关于水生生态系统中汞的国内外研究进展评述

武 岳 林 清

(广西师范学院地理科学与规划学院，广西 南宁 530001)

汞是一种有毒元素，在自然界中以非常低的浓度存在。汞常温下即可蒸发，汞蒸气和汞的化合物多有剧毒。由于人类活动的影响进入水体环境中汞污染越来越多，特别是随着采矿、冶炼、化工、电镀、电子、制革等行业的发展，以及民用固体废弃物不合理填埋和堆放，重金属污染物事故性排放，使得污染物进入水体，当它们在水体中不断累积，除了使水生生态系统遭受破坏，更通过水体—水生植物—水生动物直接或间接影响人类的健康。因此关于汞在水生生态系统中循环机制的研究，对于解决汞的全球生态环境问题有至关重要的意义。

1 汞污染问题在全球环境问题中面临长久挑战

水生生态系统中汞的环境过程是生物地球化学循环过程的重要组成部分，且与整个生态系统中各物种的生存和发展密切相关。自1950年日本九州水俣湾汞中毒事件以来，对水体汞污染的各项研究不仅引起了国内外不同领域专家学者的讨论，也使水环境重金属污染的研究和防治工作备受重视。

在此类问题的研究中，美国的科研水平相对较高，对汞污染的研究也相对较早。美国地质勘测局(USGS)在1998年发布的公告中表示［1］，受到汞污染威胁的地理范围覆盖超过一千万英亩的湖泊和超过40 万英里的河流流程，并对水库中汞迁移转化的生物地球化学问题进行了大量研究。2002年，勘探局公布了包括对14 个主要河流在内的美国大陆盆地河流生态系统的汞污染程度和范围的评估，对在超过120 个河流样点采集到的水体、沉积物、掠食性鱼类中总汞、甲基汞以及其他化学成分进行了详细的测评。

在上世纪九十年代初，瑞典学者提出了一个新的汞污染模式，他们在没有人为和自然汞污染来源的斯堪的纳维亚和美国北部偏远地区的大片湖泊中，发现了鱼体中超量的甲基汞，并证实这些汞是因为通过人为排放后，经大气长距离运输后沉降在这些地区而形成的汞污染［2］。由此，在西方发达国家又兴起了新一轮环境汞污染的研究讨论。在瑞典科学家Oliver Lindqvist 教授的倡议下，第一届汞全球污染物国际学术会议于1990年在瑞典召开。2004年，在斯洛文尼亚召开的第七届会议上，中国科学院地球化学研究所研究员冯新斌在会上的发言引起了各国科学家对中国汞污染问题研究水平的关注。经激烈竞争，冯新斌代表中国取得了第九届汞全球污染物国际学术会议在中国召开的主办权。

自上世纪70年代以来，我国科研学者对有直接工业(如氯碱工厂)汞污染的水生生态系统，如第二松花江和蓟运河等其中汞污染问题开展了大量工作。该研究主要对于水生生态系统中各要素的汞的形态分布规律进行了详细探讨［3］(水体，沉积物，水生动植物)。虽科研成果取得了一定的进展，但汞污染研究工作开展比较晚，目前各项工作还处于起步阶段，特别是水生动植物中汞的生物地球化学循环研究水平，更是落后于西方发达国家。

2 水生植物中的汞

汞(Hg)是一种有毒元素，是在自然环境中以非常低的浓度存在。不过，在很多淡水地区的生物群中，是人为因素导致了汞含量增加。天然无机汞可以转化为有机甲基汞，也就是说它拥有许多倍的毒性，而且已经在水生植物蕹菜中发现了它。当无机汞转化为甲基汞的时候，它的可用性和对生物的毒性都会增加，这是因为它的亲脂性和蛋白结合的特性，还因为它很容易在生物中富集并沿食物链产生生物放大作用［4］。

2.1 汞的来源及分布形态

水生植物中的汞一般来源于水体以及根部附着的沉积物。水体中的汞主要通过两类途径积累。一是大气降水，燃料燃烧、焚烧废物等过程都向大气释放汞，并通过降水分散到世界各地。第二类是通过工业污水的不合理排放而进入到水体中。

水体中的汞一般是以无机汞的形式存在，无机汞毒性较小，且不易在植物中积累。但通过某些微生物的作用后，无机汞转化为甲基汞，并开始在水生植物体内富集。研究发现，水生植物叶片中的甲基汞含量高于陆生植物叶片甲基汞含量［5］。

