發(fā)布時(shí)間：2021-05-06所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要自工業(yè)革命以來，人為活動(dòng)加劇了全球范圍內(nèi)的汞污染，汞的致癌性、致畸性和誘變性嚴(yán)重危害人體健康。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高度集聚的工業(yè)發(fā)展和人口密度，使得長(zhǎng)江流域接納了大量的化工、鋼鐵、煉油等工礦廢氣、廢水和生活污水等，流域內(nèi)的汞污染嚴(yán)重，亟需關(guān)注。
摘要自工業(yè)革命以來，人為活動(dòng)加劇了全球范圍內(nèi)的汞污染，汞的致癌性、致畸性和誘變性嚴(yán)重危害人體健康。長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶高度集聚的工業(yè)發(fā)展和人口密度，使得長(zhǎng)江流域接納了大量的化工、鋼鐵、煉油等工礦廢氣、廢水和生活污水等，流域內(nèi)的汞污染嚴(yán)重，亟需關(guān)注。為了解目前長(zhǎng)江流域的汞污染及研究現(xiàn)狀，本文歸納總結(jié)了近年來有關(guān)長(zhǎng)江流域重金屬汞的生物地球化學(xué)行為的相關(guān)成果，分別從大氣、水、沉積物、水生生物、土壤以及植物各個(gè)環(huán)境介質(zhì)展開了論述，包括各區(qū)域介質(zhì)中汞的濃度、形態(tài)、分布、污染來源等方面。在此基礎(chǔ)上，介紹了非傳統(tǒng)汞同位素在長(zhǎng)江流域的地球化學(xué)行為和來源分析，并對(duì)未來需要開展的研究方向進(jìn)行了展望，希冀能為長(zhǎng)江流域汞污染的研究和控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料參考。
關(guān)鍵詞汞;生物地球化學(xué);同位素;長(zhǎng)江流域
長(zhǎng)江流域是世界第三大流域，上游流經(jīng)青藏高原，中下游流經(jīng)世界上人口最多的地區(qū)之一，擔(dān)負(fù)著城市生活飲用和工農(nóng)業(yè)用水供給的重要角色，約有2億人依靠長(zhǎng)江飲水。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷加速，長(zhǎng)江沿岸現(xiàn)有40多萬家化工企業(yè)，其中包括五大鋼鐵基地和七大煉油廠(Chenetal.,2019);對(duì)整個(gè)流域有環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的企業(yè)中有三分之一位于飲用水源地上游5km以內(nèi)(Wangetal.,2017b);2015年長(zhǎng)江流域廢污水排放總量高達(dá)346.7億t，其中工業(yè)廢水占56.4%(長(zhǎng)江水利委員會(huì)，2016);此外，全國約24%的耕地位于流域內(nèi)，用于農(nóng)業(yè)、水稻、小麥和水果生產(chǎn)，對(duì)河流也有相應(yīng)的環(huán)境影響(Xingetal.,2002)。水體污染直接威脅著長(zhǎng)江流域的環(huán)境質(zhì)量和人體健康。尤其汞作為毒性極強(qiáng)的重金屬污染物之一，在長(zhǎng)江懸浮沉積物中的含量已超過了歐盟建議值的4倍(Yangetal.,2012)。因此，長(zhǎng)江流域環(huán)境介質(zhì)中的汞更需要加強(qiáng)關(guān)注。
