21世纪以来汞成为许多工业以及理化实验室里十分重要的材料，因此对其毒性和有害性的研究也越来越广泛^[1]. 汞是唯一在常温下以液态形式存在的重金属，它主要是以无机汞、 甲基汞的形式存在于自然界中^{[2, 3]}. 无机汞在自然条件下迁移运输到地球的各个角落并可以与微生物和化学物质发生生物和非生物的甲基化反应,从而转变成毒性更强的二甲基汞或甲基汞,然后通过食物链富集进入人体中，逐渐累积在人体大脑里，对人体的神经系统产生毒害作用，严重时会危及生命^{[4, 5, 6]}.

目前，很多城市景观水常用于人民娱乐、 休闲和养殖等方面，然而受到污染的景观水在潜移默化中危害着人类的健康，一方面通过直接接触含有微量重金属的水造成重金属蓄积中毒而损害人体健康； 另一方面是间接污染水产品，水体中的重金属被微生物吸收，通过食物链富集到各类鱼和水草中，进一步对人体健康构成威胁^[7]. 已有报道我国江河湖库底质的重金属的污染率高达80%以上，沉积物中汞的背景值为69 ng ·kg^-1，黄浦江干流表层沉积物中汞含量明显增加，苏州河中汞超标率为62.5%，而城市河流有35.11%的河段出现总汞超过地表水Ⅲ类水体标准^{[8, 9]}. 但是针对城市景观水体的汞污染现状的研究目前还没有报道. 底泥是水体生态系统中的重要部分，经过长期生命活动，水体中各类营养物质、 污染物主要聚集在此^[10]. 通过大气沉降、 废水排放、 雨水淋浴和冲刷等各种方式，大量的污染物从各个地方汇入水体，其中一部分沉积到底泥中逐渐富集，长期积累使底泥受到污染^[11]. 作为污染物的主要储蓄库，底泥不仅可以向上释放各种重金属污染物，另一方面，底泥又是底栖生物的主要生活场所和食物来源，累积其中的污染物质可直接或间接地对水生生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、 食物链放大等过程进一步影响陆地生物和人类^[12]. 所以，即便是污染外源得到控制后，底泥作为污染内源，持续向水体释放污染物质还是会造成水体重金属污染^[13]. 因此，对城市景观水底泥中重金属汞污染状况的调查及对汞的甲基化过程研究是解决治理景观水体汞污染的关键问题. 先叙述城市景观水体的汞污染现状，再引入底泥在水生生态系统中对污染物的消纳、 转化作用，再后是其他要素的作用以及影响转化富集的因素等.

图 1

Fig. 1

图 1 合肥市区景观水采样点位置示意 Fig. 1 Landscape water sampling position in Hefei City

微宇宙不仅可以了解污染物对生态系统的影响，而且可以合理地将结果外推到自然生态系统，近年来，微宇宙技术已得到越来越广泛的应用^[14]. 中国科学院动物所和植物所曾成功地运用实验室循环水生微宇宙、 池塘微(中)宇宙、 水陆生中宇宙和陆生中宇宙研究了农药及其它污染物对生态系统结构与功能的影响^[15]. 本文以合肥市景观水体底泥为研究对象，调查了底泥中无机汞和甲基汞的污染现状，并采用模拟微宇宙试验建立底泥-水-草-鱼生态链模式来研究底泥中无机汞到甲基汞的转化过程，及其在鱼和草中的富集程度和富集速度.

氯化汞(MC，纯度95%以上)，氯化甲基汞(MMC，纯度95%以上)，均购于Merck 公司. 四丁基溴化铵(TBABr)，纯度≥99%； 甲醇，色谱纯； 其他试剂均为分析纯.

供试生物：水蕴草(Elodea densa Planch.)； 草金鱼(Siniperca scherzeri Steindachner)，长约4-5 cm，重量约为10 g左右； 生物样品均购自合肥市裕丰花鸟市场. 微宇宙模拟试验之前，先采用平均体长为5 cm健康无病的草金鱼,在纯水中进行两天的驯养，驯养期间不投饵，微宇宙试验期间草金鱼以水蕴草为饵料.

