（环境工程专业论文）汞在土壤中的吸附解吸及其非生物甲基化.pdf

摘要 重金属汞一旦污染土壤，就很难通过水的淋滤和微生物降解而去除，因其与土壤 有很强的亲和力，所以可以被土壤迅速固定或强烈吸附并被长期滞溜。然而，被吸附 在土壤中的汞不会一成不变，它容易被激活，发生形态变化或与土壤中的有机质发生 反应生成甲基汞或二甲基汞。吸附和解吸是重金属汞在土壤中发生的必然过程，而甲 基化反应又是汞生物地球化学循环的一个重要过程。因此研究汞在土壤中的吸附一解 吸行为及其甲基化，对于预测汞的环境行为、了解汞的生物有效性及生态影响评价至 关重要；并为土壤中汞污染物的修复提供一定的依据。主要的研究内容与结果如下： 1 建立了碱消解高效液相色谱( h p l c ) 同时测定土壤中无机汞和甲基汞的分 析方法。试验研究了k o h 甲醇提取液浓度、消解时间以及反萃取剂n a 2 s 2 0 3 浓度对 碱消解过程中甲基汞提取率的影响，当k o h 甲醇提取液浓度为2 5 、消解时间为1 2 m i n 、n a 2 s 2 0 3 浓度为0 0 1 m o l l d 时，k o h 甲醇溶液对土壤甲基汞的提取率最高。提 取出的无机汞和甲基汞，经衍生后h p l c 法测定，流动相最佳选择为0 0 lm o l l 。1 t b a b r 和0 0 2 5m o l l - ln a c l 的水溶液：甲醇= 4 5 ：5 5 ( v ：v ) 。在优化检测条件下，土壤 样品中无机汞和甲基汞的检出限分别为1n g 分1 和1 0n g g 一。该方法样品前处理简单、 线性范围宽、精密度高、准确性好，适用于土壤中汞化合物的形态分析。 2 通过振荡平衡试验，研究了无机汞和甲基汞在几种性质不同土壤中的吸附一解 吸特性。结果表明：土壤对无机汞和甲基汞的吸附解吸均能用l a l l 舯u i r 方程或 f r e u l l d l i c h 方程很好地拟合。随着溶液中无机汞和甲基汞初始浓度的增加，其在土壤 中的吸附量增加；土壤类型不同，土壤对无机汞和甲基汞的吸附量也不同。三种土壤 对无机汞的吸附量大小顺序为：水稻土 黄褐土 红壤，三种土壤对甲基汞的吸附量 大小顺序为：红壤 黄褐土 水稻土；以及无机汞在三种土壤中的解吸量大小顺序为： 红壤 黄褐土 水稻土。无机汞和甲基汞在土壤中的吸附受土壤理化性质的影响，有 机质含量丰富、阳离子交换量大的水稻土，对无机汞的吸附能力强；粘粒含量高、p h 低的红壤，对甲基汞的吸附能力强。 3 通过土壤灭菌密闭培养试验，初步研究了汞的非生物甲基化，并探讨了汞非 生物甲基化的影响因素。结果表明：在密闭培养条件下，土壤中的汞可以发生非生物 甲基化；并且水稻土和黄褐土中汞的甲基化率要明显高于红壤。汞非生物甲基化受多 种因素的影响，土壤p h 越大、甲基钴胺素含量越高、初始汞浓度越大、硫离子浓度 越低，越有利于非生物甲基化。 关键词：无机汞，甲基汞，吸附，解吸，甲基化 a b s t r a c t i tw a sd i m c u l tt or 锄o v et h r o u 曲w a t e rl e a c h i n ga l l dm i c r o b i a ld e 盟a d a t i o n ，o n c et h e m e r c u r yc o n t 锄i n a t e dt h es o i l i tw a so r e nq u i c k l ya s s i m i l a t e da n ds t i o n ga d s o 叩t i o na n d l o n g - t e r ms t 楚皿a t i o ns l i pb ys o i l s ，o na c c o u n to fi t ss t r o n ga m n i t yw i t ht h es o i l h o w e v e r ， i tw a sn o ts t a t i ca n dc a nb ea c t i v a t e d ，o c c u r r dm em o 叩h o l o 垂c a lc h a n g eo rg e n e r a t e dw i t h o 玛a 1 1 i cm a t t e r ，c o n v e r t i n gt oo 玛a n i cm e r c u 珥n ea d s o 印t i o n - d e s o 印t i o nw a sb o u n dt o o c c u rb ym e r c u r yi n s o i l s ，m e t h l a t i o nw a sa 1 1i m p o r t a n tp r o c e s s f o rt h em e r c u 巧 b i o g e o c h e m i c a lc y c l ey e t t l l e r e f o r e ，i n v e s t i g a t i n gt h ea d s o 印t i o n - d e s o 印t i o nb e h a v i o ra s w e l la sm em e t h y l a t i o no