汞(Hg)及其衍生物，特別是毒性最大的甲基汞，是一種有害的環(huán)境污染物，可長(zhǎng)期存在于大氣和水生食物鏈中，主要原因是其持久性和易于生物積累的傾向。人類活動(dòng)向環(huán)境中排放的無機(jī)汞極易轉(zhuǎn)化為甲基汞，因此汞的危害具有突發(fā)性和隱蔽性(馮新斌等，2013)。汞是唯一被認(rèn)為是全球污染物的重金屬，因?yàn)樵匦问降墓梢赃M(jìn)行遠(yuǎn)距離遷移。汞在大氣中可停留0.8個(gè)月至1年，所以即使不存在直接的汞污染源，也可能呈現(xiàn)汞暴露(Ariyaetal.,2015)。自工業(yè)革命以來，人為活動(dòng)在很大程度上促進(jìn)了汞的排放(增加了3~5倍)，加劇了全球范圍內(nèi)的汞污染(Kangetal.,2016)。目前已有很多研究對(duì)針汞的來源、分布以及汞在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了探討(Chenetal.,2016;Sunetal.,2020a,b)，汞的生物地球化學(xué)行為逐漸成為了一個(gè)熱點(diǎn)問題。
本文總結(jié)了長(zhǎng)江流域的大氣、水體、沉積物、土壤、動(dòng)植物體內(nèi)等環(huán)境介質(zhì)中汞的研究進(jìn)展，同時(shí)探討全球變化對(duì)長(zhǎng)江流域生態(tài)系統(tǒng)中的汞帶來的影響，并介紹了汞同位素在多種環(huán)境介質(zhì)中的相關(guān)應(yīng)用，最后對(duì)未來關(guān)于長(zhǎng)江流域汞的研究前景進(jìn)行了展望。
1長(zhǎng)江流域大氣汞研究進(jìn)展
1.1大氣汞的來源
大氣汞排放主要有人為源和自然源兩種途徑。最新的全球汞評(píng)估報(bào)告指出，2015年全球人為排放到大氣中的汞量為2220t，約占每年排放到大氣中汞的30%(UNEnvironment，2019)。煤炭燃燒、有色金屬冶煉，鋼鐵生產(chǎn)均是大氣汞重要的人為來源(Zhangetal.,2015)。另有60%的汞排放是由環(huán)境過程造成，剩下的10%來自現(xiàn)在的自然資源(UNEnvironment，2019)。研究人員對(duì)四川貢嘎山、貴州紅楓湖一些地區(qū)的地表汞釋放通量進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)這類偏遠(yuǎn)地區(qū)的汞釋放通量要比國外同類型地區(qū)高了一個(gè)數(shù)量級(jí)(Fengetal.,2005;Fuetal.,2008)。
1.2大氣汞的形態(tài)和性質(zhì)
大氣是汞排放、全球運(yùn)輸和物種轉(zhuǎn)化的主要途徑。大氣汞主要有三種形態(tài)，即氣態(tài)元素汞(GEM,Hg0)、活性氣態(tài)汞(RGM,Hg2+)和微粒結(jié)合汞(PBM,Hgp)。GEM相對(duì)惰性，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸，而RGM(0.5~6cm·s-1)和PBM(0.02~2.0cm·s-1)的沉積速度較大，可以通過干濕沉積迅速沉積(Gonzalezetal.,2017)。大氣汞中以GEM為主，含量占比高達(dá)90%以上(Gratzetal.,2010)，而在一些未受污染的地區(qū)甚至高達(dá)95%以上(Liuetal.,2010)。RGM和PBM在大氣汞中占比很低，但卻是大氣汞沉降的最主要來源(>80%)(Lindbergetal.,2007)。