分别于2013年1月、 5月和10月3次对合肥市区内的十处较大型景观水底泥进行样品采集，这十处景观水附近常有大型广场，或者是游玩公园，是合肥市民经常聚集进行娱乐、 休闲的地方，其具体采样点位置如图 1所示. 采样时使用 ETC-200型蚌式抓斗采样器采集底泥表层5-10 cm，各采样点均取样2-3个，充分混匀后取2 kg左右带回实验室，去除植物残体、 瓦砾及较大砾石，冷冻干燥，碾磨过筛，放入已贴标签的广口瓶保存^[16]，无机汞和甲基汞含量待测.

根据上述调查结果，另取甲基汞含量较低的典型样点(植物园)景观水底泥，放在不同生态缸(60 cm×30 cm×40 cm)内，每个缸加入20 kg底泥，并在底泥中分别加入不同量的HgCl₂溶液，使得底泥中HgCl₂浓度分别达1、 2、 4、 6 mg ·kg^-1，培养3 d平衡后，加入50 L纯水，同时在每个缸内加入25条草金鱼(已由纯水养殖3 d)、 24株水蕴草. 然后分别在第1、 3、 5、 7、 10、 15、 20、 30 d对微宇宙模拟生态系统进行采样. 每次采样：草金鱼2条、 水蕰草2棵、 底泥10 g、 水10 mL. 水样和泥样放进冰箱冷藏保存； 鱼体和水草样品用去离子水洗，搅拌机匀浆，冷冻干燥后保存，其中鱼体将鱼头和鱼身分开. 所有样品留待测定无机汞和甲基汞浓度^{[17, 18]}.

将样品进行冷冻干燥后，称取1.0 g样品加入25%的KOH/甲醇(1 ∶1)提取液5.0 mL，底泥样品进行微波消解，生物样品采用振荡提取. 提取液先加入2.0 mL浓盐酸中和过量的碱，再加入10.0 mL CH₂Cl₂，水平振荡30 min，4 000 r ·min^-1离心15 min，下层再用CH₂Cl₂重复提取，合并两次萃取的有机相，加入0.01 mol ·L^-1 Na₂S₂O₃溶液2.0 mL，振荡1 h，4 000 r ·min^-1离心10 min. 取1.0 mL上层清液，加入1 mL 0.05 mol ·L^-1 TBABr溶液衍生成络合物，经0.45 μm滤膜过滤，于10.0 mL容量瓶中定容，HPLC测定^{[19, 20]}.

Agilent1200高效液相色谱仪，配可变波长紫外检测器和HP化学工作站，C18 Hypersil ODS 色谱柱4.6 mm×150 mm，5 μm). 流动相为含0.01 mol ·L^-1四丁基溴化铵和0.025 mol ·L^-1 NaCl的水溶液 ∶甲醇=45 ∶55(体积比)，柱温35℃，流速1.0 mL ·min^-1，检测波长225 nm，进样量20 μL(手动进样)^[19]. 在测定每批样品时，同时测一空白值，并随机抽取5％～10％的样品做双平行测定，符合率在95％以上.

微宇宙模型中不同物相中甲基汞的转化系数计算方法：

数据分析采用SPSS 11.0统计软件进行统计学分析，组间两两比较采用秩和检验.

通过对合肥市区景观水体及底泥样品进行采集，测定其中无机汞和甲基汞的含量. 结果如表 1所示，在10个取样点中，无机汞含量均远大于甲基汞含量，这与其它学者的调查结果一致^{[21, 22, 23]}. 但与《土壤环境质量标准(GB 15618-1995)》相比较，各采样点汞含量均在一级土壤环境质量标准值(0.15 mg ·kg^-1)范围内.

表 1 (Table 1)

表 1 合肥市区景观水底泥中无机汞和甲基汞的含量 /μg ·kg-1 Table 1 Contents of inorganic mercury and methylmercury in sediments of Hefei City landscape water/μg ·kg-1 采样位置 无机汞 甲基汞 最小值 最大值 平均值 标准偏差 最小值 最大值 平均值 标准偏差 琥珀潭 10.48 12.54 11.74 1.1 0.30 0.43 0.37 0.06 包河公园 11.1 12.56 11.88 0.74 1.80 2.00 1.89 0.11 杏花公园 10.78 12.54 11.84 0.94 1.99 2.42 2.23 0.22 雨花潭 11.38 12.04 11.76 0.34 1.36 2.02 1.77 0.36 逍遥津公园 12.38 13.78 13.12 0.7 1.19 1.92 1.67 0.41 黑池坝 13.12 13.38 13.4 0.3 1.09 1.86 1.61 0.44 南淝河(潜山北路) 11.86 13.92 12.78 1.06 1.25 1.96 1.69 0.38 南淝河(长丰路) 12.18 13.14 12.7 0.48 1.09 1.73 1.47 0.34 植物园 12.18 13 12.56 0.42 0.43 1.09 0.68 0.36 安农大校内池塘 11.92 13.52 12.6 0.84 0.76 1.17 0.97 0.21

