水中汞甲基化过程

2017-03-15 10:06:10 17

  1 引言

  20世纪80年代,科学家们发现在北美和北欧一些新建的水库以及一些远离汞污染源的湖泊中,某些鱼汞含量也远远超过了世界卫生组织建议的食用水产品汞含量标准,这一现象引起了人们对水环境系统中汞的生物地球化学循环的极大关注,特别是汞的甲基化途径和机制问题.在汞甲基化的途径中,有生物作用和非生物作用,其中生物作用起主导作用.研究表明,在淡水体系中硫酸盐还原菌和铁还原菌均是重要的汞甲基化细菌,尤其是硫酸盐还原菌一直被认为是淡水体系中主要的汞甲基化细菌,因此硫循环在汞形态分布和汞甲基化过程中也起到至关重要的作用.认为SO42-在20~50 mg · L-1时,最适合SRB的甲基化活动.在近期的一些研究中,铁还原菌也被证实可进行数量可观的甲基化,尤其在富含铁的沉积物中.虽然关于硫酸还原菌和铁还原菌在汞甲基化中的作用研究很多,但大多数结论都基于实验室研究,对野外两种微生物和甲基汞间的关系研究较少.阿哈、百花和红枫水库为贵阳市饮用水源地,其受酸性矿山废水(阿哈水库)、含汞废水(百花水库)、生活污水(红枫水库)严重污染,造成这些水库某些理化特征差异明显,这些都将可能显著影响汞的甲基化过程.本研究旨在这些不同理化特征基础上弄清两种还原性微生物在这些水库中的分布及其对汞甲基化的影响,可为这些水库的治理提供一定科学依据,以保障贵阳市人民的用水安全.

  2 样品采集与分析

  2.1 样品采集

  采样点分布如图 1所示.阿哈水库和百花水库采样时间为2012年2月、6月、9月3个季节,红枫水库作为对比参照点仅在2012年6、9月份进行采样.水库水样从表层到底层每4 m取一个样,需测溶解态物质样品用0.45 μm滤膜(Millipore)现场过滤.水样用0.5%盐酸酸化存于经过超净技术处理过的硼硅玻璃瓶中,然后放在冰箱中冷藏避光保存.微生物测定水样用装有稀释液的厌氧管或装有培养液的测试瓶采集.沉积物柱采用SWB-1型便携式不扰动湖泊沉积物采样器采集.快速将沉积物样品在氮气条件下按1 cm或2 cm的间距分割,装入经过酸预处理的50 mL聚乙烯离心管中,盖紧并用parafilm®密封,放置在冷却箱中低温保存.提取孔隙水的样品,必须在48 h内按以下方法处理:首先在4 ℃恒温、转速3000 r · min-1的条件下离心30 min,然后用0.45 μm 滤膜(Millipore)过滤提取孔隙水.提取孔隙水后的沉积物样品用真空冷冻干燥仪(FD-3-85D-MP型冷冻干燥仪,-80 ℃)干燥,并研磨至150目以供分析.

图1 水库采样点分布图

  2.2 样品测定

  (1)沉积物及水库水样中SRB的测定 充氮条件下称取10 g沉积物于装有100 mL无菌无氧水的厌氧三角瓶中,摇床上振荡20 min后,用1 mL无菌注射器取1 mL上清液于KBC-SRB试剂瓶(北京华运安特科技有限责任公司)中进行梯度稀释,每个样品做6个梯度,3个平行.水库水样直接进行梯度稀释.将注射好的试剂瓶放入35 ℃培养箱中培养7 d.根据试剂瓶的阳性反应数(出现黑色沉淀或者铁钉变黑)查MPN计数表确定其MPN数,再计算其实际含量(按沉积物湿重计).

  (2)沉积物及水库水样中DIRB的测定 样品中DIRB采用滚管培养法测定.将沉积物悬浊液或水样在装有无菌无氧稀释液(NaCl 0.85 g,Na2HPO4 0.25 g,NaH2PO4 0.56 g,蒸馏水100 mL)的厌氧管中进行梯度稀释.用1 mL无菌注射器分别吸取不同稀释梯度的稀释液各0.5 mL于装有融化的柠檬酸铁培养基(柠檬酸铁3.3 g,NH4Cl 1 g,CaCl2 · 2H2O 0.07 g,MgSO4 · 7H2O 0.6 g,K2HPO4 · 3H2O 0.722 g,KH2PO4 0.25 g,葡萄糖10 g,琼脂粉10 g)厌氧管中,而后将其平放于盛有冰块的盘中迅速滚动至培养基在试管内壁均匀凝固,然后将厌氧管置于30 ℃恒温培养箱中避光培养4 d,根据不同梯度厌氧管中长出的菌落数,计算其实际菌落数量(按沉积物湿重计).