fi n o r g a n i ca n dm e t h y lm e r c u 巧i ns o i l s ，a sf o rc a l c u l a t i n g e n v i r o m e n t a le 虢c t sa i l dc o m p r e h e n d i n gb i o a v a i l a b i l i t y ，e c o l o g i c a l i m p a c ta s s e s s m e n to f m e r c u 巧w a se s s e n t i a l ；a i l d m e s ew o u l dp r o v i d et h ec e n a i nb a s i sf o rr e m e d i a t i o no f m e r c u 巧p o l l u t i o ni n 伽1 1 1 1 a 1 1 d t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sw e r e1 i s t e da sf o l l o w s ： 1 am e m o df o rt h ed e t e 衄i n a t i o no fi n o r g a n i cm e r c u r ya j l dm e t h y lm e r c u r yi ns o i l s b yh i 曲p e r f o m a l l c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y( h p l c ) w i ma l k a l i n e d i g e s t i o n w a s e s t a b l i s h e d t 1 1 ee x p 甜m e n t sw e r es e tu pf o re x 锄i n gt h ee 仃e c t so fk o h m e t h a l l o l c o n c e n t r a t i o n ，d i g e s t i o nt i m ea n dn a 2 s 2 0 3c o n c e n t r a t i o no nm e e x t r a c t i o nr a t e so fm e t h y l m e r c u r yi nt h ep r o c e s so fa l k a l i n ed i g e s t i o n 、他e nt h ek o h m e t h a l l o lc o n c e n t r a t i o nw a s 2 5 ，m ed i g e s t i o nt i m ew a s12m i n u t e s ，a n dn a 2 s 2 0 3c o n c e n t r a t i o nw a s0 01m 0 1 l ， m e h i g h e s te x t r a c t i o nr a t eo fm e m y lm e r c u r yi n s o i l sw e r eo b t a i n e d a r e re x t r a c t e dw i t h k o h m e m a n o l ，m e r c u 巧a n dm e t h y lm e r c u 巧w e r e d e r i v a t i v e da 1 1 dt h e nd e t e c t e db yh p l c t h em o b i l ep h a s ew a sm e t h a n o l + w a t e r ( 5 5 + 4 5b yv o l u m e ) c o n t a i n i n g0 o1m o l l - 1 t e t r a 以a l k v l 锄m o n i u mb r o m i d e sa l l do 0 2 5 m o l l “s o d i u mc h l o r i d e ho p t i m i z e d c o n d i t i o n s ，t h ed e t e c t i o n1 i m i t sf o ri n o 玛a j l i cm e r c u r ya n dm e t h y lm e r c u 巧w e r eln g g “ a i l d10n g 分1r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em e m o dh a das i m p l ep r e t r e 砌e n t p r o c e d u r e ，b r o a d1 i n e a rr a l l g e ，g o o da c c u r a c ya 1 1 dp r e c i s i o n ，a i l dw a ss u i t a b l e f o rm e d e t e m i n a t i o no fm e r c u r ys p e c i a t i o