通常來說，人為源排放的汞包括Hg0和氧化態(tài)汞(RGM和HgP)，而自然排放的汞主要以Hg0為主。在排放方面，大量的RGM和HgP通過干濕沉降去除，造成局部或區(qū)域污染。一些沉降在陸地和海水生態(tài)系統(tǒng)中的汞可還原為Hg(0)，并向大氣中轉(zhuǎn)化，釋放出的Hg0可以從行星邊界層中上升到自由對(duì)流層，并在全球汞池中被稀釋。在自由對(duì)流層中，Hg0在大陸和偏遠(yuǎn)地區(qū)之間進(jìn)行遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。在大氣輸送過程中，Hg0通過化學(xué)方式轉(zhuǎn)化為RGM和HgP，通過地面濕沉降或吸收移至地面。Hg0也可以通過海洋邊界層迅速氧化并沉積到海洋表面，汞在海水中被還原以后，被重新排放到大氣中，加劇了空氣-海水的交換，導(dǎo)致汞在海洋邊界層中―蚱蜢式‖擴(kuò)散(Travnikov,2012)。
1.3長(zhǎng)江流域大氣汞的分布特征及干濕沉降
長(zhǎng)江流域大氣汞的分布差異顯著，崇明地區(qū)大氣總汞平均含量為(2.50±1.50)ng·m-3，總汞含量與CO的相關(guān)性顯著，表明該地區(qū)大氣汞主要來自燃煤排放，且總汞濃度的變化與風(fēng)向有關(guān)(竇紅穎等，2013)。南京城區(qū)大氣總汞平均濃度為(7.9±7.0)ng·m-3，且呈現(xiàn)夏高冬低的變化特征，這可能是因?yàn)橄募咀匀辉磁欧艑?duì)南京城區(qū)氣態(tài)總汞濃度有顯著影響(朱佳雷，2015)。
研究人員對(duì)長(zhǎng)三角典型城市寧波的大氣汞進(jìn)行了為期2年的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)PBM和RGM的平均濃度為(316±377)和(100±123)pg·m-3(Xuetal.,2020)。總體來說，城鎮(zhèn)地區(qū)的GEM、RGM和PBM的濃度(Fuetal.,2011)明顯高于偏遠(yuǎn)地區(qū)(Fuetal.,2008)，且均高于歐美同類型地區(qū)的濃度。這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)江流域人類工業(yè)活動(dòng)頻繁，其中城鎮(zhèn)地區(qū)受工業(yè)影響更為明顯，而偏遠(yuǎn)地區(qū)的大氣汞主要受區(qū)域性汞排放的影響。Han等(2019)觀察到長(zhǎng)江三角洲某鋼鐵廠的GEM濃度范圍為0.78~113.8ng·m-3，從時(shí)間上看，GEM的含量隨冬、春、夏、秋的季節(jié)變化而下降，另外GEM變異也與污染源排放、氣象和區(qū)域交通有關(guān)。近來研究發(fā)現(xiàn)，GEM濃度與本地污染源、區(qū)域污染源和長(zhǎng)距離源輸送均有關(guān)(易輝等，2020)。
長(zhǎng)距離的大氣輸送過程對(duì)于大氣汞分布也有顯著影響。研究表明，源于南亞的汞通過大氣環(huán)流的長(zhǎng)距離遷移，導(dǎo)致了青藏高原水生生態(tài)系統(tǒng)中汞積累的迅速增加(Yangetal.,2010)。通過對(duì)貴州雷公山的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)貴州省中部以及我國中部、南部的大氣汞含量較高(Fuetal.,2010);Hong等(2016)發(fā)現(xiàn)，華北平原和西北的氣團(tuán)是導(dǎo)致長(zhǎng)三角沿海城市冬季和秋季汞含量升高的主要原因，而東南地區(qū)的清潔氣團(tuán)是導(dǎo)致夏季汞含量升高的主要原因;在對(duì)青海瓦里關(guān)的研究發(fā)現(xiàn)，印度排放的大氣汞通過南亞季風(fēng)進(jìn)入到青藏高原從而影響我國的西北部和青藏高原地區(qū)(Fuetal.,2012)。
