管英君， 程國(guó)益， 陳路鋒， 李雁賓

(1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100；2. 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 山東 青島 266100； 3. 江漢大學(xué)環(huán)境與健康研究院， 湖北 武漢 430056)

汞(Hg)是一種廣泛存在于自然環(huán)境的全球性有毒污染物。汞可通過大氣環(huán)流在全球范圍內(nèi)傳輸[1]，對(duì)人及動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)有很強(qiáng)的毒性，是世界衛(wèi)生組織公認(rèn)的十大危害公眾健康的化學(xué)物質(zhì)之一[2]。海洋在全球汞循環(huán)中起著重要作用，是汞重要的源和匯[3]。干濕沉降或直接排放至海洋環(huán)境中的無機(jī)汞經(jīng)微生物甲基化可以轉(zhuǎn)化為毒性很強(qiáng)的單甲基汞[4]，再經(jīng)過生物富集和食物鏈放大，最終可以在魚體內(nèi)累積到較高濃度，從而對(duì)人類和其它生物造成巨大威脅[5]。

汞在海洋環(huán)境中主要有四種存在形式：零價(jià)汞(Hg0)、二價(jià)汞(Hg2+)、單甲基汞(MMHg)和二甲基汞(DMHg)[6-7]。總甲基汞(TMeHg)包括MMHg和DMHg，其中，DMHg是目前已知的毒性最強(qiáng)的有機(jī)汞化合物之一，可對(duì)人的神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，數(shù)微升即可致死[8-9]。DMHg具有易揮發(fā)的特點(diǎn)，盡管海水中濃度較低，但其在海洋汞循環(huán)中起著重要作用。已有研究結(jié)果顯示，DMHg廣泛分布于大洋深層水(如太平洋[10]、地中海[11-12]、阿爾沃蘭海[13]等)、沿岸上升流區(qū)[14]以及極地海域[15]。據(jù)估算，每年通過海-氣交換進(jìn)入大氣中的DMHg總量約為2 t[16]。海洋中DMHg濃度較低，可能與水體中DMHg的較快降解有關(guān)[6]。在對(duì)極地水體的研究中發(fā)現(xiàn)，海水中MMHg進(jìn)一步甲基化生成DMHg的速率顯著高于Hg2+甲基化生成DMHg的速率，推測(cè)海水中的DMHg很可能主要來源于單甲基汞的再甲基化[14]。此外，有研究表明，DMHg是大洋深層水中汞的主要甲基化形態(tài)[10]，并推測(cè)大洋深層水中單甲基汞很可能主要來源于DMHg的生物降解。DMHg降解生成的MMHg會(huì)提高深層水中MMHg的生物可利用性，使MMHg能夠隨食物鏈富集，并最終對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[17-18]。

東海是中國(guó)重要的陸架邊緣海，沿岸工業(yè)生產(chǎn)和人類活動(dòng)導(dǎo)致大量汞排入東海。據(jù)估算每年由陸源輸入到東海的汞總量高達(dá)144 t[19]。目前關(guān)于東海的汞污染研究主要集中在沉積物及水體中總甲基汞、總汞的分布情況[20-21]，對(duì)于該海域DMHg濃度、分布及其控制因素尚無報(bào)道，制約了對(duì)東海汞賦存形態(tài)和循環(huán)的理解和認(rèn)識(shí)。本研究于2018年夏季在東海開展了航次調(diào)查，測(cè)定了水體中DMHg、TMeHg濃度及相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，探究了東海水體中DMHg的空間分布特征，并通過Spearman相關(guān)性分析和多元回歸分析識(shí)別了影響東海水體中DMHg分布的主要環(huán)境因素。