ni ns o i l s 2 t h ea d s o 叩t i o no fi n o r g a i l i cm e r c u r ya 1 1 dm e t h y lm e r c u r yi np a d d y ，t a w n y ，a i l dr e d s o i l sw e r es t u d i e du s i n ga d s o 叩t i o ne q u i l i b u me x p e r i m e n t s t h er e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h e a d s o r p t i o no fm e r c u r ya 1 1 dm e t h y lm e r c u r yi n s o i l sw e r ew e l l6 t t e db yt h el a n g m u i r i s o t h e n i l ，a sw e l la sf r e u n d l i c hi s o t h 咖a n dt h ea d s o r p t i o no fm e r c u 拶a i l dm e t l l y l m e r c u 巧i nt h e s es o i l si n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gt h e i ri n i t i a lc o n c e n t r a t i o n t h ea d s o 印t i o n c 印a c i t yo fs o i l sf o rm e r c u 巧f o l l o w e dt h eo r d e r ：p a d d ys o i l t a w n ys o i l r e ds o i l ，m e i t a d s o 印t i o nc a p a c i t yo fs o i l sf o rm e t h y lm e r c u r yf 0 1 l o w e dt h eo r d e r ：r e ds o i l t a w n ys o i l p a d d ys o i l ；a n dd e s p o r t i o nc a p a c i t yo fs o i l sf o rm e r c u r yf o l l o w e dt h eo r d e r ：r e ds o i l t a w n ys o i l p a d d ys o i l t h ea d s o 印t i o no fm e r c u r ya l l dm e t h y lm e r c u 巧w e r e i n f l u e n c e d b yt h ep h y s i c a la 1 1 dc h e m i c a lp r o p e n i e so fm es o i l s t h eh i g h e ro ft h eo 略a n i cm a t t e r c o n t e n ta n dc a t i o n e x c h a n g ec a p a c i t yo fm ep a d d ys o i l ，t h eh i 曲e ro ft h eh g ( i i ) a d s o m t i o n i nc o n 仃a s t ，t h eh i g h e rc l a y a n dt h el o w e r p ho f m er e ds o i l ，t h eh i g h e ro fm e t h y lm e r c u r ) r a d s o r p t i o n 3 t h ep o s s i b i l i t ya n dt h ee 行e c t so fm e r c u r ya b i o t i cm e t h y la t i o nw e r ep r e l i m i n 撕l y i n v e s t i g a t e dt h r o u 曲s t 耐l i z a t i o nc l o s e dc u l t u r ee x p 缸m e n t so fs o i l s t h er e s u l t si n d i c a t e d i nt h et h a tc l o s e dc u l t u r ec o n d i t i o n s ，t h ea b i o t i cm e t h y la t i o nw a sa b l et oo c c u r i n go f m e r c u r y i nc o n 仃a s tw i t hr e ds o i l ，p a d d ya l l dt a w n ys o i l sm e t h y la t i o nr a t ew a sm o r e s i 嘶f i c a n t l y 1 1 1 eh i 曲e ro fs o i lp h ，t h em