表 1 合肥市区景观水底泥中无机汞和甲基汞的含量 /μg ·kg-1 Table 1 Contents of inorganic mercury and methylmercury in sediments of Hefei City landscape water/μg ·kg-1

由表 1可知，无机汞含量范围在11.74-13.12 μg ·kg^-1之间，其中，黑池坝底泥中的无机汞较高，但总体含量变化辐度不大，这可能是因为本次取样的点都围绕在合肥市区，取样点距离较近，景观水体汞污染来源相似导致不同样点之间无机汞含量变化不大. Young等^[24]认为表层沉积物中汞的富集归因于近代或现代汞污染的加重，他认为由于颗粒物对汞有很强的吸附性，故一旦沉降，在成岩过程中汞就不会再发生迁移和重新分布，后来的一些研究也表明，沉积物确实真实地反映了汞的沉降^{[25, 26]}.

合肥市景观水体底泥甲基汞的含量范围为0.37-2.30 μg ·kg^-1，其中，含量最高的是杏花公园，含量较低的是琥珀潭和植物园，底泥中的甲基汞的含量变化辐度比无机汞大. 环境中汞的甲基化主要是一个微生物活动的过程，在这个过程中甲基钴胺素是主要的环境甲基供给者，此外，环境中甲基化速率除了受到细菌(如硫酸盐还原细菌)活性的影响外，还与很多物理、 化学和生物因素有关，如总汞浓度，活性汞浓度、 氧化还原条件、 pH、 温度、 有机物含量、 硫化物含量和铁锰循环等^{[27, 28]}，因此，在不同的采样点中均检测出甲基汞的含量，这说明这些景观水体底泥中存在着不同程度的汞甲基化作用. 本次调查中合肥市植物园采样点靠近董铺水库，因为饮用水源地保护政策，周边少有污染源，所以植物园景观水底泥中的甲基汞含量处在较低水平，为了透彻了解底泥中汞的迁移转化作用，降低背景的影响，后序模拟试验的供试底泥采集的是植物园景观水体底泥.

微宇宙试验中，当在底泥中添加不同含量初始汞浓度时，底泥中无机汞和甲基汞含量的变化见图 2. 从中可知，底泥中无机汞呈递减趋势，特别是前期，下降明显，但随着时间的变化逐渐趋向平衡，而且，汞添加浓度越大，无机汞含量减少得越多. 而底泥中的甲基汞随着时间的增加逐渐增加，并最终趋于平衡，并且汞浓度越大的甲基汞量越高. 这主要是因为在微宇宙试验中，加入的水、 水蕴草、 草金鱼均不含汞，在不间断的培养过程中，底泥中的无机汞会释放出来，并通过食物链向高一级生物流走，所以，随着时间的增加，底泥中的汞含量逐渐降低，此外，由于底泥中微生物甲基化作用，使底泥中部分无机汞转化为甲基汞，所以甲基汞浓度会逐渐增加. 最终，水体中水、 鱼和草所富集的无机汞、 甲基汞的总量形成一个动态平衡.

图 2

Fig. 2

图 2 不同初始汞浓度条件下底泥中无机汞和甲基汞含量变化 Fig. 2 Content variation of inorganic mercury and methylmercury in sediments at different initial concentrations of mercury

微宇宙试验中水体中的无机汞和甲基汞含量的变化如图 3所示. 从中可知，水体中无机汞和甲基汞在培养初期呈递增趋势，然后逐渐趋于平衡，但无机汞变化趋势大于甲基汞，这是由于底泥中的无机汞和甲基汞释放进入水体，引起水体中的汞含量增加，但是试验用水是纯水，水中的微生物较少，所以甲基汞的转化率较小. 但是相对于其他物相中，水中的汞变化总量较小，这可能是因为，一方面，通过底泥而转化至水中的汞更多地被水体的生物相所吸收，所以残留在水体中的汞总量较少； 另一方面，底泥中的汞释放到其他物相中的速度非常缓慢，李永华等^[10]也提出，表层水底部的沉积物是重要的汞贮存库，以沉积物结合态存在的汞重新释放进人水生生态系统往往需要数十年甚至更长的时间.

