行業(yè)資訊
人為源汞污染已經(jīng)到達(dá)了世界最深的海溝
科技日?qǐng)?bào)記者 陳曦 通訊員 趙習(xí)鈞
60多年前，日本曾爆發(fā)震驚世界的“水俁病”事件，水俁病背后的元兇就是甲基汞。汞是一種有毒且能夠全球傳輸?shù)奈廴疚铮?dāng)今的汞排放約為工業(yè)革命前的3-5倍，使得表層生態(tài)系統(tǒng)中的汞污染顯著增加。當(dāng)今主流觀點(diǎn)認(rèn)為海洋中的甲基汞主要產(chǎn)生于中部海洋（100-1000米）的低氧區(qū)。隨著航測汞數(shù)據(jù)覆蓋率的增加，越來越多的研究表明深海（>1000米）甲基汞含量可能并不低。
日前《自然·通訊》上發(fā)表的一篇文章《上層海洋甲基汞侵入到馬里亞納海溝》證實(shí)，人為源汞可能已經(jīng)到達(dá)地球上最偏遠(yuǎn)的海洋生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)，并對(duì)脆弱的深淵生態(tài)系統(tǒng)造成潛在危害。此項(xiàng)研究由天津大學(xué)孫若愚、劉羿團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所以及法國科學(xué)院圖盧茲地球環(huán)境研究所、南開大學(xué)、南京大學(xué)合作，利用深淵著陸器采集馬里亞納海溝生物樣品，通過汞同位素揭示深淵甲基汞的來源與遷移途徑。
但由于人類對(duì)深海的探索還比較有限，因此甲基汞在深海中的富集程度如何，人為產(chǎn)生和自然產(chǎn)生汞的比例是多少，還有沒有其他途徑讓甲基汞到達(dá)深海，全球幾十個(gè)海溝系統(tǒng)是否都是具有相同的汞的來源和遷移途徑，目前還都是一個(gè)謎。
世界上最深的海是凈土嗎？
汞是世界上唯一一種在常溫常壓下以液態(tài)存在的金屬元素，具有很強(qiáng)的揮發(fā)性。“自然和人類活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生汞。汞有各種自然來源，比如火山爆發(fā)和森林火災(zāi)。但是，人類活動(dòng)，如煤炭和石油燃燒、采礦和冶煉，是汞污染海洋環(huán)境的主要原因。”文章的第一通訊作者、天津大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院的副教授孫若愚介紹，進(jìn)入到海洋中的汞在細(xì)菌的作用下會(huì)轉(zhuǎn)化為劇毒的甲基汞，而甲基汞易于在生物中富集，并通過食物鏈進(jìn)入到高營養(yǎng)級(jí)的魚類、哺乳動(dòng)物及人體中。比如，箭魚中的甲基汞濃度為鮭魚的40倍。
因此，在全球變化的大背景下，海洋甲基汞的生成、轉(zhuǎn)化和富集的研究對(duì)于制定全球和區(qū)域性環(huán)境政策（如《關(guān)于汞的水俁公約》）具有重要的意義。
此前在《自然》等科學(xué)期刊上已發(fā)表的研究認(rèn)為，當(dāng)今海洋大約有6萬多噸人為源汞，其中2/3位于上層海洋，其余1/3位于深層水快速形成區(qū)的北大西洋深層水和南極底層水。
“以前的研究認(rèn)為，由于北大西洋受歐美等國家大規(guī)模工業(yè)化等影響，人為汞排放加大，造成大氣中汞含量增多。大氣中的汞進(jìn)入到海洋上層，受到洋流影響，當(dāng)海水流到北冰洋，由于海水溫度降低，海水迅速下沉，加速了人為汞沉入海洋深處。”孫若愚介紹，這已經(jīng)被科研人員發(fā)現(xiàn)并證實(shí)，在這些區(qū)域的深層海洋中，都存在人源甲基汞。
“但當(dāng)時(shí)科研人員用同樣的方法估算太平洋深層海洋中是否有汞污染的時(shí)候，得出的結(jié)論是，在理論上講太平洋深海基本沒有受到汞污染。因?yàn)樘窖蟛⒉晃挥谏顚铀纬蓞^(qū)，如果上層海水被污染，海水慢慢混合到下層，這是個(gè)非常漫長的過程。“孫若愚說，如果因洋流作用，被污染的海水從大西洋深層流到太平洋深層距離有兩萬多公里，速度也非常的緩慢，可能需要上千年的時(shí)間。
