汞的海洋-大气交换新视角：二甲基汞的逃逸与甲基汞的长距离传输

《SCIENCE ADVANCES》：Elevated methylmercury in Arctic rain and aerosol linked to air-sea exchange of dimethylmercury

本研究聚焦于汞的海洋-大气交换过程，通过分析从阿拉斯加沿海水域到白令海和楚科奇海的降水和气溶胶中的汞同位素数据，揭示了二甲基汞（DMHg）的逃逸与甲基汞（MeHg）长距离传输之间的密切联系，强调了DMHg逃逸对汞循环和人类健康的重要性。

　　汞（Hg）是一种全球性污染物，对人类健康有显著影响。尽管已有研究关注大气中总汞（THg）的沉降，但对于甲基化汞（MeHg）的贡献，尤其是单甲基汞（MMHg）和二甲基汞（DMHg），仍知之甚少。为了填补这一知识空白，研究人员开展了一项北极考察，旨在研究海洋与大气之间无机汞和甲基汞的交换过程，并评估其在汞生物地球化学循环中的重要性。研究结果表明，DMHg从海洋表面逃逸，并通过大气传输影响甲基汞在降水和气溶胶中的分布，进而对人类健康和生态系统构成潜在风险。该研究揭示了DMHg逃逸与大气甲基汞之间的联系，并强调了其在全球汞循环中的关键作用。论文发表在《Science Advances》上，为理解汞的环境行为和评估其健康风险提供了新的视角。

研究背景

汞是一种具有高度毒性的全球性污染物，其主要危害形式是甲基汞（MeHg），一种生物累积性神经毒素。MeHg主要在水生系统中形成，并通过食物链生物放大，最终导致人类暴露风险增加。尽管人类活动导致的汞排放不断增加，但目前对于MeHg在大气中的传输和沉降过程仍缺乏深入了解，尤其是在海洋环境中。二甲基汞（DMHg）是一种挥发性强的有机汞化合物，能够从海洋表面逃逸到大气中，并可能在大气中转化为单甲基汞（MMHg），进而通过降水和气溶胶沉降到陆地和海洋中。这一过程可能对远离DMHg源区的生态系统和人类健康产生影响，但相关研究还非常有限。

研究方法

研究人员在2021年5月至6月期间，乘坐“Sikuliaq”号科考船，从阿拉斯加的荷兰港出发，经过白令海和楚科奇海，最终返回阿拉斯加的西沃德港。在考察过程中，研究人员收集了降水样品、气溶胶样品，并连续测量了海洋表层水中的DMHg浓度。为了测量溶解态DMHg，研究人员使用了新开发的DMHg自动分析仪（DAA），通过反向气流气体平衡室与DAA耦合，实现了对海洋表层水中DMHg的高分辨率连续测量。此外，研究人员还利用高容量气溶胶采样器收集了气溶胶样品，并使用Tekran汞分析系统测量了大气中的汞形态，包括气态汞（Hg⁰）、颗粒态汞（Hg^P）和反应性气态汞（RGHg）。降水样品则通过N-CON降水采样器收集，并在实验室中进行汞形态分析。

研究结果

DMHg逃逸与海洋环境

研究人员发现，在阿拉斯加沿海地区，海洋表层水中的DMHg浓度显著高于其他区域，平均浓度达到10.26 fM，是其他区域平均值的20倍。这一高浓度区域与阿留申群岛附近的上升流区域重合，表明上升流可能是DMHg的重要来源。DMHg的逃逸通量在该区域也显著增加，平均达到1.59 pmol m^?2 hour^?1，远高于白令海和楚科奇海的其他区域。通过水团分析，研究人员发现高DMHg浓度的水团主要来源于白令海架的夏季水团（BSW），该水团在夏季初期形成，并通过白令海峡向北传输到楚科奇海。然而，由于DMHg的化学性质不稳定，其在传输过程中会逐渐降解，导致浓度逐渐降低。此外，DMHg在北向传输过程中的逃逸也会进一步减少其在海洋中的含量。

汞在降水和气溶胶中的分布

研究人员在降水和气溶胶样品中检测到了较高的MeHg浓度。在阿拉斯加沿海地区，降水中的MeHg:THg比例达到了7.7%，远高于2015年北极GEOTRACES考察期间在楚科奇海附近测得的平均值（1.5%）。气溶胶中的MeHg:THg比例也表现出类似的趋势，在靠近DMHg逃逸峰值区域的气溶胶中，MeHg:THg比例最高，达到4.3%。随着距离的增加，降水和气溶胶中的MeHg:THg比例均呈下降趋势，这表明DMHg逃逸对大气中MeHg的分布有显著影响。研究人员通过分析发现，DMHg逃逸后可能在大气中转化为MMHg，并通过气溶胶和降水传输到更广泛的区域。这一过程不仅影响了大气中的MeHg浓度，还可能通过沉降增加海洋和陆地生态系统中的MeHg输入。

汞的生物地球化学循环

研究表明，DMHg逃逸对北极汞循环具有重要意义。在北极地区，大气沉降是MeHg输入的主要途径之一，其年沉降量估计为2.6 Mg year^?1，是河流输入MeHg量的三倍。研究人员通过比较DMHg逃逸通量与MeHg的干湿沉降通量，发现在阿拉斯加沿海地区和南白令海，DMHg逃逸通量超过了MeHg的干湿沉降通量，表明DMHg逃逸可能是维持大气中MeHg浓度的重要因素。然而，在北白令海和楚科奇海，MeHg的沉降通量超过了DMHg逃逸通量，这表明在这些区域可能存在其他MeHg的来源。此外，研究人员还指出，随着全球气候变暖，海洋表面温度升高、上升流增强和初级生产力增加，可能会显著影响DMHg在海洋表层水中的浓度及其逃逸通量，进而影响MeHg在大气中的传输和沉降，加剧海洋生态系统中MeHg的生物累积。

研究结论与讨论

本研究揭示了DMHg逃逸对大气中MeHg分布和沉降的重要影响，强调了DMHg逃逸在全球汞循环中的关键作用。研究结果表明，DMHg从海洋表面逃逸后，可能在大气中转化为MMHg，并通过气溶胶和降水传输到更广泛的区域，最终沉降到海洋和陆地生态系统中。这一过程不仅影响了大气中的MeHg浓度，还可能通过沉降增加生态系统中的MeHg输入，进而对人类健康和生态系统构成潜在风险。此外，研究还指出，随着全球气候变暖，海洋环境的变化可能会进一步加剧MeHg的生物累积，对生态系统和人类健康产生更大的影响。因此，未来的研究需要进一步评估DMHg逃逸在全球汞循环中的作用，并加强对汞的生物地球化学循环过程的理解，以便更准确地评估汞污染对人类健康和生态系统的影响。