汞作为全球性污染物，在自然界以3种价态存在：0、 +1及+2. 不同价态汞的物理化学特性及迁移转化规律差别很大^[1]，其中，Hg(0)与Hg(Ⅱ)相互转换的氧化还原过程是汞生物地球化学循环的重要过程^[1,2]. 该过程在大气、 水体及土壤中均可发生.

自从20世纪Smith等^[3]首次报道了新建水库鱼体汞含量异常偏高的现象之后，水库汞的地球化学行为成为研究热点. 三峡水库作为我国最大的水库，其特殊的调度方式使其在库周形成垂直高度为30 m，面积超过400 km²的消落带^[4]. 消落带在出露期间，大片区域会生长出茂密的草本植被或被当地农户用于农作物种植. 植被在生长过程中会向周围土壤释放大量的根系分泌物，淹水过程中根系分泌物会随之进入水体. 根系分泌物成分复杂，其中包含的大量低分子有机酸不仅通过络合、 吸附作用影响重金属的迁移转化^[5]，同时其氧化还原特性也对重金属形态转化及迁移产生重要影响^[6]. 因而，该过程势必对水库消落带土壤及水体汞的氧化还原行为产生影响.

酒石酸、 柠檬酸及琥珀酸为植被根系分泌物中典型的3种低分子有机酸. 研究显示，植物在重金属胁迫条件下会分泌低分子有机酸并促进重金属的溶解^[7,8]. Pellet等^[7]发现，在土壤铝胁迫下，玉米根系会分泌大量柠檬酸、 酒石酸，增强了植物对铝的耐受能力. 另有报道称，土壤镉胁迫条件下，硬质小麦根际土壤可检测到大量的琥珀酸、 乙酸等水溶性低分子有机酸，而在非根际土壤中未检测到^[8]. 而外加柠檬酸、 酒石酸、 琥珀酸等对土壤中的Cd、 Cu、 Zn、 Pb、 Fe、 Mn、 U等重金属均有一定的活化能力^{[9, 10, 11, 12, 13]}. 室内模拟试验显示，不同类型的低分子有机酸可不同程度地促进土壤汞解吸，这表明其对土壤中的汞也有一定的活化作用^[14,15]. 目前普遍认为，低分子有机酸对土壤重金属的活化作用是酸化、 络合、 还原及微生物共同作用的结果. 然而，不同重金属因其自身的特殊性必然存在差异. 低分子有机酸对汞到底有无氧化或还原作用？各种作用之间存在何种关系？这些问题仍需要进一步探索.

基于低分子有机酸对水库汞的环境地球化学行为有重要影响，目前对低分子有机酸与汞相互作用的氧化还原特性不明了，本研究采用室内模拟试验，探讨了酒石酸、 柠檬酸及琥珀酸对汞的氧化、 还原作用的影响，并分析了这3种低分子有机酸与汞的相互作用机制，以期为进一步研究低分子有机酸对汞形态转化的影响，探讨根系分泌物与汞的相互作用提供参考.

1 材料与方法 1.1 试验材料与准备

试验中所需试剂为：氯化汞[Hg(Cl)₂，北京北方伟业化工技术研究院]，氯化亚锡(SnCl₂，天津阿法爱莎化学有限公司)，酒石酸、 柠檬酸、 琥珀酸(成都市科龙化工试剂厂). 以上试剂均为优级纯. 试验过程中所使用的所有玻璃仪器在使用前均用硝酸(25%，体积比)浸泡24 h，然后经马弗炉500℃灼烧30 min，在洁净无汞的环境下冷却后使用. 试验所使用的管子均为聚四氟乙烯管(Brooks Rand). 为避免污染，在试验过程中需佩戴一次性手套并防止交叉污染. 无汞超纯水(18.2 MΩ ·cm，Millipore integral 3，Molsheim France)水温为25℃，室内温度为25℃±2℃.

试验装置(图 1、 图 2)由洁净无汞的石英气泡瓶作为反应器连接构成，以高纯氩气为载气(流量为5 mL ·s^-1)，经金汞齐净化后进入反应器，将反应生成的Hg⁰吹出，经Soda lime干燥剂(购自Sigma-Aldrich公司，德国产)除湿后用金汞齐管富集生成的Hg⁰，再用CVAFS (Moedl Ⅲ,Brookrand,USA)测定其质量. 为避免光照的影响，反应均在黑暗条件下(气泡瓶外部使用锡箔纸包裹并放置在黑箱内)完成.

