隐藏在海水中的汞元素

撰文/童国庆

隐藏在海水中的汞元素

撰文/童国庆

伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科学家正在检查一种海洋中的神秘元素——汞。

冶金废水的排放会很轻易地将汞元素传播到海洋

大多数人都听说过，我们现在应该限制某些鱼类的食用，因为它们体内积累的汞（水银）含量已经超过了安全标准。

从陆地或者空气进入海洋的水银，大多数是以汞元素的形式存在，对于海洋生命的威胁很小，因为海洋生命能够轻而易举地摆脱汞元素。然而，能够存在于鱼的体内的汞元素是指甲基汞，因为它有一个甲基CH3，连接着一个汞原子。

左图：水俣病事件之后受害群众的抗议游行

问题是，我们不知道甲基汞来自哪里。因为进入海洋的汞并不多，所以进入鱼体内的汞也不多，然而，在海洋的某处某时，仍然进行着由元素汞到甲基汞的转化。

由于工业发展或其他经济活动，汞可能在三四十年前就已经被不知不觉地倾倒在人们生活的地方附近。汞元素本身对生物界的威胁并不大，但是因为生活在水里或者泥里的蠕虫、贝类和其它微小生物，总是在不断地搅动着那些汞元素，促成汞元素的甲基化，即产生了毒性。

水俣病:

汞是如何进入海洋的？

水俣病是指人或其他动物食用了含有机汞污染的鱼贝类，使有机汞侵入脑神经细胞而引起的一种综合性疾病，是世界上最典型的公害病之一。“水俣病”于1953年首先在日本九州熊本县水俣镇发生，当时由于病因不明，故称之为水俣病。

日本水俣湾事件中，汞污染是来源于化工厂甲基汞的倾倒。在正常情况下，海洋汞元素的主要来源有两个。一些来自地球的自然活动，例如火山喷发等；大约三分之二的汞元素来源于人类活动，其中最大的来源就是化石燃料的燃烧，特别是煤的燃烧，仅美国一个国家一年因为煤燃烧排放进入空气中的汞元素就达160吨。汞被排放到空气中以后，降雨又会使它们进入海洋。人类还向河流或海洋排放含有汞的工业废水。汞的排放是人类社会一直存在的问题。自从罗马时代以来，汞矿开采就一直向的里雅斯特海湾倾倒废水。

甲基汞是从哪儿来的？

即使大量的汞元素被排放进海洋，如果汞没有转化为甲基汞，也不会对人类健康造成多大的威胁。被排放到海洋中的汞，扩散到浮游植物生长的环境中，被浮游植物俘获，然后在生物圈的食物链中不断地传递和积累，最后在大型的捕食鱼类体内聚积，例如金枪鱼等，鱼体内的甲基汞含量是周围水体的10万倍以上。

“就像一个种滤食性海洋生物，非常接近食物链的最底层，其体内的甲基汞含量可能没有金枪鱼、鲭鱼、旗鱼或鲈鱼那么高，但是，所有的这些鱼类，都是我们真的很喜欢吃的鱼类。”伍兹霍尔海洋学研究所的生化专家卡尔兰博格（Carl Lamborg）说。

那么，汞是怎样被转化为甲基汞的呢？卡尔说，这个过程可能是一种生化过程，也就是汞与生物相互作用的结果。除此之外，人类关于这方面的认知仍然是零。我们知道，鱼不会使汞甲基化，浮游植物和浮游动物可能也不会使汞甲基化。

然而，某些细菌却能够产生甲基汞，主要是作为其呼吸功能的副产物的形式出现。这已经可以从生活在海洋底泥或者大陆架中的细菌中观察到。汞的甲基化也可能发生在深海的沉积物中，但这一点人类了解的不多。

海洋底泥以下的几厘米处，氧气非常少，生活在那里的微生物必须使用无氧呼吸。一个常见的方式是一种被称为“硫酸盐还原”的化学反应，在呼吸过程中，微生物利用周围海水中的硫酸根离子（SO42-），并且向水体中排出负2价的硫离子（S2-），它是作为一种代谢废物排出的。如果海洋泥沙中的多孔空间中还包含了大量的汞，就为汞的甲基化创造了条件。汞一旦进入细胞的内部，就变成了甲基汞。科学家们目前还没有发现这种转换过程所涉及的化学反应，但汞的硫化物进入细菌细胞后不久，细胞就会释放出甲基汞。一些扩散的甲基汞进入了开放水域的泥沙中，在那里，甲基汞被浮游植物所捕获，开始了它在食物链中的传播。

上图：浮游生物是甲基汞传播中的重要一环

下图：汞（水银）是水俣病事件的祸首

但是，泥沙中的细菌所制造的甲基汞有多少进入了上述发现的水域呢？甲基汞是使鱼有毒的唯一原因吗？

卡尔对这一想法一直持怀疑态度。他认为，海洋中的甲基汞还有其他来源。“我一直在思考的问题是，大量的甲基汞实际上是从海洋水体自身产生的。”他说。

神秘的海洋汞富集层

卡尔发现，在海洋中存在着一个水层，他称之为“中水层”，大约在100～400米厚，其中含有高浓度的甲基汞。这个水层出现在中层水域水深100～1000米的海域，实际深度取决于海洋中的具体位置。他在相对孤立的黑海附近、非洲西部海岸附近的公海海域、百慕大附近水域发现了含量较高的甲基汞层。特别有趣的是，最高水平的甲基汞浓度出现在水中的溶解氧含量大幅度下降的海域。

“溶解氧的减少是由靠近表层生长的浮游生物造成的，”他说，“当浮游生物死了，或者被其他浮游生物吃了，那些死去的浮游生物或者细胞向下沉积，并且腐烂，腐烂过程消耗水中的氧气。”

这是可能的，像沉积物中的细菌一样，任何生活在海洋低氧区的细菌也依靠硫酸盐进行呼吸，可以在中层低氧区产生甲基汞。

卡尔试图证实自己的假设，但他首先要排除另一种可能性：低氧区的甲基汞是否会来自较高的水层。科学家研究浮游植物时发现，它们体内20%至40%的汞都已经被甲基化了。卡尔思考：浮游植物和浮游动物被吃掉、死亡、沉降，然后被降解，这些过程释放出的甲基汞是否会在中水层积累呢？

如果表层水域的生物组织并不是中层水中甲基汞的来源，那么甲基汞是从哪里来的呢？卡尔说，它可能是大陆架上的细菌沉积物中的细菌产生的，然后被释放到水中。水流会冲刷和携带这些甲基汞进入海洋，并将它们带到开放海域的中层水中，其他研究人员正在探索这种可能性。

虽然卡尔赞同中层水发现的甲基汞来源于细菌的呼吸作用，最近，他又与微生物学家特雷西明瑟，以及其他伍兹霍尔海洋研究所的部门同事合作，确定细菌的基因，希望揭开汞甲基化过程的神密面纱。

“汞正在悄悄进入海洋的低氧区，”卡尔说，“这些粒子正在发挥着过去甲基汞在那里发挥的作用。”