汞是一种生物体非必需的高毒性重金属元素，也是唯一一种主要以气态形式存在于大气中的重金属污染物^{[1, 2, 3, 4]}.所有的汞化合物对人类和动物都具有极强的毒性，其中以有机汞化合物(尤其是甲基汞和二甲基汞)的毒性最大^[3].甲基汞能够通过食物链以生物积累和生物放大作用在不同生物体中进行富集，当人们摄入甲基汞浓度较高的鱼类时，其会在人体内积累，对人类健康产生严重危害.

人类从海洋中获取水产食物，主要有两条途径，一是捕捞，二是养殖.长久以来，由于过度捕捞，渔业资源呈现枯竭状^[5]，而人们对水产品的需求量却不断增大，海洋养殖随之迅速发展.1950年，全球养殖渔业年产量不到1万t，但是到2010年，已经达到5 987万t^[6].中国大陆是全球最大的养殖渔业产地. 2010年全年产量为3 673万t，达到全球产量的61%^[6].然而，水产养殖过程会带来大量的环境问题，水产养殖过程中产生大量的污染物会对自身养殖水体造成严重的污染，例如，有机质的不断积累、 水体富营养化以及药物滥用等^[7].

燃煤是全球人为大气汞排放的最主要来源.燃煤释放的汞已占全球人为排放总量的60%，在中国达到70%以上，其中燃煤电厂汞排放占大气汞排放总量的33.6%，居行业首位^[8,9]．燃煤对周边环境带来的汞污染问题不可小视^[10].陕西宝鸡燃煤电厂周边土壤中汞浓度高出当地背景值5倍，上海市燃煤电厂周边大气环境中的汞浓度比背景值高出2.58~5.36倍^[11].

目前，只有少数研究对养殖区汞的地球化学循环过程进行了初步探讨^{[12, 13, 14]}.但是，以上研究主要针对的是渔业养殖区沉积物中汞的形态变化，并且，这些研究中养殖区周围都没有明显的汞污染源.而关于养殖区环境水体中汞的形态变化研究还鲜有报道.此外，关于养殖区周围汞污染源对海洋水环境汞污染程度的影响也同样鲜有报道.因此，调查养殖区水生生态系统环境以及燃煤电厂周围海域中的汞污染情况甚为重要，这直接关系到人类通过食用养殖水产品所造成的甲基汞暴露情况.据此，本研究的目的是通过分析燃煤电厂周围海域渔业养殖区与对照区上覆水和孔隙水中不同汞形态的含量，以探明燃煤电厂烟气排放以及渔业养殖行为水体汞含量的影响. 1 材料与方法 1.1 采样地点

采样地点设在浙江省典型渔业养殖区宁波奉化象山港(图 1).宁波市养殖面积44 268 hm²，其中象山港是浙江省典型的水产养殖基地.其海域面积563 km²，内湾狭长(约70 km)，水深约10 m，地处副热带海洋季风气候区，全年主导风向为NW(15%)，累年平均风速4.57 m ·s^-1.是一个半封闭性港湾^[15,16].在港底海域，海流较平稳，水交换缓慢，95%水交换约需4个月^[17,18].港湾区域内有一燃煤火电厂,该火电厂于2006年正式动工，2009年下半年顺利实现双机投产.该电厂一期工程装机4×600 MW亚临界燃煤机组，最终规划容量为4×600 MW+4×1 000 MW燃煤机组，电厂2012年电煤吞吐量达到1 030万t，每年产生粉煤灰60×10⁴ t，若不能及时治理，将会给大气环境带来严重压力.

图 1

Fig. 1

MS：养殖区； RS：对照区图 1 浙江省象山港样品采样点示意 Fig. 1 Sampling sites around Xiangshan Harbor,Zhejiang Province

样品于2014年7月在奉化象山港进行采集.对采样地养殖区设置4个平行采样点进行采样，对养殖区1 km以外未曾有过渔业养殖的区域(对照区)也等距设置4个采样点进行采样.所有的采样点距离燃煤电厂约2 km. 1.2.2 采样器准备

因天然未受污染水体中汞的质量浓度极低(ng ·L^-1级).采样前对采样所用硼硅玻璃器皿进行严格预处理：用自来水加洗涤剂清洗干净，再用10%的酸浸泡24 h以上，之后先用自来水漂洗，然后用超纯水漂洗3次，放入马弗炉中加热至500℃并保持15 min以上，自然冷却.冷却后，用双层聚乙烯保鲜袋包好，放置箱中备用. 1.2.3 水样采集与保存

采集的样品包括：上覆水体(包括表层：距水面0.5 m、 中间层：水深的1/2处、 底层：与沉积物交界的界面水)以及沉积物孔隙水(每1 cm间隔进行采集).