o r em e t h y lc o b l 锄i nv o t i n gc o n t e n t ，t h em o r e 孕e a t e ri n i t i a lm e r c u 巧c o n c e n 仃a t i o na i l dl o w e ro fs u l f i d ei o n sc o n c e n 仃a t i o n ；t h em o r e c o n d u c i v et oa b i o t i cm e t h y l a t i o no f m e r c u r y k e y w o r d s ：m e r c u r y m e t l l y l m e r c u r y ，a d s o 印t i o n ，d e s o 印t i o n ，m e t h y l a t i o n 土壤中的汞污染及危害 文献综述 汞，作为一种全球性的重要污染物以多种形态广泛存在于自然界中，目前全世界 每年仍有近5 0 0 0 吨【l j 的各种形态的汞被排放到环境中【2 1 。自日本水俣病事件发生之后， 人们对汞污染以及对人体健康的造成的危害进行了广泛关注和深入的研究。因此汞及 其化合物在环境中的行为、效应及其控制已成为当今环境化学的刻不容缓的任务之一 p j 。土壤中过量的汞不仅会抑制和破坏土壤中微生物的生命活动，改变土壤的理化性 质；降低土壤肥力，妨碍农作物生长，导致农产品产量和质量下降。而且，它不管是 在厌氧条件下还是好氧条件下，都可以与土壤中的化学物质发生甲基化反应，生成毒 性更强的甲基汞或二甲基汞【4 j 。在自然状态下，甲基汞也会通过生物和化学途径发生 降解，降解产物为为甲烷和金属汞【5 】。 1 汞的性质表述及环境行为 1 1 汞的性状及应用 汞，又称水银，是元素周期表中第六周期第二副族的元素 6 】，属五毒重金属之一， 也是常温下唯一成液态的重金属，因而具有其它金属所没有的特性，用途很广。我国 是世界上产汞的主要国家之一，在我国汞的生产和使用历史悠久，可以追溯到三千多 年前，山西长治出土的战国墓中就有用金齐汞镀金制成的马车、饰品等，这说明我国 早在战国时期就已经开始应用汞，在秦代以丹砂炼制水银的生产技术己逐渐成熟 7 1 。 目前，我国汞的储量丰富，主要的化学工业和电气、仪表工业等工业行业，水银法电 解制碱工业等化学工业都大量的使用金属汞。另外，还有汞制剂、汞冶金和含汞矿山 的开采等都在大量使用汞。现代，汞越来越成为许多工业以及理化实验室里不可或缺 的原料，因此对其有害性的研究也越来越普遍。 1 2 汞的环境归宿和化学行为 环境中的汞的污染分为自然作用为背景的污染和人为污染【8 1 。一方面，自然界的 汞从岩石圈出发，经水圈、土壤圈、大气圈、生物圈进行生物地球化学，迁移运输到 地球的各个角落，进而严重影响人体健康；另一方面，由于其特殊的物理化学性质， 汞大多数通过大气进行跨国界迁移【9 】。甚至在远离自然和人文汞污染的北欧和北美偏 远地区依然可以发现它的存在【l0 1 。很多研究已经报道了汞在水生与陆地环境中的全球 性指数。比如汞已经在极地区域的鱼体、北极熊以及海豹的体内发现，从而证明这类 污染物可以从排放地迁移到很远的区域。 ( 1 ) 汞在大气中的迁移转化 大气中汞的形态转化对汞的生物地球化学循环起着至关重要的作用。根据化学形 态分析，大气中的汞可以分为：气态单质汞、活性气态汞和颗粒态汞 i 。由于大气中 h 低蒸汽压、疏水性、干沉降速率低等性质，因此很难通过大气本身的干湿沉降而 去除。在大气中极易结合0 3 而被氧化成h 9 2 + ，从而降低了其在大气中的停留时间而 发生迁移。而在大气中含量微少的的活性气态汞和颗粒汞则极易发生沉降，从而进入 土壤圈、岩石圈、生物圈进行地球化生物学循环。 ( 2 ) 汞在水生生态系统中的迁移转化 水体中的汞形态主要分为总汞、溶解态汞、活性汞、总甲基汞、二甲基汞等形态 眩】。它们主要通过河流及地表径流、地下水、沉积物汞的再悬浮和水体扩散、大气汞 的干湿沉降等输入。同时通过河流、颗粒沉降、气态汞的挥发、生物吸收及转化而被 输出。近些年来，越来越多的研究表明，湖泊、水库及海湾系统中，水体汞的污染来 源主要是河流的输入和大气汞的沉降 1 3 】。但一些受汞污染严重的水体中，沉积物的在 悬浮和释放是水体汞的主要来源【1 4 】。颗粒态的汞沉降以及生物的富集使得水生生态系 统中的汞迁移转化，在各个圈层循环转化。 f 3 ) 汞在土壤中的迁移转化 土壤中的汞绝大部分被植物体吸收 ”】，并在生态系统的食物链中积累、放大。其 余的少部分汞，一方面通过挥发过程逸散到大气中，成为空气中汞的重要来源，而空 气中的部分汞又可以通过大气的干湿沉降返回土壤；另一方面土壤中的汞还可通过淋 溶、风化作用进入河流，污染水体。 2 汞对环境的污染及对人体的危害 2 1 汞对环境的污染 汞以多种形态广泛存在于自然界中【1 6 】，它以单质的形式存在于大气中，随大气循 环进行长距离传输，造成全球性污染 1 7 】，这是它区别于其它重金属元素最明显的行为 特征；在其地球化学循环中扮演着重要角色 1 8 1 9 】。