2.2 汞对水生植物生长发育的影响

研究表明，低浓度的汞在一定程度上对水生植物的细胞分裂和伸长有刺激作用，但高浓度的汞会抑制种子的萌发，降低根部和茎部的长度和重量，使植物生长减缓。有机汞的毒性主要通过根系影响植物的生长发育，有机汞对植物生长的抑制作用更强，世界健康协会的研究报告指出，在水生生态系统中，有机汞对植物的毒性作用比无机汞大得多。国内研究中，学者选取了两种具有代表性的沉水植物——沼生水马齿、蓖生眼子菜，来研究它们对于汞的耐受力及净化作用。实验表明，汞浓度在两种植物中的增加，对其节数增幅、长度增幅、鲜重增幅都有较大影响［6］。

3 生物中的汞

3.1 生物中汞的来源及水平

综合研究发现，鱼中的汞含量水平取决于以下几个因素:①汞的来源，比如说煤炭燃烧排放到大气中;②甲基化的效率，这取决于某些生物、化学和环境的特性;③食物网，在生态系统中全食喂养的交互作用，以及把藻类当做食物的掠食性鱼类。

表1 汞对水生生物的毒性值(EPA 1997d and 1997e)［7］

(1)在动物急性毒性试验中，使受试动物半数死亡的毒物浓度，用LC50 表示。半最大效应浓度(concentration for 50% of maximal effect，EC50)是指能引起50%最大效应的浓度。

(2)枝角目动物的常用名是水蚤，糠虾是小虾，属于甲壳类。

3.2 汞的毒性对鱼类的作用

一般来说，毒性严重的汞导致的结果是在张开的鳃盖中，增加呼吸运动，失鱼类去平衡，最终因为迟缓衰竭而亡。慢性或亚致死导致鱼类的繁殖、生长、行为、新陈代谢、血液化学、渗透调节和在水中的氧气交换受到影响。汞是一种强有力的导致畸形胎的因素。产于淡水的将科小鱼的卵(胚囊阶段)含有0.003mg/L 到0.1mg/L 的无机汞，这将导致相当比例的胚胎表现出独眼畸形。淡水的将科小鱼中，甲基汞含量在0.003mg/L到0.004mg/L 之间的也将导致许多胚胎的独眼畸形和心血管方面的缺陷［7］。

4 汞的转化以及对食物链的影响

4.1 无机汞的甲基化

汞的甲基化是生物地球化学作用中的重要环节，并对自然环境产生巨大影响。当无机汞通过甲基化作用，转化为甲基汞后，毒性增大，并通过生物放大作用在生物体内积累，经食物链的富集而威胁人类健康。另外，汞的甲基化过程还会引起水质的恶化。

4.1.1 甲基化的场所

大多数人认为汞是以无机状态进入水生生态系统的，并认为汞污染来源于当地，事实并不是如此。伊朗学者认为，甲基汞的发生场所主要是沉积物和无氧水生生态系统中。硫酸盐减低细菌常常参与无机与有机化合物的转换。甲基钴胺素辅酶似乎也扮演着重要作用［8］。在水生生态系统中，推进甲基化进程的因素有高温、低PH 值、无氧环境、较高的有机物含量。然而，在过程中，沉积物中的硫化物表现出限制甲基化的作用。伊朗研究者发现，科威特海湾之外的沉积物中汞含量为0.005 ±0.003μ/g－1d·w。在科威特海湾的内部沉积物中的汞含量为36.5μ/g－1d·w［8］。这表明沉积物成为甲基汞的主要来源。

4.1.2 生物甲基化作用

在上文提到的伊朗学者对甲基汞的研究中表明，一些微生物以及细菌常常参与到无机物与有机化合物的转换，并且，在无机汞转化为有机汞的过程中发现，甲基钴胺素辅酶也起到重要作用。在对生物的甲基化作用的历来研究中，这并不是第一次提到。Wood 在1968 便首次发现沉积物中的甲基钴胺素利用产烷细菌可以导致汞的甲基化。随后的大量研究显示，沉积物中的许多微生物都可以使无机汞甲基化。

4.2 对食物链及人体健康的影响

综合国内外研究发现，人体中汞的来源可能通过以下几种途径:①呼吸空气中的汞蒸气;②食用被污染的食物(通常是鱼类或贝类)—更大更老的鱼往往汞含量水平最高;③饮用被汞污染的水(此原因较为罕见);④执行宗教或民间医学的仪式，其中包含汞。