基于這些研究，因此一直以來，學(xué)術(shù)界都認(rèn)為甲基汞主要產(chǎn)生于海洋頂部幾百米深度的地方，千米以下的深海基本上都沒有受到人為源汞的污染，被視作地球上最后的“凈土”。
同位素測定深海也有人為源汞污染
近年來，隨著深海熱，深潛器技術(shù)發(fā)展提速，國產(chǎn)深潛器和捕撈器都能到達(dá)萬米下深海進(jìn)行作業(yè)。孫若愚說：“我們選擇了馬里亞納海溝進(jìn)行取樣，因?yàn)檫@是目前已知海洋的最深處，如果汞污染能達(dá)到這里，其他地方也應(yīng)該是存在的。”
圖片說明： 海洋系統(tǒng)汞循環(huán)示意圖。數(shù)字表示不同過程：1-生物還原；2-光還原；3-生物甲基化；4-吸附；5-光降解；6-解吸附；7-生物甲基化；8-顆粒物下沉；9-垂直混合；10-累積與傳遞
孫若愚團(tuán)隊(duì)于2016-2017年期間，在馬里亞納和雅浦海溝的海底部署了精密的深海采樣器，并在7000-11000米處捕獲了特有的動(dòng)物群，如獅子魚和溝蝦，在5500-9200米處收集了沉積物。研究發(fā)現(xiàn)，相比于淡水及海岸帶區(qū)域里類似的片腳類動(dòng)物，深淵鉤蝦體明顯富集總汞和甲基汞。
孫若愚等研究人員發(fā)現(xiàn)，7000-11000米海溝生物與上層海洋（0-1000米）魚類具有相似的汞同位素組成。結(jié)合海溝區(qū)域的深層水生成模式、甲基汞生命周期以及顆粒物傳輸途徑，該研究認(rèn)為：海溝生物的甲基汞主要來自上層海洋；表層海洋經(jīng)過光降解的甲基汞與中層海洋未經(jīng)光降解的甲基汞混合，繼而通過下沉的顆粒物進(jìn)入到深海食物鏈系統(tǒng)。
孫若愚解釋：“大氣中存在的汞，隨著降雨沉積到表層海洋，然后以鯨落（指鯨死去后沉入海底的現(xiàn)象）和死亡海藻顆粒團(tuán)這些小顆粒形式輸送到深海。在這個(gè)過程中，馬里亞納海溝獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造，經(jīng)常發(fā)生的地震所產(chǎn)生的漏斗放大系統(tǒng)，會(huì)加速傳輸?shù)乃俣取Ｎ覀兺ㄟ^測量汞的同位素組成來確定這一點(diǎn)，結(jié)果顯示海底生物與太平洋400-600米深處的魚類非常吻合，而且相關(guān)證據(jù)顯示，這些汞可能來源于近幾十年，因此很大部分來自人類活動(dòng)。”
深海汞污染人為和自然誰貢獻(xiàn)大？
“目前檢測生物體內(nèi)富集的汞及其同位素都是間接證據(jù)，只有直接檢測海水中的汞含量和同位素才是直接證據(jù)。”孫若愚介紹，但是由于海水中汞含量極其的低，以現(xiàn)有的檢測技術(shù)很難直接準(zhǔn)確測試海水中的汞同位素組成，所以下一步需要發(fā)展出更好的技術(shù)，以獲取直接證據(jù)來支持這個(gè)結(jié)論。
“而且目前馬里亞納海溝深海里發(fā)現(xiàn)的甲基汞中，人為源汞和自然汞的比例是多少，目前通過同位素檢測也都無法確定。”
海洋生物需要生存，就需要食物。鯨落與熱液、冷泉一同被稱為是深海生命的“綠洲”，它們共同促進(jìn)了海洋生物的繁榮。“通過檢測海洋生物體內(nèi)的汞同位素，目前已經(jīng)論證出了鯨落是甲基汞遷移的途徑之一。但我們還沒測試過熱液和冷泉周圍的樣本，因此無法探知熱液和冷泉是否也是深海甲基汞的來源。如果有，冷泉和熱液對(duì)深海魚類體內(nèi)的甲基汞的貢獻(xiàn)又是多少呢？”孫若愚表示，這些問號(hào)都有待于進(jìn)一步采樣進(jìn)行驗(yàn)證。
此外，全球有幾十個(gè)海溝系統(tǒng)，這些海溝系統(tǒng)是否都是具有相同的來源和遷移途徑？“目前需要去這些海溝系統(tǒng)的深海區(qū)域采樣檢測，才能論證其是否也都具有和馬里亞納海溝相類似的情況。”孫若愚表示，多樣本分析后，才能做出一個(gè)合理的模型，使我們對(duì)海洋最深處汞的來源有更好的了解，將有助于模擬汞在海洋中的命運(yùn)。
“如果再大膽的推測一下，在深海可能有未知的暗流，速度比較快，可能很快就能把上層海水帶到太平洋深海區(qū)域。”孫若愚說，深海未知的東西太多了，我們還需要繼續(xù)進(jìn)行探索。
