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        隱藏在海水中的汞元素

        2012-11-03 02:17:02撰文童國慶
        海洋世界 2012年7期
        關(guān)鍵詞:甲基汞水層中層

        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(xué)家正在檢查一種海洋中的神秘元素——汞。

        冶金廢水的排放會很輕易地將汞元素傳播到海洋

        大多數(shù)人都聽說過,我們現(xiàn)在應(yīng)該限制某些魚類的食用,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

        問題是,我們不知道甲基汞來自哪里。因?yàn)檫M(jìn)入海洋的汞并不多,所以進(jìn)入魚體內(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,汞可能在三四十年前就已經(jīng)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?yàn)樯钤谒锘蛘吣嗬锏娜湎x、貝類和其它微小生物,總是在不斷地?cái)噭又切┕?,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物食用了含有機(jī)汞污染的魚貝類,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(gè)。一些來自地球的自然活動,例如火山噴發(fā)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(gè)國家一年因?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一直存在的問題。自從羅馬時(shí)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(jìn)海洋,如果汞沒有轉(zhuǎn)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(kuò)散到浮游植物生長的環(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類體內(nèi)聚積,例如金槍魚等,魚體內(nèi)的甲基汞含量是周圍水體的10萬倍以上。

        “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(xué)研究所的生化專家卡爾蘭博格(Carl Lamborg)說。

        那么,汞是怎樣被轉(zhuǎn)化為甲基汞的呢?卡爾說,這個(gè)過程可能是一種生化過程,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(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氧呼吸。一個(gè)常見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)家們目前還沒有發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過程所涉及的化學(xué)反應(yīng),但汞的硫化物進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞后不久,細(xì)胞就會釋放出甲基汞。一些擴(kuò)散的甲基汞進(jìn)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(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?甲基汞是使魚有毒的唯一原因嗎?

        卡爾對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源?!拔乙恢痹谒伎嫉膯栴}是,大量的甲基汞實(shí)際上是從海洋水體自身產(chǎn)生的。”他說。

        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的浮游生物造成的,”他說,“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)的甲基汞是否會來自較高的水層??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∮蝿游锉怀缘簟⑺劳?、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(xì)菌沉積物中的細(xì)菌產(chǎn)生的,然后被釋放到水中。水流會沖刷和攜帶這些甲基汞進(jìn)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(fā)現(xiàn)的甲基汞來源于細(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,希望揭開汞甲基化過程的神密面紗。

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

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