一方面，自然界的汞从岩石圈出发， 经水圈、土壤圈、大气圈、生物圈进行牛物地球化学，迁移运输到地球的各个角落， 进而严重影响人体健康；另一方面，由于大量冶炼汞业的发展及汞农药使用量的增加， 致使全世界平均每年排放到环境中的汞量为一万吨以上【2 0 1 ，对环境产生严重污染。 2 2 人体汞暴露及危害 汞可以通过各种途径进入人体，人体内汞摄取量的多少与汞的自然背景值的大小 有密切的关联。人体汞暴露的影响的主要因素包括汞的化学形态、暴露的途径和程度 【2 1 】 o ( 1 ) 无机汞对人体暴露及健康的影响 无机汞的人体暴露，主要来源于使用含汞量高的化妆品和生活用品、补牙以及服 用一些中药等。职业暴露，丰要是生产或使用汞化合物( 混汞冶金、氯碱化工、工矿 开采等) 的职业人群。在人体暴露状态下，汞蒸气主要从人体的呼吸道、口腔侵入【2 1 j ， 由于侵入的汞蒸气不溶于水且具有高脂溶性【2 2 1 ，因此很难直接与人体的呼吸道黏膜发 生反应，所以直接侵害人体的肺泡和支气管【2 3 】。进而通过肺泡直接、迅速的进入血液， 对人体健康造成危害。同时，人体中汞的侵入途径还有皮肤、食物、高汞含量的美白 护肤品等。 无机汞主要侵害人体的神经系统和泌尿系统【2 4 1 。汞蒸气暴露的要害器官是人体的 中枢神经系统和。肾脏。人体受无机汞侵害后，往往会导致失眠、发抖、记忆力减退、 视力模糊以及综合性神经异常等。同时，还可能引发癌症、造成心血管老化以及免疫 失调。 ( 2 ) 甲基汞对人体暴露及健康的影响 甲基汞的人体暴露，主要来源于含汞稻米【2 引、食用鱼类及水产品等。因甲基汞具 有高脂溶性、高生物富集能力和在动物体内的积累放大性质【2 6 1 ，所以容易在动物体内 积累。当人体食用了含汞量高的动物内脏以及猪肉、鸡肉等以鱼肉为饲料的家畜时， 就很难从人体排出。 甲基汞主要毒害人体的神经系统【2 7 1 。人体的中枢神经系统和大脑都是汞甲基汞暴 露的靶器官【2 8 1 。人体受甲基汞侵害后，往往会导致听力错乱、视野搜索、运动性共济 失调以及震颤等【2 9 。世界卫生组织预测血汞中甲基汞中毒的临界值为2 0 0 g l ， 发汞为5 0 “g l 。1 【3 2 】。2 0 世纪5 0 6 0 年代，发生在日本的水俣病事件，使人们认识到 甲基汞对人体的生殖系统、免疫系统、心血管以及胎儿都有致命的毒害作用。 二、汞在土壤中的迁移转化 汞一旦进入土壤，首先与土壤接触发生吸附解吸行为；汞的土壤吸附影响汞在 土壤中的化学形态和效应，因此汞在土壤中的吸附解吸以及甲基化被认为是汞化合 物在土壤水环境中归宿的主要因素。b 枷u s o 等【3 3 j 认为该行为对汞在土壤中的化学、 微生物作用、挥发及其迁移溶等行为有重要的影响，从而进一步影响到汞在土壤环境 中的最终归宿。因此，研究汞在土壤中的迁移转化特性及其影响因素，可以为预测汞 在土壤中的环境行为及甲基化过程，为减少对环境的污染提供科学依据和理论指导。 1 土壤中汞的形态 汞是一种特殊的重金属元素，在土壤中呈：0 、+ 1 、+ 2 价三种价态【3 4 35 1 。土壤中汞 的形态、活性剂生物有效性，都会妨碍作物的生长。在正常的e h 和p h 范围内，汞一 般以零价存在于土壤中【3 6 1 。土壤中汞按化学形态的不同，可分为：惰性汞、吸附一沉淀 态汞和孔隙水溶态汞。而孔隙水溶态汞又可分为有机络合态、无机络合态和自由离子 态；由有机质固定的螯合态和硫化物、碳酸盐、氢氧化物、磷酸盐等形成的沉淀态3 7 3 8 或是按庞叔薇等 3 9 】的连续化学浸提分析方法将土壤中汞的存在形式分为水溶态、交换 态( 碳酸盐结合态) 、铁锰氧化态、有机结合态和残渣态。土壤环境中e h 和p h 决定汞 的存在价态【4 0 】，在土壤处于还原条件下有利于单质汞的生成【4 1 1 。自由离子态是土壤 中汞最活跃的形态，它在一定条件下，可以发牛形态转变或化学反应，从而转换成各 种形态的汞。 2 土壤中汞的氧化还原 土壤中汞一般以的h 矿、h 孑+ 、h 2 + 三种价态形式存在，而且在一定的条件下它 们可以互相转化。其中，在氧化还原电位高的土壤中h 酽可以被氧化，牛成一价汞或 二价汞，同时生成的二价汞和有机汞在还原条件下土壤中的也可以再被还原为h ，。 土壤中金属汞的含量高，但它可以从通过挥发作用散入大气当中，而且随着土壤温度 的升高，其挥发的速度加快。此外，土壤中的无机汞和甲基汞还可以被植物的根系和 叶片吸收，并在其体内富集，进而通过食物链放大作用危害人体健康。 3 土壤中汞的吸附及其影响因素 汞在土壤中的吸附作用包括物理吸附和化学吸附两个过程。一般通过静电作用的 吸附作用为物理吸附，与土壤中的活性官能团发生键合作用的吸附为汞在土壤中的化 学吸附过程。影响土壤中无机汞和甲基汞吸附的因素主要有：除了土壤本身的组成和 理化性质、土壤中强亲和力的基团数等，还有一些环境因素，如温度、土壤p h 、表 面活性剂等【4 2 ，4 3 1 。 3 1 土壤有机质对吸附的影响 土壤的有机质在汞的吸附起关键作用 4 4 舶 ，尤其是在甲基汞的吸附过程中4 7 1 。有 机质是土壤的重要组成物质，它在土壤中的含量一般很低，不高于5 ；大多数土壤 中有机质的含量只有1 3 。但它们极易与汞结合，富含有机质的土壤中明显存在汞 富集的现象【4 引。