用卡盖式水体采样器(普利特，QCC15)分别采集上覆水.采集到的样品装入硼硅玻璃瓶(已用样品润洗3次)，现场加入0.5%的工艺超纯HCl(12 mol ·L^-1)，密封后用双层聚乙烯保鲜袋包好.未过滤水样用于分析总汞，总甲基汞和总悬浮物^[20].过滤的水样现场用0.45 μm Millipore滤膜过滤后同未过滤水样一样处理保存，用于分析溶解态汞和溶解态甲基汞^[19].滤膜对折放入无色聚乙烯塑料袋中保存.采集到的水样带回实验室保存在冰箱中(0~4℃)，28 d内进行分析，避免汞的损失和形态转化.

用柱状采样器(自制)对采样点沉积物进行采集，采集上来的沉积物在保证厌氧的条件下进行分割(每1 cm进行一次分割，共分割20 cm)，分割出来的沉积物装入经酸处理的离心管中，带回实验室冷冻保存.

采样操作过程中均使用一次性聚乙烯手套，避免操作过程中的污染. 1.3 样品分析 1.3.1 试剂与仪器

主要试剂：18.25 MΩ ·cm超纯水； HCl：优级纯(含汞＜5 pg ·L^-1)； 2 mol ·L^-1 HAc-NaAc缓冲液：272 g优级纯醋酸钠和118 mL优级纯冰醋酸溶于超纯水中，定容至1.0 L.

1% NaBEt₄：将每瓶1.0 g蜡封装NaBEt₄(Sodium tetraethyl borate)溶于100 mL预先冷却至0℃的2% KOH溶液，摇匀，分装至20个5 mL聚四氟乙烯瓶中，盖紧，避光冷冻保存.临用前取一小瓶解冻.

甲基汞标准溶液：1.0 mg ·L^-1甲基汞标准溶液(Brooks Rand Ltd.，美国).

主要仪器：样品总汞以及甲基汞分析采用气相色谱-冷原子荧光法进行分析，所使用仪器为：Brooks Rand(美国)测汞仪. 1.3.2 实验方法

(1)水样总汞分析

水样总汞及溶解态汞的测定采用闫海鱼^[3]等建立的金汞齐富集与冷原子荧光法，该方法最低检出限为0.01 ng ·L^-1.颗粒态汞由总汞与溶解态汞之差而得.

(2)水样甲基汞分析

水样甲基汞的测定采用蒋红梅等建立的蒸馏-乙基化结合气相色谱-冷原子荧光法，该方法最低检出限为0.009 ng ·L^-1.同样颗粒态甲基汞由总甲基汞与溶解态甲基汞之差而得.

(3)孔隙水甲基汞分析

对分割后的沉积物进行离心，离心条件为3 000 r ·min^-1，25 min.在厌氧条件下，用10 mL一次性针筒从离心管中将孔隙水抽滤出来，由于样品量较少，而溶解态汞以及溶解态甲基汞能更好地反映水中不同形态汞的活性.因此，孔隙水中只分析溶解态汞和溶解态甲基汞，其测定方法与表层水总汞和甲基汞相同.此外，由于溶解态甲基汞含量极低，将所采的4个重复样品合并进行测定.

(4)水样溶解性有机碳分析

溶解性有机碳浓度分析采用日本岛津TOC-VCPH型总有机碳分析仪进行测定.样品采用自动进样，进样量为50 μL； 作为载气，流量为150 mL ·min^-1[20].