  (3)样品中甲基汞测定:沉积物甲基汞采用硝酸和硫酸铜溶液浸提,CH2Cl2萃取并结合水相乙基化、恒温气相色谱、冷原子荧光(GC-CVAFS)的方法测定沉积物中的微量甲基汞.水库水样及孔隙水甲基汞采用蒸馏乙基化结合GC-CVAFS法测定.

  (4)其它参数测定:硫酸根采用离子色谱法测定.硫离子采用对氨基二甲基苯胺比色法测定.孔隙水中铁采用ICP-AES测定.水体中pH、温度(T)、溶解氧(DO)采用便携式水质参数仪测定.

  3 结果

  3.1 水库基本理化参数分布特征

  3个水库采样点在采样期间水深变化范围为14~32 m,溶解氧含量范围为0.05~10.52 mg · L-1,pH范围为7.26~9.14.在春夏季,溶解氧和pH均有从上到下减少的趋势,表明3个水库都是季节缺氧分层型水库.百花、红枫和阿哈水库沉积物有机质含量范围分别为8.08%~13.04%、8.94%~11.99和8.05%和8.30%,均远高于同一流域的东风水库(2.20%~4.88%),表明3个水库都曾受严重污染.各水库水体中硫酸根和硫离子含量见图 2和图 3.

 图2 贵阳市水库中硫酸根含量分布特征(注:纵坐标0 m为水-沉积物界面处,深度数值越小,表明水体或沉积物深度越大) 

图3 贵阳市水库中硫离子含量分布特征(注:纵坐标0 m为水-沉积物界面处,深度数值越小,表明水体或沉积物深度越大) 

  虽然现在阿哈水库流域内煤矿也全部关闭,但水库上覆水体中硫酸根含量明显高于其它两个水库(非参数独立样本检验,p<0.001),表明采样期间阿哈水库仍然受到流域内酸性矿山废水的影响.在9月份,阿哈、百花和红枫水库湖水总汞含量分别为1.9~14.6 ng · L-1(平均值5.2 ng · L-1)、4.3~12.5 ng · L-1(平均值7.8 ng · L-1)、2.3~4.4 ng · L-1(平均值3.4 ng · L-1);沉积物总汞含量分别为0.12~0.33 μg · g-1(平均值0.24 μg · g-1)、0.19~7.18 μg · g-1(平均值1.62 μg · g-1)、0.36~0.57 μg · g-1(平均值0.43 μg · g-1),表明百花水库历史上曾遭受严重的汞污染.

  3.2 水库硫酸盐还原菌及铁还原菌分布特征

  2月份水体SRB含量非常低,仅在阿哈水库界面水处达到1100 cells · mL-1的最大值,其他位置基本检测不出.水库上覆水体中,阿哈水库SRB在任意月份都高于其他两个未受污染的水库.6月份,阿哈水库水体中SRB含量均大于2.5×104 cells · mL-1;9月份,阿哈水库水体中部SRB含量达到4.5×104 cells · mL-1;而在百花和红枫水库,上覆水中SRB最大值为2.5×104 cells · mL-1.各水库沉积物中硫酸还原菌季节分布特征见图 4.在沉积物中,SRB受温度(T)、溶解氧(DO)影响极大,夏秋季节表层沉积物SRB含量高于冬季500~1000倍左右.2月份所有水库中SRB仅为约950 cells · g-1左右,而6、9月份沉积物SRB含量约在104~105 cells · g-1左右.尽管阿哈水库由于矿山废水污染使得孔隙水硫酸根含量高于其他两个水库,但沉积物SRB仅在上部高于其他两个水库,在中下部没有明显差异.

 图4 贵阳市不同水库沉积物中SRB含量的季节变化特征(罗光俊等,2014)(注:0 cm为沉积物表层,深度数值越大,表明沉积物深度越大) 

  各水库上覆水体DIRB在同一季节相差不大.同时,水库中所呈现出的季节分布规律基本为:6月份>9月份>2月份;除2月份外,水库上覆水体中的DIRB数量明显低于SRB含量.各水库沉积物中铁还原菌季节分布特征见图 5(罗光俊等,2014). 水库沉积物中DIRB由于受DO及T的影响,6月份与9月份DIRB含量远远高于2月份,同时由于其他电子供体(如O2)的影响,沉积物DIRB剖面峰值有随季节变化迁移到沉积物上部的趋势.在冬季,沉积物孔隙水中铁与DIRB分布一致;而在春夏季,由于受其他厌氧微生物生长影响(如硫酸盐还原菌),其分布规律不相一致.曾受煤矿废水污染的阿哈水库,其DIRB峰值含量明显高于其他两个水库.