1 材料和方法

1.1 采樣

本研究于2018年6月搭載“東方紅2”科考調(diào)查船在東海海域開展了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，設(shè)置采樣站位37個(gè)，調(diào)查海區(qū)及取樣站位如圖1所示。使用Niskin(24個(gè)×12 L)采水器(General Oceanics, USA)分別采集表層(0～3 m)、10、30、50和75 m和底層海水，將采集的海水緩慢轉(zhuǎn)移至2 L硼硅玻璃瓶中，直至頂空，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定DMHg。向45 mL未過濾海水中加入一定體積的鹽酸至0.5%(v/v)，-20 ℃條件下冷凍保存用于測(cè)定TMeHg。

圖1 2018年夏季東海航次采樣站位Fig.1 Sampling stations in the East China Sea in summer 2018

1.2 水體中總甲基汞和二甲基汞測(cè)定

海水中DMHg測(cè)定參照Tseng[22]和Lamborg[23]的方法。將采集樣品緩慢轉(zhuǎn)移至2.5 L的氣泡瓶中(包裹鋁箔紙)，氣泡瓶出氣口連接Tenax捕集管，高純氮?dú)?600 mL/min)吹掃20 min后將捕集管取下，氮?dú)獯祾? min使其干燥。捕集在Tenax管上的DMHg在200 ℃熱解吸后，經(jīng)OV-3填充柱氣相色譜分離(70 ℃)和800 ℃熱裂解后由冷原子熒光儀(MODEL Ⅲ，美國(guó) Brooks Rand公司)檢測(cè)(載氣流速為10 mL/min)。本研究中DMHg的出峰時(shí)間參照孫婷等的方法[24]，在實(shí)驗(yàn)室合成DMHg捕集至Tenax管中，并用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定時(shí)DMHg出峰時(shí)間的確定。

TMeHg的測(cè)定參照美國(guó)EPA1630方法[25]。向特氟龍蒸餾瓶?jī)?nèi)加入45 mL樣品，然后加入200 μL 1%APDC溶液，125 ℃加熱條件下通高純氮?dú)?90 mL/min)蒸餾，約2.5～4 h后收集得到35 mL蒸餾樣品。將蒸餾后的樣品轉(zhuǎn)移至氣泡瓶?jī)?nèi)，補(bǔ)充超純水至100 mL，加入2 mL醋酸緩沖液、50 μL四乙基硼化鈉(NaBEt4)反應(yīng)15 min，然后通高純氮?dú)?200 mL/min)吹掃15 min將乙基化產(chǎn)物捕集于Tenax管上。捕集在Tenax管上的甲基乙基汞在200 ℃熱解吸后，經(jīng)OV-3填充柱氣相色譜分離(70 ℃)和800 ℃熱裂解后由冷原子熒光儀(MODEL Ⅲ，美國(guó) Brooks Rand公司)檢測(cè)(載氣流速為35 mL/min)。

1.3 質(zhì)量控制

TMeHg和DMHg的檢出限分別為0.02 ng/L和0.04 pg/L。為保證TMeHg分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，每測(cè)定20個(gè)樣品添加2個(gè)方法空白、2個(gè)加標(biāo)回收，并隨機(jī)抽取一個(gè)樣品測(cè)定三次。本研究中TMeHg和DMHg的方法空白為0.01～0.02 ng/L和(0.04±0.02) pg/L。TMeHg樣品的加標(biāo)回收率為90%～123%，在EPA方法可接受的回收率范圍內(nèi)(65%～135%)；平行樣的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.8%～11.2%，在EPA方法要求范圍內(nèi)(小于15%)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

平面分布、垂直分布采用Ocean Data View(AWI，Germany)繪制。Spearman相關(guān)性分析、多元回歸分析和one-way ANOVA分析使用SPSS 16.0(SPSS Inc.，Chicago，IL)軟件完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 東海水體中二甲基汞濃度的平面分布特征

2018年夏季東海航次采集海水中DMHg濃度為(0.66±1.48) pg/L(0～8.82 pg/L)，DMHg占TMeHg的比例(DMHg/TMeHg)為(0.6±4.9)%(TMeHg的平均濃度為(0.11±0.035) ng/L(0.05～0.23 ng/L)。與其他海洋體系相比，東海水體中DMHg濃度顯著低于多數(shù)大洋水體(如北大西洋[11]、蒙特雷灣[23]等)，而與報(bào)道的地中海亞得里亞海(0.04～5.87 pg/L)結(jié)果相近[11]。