(5)水样总颗粒物分析

总颗粒物采用GB 11901-89烘干称重法，量取充分混合均匀的试样100 mL抽吸过滤，使水分全部通过孔径0.45 μm醋酸纤维滤膜.取出载有悬浮物的滤膜放在原恒重的称量瓶里，移入烘箱中于103~105℃下烘干1 h后移入干燥器中，冷却至室温后，称其重量. 2 结果与讨论 2.1 燃煤电厂对周围水体汞含量的影响

表 1详列出本研究中上覆水体不同形态汞的浓度.所有表层水体总汞浓度达到83.0 pmol ·L^-1±97.1 pmol ·L^-1(20.8~402 pmol ·L^-1)，明显高于黄海(8.45 pmol ·L^-1)、 长岛海峡(2.3~19.9 pmol ·L^-1)、 康涅狄格河河口(~10 pmol ·L^-1)和海南海域(11.6 pmol ·L^-1)^{[21, 22, 23]}.这可能受到采样点附近燃煤电厂的影响.煤中的汞在较高温度下主要以元素态汞进入大气，随着温度的逐渐降低，烟气中的元素态汞经过氧化转化为活性汞，活性汞的无机化合物易溶于水，并与烟气中的飞灰等颗粒物相互作用，通过化学/物理吸附部分转变为颗粒态汞，颗粒态汞易通过干/湿沉降迁移到海面，在释放源附近沉积，对周围海域产生负面影响^{[24, 25, 26]}.已有研究表明，距电厂1~3 km的环形区域受燃煤汞排放影响较大^[27]，本研究样品采样点距电厂约为2 km.因此，该区域受燃煤电厂影响会较大. 2.2 渔业养殖行为对水体汞浓度及形态的影响

表 1反映了宁波奉化养殖区与对照区表层水体中不同形态汞浓度的差异.养殖区表层和底层水总汞浓度高于对照区，并且养殖区中间层水总汞浓度较表层和底层低，这主要受到渔业养殖行为的影响.表层水体总汞高，主要是由于养殖过程中从业人员生活污水直接排放，导致表层水体汞浓度升高.底层水体总汞高，则主要是受底泥向水体释放汞的影响，水体渔业养殖过程中会投加大量的鱼饲料，但是只有约40%的鱼饲料可以被鱼体所食用，其他的都会富集到沉积物中^[28]．此外，鱼体粪便等也会在沉积物表层富集，同样可能会导致沉积物中汞浓度增加．大量的研究表明，表层沉积物是上覆水体重要的汞“源”^[29]．因此，渔业养殖行为加剧了养殖区水环境中汞污染的程度．

表 1(Table 1)

表 1 养殖区(MS)与对照区(RS)不同层水体中汞形态的浓度/pmol ·L-1 Table 1 Concentrations of Hg species in different layers of water body at marine aquaculture sites (MS) and reference sites (RS)/pmol ·L-1 位置 总汞 溶解态汞 颗粒态汞 MS+RS MS RS MS+RS MS RS MS+RS MS RS 表层 102±129 123±186 80.6±58.1 30.4±40.4 38.6±60.0 22.3±6.18 71.5±93.1 84.7±126 58.3±62.7 中间层 50.1±25.5 46.8±26.0 53.4±28.4 27.4±24.5 32.1±34.3 22.8±13.0 22.6±24.4 14.7±8.71 30.6±33.8 底层 97.0±108 119±158 74.6±31.0 18.4±12.2 10.7±2.92 26.1±13.4 78.6±110 109±156 48.5±39.1 全部 83.0±97.1 96.5±133 69.5±39.4 25.4±27.4 27.1±38.2 23.7±10.4 57.6±84.5 69.4±113 45.8±44.1

表 1 养殖区(MS)与对照区(RS)不同层水体中汞形态的浓度/pmol ·L-1 Table 1 Concentrations of Hg species in different layers of water body at marine aquaculture sites (MS) and reference sites (RS)/pmol ·L-1

水体颗粒物含量会影响水环境中颗粒态汞的含量.颗粒物对汞有很强的吸附能力，汞的固液相分配系数达到了10³~10^5[30].本研究中，底层水中颗粒物质量浓度(表 2)以及颗粒态汞的摩尔分数均高于表层水及中间层，此外，颗粒态汞占总汞的比例显著高于溶解态汞占总汞的比例(图 2)，这主要是因为海水扰动沉积物可以使表层沉积物再悬浮，从而增加底层水中颗粒物的含量.渔业养殖区鱼体的活动会更进一步搅动底层水体，使底层水体中沉淀的泥沙、 鱼体排泄物等沉积物随扰动水流运动，增加了颗粒物对汞的吸附作用，从而使底层水体颗粒态汞浓度变高^[31].