相關(guān)期刊推薦：《生態(tài)學(xué)雜志》(月刊)創(chuàng)刊于1982年，由科學(xué)出版社出版。主要刊登生態(tài)學(xué)領(lǐng)域有創(chuàng)造性，立論科學(xué)、正確、充分，有較高學(xué)術(shù)價(jià)值的論文，反映我國生態(tài)學(xué)的學(xué)術(shù)水平和發(fā)展方向，報(bào)道生態(tài)學(xué)的科研成果與科研進(jìn)展，跟蹤學(xué)科發(fā)展前沿，促進(jìn)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流與合作。
大氣汞的沉降就是各種形態(tài)的汞從大氣中去除的過程，根據(jù)沉降機(jī)制可以分為干沉降和濕沉降兩類。汞的濕沉降是通過降雨、降雪等形式把二價(jià)活性氣態(tài)汞和大氣顆粒汞清除的過程，汞的干沉降是近地面的汞通過陸-氣交換過程降至地表，其中濕沉降在大氣汞沉降中占主體。但是，F(xiàn)u等(2008)在四川貢嘎山地區(qū)觀測(cè)到該地區(qū)汞沉降中干沉降占比要比濕沉降占比多達(dá)43.6%，可見該地區(qū)汞沉降的主要形式是大氣干沉降，并且四川貢嘎山森林地區(qū)大氣汞的濕沉降比其他空地高出1~2倍。GEM由于其干沉降速率較低，盡管其在大氣汞中占比高達(dá)90%，一些模型研究認(rèn)為其對(duì)大氣汞干沉降通量的貢獻(xiàn)較小(Leeetal.,2001)。然而，由于植物可以直接吸收GEM，森林等植被覆蓋率高的地區(qū)GEM沉降比例可能會(huì)升高，甚至?xí)嫉娇偝两低康?0%以上(Zhangetal.,2005)。
2長(zhǎng)江流域水生生態(tài)系統(tǒng)中汞的研究進(jìn)展
2.1長(zhǎng)江流域水體中汞的研究進(jìn)展
2.1.1長(zhǎng)江流域水體中汞的現(xiàn)狀
統(tǒng)計(jì)顯示，1995—2012年，長(zhǎng)江干流沿線國家監(jiān)測(cè)斷面中汞濃度超標(biāo)的比例較高(0.60%~15.38%)(CWRC,1995–2012)。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展在很大程度上導(dǎo)致了長(zhǎng)江水和沉積物中汞含量的升高。對(duì)長(zhǎng)江中下游區(qū)段水體中重金屬調(diào)查可知，鉻、鎘、汞的濃度增加最為顯著，與1980年相比，從2010年開始的汞平均濃度呈現(xiàn)6~46倍的增加(Lietal.,2020a)。據(jù)報(bào)道，從2013—2017年，銅、鉛、鋅、鎘和汞等重金屬通過長(zhǎng)江以每年驚人的約10000t的速度被運(yùn)入東海，這無疑對(duì)長(zhǎng)江流域和近岸水域的水環(huán)境構(gòu)成了多種威脅(StateOceanicAdministration,China,2013—2017)。長(zhǎng)江中下游最大支流湘江的大部分監(jiān)測(cè)斷面均檢測(cè)到明顯的汞污染(Fangetal.,2019b)。近來隨著工業(yè)廢水排放總量的下降，汞超標(biāo)路段的總體比例有所下降(Lietal.,2020a)。汞進(jìn)入水體并在沉積物中進(jìn)一步積累，主要通過人類活動(dòng)，如采礦、金屬冶煉、工業(yè)廢水的處理和排放(例如印刷和電鍍行業(yè))、化石燃料的使用、殺蟲劑和肥料的使用、家用垃圾的處理(Lietal.,2020a)。巖石礦物的侵蝕和風(fēng)化也會(huì)提高水體中的汞濃度(Zhangetal.,2018b)。2010—2015年水土流失導(dǎo)致長(zhǎng)江流域(包括干流和支流)的甲基汞的排放量為(320±310)kg·a-1(Liuetal.,2018a)。