图 3

Fig. 3

图 3 不同初始汞浓度条件下水体中无机汞和甲基汞的含量变化 Fig. 3 Content variation of inorganic mercury and methylmercury in water at different initial concentrations of mercury

水蕴草对汞的吸收转化作用结果见图 4所示. 从中可知，水蕴草对无机汞富集量较小，呈现先增长后下降趋于平衡，但总量上下波动幅度不大. 而水蕴草对甲基汞有较好的富集能力，并且能维持在较高的水平上，随着培养时间和初始汞汞浓度的增加，水蕴草中甲基汞的含量呈增加趋势，在初始汞浓度为4 mg ·kg^-1时，富集能力最大，水蕴草中甲基汞含量达22.7 μg ·kg^-1. 这可能是因为，水蕴草的根是生长在底泥中的，它既通过根对底泥中的汞进行吸收，又能对水中的汞进行富集，也可能是因为汞在植物体内更容易甲基化.

图 4

Fig. 4

图 4 不同初始汞浓度条件下水蕴草体内无机汞和甲基汞的含量变化 Fig. 4 Content variation of inorganic mercury and methylmercury in Egeria densa at different initial concentrations of mercury

草金鱼作为该试验中的最高营养级生物，可通过食用水草、 呼吸以及皮肤吸附等方式富集汞，无机汞和甲基汞分别在鱼身(FB)和鱼头(FH)部分的富集程度如图 5所示. 从中可知，草金鱼身中的无机汞随着培养时间的增加先增加后减小，而且随着初始汞浓度的增加，鱼身中无机汞的含量增加，但是鱼身中的无机汞总量不高，最高仅为7.4 μg ·kg^-1.

图 5

Fig. 5

图 5 不同初始汞浓度条件下草金鱼体和鱼头内无机汞和甲基汞的含量变化 Fig. 5 Content variation of inorganic mercury and methylmercury in the golden mandarin fish body and the goldfish head at different initial concentrations of mercury

草金鱼的鱼头和鱼身中甲基汞的浓度变化趋势均和无机汞一致，都是先增加后减小至平衡，同时，随着底泥中初始汞浓度增加，甲基汞含量增加，而与上述水蕴草的结果相比，鱼对甲基汞富集能力更大，这可能是因为草金鱼在该微宇宙试验中营养级别最高，草金鱼的主要食饵是水蕴草. 另外，图 5的结果也显示鱼头中所含有的甲基汞浓度含量比鱼身甲基汞含量较低，特别是在培养前期更明显，而且草金鱼中甲基汞的含量较无机汞高出很多倍，这说明，草金鱼对甲基汞的富集能力比无机汞大，特别是鱼身. 有研究表明，大部分鱼类对低浓度的甲基汞富集能力较强，鱼类通过食物链可以将水体中的ng级甲基汞富集10-20万倍之间^[29]，而且汞主要积累在鱼类的肝脏、 鳃和脑部^[30].

将微宇宙试验中不同物相中的CH₃Hg含量与汞的初始添加浓度相比较得出不同物相对汞的转化系数如表 2所示，从中可知，当添加不同初始汞浓度时，底泥和水对无机汞均有一定的转化能力，其中，水的转化系数较低，这可能是因为试验中加入的水是纯水，水中的微生物数量较少，其转化能力较弱，而试验中采用的底泥是实际环境中所采集的，其中的微生物数量较多，对汞的甲基化能力较强. 也有研究人员发现汞在沉积物中8个月后， ＜l％的同位素富集汞转化为甲基汞^[31]. 而在当添加汞浓度为1 mg ·kg^-1时，底泥的转化系数较汞浓度为2mg ·kg^-1时大，这可能是因为底泥中添加较多汞时对环境中的微生物有一定的毒害作用，反而阻止了汞的转化.