表 2(Table 2)

表 2 养殖区(MS)与对照区(RS)表层水体中溶解性有机碳与总悬浮颗粒物浓度的比较/mg ·L-1 Table 2 Comparison of dissolved organic carbon and total suspended particles in surface water body of marine aquaculture sites (MS) and references sites (RS)/mg ·L-1 位置 溶解性有机碳 颗粒物 MS RS MS RS 表层 22.2±0.717 21.0±0.420 10.4±1.72 19.4±11.9 中间层 22.3±0.713 21.1±0.249 68.7±30.6 29.7±16.1 底层 23.2±1.04 22.0±0.909 80.7±9.14 48.6±19.1

表 2 养殖区(MS)与对照区(RS)表层水体中溶解性有机碳与总悬浮颗粒物浓度的比较/mg ·L-1 Table 2 Comparison of dissolved organic carbon and total suspended particles in surface water body of marine aquaculture sites (MS) and references sites (RS)/mg ·L-1

图 2

Fig. 2

图 2 养殖区(MS)与对照区(RS)溶解态汞和颗粒态汞占总汞含量的空间变化 Fig. 2 The%DHg and%PHg in different layers of sea water collected from marine aquaculture sites (MS) and reference sits (RS)

表 3反映了渔业养殖区与对照区水体中甲基汞的浓度. 从中可以看出，养殖区水体中甲基汞浓度高于对照区，且底层水甲基汞浓度最高.这可能与渔业养殖行为有关，有机质对汞的甲基化影响一直以来都存在争论，渔业养殖流失到海水中的饵料(鱼排泄物)，造成有机质的大量富集，有机碳可以通过刺激异养微生物的活性使汞的甲基化率增加，腐殖酸或富里酸也可直接促进甲基化^[32]； 如图 3所示，本研究对水体中溶解性有机碳的测定结果也表明，养殖区水体中各个层的溶解性有机碳质量浓度均高于对照区.虽然有些研究认为，渔业养殖行为可以抑制汞的甲基化^[12],特别是在养殖历史久的区域.但本研究中，宁波奉化采样点渔业养殖时间较短(约10 a)，养殖区沉积物腐殖质腐熟程度较低，与甲基汞的络合作用较弱，因此，本研究结果表明在养殖时间短的海洋养殖区，沉积物中有机质的积累可以促进汞的甲基化.此外，底层水体甲基汞浓度高于表层水体，主要是由于厌氧条件下更容易形成甲基汞^[33,34].并且，已有研究表明在光照条件下自然水体中产生的自由基引发的甲基汞光降解是甲基汞脱甲基的一种重要途径，光照引发水体中的硝酸盐产生的羟基自由基，能促进表层水体中甲基汞光降解^[35,36]．

表 3(Table 3)

表 3 养殖区(MS)与对照区(RS)表层水体中不同形态甲基汞浓度的比较/pmol ·L-1 Table 3 Comparison of different methylmercury species concentration in surface water body of marine aquaculture sites (MS) and reference sites (RS)/pmol ·L-1 位置 总甲基汞 溶解态甲基汞 颗粒态甲基汞 MS+RS MS RS MS+RS MS RS MS+RS MS RS 表层 0.080±0.028 0.091±0.033 0.07±0.022 0.059±0.022 0.063±0.012 0.055±0.030 0.021±0.019 0.028±0.023 0.015±0.012 中间层 0.106±0.049 0.096±0.034 0.117±0.064 0.057±0.014 0.053±0.016 0.061±0.012 0.049±0.045 0.042±0.023 0.056±0.064 底层 0.086±0.077 0.119±0.06 0.053±0.025 0.046±0.018 0.058±0.007 0.034±0.019 0.040±0.072 0.061±0.104 0.019±0.007 全部 0.091±0.054 0.102±0.060 0.080±0.047 0.054±0.018 0.058±0.012 0.050±0.023 0.037±0.049 0.044±0.059 0.030±0.039

表 3 养殖区(MS)与对照区(RS)表层水体中不同形态甲基汞浓度的比较/pmol ·L-1 Table 3 Comparison of different methylmercury species concentration in surface water body of marine aquaculture sites (MS) and reference sites (RS)/pmol ·L-1