甲基汞中毒的临床病例历史可以追溯到19 世纪，是源于第一个化学合成的发生。汞和预期有密切关系的甲基汞都被发现能够有效的杀死真菌，这导致农业上在植物的结籽期大范围的申请预防真菌侵入的方法。在20 世纪中期，国外爆发了几个灾难性的中毒事件，是因为谷物的处理错误，导致食用自制的面包而中毒。最大的中毒事件爆发，发生在1970年初的伊拉克农村。在日本也发生了人类汞中毒事件，是因为海水中积累了大量的甲基汞，人们食用含有高浓度甲基汞的鱼类而导致的中毒。

上个世纪八十年代，我国学者蔡文超在《广州医学院学报》上发表的《重金属水体污染与健康影响》一文指出，我国第二松花江流域，因矿山及工厂废水等污染(排汞重25 吨/年，有机汞6.0 吨/年)，造成了河流含汞量增高，超过对照水质500 倍，当地渔民也有不同程度的甲基汞中毒体征［9］。

汞能够通过食物链并经过积累而进入人体内是主要导致重金属引起关注的原因。汞最有效的积累是发在水生食物网中。无机汞转化为甲基汞后，大量甲基汞在鱼体积累，食用鱼类就成为人类摄取甲基汞的主要路径，这代表着鱼体中的甲基汞通过生物放大作用影响食物链。与单质汞相比，一定数量的无机汞在人的大脑和胎盘中积累水平较低，是因为较低的类脂溶解度。相反，在人的肝脏和肾脏中无机汞更容易积累［10］。汞进入人体会导致许多症状，例如视觉、听觉受损，头晕、呕吐、肌肉无力、过敏等症状，免疫系统受到破坏后可能导致脑损伤，并导致死亡［8］。在众多研究中，Krisha McCoy 在EBSCO 上发表的一篇文章中，对汞中毒做出了非常详细的解释与探讨。受到汞的影响后神经系统是非常敏感的，接触汞会导致，脑损伤、肾损害、肺损伤、消化系统出现问题。由于汞中毒属于慢性中毒，在出现中毒症状之前就会对身体造成伤害。当以下症状出现时应引起注意:震颤、失眠、听力视力的变化、头痛、恶心、腹泻、血压升高、易怒、神经紧张、呼吸困难、腹痛、发冷或发热、过度出汗等。汞通过母体传递给婴儿的损害包括:脑损伤、智力残疾、缺乏协调能力、失明、癫痫发作、语言障碍［11］。

综上所述，汞对人体的危害很大，尽管我们已认识到并开展了大量的工作，但由于汞污染研究方面开展的比较晚，各项工作还处于探索阶段，特别是在汞的生物地球化学循环、汞的迁移转化方面的研究落后于发达国家。水生生态系统是汞发生甲基化的重要场所，在水生生态系统中，对汞生物地球化学循环展开研究，特别是对汞形态迁移转化展开系统研究，将会促使人类对汞的生物地球化学过程产生新的认识。同时，也将为防治汞污染以及对保护水生生态系统的完整性和多样性提供理论依据。

［1］Mark E.Brigham，David P.Krabbenhoft，and Pixie A.Hamilton Mercury in Stream Ecosystems—New Studies Initiated by the U.S.Geological Survey［J］.Fact Sheet 016－03Month 2003．

［2］Linqvist O，Johansson K，Aastrup M，et al.Mercury in the Swedish environment［J］．Water Air Soil Pollut，1991，55:1－261．

［3］张兰田，吴吉琨，张义生，等．第二松花江哈达湾江段底泥中汞的形态规律分布研究［J］．环境化学，1982，4(5):40－46．

［4］Agneta Go¨ thberg.Maria Greger．Formation of methyl mercury in an aquatic macrophyte［J］．Chemosphere 65(2006):2096－2105．

［5］付学吾，冯新斌，王少峰，等．植物中汞的研究进展［J］．矿物岩石地球化学通报，Vol.24 No.3，2005 July．

［6］杨保华．两种沉水植物对汞的耐受力及净化作用［D］．

［7］ECOLOGICAL EFFECTS OF MERCURY．

［8］Homira Agah·Martine Leermakers·Marc Elskens·S.Mohamad Reza Fatemi·Willy Baeyens.Total mercury and methyl mercury concentrations in fish and the Persian gulf and the Caspian sea［J］．Water Air Soil Pollut.DOI 10.1007/s11270－006－9281－0．

［9］蔡文超．重金属水体污染与健康影响［J］．广医通讯，1979，03:1－11．

［10］Dr J.F.Risher.Elemental mercury and inorganic mercury compounds:human health aspects［R］．World Health Organization，2003．

［11］Krisha McCoy，MS.Mercury Toxicity［J］EBSCO Publishing.2012:1－5．