研究人員對(duì)長(zhǎng)江水體主要元素的地球化學(xué)研究的興趣日益濃厚，但對(duì)整個(gè)流域水體中關(guān)于汞的研究卻很少，關(guān)于汞的研究大多集中在河口地區(qū)和部分污染斷面上(Chenetal.,2008;Mülleretal.,2008;Yinetal.,2015)。近幾年也有少量的研究對(duì)長(zhǎng)江干流、支流和沿江湖泊進(jìn)行了一系列系統(tǒng)調(diào)查，重點(diǎn)探討了長(zhǎng)江重金屬的分布，其中也包括汞的分布(丁振華等,2005;Mülleretal.,2008;Wangetal.,2011;Fangetal.,2019a)。
2.1.2長(zhǎng)江流域水體中汞的形態(tài)和分布
由于汞的化學(xué)形態(tài)顯著影響其溶解性、遷移轉(zhuǎn)化和毒性，所以除了關(guān)于汞的分布，汞的化學(xué)形態(tài)也是研究熱點(diǎn)之一。水中汞主要分為無機(jī)汞和有機(jī)汞，無機(jī)汞包括溶解態(tài)零價(jià)汞、溶解態(tài)二價(jià)汞和顆粒態(tài)汞;有機(jī)汞包括溶解和顆粒態(tài)甲基汞。無機(jī)汞通過大氣沉降、徑流、地下水輸入進(jìn)入水體，底部沉積物的甲基化以及再懸浮作用以及人類活動(dòng)等途徑都可以成為水體中汞的源。水體也可通過徑流、氣態(tài)汞揮發(fā)、顆粒態(tài)汞沉降、生物吸收等其他形態(tài)汞轉(zhuǎn)化途徑輸出汞。水環(huán)境中不同形態(tài)汞在適當(dāng)條件下可相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)光照強(qiáng)，水體溫度較高時(shí)，汞(II)通過生物過程或光化學(xué)轉(zhuǎn)化為元素汞。在底部水體中，溶解性氣態(tài)汞可以通過細(xì)菌的轉(zhuǎn)化以及化學(xué)還原過程產(chǎn)生并通過水-氣界面釋放到大氣中(Ferraraetal.,2003)。此外，一些硫酸鹽還原菌和鐵還原菌可將汞(II)甲基化為甲基汞。一旦被生產(chǎn)出來，它就會(huì)生物地聚集在水生和陸生的食物鏈中，達(dá)到潛在危險(xiǎn)的水平(Eversetal.,2007)。
表1總結(jié)了長(zhǎng)江流域不同地點(diǎn)水體中汞的濃度。pH、溫度、光、有機(jī)質(zhì)含量、鹽度和懸浮顆粒物均是影響不同形態(tài)汞濃度的主要因素。長(zhǎng)江流域水體中汞濃度隨月份的變化而變化，總體來說，春夏季時(shí)總汞濃度比秋冬季要高(陳瑜鵬等，2010)。表層水體中其他形態(tài)的汞平均濃度隨季節(jié)變化趨勢(shì)一致(陳瑜鵬等，2010)。空間格局上，總汞濃度分布符合城市河流污染的特點(diǎn)，即從上游到下游總汞濃度從低變高再變低，但下游的汞含量總體高于上游(丁振華等,2005)。Liu等(2019)定量研究了筑壩、土壤侵蝕、點(diǎn)源釋放對(duì)甲基汞在整個(gè)長(zhǎng)江流域的輸送的影響。三峽水庫建成以后，其帶來的變化也引起了人們的廣泛關(guān)注。蓄水后的三峽水庫水中溶解無機(jī)汞濃度升高，大量的汞隨泥沙沉降在沉積物中，現(xiàn)階段三峽庫區(qū)水域中汞的污染已經(jīng)較為嚴(yán)重(楊振寧，2008)。大壩的建設(shè)導(dǎo)致了大量的甲基汞(至少(250±220)kg)在三峽水庫中蓄積(Liuetal.,2019)，甲基汞帶來的一系列的影響也值得進(jìn)一步研究。
近幾年盡管長(zhǎng)江流域的環(huán)境管理有了顯著改善，但一些水域的汞濃度仍在上升，這可能是因?yàn)殡m然通過廢水排放進(jìn)入河流的污染物濃度有所下降，但大量汞仍然可以通過大氣沉積和固體廢物排放等方式進(jìn)入河流((Maetal.,2019)。這可能對(duì)水體和沉積物中汞的分布有明顯影響。此外，環(huán)境改善的滯后效應(yīng)也在世界各地被證實(shí)(Baloghetal.,2015)。——論文作者：張琦1,2郭慶軍1,3*陶正華1,4