在一定土壤条件和时间限制下，若土壤有机质增加1 ，汞的固定化 率最多可提高3 0 。许多研究表明，土壤中的无机胶体吸附有机汞，而有机胶体更易 吸附无机汞。土壤对汞化合物的吸附能力随着土壤有机质含量的增加而增大，这是因 为土壤有机质不仅对汞化合物有增溶和溶解作用，而且因其中的土壤中的腐殖质有能 够与汞和甲基汞结合的特殊位点【4 9 1 ，从而对汞离子有很强的螯合能力及吸附能力。通 过生物小循环及土壤上层腐殖质的形成，并借助腐殖质对汞的螯合及吸附作用，将使 土壤中的汞在土壤上层积累。 此外，土壤胶体对汞及其化合物有强烈的表面吸附( 物理吸附) 和离子交换吸附 4 作用，所以受汞污染严重的土壤中的汞，可以被迁移转化到环境中各个相中。此外， 土壤有机质中含有多种疏水基、亲水基、游离基等官能团也会对土壤中汞的吸附产生 影响【5 0 1 。y i n 等5 1 1 对土壤中有机质的含量与h 孑+ 的吸附关系进行了研究，结果表明， 当土壤中有机质含量从1 4m g l 。1 增加到6 1 1 4m g l 。1 时，土壤对h g ”的吸附量从6 0 降低到2 8 。 3 2 土壤矿物对吸附的影响 一般来说：土壤矿物粒径越小，与汞结合的越稳定，从而越不易解吸或挥发。因 此，土壤质地越粘，矿质结合汞的活性就越低；土壤质地越粗，土壤汞临界含量就越 低。粒径小于o 0 0 l m m 的粘粒质量分数与汞在土壤中的富集量呈显著正相关【5 2 】。 粘粒是土壤中最活跃的组成部分，土壤粘粒含量越高，土壤对汞化合物的吸附能 力就越强【5 3 j ；粘粒中的主要成分粘土矿物如蒙脱石、伊利石、高岭石等对汞化合物有 很强的吸附作用【5 钔。在无机矿粒中，粘土矿物对汞的吸附固定作用贡献最大。这是因 为粘土矿物不仅为h 9 2 + 提供了广泛的吸附空间，而且可以可以通过取代反应的方式促 进汞离子替换常规离子而进入k 、c a 、n a 等的品格内部。同时，粘土矿物的形状大小、 膨胀度、表面积、c e c 等性质都会影响与汞的吸附，2 ：1 型蒙脱石比1 ：1 型高岭石粒 径小，膨胀性大，表面积大，且c e c 高出高岭石1 0 倍。且2 ：1 型矿物易发生同晶替代， 产生永久电荷。所以，土壤中蒙脱石对汞吸附的能力大于高岭石。 铁锰氧化物对汞的吸附以专性吸附为主，且土壤中铁、锰的含量以及粘粒的多少 与土壤含汞量呈正相关【5 5 1 。据o l i v e i r a 等【5 6 1 的研究发现含汞高的地方一般都含有较多 的含铁矿物，原因是含铁化合物对汞有吸附作用。姚爱军 5 7 1 通过土壤矿物对汞的吸持 特性研究表明，土壤矿物对汞的吸附容量与吸附强度均表现为m n 0 2 f e 2 0 3 膨润土 高岭土 c a c 0 3 。 因此，土壤粘土矿物也是影响汞化合物在土壤中吸附的一个重要因素。随土壤粘 粒含量增加，与汞化合物接触的比表面积增大，土壤对h 孑+ 、c h 3 h 矿的吸附量增加。 何振立【5 8 】等人推测土壤中在汞的吸附与土壤的粘粒含量有关，这也与我们的结果相 符。 3 3 环境因素 土壤中的配位体通过与汞的配位一螯合作用，影响着土壤中汞的稳定和迁移转化。 土壤p h 值、c l 浓度等都能影响汞化合物在土壤中的吸附效果。它们与汞的配合作 用可大大提高土壤中汞化合物的溶解度。土壤对汞的吸附还受土壤的p h 值及土壤中 外加初始h 9 2 + 的浓度影响，土壤p h 不仅直接控制着土壤中粘粒表面电荷的可变性、 铁锰氧化物与汞的专性吸附、腐殖质与汞的络合或螯合作用；而且它的变化深刻影响 着粘土矿物、有机质对汞的吸附。 汞化合物在高的或低的p h 条件下很不稳定，通常情况下，在酸性条件下，土壤 对h 矿。的吸附量较大，且当p h 升高时，h g 的氢氧化物形式的浓度指数提高【5 1 1 。 m a c n a u 曲t o n 等【5 8 5 9 】的研究指出，土壤中汞的氢氧化物形式比h g c 1 更容易被吸附， 这主要与p h 影响土壤颗粒表面的的交换性能有关，随p h 的增大土壤颗粒表面的的 交换能力增加，更有利于其于h 孑一通过静电力结合，从而使吸附量增大。k i n n i b u r g h 等【6 0 】研究了当碱性土壤的p h 增大到一定程度，土壤对h 孑+ 的吸附量反而会降低，这 主要是因为达到一定的p h 后，由于p h 升高，o h 。浓度增加，提高h g ( o h ) c l 活 性比h g ( o h ) 高。此外，当土壤中o h 。浓度增加一定程度后，土壤矿物如高岭石、 蒙脱石、含水铁氧化物、二氧化硅吸收h 9 2 + 的能力就会降低，因此土壤吸附h 9 2 + 的 量就会降低【6 。 b e h r a 【6 2 研究认为，c l 。与汞络合形成络合物是减少土壤吸持汞的根源。c l 。不仪易 于h 孑+ 络合生成络合物而且对h 9 2 + 有很强的亲和力，因为过多的c l 易与h 孑+ 结合生 成h g c l 2 ，从而减少了对h 9 2 + 的吸附。因此土壤中c l 。的存在对h 孑+ 吸附产生重要影 响。 初始h 9 2 + 浓度越大，土壤对其的吸附量也就越多。这可能是因为当h 矿+ 浓度增 大时，它们与土壤接触的表面积增大，碰撞的机会也会增多。