图 1

Fig. 1

图 1 汞还原反应试验装置示意 Fig. 1 Schematic of the reactor for reduction of mercury

图 2

Fig. 2

图 2 汞氧化反应试验装置示意 Fig. 2 Schematic of the reactor for oxidation of mercury

为研究酒石酸、 柠檬酸及琥珀酸对汞还原反应的影响，采用图 1所示装置. 首先向洁净无汞的气泡瓶内注入一定量无汞超纯水，分别添加酒石酸、 柠檬酸或琥珀酸(未加酸的处理为对照)，为了去除水和试剂中的痕量汞，在加入汞试剂前应至少通气30 min以上，然后准确加入汞标液. 加入各试剂后反应液体积为100 mL，Hg²⁺的浓度为20 ng ·L^-1，3种酸的浓度梯度均设置为：0、 0.5、 1.0、 2.0、 5.0、 10.0 mmol ·L^-1. 每隔10 min取下金汞齐管，同时换上另一根金汞齐管，依次交替. 采用CVAFS测定金汞齐中富集的Hg⁰量，即可获得各时间段(0~10、 0~20、 0~30、 0~40 min)反应液中生成Hg⁰的量.

为研究酒石酸、 柠檬酸及琥珀酸对汞氧化反应的影响，采用图 2所示装置. 首先分别向气泡瓶1和气泡瓶2内加入一定量洁净无汞的超纯水，然后向气泡瓶1中加入SnCl₂、 气泡瓶2加入酒石酸、 柠檬酸或琥珀酸(未加酸的处理为对照). 通入氩气>30 min以去除水和试剂中的痕量汞. 再向气泡瓶1加入汞标. 加入各试剂后两气泡瓶内反应液体积均为100 mL，气泡瓶1内Hg²⁺的浓度为20 ng ·L^-1、 SnCl₂浓度为5×10^-3 mol ·L^-1，气泡瓶2内3种酸的浓度梯度均设置为：0、 0.5、 1.0、 2.0、 5.0、 10.0 mmol ·L^-1. 气泡瓶1内反应生成的Hg⁰(2 000 pg)随载气进入气泡瓶2内与有机酸发生氧化反应，剩余的Hg⁰经金汞齐富集后用CVAFS测定. 试验中所有处理均设3个重复.

酒石酸还原Hg²⁺反应的级数采用尝试法作图计算^[16]. 按照二级动力学进行拟合：

CVAFS测定的Hg⁰的质量(F，pg)由公式(2)计算：

被有机酸氧化的Hg⁰的质量(Y，pg)采用公式(3)计算：

试验数据在剔除异常值后采用Excel 2007和Origin 8.0进行分析作图.

2 结果与分析 2.1 不同类型的低分子有机酸对汞还原反应的影响

在不同有机酸处理下，反应器内Hg⁰的产生量均表现为上升趋势(图 3). 相比之下，酒石酸处理下的Hg⁰释放速率明显高于柠檬酸、 琥珀酸及对照处理，其中柠檬酸处理下的Hg⁰释放速率最低. 有酒石酸的处理，反应第10 min，Hg⁰释放量均达到释放总量的90%以上，之后趋于平缓. 对照、 柠檬酸及琥珀酸的处理，反应前10 min Hg⁰释放速率较快，之后趋于缓慢上升，反应30 min后Hg⁰释放量达到90%. 可见，不同的有机酸处理下的汞还原反应速率完全不同.

图 3

Fig. 3

图 3 3种有机酸处理下，反应液中Hg0生成量随时间的变化趋势 Fig. 3 Hg0 emission flux for tartaric,citric,and succinic acid treatments

有酒石酸的处理，反应器内汞释放量均高于对照. 与此相反，柠檬酸处理下的汞释放量均低于对照. 0.5~1 mmol ·L^-1琥珀酸处理下的汞释放量高于对照； 2~10 mmol ·L^-1处理下的汞释放量低于对照. 可见，酒石酸对汞还原反应表现出明显的促进作用，柠檬酸表现为抑制作用. 不同浓度琥珀酸对汞还原反应的作用效果不同，低浓度表现为促进作用，高浓度表现为抑制作用. 由方差分析发现，除10 mmol ·L^-1时，柠檬酸与琥珀酸间差异不显著(P=0.69)，其余相同浓度下的各有机酸处理两两间均存在显著性差异(P<0.05). 这进一步说明，各有机酸与汞的作用机制是不同的，进而对汞还原反应表现出不同的影响.

