人為汞污染已到達馬里亞納海溝?

60多年前,日本曾爆發震驚世界的「水俁病」事件,水俁病背後的元兇就是甲基汞。汞是一種有毒且能夠全球傳輸的污染物,當今的汞排放約為工業革命前的3—5倍,使得表層生態系統中的汞污染顯著增加。當今主流觀點認為海洋中的甲基汞主要產生於中部海洋(100—1000米)的低氧區。隨着航測汞數據覆蓋率的增加,越來越多的研究表明深海(大於1000米)甲基汞含量可能並不低。

人為汞污染已到達馬里亞納海溝?

日前,《自然·通訊》上發表的一篇文章《上層海洋甲基汞侵入到馬里亞納海溝》證實,人為源汞可能已經到達地球上最偏遠的海洋生態系統的食物網,並對脆弱的深淵生態系統造成潛在危害。此項研究由天津大學地球系統科學學院副教授孫若愚、劉羿團隊與中國科學院深海科學與工程研究所以及法國科學院圖盧茲地球環境研究所、南開大學、南京大學合作,利用深淵着陸器採集馬里亞納海溝生物樣品,通過汞同位素來揭示深淵甲基汞的來源與遷移途徑。

但由於人類對深海的探索還比較有限,因此甲基汞在深海中的富集程度如何,人為產生和自然產生汞的比例是多少,還有沒有其他途徑讓甲基汞到達深海,全球幾十個海溝系統是否都具有相同的汞來源和遷移途徑,目前還都是一個謎。

學術界長期認為

千米以下深海沒被甲基汞污染

汞是世界上唯一一種在常溫常壓下以液態存在的金屬元素,具有很強的揮發性。「自然和人類活動都會產生汞。汞有各種自然來源,比如火山爆發和森林火災。但是,人類活動,如煤炭和石油燃燒、采礦和冶煉,是汞污染海洋環境的主要原因。」文章的第一通訊作者孫若愚介紹,進入到海洋中的汞在細菌的作用下會轉化為劇毒的甲基汞,而甲基汞易於在生物中富集,並通過食物鏈進入到高營養級魚類以及哺乳動物和人體中。比如,箭魚中的甲基汞濃度為鮭魚的40倍。

因此,在全球變化的大背景下,海洋甲基汞的生成、轉化和富集的研究對於制定全球和區域性環境政策(如《關於汞的水俁公約》)具有重要的意義。

此前在《自然》等科學期刊上已發表的研究認為,當今海洋大約有6萬多噸人為產生的汞,其中2/3位於上層海洋,其餘1/3位於深層水快速形成區的北大西洋深層水和南極底層水。

「以前的研究認為,由於北大西洋受歐美等國家大規模工業化等影響,人為汞排放加大,造成大氣中汞含量增多。大氣中的汞進入到海洋上層,受到洋流影響,當海水流到北冰洋,由於海水溫度降低,迅速下沉,加速了人為來源的汞沉入海洋深處。」孫若愚介紹,這已經被科研人員發現並證實,在這些區域的深層海洋中,都存在人為產生的甲基汞。

「但當時科研人員用同樣的方法估算太平洋深層海洋中是否有汞污染的時候,得出的結論是,理論上講太平洋深海基本沒有受到汞污染。因為太平洋並不位於深層水形成區,如果上層海水被污染,海水慢慢混合到下層,這是個非常漫長的過程。」孫若愚說,如果因洋流作用,被污染的海水從大西洋深層流到太平洋深層距離有兩萬多公里,速度也非常的緩慢,可能需要上千年的時間。

基於這些研究,一直以來,學術界都認為甲基汞主要產生於海洋頂部幾百米深度的地方,千米以上的深海基本上都沒有受到來自人為的汞污染,被視作地球上最後的「淨土」。

同位素測定發現

深海動物體內富集人為產生的汞

近年來,隨着深海探測熱的興起,深潛器技術發展提速,國產深潛器和捕撈器都能到達萬米下深海進行作業。孫若愚說:「我們選擇了馬里亞納海溝進行取樣,因為這是目前已知海洋的最深處,如果汞污染能達到這里,其他地方也應該是存在的。」

人為汞污染已到達馬里亞納海溝?

海洋系統汞循環示意圖。數字表示不同過程:1-生物還原;2-光還原;3-生物甲基化;4-吸附;5-光降解;6-解吸附;7-生物甲基化;8-顆粒物下沉;9-垂直混合;10-累積與傳遞

孫若愚團隊於2016—2017年,在馬里亞納和雅浦海溝的海底部署了精密的深海采樣器,並在7000—11000米處捕獲了特有的動物群,如獅子魚和溝蝦,在5500—9200米處收集了沉積物。研究發現,相比於淡水及海岸帶區域里類似的片腳類動物,深淵鈎蝦體明顯富集總汞和甲基汞。

孫若愚等研究人員發現,7000—11000米海溝生物與上層海洋(1000米以內)魚類具有相似的汞同位素組成。結合海溝區域的深層水生成模式、甲基汞生命周期以及顆粒物傳輸途徑,該研究認為:海溝生物的甲基汞主要來自上層海洋;表層海洋經過光降解的甲基汞與中層海洋未經光降解的甲基汞混合,繼而通過下沉的顆粒物進入到深海食物鏈系統。

孫若愚解釋:「大氣中存在的汞,隨着降雨沉積到表層海洋,然後以鯨落(指鯨死去後沉入海底的現象)和死亡海藻顆粒團等小顆粒形式輸送到深海。在這個過程中,馬里亞納海溝獨特地質構造導致地震頻發,產生的漏斗放大系統會加速小顆粒傳輸。我們通過測量汞的同位素組成來確定汞的富集情況,結果顯示海底生物與太平洋400—600米深處的魚類非常吻合,而且相關證據顯示,這些汞可能來源於近幾十年,因此很大部分來自人類活動。」

有待進一步驗證

深海汞污染自然形成還是人為造成

「目前檢測生物體內富集的汞及其同位素都是間接證據,只有直接檢測海水中的汞含量和同位素才是直接證據。」孫若愚介紹,但是由於海水中汞含量極其低,以現有檢測技術很難直接准確測試海水中的汞同位素組成,所以下一步需要發展出更好的技術,以獲取直接證據來支持這個結論。

「而且目前馬里亞納海溝深海里發現的甲基汞中,源自人為的汞和自然汞的比例是多少,通過同位素檢測也都無法確定。」

海洋生物需要生存,就需要食物。鯨落與熱液、冷泉一同被稱為是深海生命的「綠洲」,它們共同促進了海洋生物的繁榮。「通過檢測海洋生物體內的汞同位素,目前已經論證出了鯨落是甲基汞遷移的途徑之一。但我們還沒測試過熱液和冷泉周圍的樣本,因此無法探知熱液和冷泉是否也是深海甲基汞的來源。如果有,深海魚類體內來自冷泉和熱液的甲基汞又是多少呢?」孫若愚表示,這些問號都有待於進一步采樣進行驗證。

此外,全球有幾十個海溝系統,這些海溝系統是否都具有相同的來源和遷移途徑?「目前需要去這些海溝系統的深海區域采樣檢測,才能論證其是否也都具有和馬里亞納海溝相類似的情況。」孫若愚表示,多樣本分析後,才能做出一個合理的模型,使我們對海洋最深處汞的來源有更好的了解,將有助於模擬汞在海洋中的命運。

「如果再大膽地推測一下,在深海可能有未知的暗流,速度比較快,可能很快就能把上層海水帶到太平洋深海區域。」孫若愚說,深海未知的東西太多了,科學家還需要繼續進行探索。

來源:cnBeta