撰文/童國慶

隱藏在海水中的汞元素

撰文/童國慶

伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的科學(xué)家正在檢查一種海洋中的神秘元素——汞。

冶金廢水的排放會很輕易地將汞元素傳播到海洋

大多數(shù)人都聽說過，我們現(xiàn)在應(yīng)該限制某些魚類的食用，因為它們體內(nèi)積累的汞（水銀）含量已經(jīng)超過了安全標(biāo)準(zhǔn)。

從陸地或者空氣進入海洋的水銀，大多數(shù)是以汞元素的形式存在，對于海洋生命的威脅很小，因為海洋生命能夠輕而易舉地擺脫汞元素。然而，能夠存在于魚的體內(nèi)的汞元素是指甲基汞，因為它有一個甲基CH3，連接著一個汞原子。

左圖：水俁病事件之后受害群眾的抗議游行

問題是，我們不知道甲基汞來自哪里。因為進入海洋的汞并不多，所以進入魚體內(nèi)的汞也不多，然而，在海洋的某處某時，仍然進行著由元素汞到甲基汞的轉(zhuǎn)化。

由于工業(yè)發(fā)展或其他經(jīng)濟活動，汞可能在三四十年前就已經(jīng)被不知不覺地傾倒在人們生活的地方附近。汞元素本身對生物界的威脅并不大，但是因為生活在水里或者泥里的蠕蟲、貝類和其它微小生物，總是在不斷地攪動著那些汞元素，促成汞元素的甲基化，即產(chǎn)生了毒性。

水俁病:

汞是如何進入海洋的？

水俁病是指人或其他動物食用了含有機汞污染的魚貝類，使有機汞侵入腦神經(jīng)細胞而引起的一種綜合性疾病，是世界上最典型的公害病之一。“水俁病”于1953年首先在日本九州熊本縣水俁鎮(zhèn)發(fā)生，當(dāng)時由于病因不明，故稱之為水俁病。

日本水俁灣事件中，汞污染是來源于化工廠甲基汞的傾倒。在正常情況下，海洋汞元素的主要來源有兩個。一些來自地球的自然活動，例如火山噴發(fā)等；大約三分之二的汞元素來源于人類活動，其中最大的來源就是化石燃料的燃燒，特別是煤的燃燒，僅美國一個國家一年因為煤燃燒排放進入空氣中的汞元素就達160噸。汞被排放到空氣中以后，降雨又會使它們進入海洋。人類還向河流或海洋排放含有汞的工業(yè)廢水。汞的排放是人類社會一直存在的問題。自從羅馬時代以來，汞礦開采就一直向的里雅斯特海灣傾倒廢水。

甲基汞是從哪兒來的？

即使大量的汞元素被排放進海洋，如果汞沒有轉(zhuǎn)化為甲基汞，也不會對人類健康造成多大的威脅。被排放到海洋中的汞，擴散到浮游植物生長的環(huán)境中，被浮游植物俘獲，然后在生物圈的食物鏈中不斷地傳遞和積累，最后在大型的捕食魚類體內(nèi)聚積，例如金槍魚等，魚體內(nèi)的甲基汞含量是周圍水體的10萬倍以上。

“就像一個種濾食性海洋生物，非常接近食物鏈的最底層，其體內(nèi)的甲基汞含量可能沒有金槍魚、鯖魚、旗魚或鱸魚那么高，但是，所有的這些魚類，都是我們真的很喜歡吃的魚類?！蔽槠澔魻柡Ｑ髮W(xué)研究所的生化專家卡爾蘭博格（Carl Lamborg）說。

那么，汞是怎樣被轉(zhuǎn)化為甲基汞的呢？卡爾說，這個過程可能是一種生化過程，也就是汞與生物相互作用的結(jié)果。除此之外，人類關(guān)于這方面的認(rèn)知仍然是零。我們知道，魚不會使汞甲基化，浮游植物和浮游動物可能也不會使汞甲基化。

