地化所在水体与大气界面汞交换过程和同位素分馏研究中取得新进展

　　汞（Hg）是通过大气进行长距离和跨国界传输的全球污染物，并以不同形态沉降到水体和陆地环境，转化为剧毒甲基汞在生物体内富集，对生态环境造成严重危害。在全球汞循环中，水体与大气界面Hg(0)交换起着至关重要的作用。全球汞的生物地球化学模型指出，全球水体（主要是海洋）每年排放到大气的汞为 2040~4600 吨，约占全球大气汞排放总量的36%，每年沉降到全球水体的大气Hg(0)为 800~1700 吨，约占全球大气汞沉降量的 50%。水体排汞是全球大气汞的最大来源之一，因此这一过程可能极大地影响大气Hg(0)的库和同位素组成。然而，目前我们对水体与大气界面Hg(0)交换的因素、控制机理及同位素组成和分馏规律缺乏系统且可靠的认识。而根据仅有的一些实验室开展的汞同位素分馏规律的结果难以准确预测水体与大气界面Hg(0)交换的同位素分馏规律，这限制了我们对全球大气汞地球化学循环的认识。此外，虽然现有模型区分了水体Hg(0)的排放和沉降通量，但缺乏原位的通量测量方法。

　　中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室冯新斌研究员领导的团队以我国红枫湖、湖光岩玛珥湖和纳木错为研究对象，基于新型动态通量箱（DFC）通量测量技术及天然稳定汞同位素技术，详细研究了水体与大气界面Hg(0)交换的动力学过程和影响因素，并基于Δ²⁰⁰Hg质量平衡模型计算了水体Hg(0)的沉降和排放通量。研究结果表明：

　　（1）红枫湖、湖光岩玛珥湖和纳木错的大气界面Hg(0)交换通量为分别为1.5 ± 1.0、1.8 ± 1.1和1.2 ± 0.7 ng m^-2 h^-1，这3个湖泊水体与大气界面Hg(0)交换通量均显示为大气汞的源。此外，这些湖泊与大气界面Hg(0)交换过程的同位素组成总体呈现出偏负的δ ²⁰²Hg和Δ¹⁹⁹Hg，以及偏正的Δ²⁰⁰Hg（图1）。

图1湖泊水体与大气界面Hg(0)交换过程的同位素组成（Δ¹⁹⁹Hg vs δ²⁰²Hg）。红枫湖（A），湖光岩玛珥湖（B）和纳木错（C）

　　（2）经控制实验得知，大气Hg(0)沉降至水体的结果显示其沉降通量和同位素组成没有昼夜变化的趋势，表明光照对Hg(0)沉降到水体的影响较小。沉降过程呈现出重同位素优先沉降（ε²⁰²Hg_{Hg(0) residualHg(0) injected} = δ²⁰²Hg_{Hg(0) residual} - δ²⁰²Hg_{Hg(0) injected} = -0.38‰），且没有明显的非质量分馏（图2），这与水溶液中Hg(0)的氧化结果一致。因此，液相Hg(0)的氧化过程是驱动大气Hg(0)沉降至水体的主要因素。

图2 大气Hg(0)沉降至水体的同位素分馏结果

　　（3）排放控制实验结果显示，水体排放Hg(0)的通量与光照呈明显正相关关系（R²=0.96）。排放过程的同位素结果呈现为偏负的MDF和odd-MIF（图3），且Δ¹⁹⁹Hg/Δ²⁰¹Hg的斜率为1.0 ± 0.08（1σ）。另外，红枫湖、湖光岩和纳木错水体与大气交换过程的Δ¹⁹⁹Hg/Δ²⁰¹Hg的斜率分别为1.01、1.00和1.10，因此水体排汞主要受到液相Hg(II)的光还原过程的控制。

图3水体排放Hg(0)过程的同位素分馏结果

　　（4）Δ²⁰⁰Hg质量平衡模型计算结果如下：红枫湖Hg(0)排放和沉降通量分别为4.1和2.3 ng m^-2 h^-1、湖光岩Hg(0)排放和沉降通量分别为3.3和1.6 ng m^-2 h^-1、纳木错Hg(0)排放和沉降通量为2.1和1.2 ng m^-2 h^-1（图4）。这些Hg(0)沉降通量与森林、背景区土壤和海洋的相近，表明大气Hg(0)沉降在全球汞循环中起着非常重要的作用。

图4 红枫湖、湖光岩玛珥湖和纳木错的Hg(0)排放和沉降通量

　　上述研究成果发表在环境科学与地球科学研究领域期刊Environmental Science & Technology（《环境科学与技术》）上，并被选为补充封面（图5）。该研究得到了中国科学院基础前沿科学研究计划（ZDBS-LY-DQC029）和战略性先导科技专项（XDB40020404）、王宽诚教育基金和国家自然科学基金（41921004）的资助。

图5 本研究被选为补充封面 Supplementary Cover 文章

　　论文信息：Hui Zhang, Xuewu Fu, Xian Wu, Qianwen Deng, Kaihui Tang, Leiming Zhang, Jonas Sommar, Guangyi Sun, Xinbin Feng; Using mercury stable isotopes to quantify bidirectional water-atmosphere Hg(0) exchange fluxes and explore controlling factors. Environmental Science & Technology, https://doi.org/10.1021/acs.est.3c01273

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c01273

　　（冯新斌课题组/供稿）