图 3

Fig. 3

图 3 上覆水中总甲基汞占总汞的百分含量(%MeHg)与溶解性 有机碳(DOC)在养殖区(MS)和对照区(RS)水体中的空间分布 Fig. 3 Spatial distribution of percentage of TMeHg in THg (%MeHg) and concentration of dissolved organic carbon (DOC) in overlying water collected from aquaculture sites (MS) and reference sits (RS)

与总汞不同的是，多数甲基汞是以溶解态形式存在，而非颗粒态(图 4).这主要是由于甲基汞的固液分配系数远低于总汞，只有10^1.5~10^3.5[30]，这表明甲基汞不易在颗粒物上富集.但甲基汞毒性更大，以溶解态形式存在的甲基汞更容易通过生物富集及生物放大作用在不同生物体中进行积累，从而对人类及其他生物造成危害.

图 4

Fig. 4

图 4 养殖区(MS)与对照区(RS)溶解态甲基汞和颗粒态甲基汞占总汞含量的空间变化 Fig. 4 The % DMeHg and % PMeHg in different layers of sea water collected from marine aquaculture sites (MS) and reference sits (RS)

图 5(a)反映了养殖区与对照区不同深度孔隙水中溶解态汞的浓度.从中可以看出，表层孔隙水中，养殖区的溶解态汞浓度远高于对照区，当深度大于3 cm时，养殖区的溶解态汞浓度却低于对照区； 随着深度的增加，溶解态汞浓度在养殖区与对照区均呈现下降趋势，当深度大于10 cm后，溶解态汞浓度趋于稳定,这主要由于燃煤电厂对周围海域的影响，沉积物柱中的总汞含量能够比较真实地反映流域汞的污染历史^[16]，燃煤电厂投入运行后，大气汞沉降对表层沉积物污染明显，而沉积物中汞向孔隙水的释放使孔隙水也具有相同特性，使得表层孔隙水(10 cm以下)汞浓度明显低于10 cm以上的孔隙水.

图 5

Fig. 5

图 5 孔隙水中溶解态汞、 溶解态甲基汞和溶解态甲基汞占溶解态汞的百分比 Fig. 5 Concentrations of DHg and DMeHg as well as % MeHg in sediment pore water

图 5(b)显示了养殖区与对照区不同深度孔隙水中溶解态甲基汞浓度的变化情况，可以明显看出，表层孔隙水甲基汞浓度明显高于底层，是由于甲基汞在沉积物-界面水附近更容易形成.养殖区沉积物孔隙水中甲基汞浓度同样显著高于对照区，说明渔业养殖行为促进了汞的甲基化^[31].这与上文上覆水体研究结论相一致.并且，孔隙水中甲基汞占总汞比例在养殖区也明显高于对照区[图 5(c)]，水生系统中甲基汞占总汞的比例是判断甲基汞产率(甲基化强度)的一个重要指标.这可进一步证实渔业养殖行为促进了孔隙水中汞的甲基化，特别是在表层沉积物孔隙水中.

3 结论

(1)燃煤电厂对水体汞浓度的影响： 整个采样区表层水总汞浓度明显高于其他海域，孔隙水表层10 cm内溶解态汞浓度显著高于10 cm以下水样，说明这片海域受附近燃煤电厂影响严重.

(2)渔业养殖行为对水体汞浓度及形态的影响：渔业养殖行为中的人为活动以及富集在沉积物中的汞向水体的再释放导致养殖区表层和底层水总汞浓度高于对照区，说明渔业养殖行为会促进水体汞浓度的增加.

(3)渔业养殖行为对水体甲基汞浓度及形态的影响：养殖区水体中甲基汞浓度高于对照区，且底层水甲基汞浓度最高.孔隙水中甲基汞浓度以及甲基汞占总汞的比例在养殖区均高于对照区.从本实验的研究结果来看，渔业养殖行为促进了汞的甲基化.

致谢： 感谢浙江省土壤污染生物修复重点实验室对本研究的支持. 汪奇、 夏钰琪、 武帅、 虞超、 刘欢、 陈霞等在采样和实验方面提供了帮助，在此一并致谢！