在平面分布上，夏季東海水體中DMHg檢出區(qū)域主要集中分布在長(zhǎng)江口附近的表層水和10 m水層(見圖2(A)、(B))；東海外海站位的底層水中也存在DMHg的分布高值區(qū)，并呈現(xiàn)出相對(duì)集中的分布趨勢(shì)(見圖2(C))。目前關(guān)于海水中DMHg的產(chǎn)生機(jī)制尚不明確，已有研究表明，水體中浮游植物及深層水中的厭氧微生物能夠促進(jìn)DMHg的生成[26]，在本研究中近岸淺層水中較高的DMHg濃度可能是由于藻類活動(dòng)促進(jìn)了DMHg的原位生成，東海外海深層水中高值區(qū)可能歸因于厭氧微生物，相關(guān)機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

圖2 夏季東海表層(A)、10 m層(B)和底層(C)水體中DMHg (pg/L)的平面分布Fig.2 Spatial distribution of DMHg (pg/L) in surface (A),10 m (B) and bottom (C) water of the East China Sea in summer

2.2 東海水體中二甲基汞的垂直分布特征

在垂直分布上，夏季東海水體中DMHg的濃度在表層為(0.17±0.28) pg/L(0～1.21 pg/L)，10 m層為(0.32±0.76) pg/L(0～3.37 pg/L)，30 m層為(0.43±0.85) pg/L(0～4.31 pg/L)，50 m層為(0.47±0.51) pg/L(0～1.56 pg/L)，75 m層為(3.80±3.20) pg/L(0.82～8.82 pg/L)，底層為(1.33±2.25) pg/L(0～8.72 pg/L)。結(jié)果顯示，75 m層和底層水中DMHg的濃度較高；隨著水深的增加，DMHg的濃度呈遞增趨勢(shì)。

本研究選取了4個(gè)斷面(D2-D3-D4-D5、P1-F1-F2-F3-F4-F5、P1-P2-P3-P4-P5-P6和W1-W2-W3-W4)來探究東海水體中DMHg的垂直分布特征(見圖3)。結(jié)果顯示，在D2-D5和P1-F5斷面，海水中DMHg呈現(xiàn)出相似的分布趨勢(shì)，高值區(qū)主要位于長(zhǎng)江口附近，呈近岸高、外海低的分布趨勢(shì)。據(jù)研究，河口區(qū)域藻類活動(dòng)會(huì)促進(jìn)甲基態(tài)汞(主要是單甲基汞和二甲基汞)的形成[33]，推測(cè)長(zhǎng)江口附近較高濃度的DMHg可能是由于該區(qū)域的藻類活動(dòng)造成的。此外，在對(duì)近岸淺層水的研究中發(fā)現(xiàn)，受沿岸上升流及溫躍層的影響，淺層水體中可以檢測(cè)到一定濃度的DMHg[13]，推測(cè)東海淺層水體中DMHg還可能來源于上升流輸送。在W1-W4及P1-P6斷面，水體中DMHg呈現(xiàn)出典型的集中分布趨勢(shì)，高值區(qū)主要集中在外海的底層水中(低溫、高鹽環(huán)境)。有研究表明，厭氧環(huán)境中MMHg可與細(xì)菌產(chǎn)生的硫化物發(fā)生反應(yīng)后緩慢分解產(chǎn)生DMHg[26,34]，同時(shí)，礦物或有機(jī)質(zhì)表面的還原性硫基可吸附MMHg，通過降解吸附的MMHg可以促進(jìn)DMHg的生成[35]。由此推測(cè)底層水中DMHg產(chǎn)生由生物途徑與非生物途徑共同介導(dǎo)[26]。