未添加任何有机酸的条件下，反应液中仍有少量Hg⁰持续生成. 这主要归因于以下两个方面：一方面，汞标准试剂中最初含有微量的溶解性气态汞(dissolved gaseous mercury，DGM)，通气之后，该部分汞以气态Hg⁰的形式被吹出. 因此，在反应初期有少量Hg⁰迅速释放. 另一方面，随着溶液中DGM的浓度不断降低，Hg²⁺Hg⁰平衡逐渐向生成Hg⁰的方向移动，Hg⁰释放量趋于缓慢增加. 有机酸对汞还原反应的促进作用存在两种可能的机制：有机酸包含的某些活性基团对Hg²⁺有一定的还原作用^[17]； 有机酸在汞还原过程中只起到电子传递的作用，促进汞的还原反应^[18]. 酒石酸对Hg²⁺还原反应促进作用明显，并且其常作为Cr(Ⅵ)还原剂^[19,20]，由此推断，酒石酸对Hg²⁺有一定的还原作用. 与酒石酸相比，低浓度的琥珀酸在汞还原过程中只是间接地起到了电子传递作用，并没有作为还原剂直接发生反应. 而柠檬酸与高浓度的琥珀酸对汞还原反应的抑制作用可能与有机酸和汞的络合作用有关. 有机酸与Hg²⁺发生络合反应形成稳定的络合物，使Hg²⁺Hg⁰平衡向生成Hg²⁺的方向移动，从而抑制了汞的还原作用. 另外，也有可能是有机酸将Hg²⁺还原产生的Hg⁰重新氧化所致.

随着有机酸浓度的升高，3种有机酸处理下的汞释放量呈现不同的趋势(图 4). 酒石酸及琥珀酸处理下，随着浓度的升高，汞释放量先上升后下降； 柠檬酸正好相反. 低浓度琥珀酸通过电子传递作用促进了汞的还原反应. 随着浓度逐渐升高，琥珀酸与汞的络合作用越来越强，当浓度升高为2 mmol ·L^-1时，络合作用控制了整个反应体系，从而抑制了汞的还原. 柠檬酸对汞还原反应的抑制作用随着浓度的增加先增强后减弱，可能是络合、 氧化及还原共同作用的结果.

图 4

Fig. 4

图 4 不同浓度的低分子有机酸对汞还原反应的影响 Fig. 4 Influence of low molecular weight organic acids concentration on mercury reduction

随酒石酸浓度的增加，其对汞的还原作用先增强后减弱. 各浓度酒石酸对汞的还原量依次为201.42、 492.61、 639.54、 839.75和731.72 pg，占溶液总汞的10.07%、 24.63%、 31.98%、 41.99%和36.59%. 动力学计算发现，酒石酸还原Hg²⁺的反应为二级动力学反应，且反应速率常数随酒石酸浓度的升高先增加后减小(表 1). 有研究认为，有机质与金属离子的氧化还原作用主要通过络合分子内或分子外电子传递完成^[18,21]. 络合作用形成的共用电子对被金属一方获得从而还原. 络合与还原是既竞争又相关的两个过程：当络合作用较强时，还原现象则减弱； 而还原作用的产生又得益于络合作用中形成的共用电子对^[17,22]. 当酒石酸浓度高于5 mmol ·L^-1，溶液的释汞量及反应速率常数均有所下降，但仍高于其他浓度(0.5~2 mmol ·L^-1)下的释汞量及速率常数. 这时，高浓度酒石酸与汞的络合作用增强，形成的络合物稳定性较高，则还原现象被减弱.

表 1(Table 1)

表 1 不同浓度酒石酸条件下，汞的还原速率常数k值 Table 1 Measured rate constants of mercury reduction (k) for the treatments with different tartaric acid concentration 浓度/mmol ·L-1 k×10-3/L ·(ng ·min)-1 回归系数 0.5 1.40 0.98 1.0 3.00 0.99 2.0 3.60 0.98 5.0 5.60 0.99 10.0 4.80 0.98

表 1 不同浓度酒石酸条件下，汞的还原速率常数k值 Table 1 Measured rate constants of mercury reduction (k) for the treatments with different tartaric acid concentration