因而被吸附机会也就越 大，所以在一定条件下，土壤对h 9 2 + 的吸附作用随初始汞浓度的增大而增大。 土壤中汞的甲基化 汞的甲基化作用对汞及其化合物在生物地球化学循环过程起着非常重要的链接 和桥梁作用。环境中任何形态的汞都可以通过甲基化转化为剧毒的甲基汞【6 3 1 ，土壤及 沉积物是发生甲基化的最主要场所【6 4 1 ，因此研究土壤中汞的甲基化有其重要意义。影 响土壤汞甲基化的因素很多，按其作用机理的不同，可分为汞的生物甲基化和非生物 甲基化。 1 汞甲基化的方式 1 1 汞的生物甲基化 w o o d 1 9 6 8 首次发现沉积物中的产甲烷细菌可以利用甲基钴胺素把无机汞转化 为甲基汞，之后人类大量的研究表明，土壤中和沉积物中存在着大量促使无机汞转化 为甲基汞6 6 6 7 1 的不同种群的微生物，例如：藻类、真菌、细菌等有机体，其中研究最 多、备受关注的还有硫酸盐还原菌等。对沉积物进行化学或物理的灭菌技术可以很大 程度上降低汞的甲基化率【6 8 】，但这并不能说明沉积物中没有汞的非生物甲基化，因为 灭菌技术可以改变汞的形态和沉积物的化学结构【6 9 1 ，所以汞的甲基化并不都是生物甲 基化。另外，汞的生物甲基化过程是一个细胞内反应还是细胞外反应目前还存在商榷 6 的地方，甲基化反应是酶催化的生化反应还是自发反应还存在争议，因此有关汞生物 甲基化反应的研究还需进一步深入。 2 1 汞的非生物甲基化 目前，虽然学术界大多认为汞的甲基化主要是非生物甲基化，但其化学甲基化也 广泛存在于环境中，并在汞的生物地球化学循环中起着关键作用。然而，相对比汞的 生物甲基化，汞的非生物的甲基化率较低，在自然条件下甚至可以被忽略 7 0 7 。 w 曲e r 【7 2 】认为水环境中的汞可以在胡敏酸和富里酸存在的条件下发生汞的非生物甲 基化，同时也有研究表明在4 或更低温度下汞的沼泽地也可以产生甲基汞，所以自 然界中汞的甲基化并不完全是生物甲基化，而是包括生物甲基化和非生物甲基化两个 过程。在自然条件下，只要给汞提供甲基供体，如甲基钻氨素、甲基硫、甲基碘等就 有可能发生汞化学甲基化生成甲基汞。另外，水溶液中的木醇、乙醇和醋酸在受到波 长为3 6 0 “m 的紫外线照射1 5 3 0m i n 时，也会把氯化汞转变为甲基汞【7 3 ，7 4 1 。 2 汞甲基化的影响因素 影响土壤中汞甲基化的因素很多，有土壤p h 、氧化还原电位、有机质含量、硫化物 浓度、初始汞离子浓度及天然配位体数量等。 ( 1 ) 土壤p h 和有机质 土壤p h 不仅直接影响汞的溶解度，而且通过影响土壤的有机组成来影响汞在土 壤中的溶解。土壤中汞甲基化程度会随土壤酸度的增加而提高，这是因为，在低p h 条件下，汞离子活性增加，有效性增强。土壤有机质对汞的甲基化具有双重作用，即 既可以促进汞的甲基化，也可以抑制汞的甲基化。一方面它可以通过刺激微生物活动 而提高汞的甲基化率，另一方面它可以与土壤中的无机汞结合从而降低汞的甲基化 率。同时，土壤可以通过可溶性有机质的络合作用来提高汞的溶解度，抑制汞生成硫 化汞沉淀，进而限制了土壤中甲基化细菌对h 孑+ 的可利用率及甲基汞的生物积累效 率。此外，土壤质地通过影响汞的迁移转化进而影响汞甲基化，。袁兰 7 5 】的实验结果 表明，土壤的性质会影响二甲基汞( d m m ) 的挥发和转化，土壤黏土和细粒含量，有 机质含量高，d m m 挥发性弱。不同土壤中甲基化的有效性大小顺序为：粘土 壤土 砂土。 ( 2 ) 氧化还原条件和初始汞浓度 汞的甲基化还与土壤氧化还原电位高低和汞离子含量多少的有关。在一定e h 范 围内，e h 越高，甲基化速度越快；在一定含量范围内，初始汞离子浓度越大，甲基 化率越高。但土壤中汞离子浓度过高，土壤中能提供甲基的有机质含量一定，甲基化 作用反而会随初始汞离子浓度的增加而下降。 ( 3 ) 硫化物 同时，土壤溶液中硫化物的浓度也严重影响着汞的甲基化，许多研究证明汞的非 生物甲基化发生在硫酸盐还原细菌中。这是因为一方面，硫酸盐不但可以刺激甲基汞 的生成，而且还可以增强土壤中硫酸盐还原细菌的活性。另一方面，硫酸盐还原细菌 在自身的新陈代谢过程中很容易产生硫化物，易于汞生成硫化汞沉淀；从而降低了土 壤中汞的浓度 7 6 】。或者生成硫化氢与甲基汞反应生成高挥发性的二甲基汞，最终抑制 了甲基汞的产生。此外，硫化物还可以通过影响可溶态无机汞或通过被动扩散来影响 汞的甲基化【7 7 】。实验表明，土壤溶液中硫化物浓度很低时，土壤中甲基汞生成量随硫 化物含量增加而上升；当硫化物含量高于一定的值时，甲基汞生成量会随硫化物含量 增加而降低【，引。 1 引言 汞是土壤中一种高负荷、高污染的重金属；在自然条件下容易与微生物和化学物 质发生甲基化反应，而生成毒性更强的甲基汞或二甲基汞。它们在土壤中含量超过一 定限度后，会对土壤上生长的作物、动物以及微生物产生危害，影响农作物品质进而 通过食物链富集对人体健康造成威胁。自水俣病公害事件之后，人们就环境中的汞污 染和甲基化行为以及它们对人体健康造成的危害进行了广泛的研究。因此探讨汞的土 壤吸附一解吸行为及甲基化效应，对治理汞污染的土壤，控制土壤中汞的有效性有着实 际意义 7 9 1 。 