔn)確的分析手段以及有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。同時(shí)，我們也應(yīng)該意識(shí)到，同步輻射技術(shù)在環(huán)境汞污染檢測(cè)分析方面也有其固有的缺陷性，例如檢出限不夠低、光斑尺寸仍相對(duì)滯后于高分辨研究發(fā)展的需要、較難分析部分敏感樣品，如造成動(dòng)植物組織的輻射損傷等。因此，進(jìn)一步提高新一代光源的性能和穩(wěn)定性，獲得更高亮度及更小尺寸光斑，既符合研究需要也是大勢(shì)所趨。此外，新型能量探測(cè)器的改進(jìn)以及研制有望進(jìn)一步提高同步輻射光對(duì)于汞分析檢測(cè)的分辨率和靈敏度?？傊S著科研人員對(duì)于環(huán)境及生物體汞污染研究手段要求的提高和對(duì)于同步輻射X射線熒光和吸收譜技術(shù)的深入了解和廣泛應(yīng)用，結(jié)合常規(guī)汞分析儀器的實(shí)用，這必將使得同步輻射技術(shù)在環(huán)境汞污染的生態(tài)毒性、動(dòng)植物汞生理毒性評(píng)估方面呈現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)，提高環(huán)境汞污染評(píng)估水平。