表 2 (Table 2)

表 2 景观水体不同物相的甲基汞转化系数 /% Table 2 Conversion coefficient of methylmercury in different medium/% 汞添加浓度/mg ·kg-1 物相 最小值 最大值 平均值 标准偏差 1 底泥 0.31 0.70 0.53 0.12 水 0.05 0.27 0.10 0.08 2 底泥 0.19 0.37 0.24 0.06 水 0.05 0.17 0.11 0.04

表 2 景观水体不同物相的甲基汞转化系数 /% Table 2 Conversion coefficient of methylmercury in different medium/%

表 3所示的是水蕴草和草金鱼对甲基汞的富集系数，结果表明，水蕴草和草金鱼对CH₃Hg均有一定的生物富集作用，而草金鱼对CH₃Hg的富集系数较大，特别是鱼(身)对甲基汞的富集系数最大，这说明随着食物链的级别增大，越高级的生物对底泥中的汞的富集系数越大，这一方面有可能是因为鱼体自身存在甲基化作用^[32]，另一方面有可能是因为生物对甲基汞的生物放大作用，与无机汞相比，甲基汞更易于生物利用，能生物放大食物链，因此，处于食物链较高位置的鱼体内会含有高浓度的甲基汞，其浓度可能比它们生活环境中的甲基汞浓度高100万倍^[33]. Kainz等^[34]对不同体积的浮游生物体内甲基汞的生物积累性做了对比分析并发现，相对于细菌和藻类而言，甲基汞的生物积累性在浮游生物的食物链中比较高，而在营养丰富的湖泊中，处于浮游生物食物链顶端的鱼类，其体内的甲基汞含量也比其他生物高得多. 但也有研究指出，在鱼肠和鱼肝中可以发生汞的甲基化反应，但鱼类体内自身合成 的甲基汞仅占总甲基汞含量的很小一部分,外部输入仍是主要的甲基汞来源^[35].

表 3 (Table 3)

表 3 水蕴草和草金鱼对甲基汞的富集系数 /% Table 3 Enrichment coefficient of methylmercury in Egeria densa and golden mandarin fish/% 汞添加浓度/mg ·kg-1 项目 最小值 最大值 平均值 标准偏差 水蕴草 48.7 159.1 104.5 45.0 1 草金鱼(身) 123.0 468.1 237.1 141.6 草金鱼(头) 75.2 258.6 154.5 67.5 水蕴草 52.2 271.0 149.5 76.3 2 草金鱼(身) 136.3 716.3 350.2 180.0 草金鱼(头) 117.2 280.3 184.0 54.6

表 3 水蕴草和草金鱼对甲基汞的富集系数 /% Table 3 Enrichment coefficient of methylmercury in Egeria densa and golden mandarin fish/%

(1)通过对合肥市区10个景观水底泥样品进行调查得出，底泥中无机汞含量范围在11.74-13.12 μg ·kg^-1之间，其中黑池坝底泥含量最高，但总体变化较小； 甲基汞含量在0.37-2.23 μg ·kg^-1之间，甲基汞含量最高是杏花公园. 各采样点内底泥汞含量均在一级土壤环境质量标准值(0.15 mg ·kg^-1)范围内.

(2)通过微宇宙试验，模拟研究了“底泥-水-水蕴草-草金鱼”生态系统中无机汞和甲基汞的转化过程，结果表明：底泥中无机汞的含量呈先递减后逐渐平衡趋势； 而底泥中甲基汞含量变化呈先增加后递减至平衡. 水体中无机汞和甲基汞呈先递增后逐渐趋于平衡，无机汞变化趋势大于甲基汞，但是水中的汞变化总量较小. 水蕴草和草金鱼对无机汞富集量均较小，呈先增长后下降趋于平衡趋势； 而水蕴草和草金鱼对甲基汞均有较好的富集能力，并且能维持在较高的水平上，随着培养时间和汞初始浓度的增加，甲基汞呈增加趋势. 其中，草金鱼(身)对的甲基汞富集能力最大，这可能与食物链级别相关.

(3)通过甲基汞的富集转化系数的计算结果可得出，相比于水而言，底泥对汞的甲基化作用更明显； 而存在于食物链顶端的鱼对甲基汞的生物富集和生物放大作用最大.