近几年来，国内外对土壤中汞的吸附解吸的行为及影响因素研究的越来越多， 并且也越来越受到重视。李英华【8 0 】认为土壤中汞的吸附过程分为快速吸附阶段和慢速 吸附阶段。在快速吸附阶段中，随初始h 孑+ 浓度的增高，吸附量增大；且初始h 孑+ 浓度愈高，土壤中被吸附汞的量增加的幅度越大。在快速吸附阶段中，当土壤中h 孑+ 浓度增加到一定程度，此后继续增加初始h 9 2 + 浓度，土壤中被吸附汞的量增加幅度变 小。且快反应阶段通常为6 0m i n 。于天仁认为【8 l 】进入土壤系统的汞在土壤中处于吸附 和解吸的动态平衡中，这种平衡控制着其在土壤中的浓度、活性、生物有效性或毒性、 在土壤系统中的迁移和在食物链中的传递。y u j u n 【8 2 】研究表明土壤中汞的吸附一解吸与 土壤p h 、有机质、粘土矿物、初始h 9 2 + 浓度、c l 一等浓度有关。何振立 5 3 】等的研究指 出，水稻土中h 9 2 + 吸附很好的符合l a n 舯u i r 方程。两种不同水稻土对h 9 2 + 的吸附结果 表明，土壤p h 值随h 矿+ 吸附量的增大而降低，且降低的比例不相同；不同土壤对h 孑+ 的吸附量不同，土壤有机质和阳离子交换量对h 9 2 + 的吸附有显著影响【8 3 】。丁疆华【4 2 】 等的研究指出，随着p h 的增大，h 矿+ 的吸附量显著增加；但当p h 增大到一定程度， 土壤中h 9 2 + 的吸附量反而会下降。 尽管目前，学术界普遍认为汞的甲基化主要是非生物甲基化。但是越来越多的研 究表明，非生物甲基化也在环境中广泛存在，并在地球生物化学循环中起着非常重要 的作用。但对土壤中汞的甲基化过程及影响因素的具体研究却不多。w e b e r l 8 4 】用令人 信服的论据详细论述了水环境中汞的非生物甲基化途径，在胡敏酸和富里酸存在的条 件下，可以发生汞的非生物甲基化。c e l o 【踮j 和n a g a s e 【8 6 】也调查研究了水中汞的相关反 应和一些可能的甲基汞供体，介绍了包括m e c o ( d m g ) 2 ( h 2 0 ) ，甲基钴胺素的简 单模型，以及各种不同的甲基化合物和甲基碘化物。在甲基钴胺素的简单模型中，他 们认为甲基钴胺素在自然状态下可以促使汞的甲基化，生成毒性更强的甲基汞。也只 有存在适当的甲基供体时，才可能发生纯粹的汞的化学甲基化。虽然在水、颗粒物以 及沉积物环境中甲基供体可能是由生物过程产生的，但是这些化合物引起的汞的甲基 9 化仍然可以被认为是汞的非生物甲基化。同时，汞的非生物甲基化率还依赖许多环境 因素，包括p h 、温度、配位集团数量等。尽管，大量的研究都证明汞在有适当的甲 基供体时，可以发生汞的非生物甲基化；但目前对土壤中汞的甲基化具体过程的研究， 以及影响因素怎样作用于汞的非生物甲基化的报道却很少。 本文利用高温灭菌密闭培养的方法和甲基钴胺素的简单模型，试验模拟了土壤中 无机汞的非生物甲基化的过程，并探讨了其影响因素。结果表明，在培养条件下汞在 土壤中可以发生非生物甲基化反应，尽管甲基化率很低，但的确存在。汞非生物甲基 化与土壤p h 、初始汞浓度、甲基钴胺素的含量等成正相关，与土壤中s 厶浓度成负相 关。研究结果将为土壤中汞的非生物甲基化提供一定的参考价值。 1 0 2 材料与方法 2 1 供试材料 氯化汞( m c ，纯度9 5 以上) ，氯化甲基汞( m m c ，纯度9 5 以上) ，均购于 m e r c k 公司。m c 为溶于5 h n 0 3 的1 0m g m l 1 贮备液，m m c 为溶于甲醇的1 0 m g m l 。1 贮备液，在4 冰箱用棕色瓶保存，所需稀溶液用超纯水依次逐级稀释。四 丁基溴化铵( t b a b r ) ，纯度量9 9 ；甲基钴胺素，纯度耋9 5 ：甲醇，色谱纯；二 氯甲烷、盐酸、氢氧化钾、硼氢化钾均为优级纯；水为二次蒸馏水；其他试剂均为分 析纯。 供试土壤为水稻土、黄褐土和红壤，采集0 2 0c m 耕层土壤，筛分风干过1 0 0 目筛 后，在1 2 1 高温灭菌1h ，取出干燥器中干燥，直至干燥后两次称量的结果差兰o o 0 0 1 g ，取出备用，其基本理化性质见表2 1 。 表2 1 供试土壤理化性质 7 i a b l e2 - lp h y s i c a la n dc h e r n i c a lp r 叩e r t i e so ft h et e s t e ds o i l s 2 2 仪器设备 高效液相色谱仪：a g i l e n t1 1 0 0 型，配可变波长紫外检测器和h p 化学工作站，美 国安捷伦科技有限公司； a f s 2 3 0 e 型双道氢化物发生原子荧光光度：北京科创海光仪器有限公司； 多管架自动平衡离心机：t d 2 5 w s ，湖南湘仪离心机公司； 数字式酸度计：p h s 2 5 ，e d c l 型氯离子选择电极，上海雷磁仪器厂； 水浴恒温振荡器：s h a c ，荣华仪器有限公司； 离心机：a 1 1 e g r a 2 1 ，b e c k m a i l ； 艾科浦超纯水系统：a y 儿1 0 0 2 u ，颐洋企业发展有限公司。 2 3 壤中无机汞和甲基汞的高效液相色谱测定 2 3 1 土壤样品碱消解法前处理 2 3 1