2.3 3种有机酸对汞氧化反应的影响

对照处理中，汞的氧化量为0； 3种有机酸处理下的汞氧化量均>0，且表现为先增加后趋于零的趋势(表 2，图 5). 可见，3种有机酸在反应初期对汞的氧化起到一定促进作用. 由此推断，3种有机酸对Hg⁰均有一定的氧化作用. 对照处理中，系统中的汞未发生转化. 3种有机酸处理下，反应初期系统中的汞发生了氧化反应，然而于10 min(酒石酸、 琥珀酸)或20 min(柠檬酸)后氧化量均趋于零，与此同时，Hg⁰的释放量随之增加，系统中的汞最终均以Hg⁰的形式释放(表 2). 这说明反应初期被有机酸氧化的Hg⁰随后又被重新还原. 柠檬酸处理下，汞的氧化量为32.99~501.31 pg，占溶液中总汞量的1.65%~25.07%. 酒石酸处理下的汞氧化量为86.49~210.80 pg，占溶液总汞量的4.32%~10.54%. 琥珀酸处理下的汞氧化量为17.19~79.76 pg，占溶液总汞量的0.86%~3.52%.

表 2(Table 2)

表 2 3种有机酸处理下，汞氧化反应质量平衡 1) Table 2 Mass balance of mercury oxidation for the treatments of tartaric,citric,and succinic acid 处理 浓度 /mmol ·L-1 汞源 /pg X2/pg 空白(2000-X3)/pg Y/pg 0~5 min 0~10 min 0~20 min 0~5 min 0~10 min 0~20 min 0~5 min 0~10 min 0~20 min 对照 0 2 000 1 498.77 2 000 2 000 501.23 0 0 0 0 0 0.5 2 000 1 399.50 1 998.44 1 999.87 501.23 0 0 99.28 1.57 0.13 1 2 000 1 412.28 1 998.87 1 999.63 501.23 0 0 86.49 1.13 0.37 酒石酸 2 2 000 1 381.16 1 997.50 1 999.73 501.23 0 0 117.61 2.50 0.28 5 2 000 1 377.27 1 995.96 1 997.87 501.23 0 0 121.51 4.04 2.13 10 2 000 1 287.98 1 998.79 1 999.03 501.23 0 0 210.78 1.21 0.97 0.5 2 000 1 465.79 1 981.65 1 999.68 501.23 0 0 32.99 18.35 0.32 1 2 000 1 347.67 1 975.22 1 998.64 501.23 0 0 151.11 24.78 1.36 柠檬酸 2 2 000 1 321.75 1 954.54 1 999.24 501.23 0 0 177.02 45.46 0.76 5 2 000 1 011.56 1 993.01 1 997.21 501.23 0 0 487.22 6.99 2.79 10 2 000 997.47 1 803.99 1 998.08 501.23 0 0 501.31 196.01 1.92 0.5 2 000 1 481.58 1 999.62 1 999.83 501.23 0 0 17.19 0.38 0.17 1 2 000 1 468.61 1 999.11 1 999.48 501.23 0 0 30.17 0.89 0.53 琥珀酸 2 2 000 1 457.46 1 998.68 1 999.42 501.23 0 0 41.32 1.33 0.58 5 2 000 1 419.01 1 999.02 1 999.69 501.23 0 0 79.76 0.98 0.31 10 2 000 1 428.37 1 998.65 1 999.53 501.23 0 0 70.40 1.35 0.47 1)X2表示气泡瓶2内Hg0与有机酸发生氧化后剩余的量(pg)； X3表示气泡瓶2内Hg0经纯水(即对照处理)后剩余的量(pg)； Y表示被有机酸氧化的Hg0的量(pg)

表 2 3种有机酸处理下，汞氧化反应质量平衡 1) Table 2 Mass balance of mercury oxidation for the treatments of tartaric,citric,and succinic acid

图 5

Fig. 5

图 5 3种有机酸处理下，被氧化的Hg0量随时间的变化趋势 Fig. 5 Production trends of oxidized Hg0 over time for tartaric,citric,and succinic acid treatments

随着有机酸浓度的升高，3种有机酸处理下的汞氧化量总体呈现上升趋势(图 6). 3种有机酸对Hg⁰的氧化能力顺序为：柠檬酸>酒石酸>琥珀酸. 尽管柠檬酸对Hg⁰的氧化作用是短暂的，但其也是造成2.1节中柠檬酸对Hg²⁺的还原起抑制作用的原因之一. 同样，因酒石酸及低浓度的琥珀酸对Hg²⁺的还原均有一定促进作用，所以二者对Hg⁰的氧化作用必然较弱.

