每日科普｜人為源汞汙染已經到達世界最深海溝了嗎？

60多年前，日本曾暴發震驚世界的「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汙染物，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汙染顯著增加。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。隨著航測汞數據覆蓋率的增加，越來越多的研究表明深海（>1000米）甲基汞含量可能並不低。

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裡亞納海溝》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土魯斯地球環境研究所、南開大學、南京大學合作，利用深淵著陸器採集馬裡亞納海溝生物樣品，通過汞同位素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是具有相同的汞的來源和遷移途徑，目前還都是一個謎。

世界上最深的海是淨土嗎？

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、採礦和冶煉，是汞汙染海洋環境的主要原因。」文章的第一通訊作者、天津大學地球系統科學學院的副教授孫若愚介紹，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的魚類、哺乳動物及人體中。比如，劍魚體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，當今海洋有6萬多噸人為源汞，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，海水迅速下沉，加速了人為汞沉入海洋深處。」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，都存在人源甲基汞。

「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汙染的時候，得出的結論是，在理論上講太平洋深海基本沒有受到汞汙染。因為太平洋並不位於深層水形成區，如果上層海水被汙染，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，被汙染的海水從大西洋深層流到太平洋深層距離有兩萬多公裡，速度也非常緩慢，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，千米以下的深海基本上都沒有受到人為源汞的汙染，被視作地球上最後的「淨土」。

同位素測定深海也有人為源汞汙染

近年來，隨著深海熱，深潛器技術發展提速，國產深潛器和捕撈器都能到達萬米以下深海進行作業。孫若愚說：「我們選擇了馬裡亞納海溝進行取樣，因為這是目前已知海洋的最深處，如果汞汙染能達到這裡，其他地方也應該是存在的。」

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年期間，在馬裡亞納和雅浦海溝的海底部署了精密的深海採樣器，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裡類似的片腳類動物，深淵鉤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（0~1000米）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，隨著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）和死亡海藻顆粒團這些小顆粒形式輸送到深海。在這個過程中，馬裡亞納海溝獨特的地質構造，經常發生的地震所產生的漏鬥放大系統，會加速傳輸的速度。我們通過測量汞的同位素組成來確定這一點，結果顯示海底生物與太平洋400~600米深處的魚類的測量結果非常吻合，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。」

深海汞汙染人為和自然誰的「貢獻」大？

「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低，以現有的檢測技術很難直接準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。

「而且目前馬裡亞納海溝深海裡發現的甲基汞中，人為源汞和自然汞的比例是多少，目前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。如果是，冷泉和熱液對深海魚類體內的甲基汞的貢獻又是多少呢？」孫若愚表示，這些問號都有待於進一步採樣進行驗證。

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採樣檢測，才能論證其是否都具有和馬裡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，我們還需要繼續進行探索。（科技日報記者陳曦 通訊員趙習鈞）

責任編輯：陶薩麗慶