圖3 夏季東海水體中DMHg(pg/L)在 D2-D5(A)、P1-F5(B)、P1-P6(C)和W1-W4(D)斷面的垂直分布Fig.3 Vertical distribution of DMHg (pg/L) at sections of D2-D5 (A), P1-F5 (B), P1-P6 (C) and W1-W4 (D) in East China Sea water in summer

本研究進(jìn)一步選取了采集區(qū)域靠近外海的5個(gè)站位(P6、E5、W4、S4、T4)來探索海水中DMHg濃度的垂直變化特征(見圖4)。結(jié)果表明，在水深小于50 m時(shí)，DMHg均未檢出；隨著水深的增加，東海外海站位水體中DMHg濃度明顯上升，檢出區(qū)域主要集中在75 m層和底層海水中。研究表明，在光照或者存在氧化劑(·OH)的條件下，水體中的DMHg易被氧化而降解生成MMHg[36]，這與本研究中東海表層水DMHg較低的檢出率相吻合。

圖4 夏季東海外海站位水體中DMHg濃度垂直分布Fig.4 Vertical distribution of DMHg at the offshore stations in ECS water in summer

2.3 東海水體中二甲基汞占總甲基汞比例(DMHg/TMeHg)和二甲基汞占溶解氣態(tài)汞比例(DMHg/DGM)的分布特征

DMHg占TMeHg的比例(DMHg/TMeHg)為(0.6±4.9)%(見表1)，目前關(guān)于DMHg/TMeHg的研究報(bào)道較少，其中北冰洋的夏季表層水和底層水中DMHg/TMeHg為27.8%和53.3%[28]，高于東海DMHg占TMeHg的占比。地中海區(qū)域的亞得里亞海報(bào)道的DMHg/TMeHg為1.7%[11]，與本研究結(jié)果相近。平面分布上，DMHg/TMeHg高值區(qū)與DMHg濃度高值區(qū)基本吻合，主要集中分布在長(zhǎng)江口附近的淺層水(見圖5(A)和圖5(B))以及東海外海站位的底層水中(見圖5(C))。與DMHg分布趨勢(shì)不同，外海底層DMHg/TMeHg高值區(qū)分布更為集中。DMHg/TMeHg的垂直變化趨勢(shì)與DMHg相吻合，隨著深度的增加DMHg占比逐漸增加(見圖6)。

表1 東海水體中TMeHg、DMHg、DMHg/TMeHg(%) 及與其他海洋體系比較Table 1 Comparison of TMeHg, DMHg concentrations and DMHg/TMeHg ratio in seawater of the East China Sea with other marine systems

圖5 夏季東海表層(A)、10 m層(B)和底層(C)水體中DMHg/TMeHg(%)的平面分布 Fig.5 Spatial distribution of DMHg/TMeHg(%) in surface (A), 10 m (B) and bottom (C) water of the East China Sea in summer

圖6 夏季東海外海站位水體中DMHg/TMeHg垂直分布Fig.6 Vertical distribution of DMHg/TMeHg at the offshore stations in ECS water in summer

溶解氣態(tài)汞(DGM)包括Hg0和DMHg，是參與海-氣界面交換的主要汞形態(tài)，DGM的再釋放過程可以影響海洋汞賦存量，DMHg是海水氣態(tài)汞循環(huán)中重要的組成部分[27]。DMHg占DGM的比例(DMHg/DGM)為(0.6±1.5)% (DGM數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[37])。有研究表明，近海及淺層大洋水體中DGM主要以Hg0為主，而DMHg占比較低(<5%)[27,38]，與本研究結(jié)果比較吻合。大洋深層海水中DGM主要以DMHg為主(70%以上)[10,39]，要遠(yuǎn)高于東海占比。平面分布上，DMHg/DGM高值區(qū)與DMHg濃度高值區(qū)基本吻合，主要集中分布在長(zhǎng)江口附近的淺層水(見圖7(A)和圖7(B))以及東海外海站位的底層水中(見圖7(C))，且在外海底層呈斑塊狀分布。