图 6

Fig. 6

图 6 不同浓度低分子有机酸对汞氧化反应的影响 Fig. 6 Influence of low molecular weight organic acids concentration on mercury oxidation

汞的还原过程使其转化为气态单质汞，该过程在一定程度上减少了局部地区的汞负荷^[23]，但Hg⁰在大气中的滞留时间可达0.5~2 a^[24]，能随大气环流长距离迁移，通过干湿沉降造成全球性汞污染^[25]. 汞的氧化过程所形成的Hg²⁺是汞发生甲基化反应的主要形态^[26,27]. 可见，汞的氧化还原对其迁移、 形态转化及生物活性都有重要影响. 三峡水库消落带植被的生长势必使大量的根系分泌物进入土壤及水体，进而对汞的氧化还原行为产生影响. 目前对于根系分泌物与汞氧化、 还原作用机制仍不明了.

根系分泌物中所含的大量低分子有机酸可能是体现其氧化还原特性的主要成分. 研究发现，腐殖质在氧化还原化学中既能作为电子供体，也能作为电子受体，同时还可以作为电子传递体^[28]. 大多数研究认为，醌基是负责腐殖酸氧化还原特性的主要功能基团^{[29, 30, 31]}. 但越来越多的证据显示，在腐殖酸的氧化还原角色中起作用的远远不止醌基一种基团. 羧基、 氨基、 羟基等非醌基团对腐殖酸的电子传递能力贡献达21%~66%^[32]. 本研究结果也发现，分子结构中只包含羧基和醇羟基的酒石酸及低浓度的琥珀酸对汞的还原反应起到一定促进作用. 酒石酸、 柠檬酸及琥珀酸对汞的氧化反应均呈现促进作用. 3种有机酸对Hg⁰氧化能力的顺序为：柠檬酸>酒石酸>琥珀酸. 还原作用强时氧化作用必然弱，反之亦然. 这在一定程度上解释了有机酸对土壤汞的活化效应.

研究显示，有机酸包含的羧基、 羟基等官能团可与重金属相互络合，并且柠檬酸、 酒石酸、 琥珀酸常作为络合剂活化土壤重金属^[33,34]. 由此推测，在汞与有机酸相互作用过程中络合、 氧化、 还原作用同时存在. 在自然环境中，汞会优先与腐殖酸中的巯基等还原性含硫基团结合，而非羧基等含氧基团^[35]. 汞与含硫基团(例如硫醇)结合的稳定系数远大于含氧基团(例如柠檬酸、 酒石酸和EDTA)^[36]. 本研究中的柠檬酸、 酒石酸及琥珀酸分子结构中活性官能团为羧基和醇羟基. 因而，3种低分子有机酸与汞结合的稳定性并不高. 相比之下，3种有机酸中柠檬酸活性位点最多，与汞络合的稳定性也最高. 柠檬酸-汞络合物的稳定系数为10^10.9[36]. 本研究发现，在络合、 还原及氧化共同作用下，酒石酸对汞的还原作用较强，最高还原量占溶液总汞的41.99%. 柠檬酸对汞的氧化作用较强，最高氧化量占溶液总汞的25.07%. 与前两者相比，琥珀酸对汞的还原及氧化作用较弱. 本试验均在黑暗条件下进行，一方面避免了光辐射对汞的氧化还原作用，另一方面防止了有机酸的光解(有报道称，有机酸光解产生的HO ^·₂促进Hg(Ⅱ)的还原作用^[37]). 因而，该试验结果适用于土壤根系环境中汞的迁移转化.

本研究发现，3种有机酸对汞还原及氧化反应的影响各异. 有机酸的氧化还原特性受其自身结构和基团的影响. 酒石酸分子内包含2个a—OH，羟基属于给电子基团，这可能是酒石酸对Hg²⁺有较强还原作用的原因. 而羧基是强吸电子基团，柠檬酸分子内包含3个羧基可能是其氧化性较强的原因. 琥珀酸分子内只包含2个羧基，无论是活性官能团还是分子量均是三者中最小的，因而其与汞相互作用的活性位点相对较少，导致其与汞的相互作用较弱. 4 结论

(1)3种有机酸对汞的还原反应影响各异. 酒石酸对汞还原反应表现出明显的促进作用，柠檬酸表现为抑制作用. 不同浓度琥珀酸对汞还原反应的作用效果不同，低浓度表现为促进作用，高浓度表现为抑制作用.

(2)酒石酸还原Hg²⁺的反应为二级动力学反应，且反应速率常数随酒石酸浓度的升高先增大后减小.

(3)3种有机酸在反应初期对Hg⁰表现出一定的氧化作用，但随后被氧化的Hg⁰又被重新还原. 3种有机酸对Hg⁰的氧化能力顺序为：柠檬酸>酒石酸>琥珀酸.