然而，某些細菌卻能夠產(chǎn)生甲基汞，主要是作為其呼吸功能的副產(chǎn)物的形式出現(xiàn)。這已經(jīng)可以從生活在海洋底泥或者大陸架中的細菌中觀察到。汞的甲基化也可能發(fā)生在深海的沉積物中，但這一點人類了解的不多。

海洋底泥以下的幾厘米處，氧氣非常少，生活在那里的微生物必須使用無氧呼吸。一個常見的方式是一種被稱為“硫酸鹽還原”的化學(xué)反應(yīng)，在呼吸過程中，微生物利用周圍海水中的硫酸根離子（SO42-），并且向水體中排出負(fù)2價的硫離子（S2-），它是作為一種代謝廢物排出的。如果海洋泥沙中的多孔空間中還包含了大量的汞，就為汞的甲基化創(chuàng)造了條件。汞一旦進入細胞的內(nèi)部，就變成了甲基汞。科學(xué)家們目前還沒有發(fā)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換過程所涉及的化學(xué)反應(yīng)，但汞的硫化物進入細菌細胞后不久，細胞就會釋放出甲基汞。一些擴散的甲基汞進入了開放水域的泥沙中，在那里，甲基汞被浮游植物所捕獲，開始了它在食物鏈中的傳播。

上圖：浮游生物是甲基汞傳播中的重要一環(huán)

下圖：汞（水銀）是水俁病事件的禍?zhǔn)?/p>

但是，泥沙中的細菌所制造的甲基汞有多少進入了上述發(fā)現(xiàn)的水域呢？甲基汞是使魚有毒的唯一原因嗎？

卡爾對這一想法一直持懷疑態(tài)度。他認(rèn)為，海洋中的甲基汞還有其他來源?！拔乙恢痹谒伎嫉膯栴}是，大量的甲基汞實際上是從海洋水體自身產(chǎn)生的?！彼f。

神秘的海洋汞富集層

卡爾發(fā)現(xiàn)，在海洋中存在著一個水層，他稱之為“中水層”，大約在100～400米厚，其中含有高濃度的甲基汞。這個水層出現(xiàn)在中層水域水深100～1000米的海域，實際深度取決于海洋中的具體位置。他在相對孤立的黑海附近、非洲西部海岸附近的公海海域、百慕大附近水域發(fā)現(xiàn)了含量較高的甲基汞層。特別有趣的是，最高水平的甲基汞濃度出現(xiàn)在水中的溶解氧含量大幅度下降的海域。

“溶解氧的減少是由靠近表層生長的浮游生物造成的，”他說，“當(dāng)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細胞向下沉積，并且腐爛，腐爛過程消耗水中的氧氣?！?/p>

這是可能的，像沉積物中的細菌一樣，任何生活在海洋低氧區(qū)的細菌也依靠硫酸鹽進行呼吸，可以在中層低氧區(qū)產(chǎn)生甲基汞。

卡爾試圖證實自己的假設(shè)，但他首先要排除另一種可能性：低氧區(qū)的甲基汞是否會來自較高的水層?？茖W(xué)家研究浮游植物時發(fā)現(xiàn)，它們體內(nèi)20%至40%的汞都已經(jīng)被甲基化了?？査伎迹焊∮沃参锖透∮蝿游锉怀缘?、死亡、沉降，然后被降解，這些過程釋放出的甲基汞是否會在中水層積累呢？

如果表層水域的生物組織并不是中層水中甲基汞的來源，那么甲基汞是從哪里來的呢？卡爾說，它可能是大陸架上的細菌沉積物中的細菌產(chǎn)生的，然后被釋放到水中。水流會沖刷和攜帶這些甲基汞進入海洋，并將它們帶到開放海域的中層水中，其他研究人員正在探索這種可能性。

雖然卡爾贊同中層水發(fā)現(xiàn)的甲基汞來源于細菌的呼吸作用，最近，他又與微生物學(xué)家特雷西明瑟，以及其他伍茲霍爾海洋研究所的部門同事合作，確定細菌的基因，希望揭開汞甲基化過程的神密面紗。

“汞正在悄悄進入海洋的低氧區(qū)，”卡爾說，“這些粒子正在發(fā)揮著過去甲基汞在那里發(fā)揮的作用。”