圖7 夏季東海表層(A)、10 m層(B)和底層(C)水體中DMHg/DGM的平面分布Fig.7 Spatial distribution of DMHg/DGM in surface (A),10 m (B) and bottom (C) water of the East China Sea in summer

2.4 東海水體中二甲基汞的影響因素

首先利用Spearman相關(guān)性分析挑選出與DMHg相關(guān)的環(huán)境參數(shù)(p<0.05)，再通過多元回歸分析識(shí)別出主要的控制因素。Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明，夏季東海水體中DMHg與水溫T(R=-0.49，p<0.001)、溶解氧DO(R=-0.31，p<0.001)和溶解有機(jī)碳DOC(R=-0.31，p<0.001)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與鹽度(R=0.38，p<0.001)呈顯著正相關(guān)。多元回歸分析結(jié)果表明，溶解氧(β=-0.29)、水溫(β=-0.24)和溶解有機(jī)碳(β=-0.11)可能是影響水體中DMHg分布的關(guān)鍵控制因素。

微生物途徑是海洋DMHg生成的主要途徑[35]。研究表明，微生物在厭氧條件下產(chǎn)生的硫化氫(H2S)能夠與單甲基汞發(fā)生歧化反應(yīng)生成不穩(wěn)定的二甲基硫化汞((MeHg)2S)中間體，隨后又會(huì)快速降解為DMHg和硫化汞(HgS)[26]。本研究中夏季東海水體DMHg與 DO呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，推測(cè)DO通過影響微生物介導(dǎo)的H2S與單甲基汞的歧化反應(yīng)從而影響了DMHg的生成。甲基汞廣泛存在于各種介質(zhì)中，而報(bào)道的DMHg大多存在于深層海水中，且總是相對(duì)集中地分布在特定區(qū)域[10, 12]，可能是由于表層海水中海-氣交換以及水溫和光照的增強(qiáng)均會(huì)促進(jìn)DMHg的降解[17, 32, 40]，這可能是DMHg與水溫呈負(fù)相關(guān)的原因之一。此外，溫度也會(huì)影響生成或降解DMHg的微生物的活性，從而影響DMHg的分布。溶解性有機(jī)質(zhì)(DOM)也是影響微生物活性的重要環(huán)境因素[41]，可能通過影響生成或降解DMHg微生物的活性影響DMHg的分布。此外，DOM可以與MMHg絡(luò)合，絡(luò)合后可以顯著降低MMHg進(jìn)一步甲基化生成二甲基汞的活性[42]，這可能也是DMHg與DOC呈負(fù)相關(guān)的主要原因之一。

本文對(duì)于東海水體中二甲基汞控制因素的識(shí)別主要基于相關(guān)性分析結(jié)果推測(cè)，鑒于相關(guān)性分析的局限性，相關(guān)結(jié)論需要在明確東海二甲基汞產(chǎn)生途徑基礎(chǔ)上通過現(xiàn)場(chǎng)條件培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 夏季東海水體中DMHg與環(huán)境參數(shù)的關(guān)系Table 2 The relationships of DMHg with environmental parameters in East China Sea water in summer

3 結(jié)語(yǔ)

2018年夏季東海航次水體中DMHg濃度為(0.66±1.48) pg/L(0～8.82 pg/L)，DMHg濃度顯著低于多數(shù)大洋水體。東海水體DMHg占TMeHg的比例(DMHg/TMeHg)為(0.6±4.9)%，DMHg占DGM的比例(DMHg/DGM)為(0.6±1.5)%。平面分布上，DMHg高值區(qū)主要位于長(zhǎng)江口附近的表層水、10 m水層以及東海外海的底層水中；垂直分布上，DMHg的濃度隨水深的增加呈遞增趨勢(shì)。東海水體中DMHg可能主要受原位生成過程控制。Spearman相關(guān)性分析和多元回歸分析結(jié)果表明，溶解氧、水溫和溶解有機(jī)碳是影響水體中DMHg分布的關(guān)鍵控制因素。