 图5 贵阳市不同水库沉积物中DIRB含量的季节特征(罗光俊等,2014)(注:0 cm为沉积物表层,深度数值越大,表明沉积物深度越大) 

  3.3 水库中甲基汞的分布特征

  在水库上覆水体及沉积物孔隙水中,阿哈溶解态甲基汞(DMeHg)的峰值随着厌氧-好氧界面的迁移从孔隙水顶部迁移到上覆水体底部.在2月份,孔隙水-水体剖面甲基汞峰值出现在沉积物表层或次表层;在6月份,甲基汞峰值上移到孔隙水表层或沉积物-水体界面处;而在9月份,甲基汞峰值上移至上覆底层水体中.同时,其表层孔隙水最大DMeHg值出现在2月份,与其他水库出现在6、9月份不同,并且明显低于其他两个水库孔隙水甲基汞(图 6).和阿哈水库相反,红枫水库孔隙水-水体剖面DMeHg峰值一直位于孔隙水上部.在百花水库,其水体中DMeHg严重超出了水体背景值,加之其孔隙水中下部出现异常峰值,说明百花水库受汞污染严重.

 图6 贵阳市各水库上覆水体及孔隙水中DMeHg季节分布(注:纵坐标0 m为水-沉积物界面处,深度数值越小,表明水体或沉积物深度越大) 

  水库中沉积物甲基汞分布趋势和孔隙水中甲基汞分布有明显的相关性(r=0.43,p<0.001),主要表现为百花水库>红枫水库>阿哈水库(图 7).在阿哈水库,6、9月份表层沉积物甲基汞含量明显低于2月份,且明显低于其他两个水库,表明6、9月份阿哈水库表层沉积物汞甲基化受到明显抑制.百花水库由于受到汞的严重污染,其整体甲基汞含量都比较高,8月份平均值为8.02 ng · g-1,2月份为4.51 ng · g-1.红枫水库沉积物甲基汞在6月份表层达到了14.04 ng · g-1的最大值,其后随着深度的增加逐渐降低,在其中下部,6、9月份沉积物甲基汞分布差异不大.

 图7 贵阳市水库沉积物中甲基汞季节分布特征(注:纵坐标0 cm为沉积物表层,深度数值越大,表明沉积物深度越大) 

  4 讨论

  4.1 上覆水体中SRB、DIRB和甲基汞分布的关系

  由于3个水库污染基本得到控制,各水库水质都明显好转,且3个水库都处于同一流域,故各水库水体理化特征相差不大.运用SPSS软件对水体中DMeHg与微生物关系进行分析得出,水体中DMeHg与SRB呈显著正相关关系(r=0.398,p<0.05,n=37),而水体DMeHg与DIRB不存在相关性.虽然淡水体系中硫酸盐还原菌和铁还原菌均被证明是重要的汞甲基化细菌,但相对DIRB与其他微生物而言,SRB被证明是水环境中产生甲基汞的主要微生物.本研究中两种还原微生物和水体甲基汞的关系也表明,相对DIRB,SRB在这些水库汞的甲基化过程中扮演了更重要的角色.

  4.2 沉积物中SRB、DIRB和甲基汞分布的关系

  虽然历史上各种较重污染源已得到遏制,但历史上各种污染物大部分都以颗粒物形式沉降到沉积物中,使得沉积物中各种污染依然严重,如阿哈水库孔隙水硫酸根、铁锰及百花水库沉积物高汞污染依然存在.这些较大浓度的污染物在一定程度上影响着微生物的生长及其对汞的甲基化,使得沉积物中微生物与甲基汞的关系远远比水体中的关系复杂,没有在整体上表现出简单的相关性,而是在不同污染物积累的水库中表现出不同的影响特征: 在受酸性矿山废水污染的阿哈水库沉积物中,硫酸根、SRB、硫离子和沉积物及孔隙水甲基汞均没有显示简单的相关性.大量研究已表明,硫酸盐还原细菌在水体系统中是主要的汞甲基化细菌之一.在一定范围内,甲基汞浓度会随硫酸盐还原活动的增加而增加,但当硫酸盐还原活动太强烈,过量积累的硫离子(>10 μmol · L-1)会和二价汞结合生成不能被微生物利用的汞化合物,从而减少甲基汞的产生.可见硫酸盐还原活动对汞甲基化的影响不是简单的线性关系.

  从阿哈水库甲基汞季节变化和垂向分布看,在春夏季SRB的还原活动严重抑制了沉积物表层汞的甲基化.在2月份,沉积物表层处于好氧状态,温度低,SRB含量低,SRB 活性受到抑制,使得硫酸根浓度明显高于其它两个季节;此时孔隙水-水体剖面甲基汞峰值位于沉积物表层或次表层.到了6、9 月份,SRB数值急剧增大,孔隙水中硫酸根显著降低,表明此时表层硫酸根还原非常强烈.强烈的硫酸盐还原活动使得硫离子大量积累,达到16~21 μmol · L-1.此时,沉积物中甲基汞峰值和表层孔隙水甲基汞峰值均明显低于2月份,且表层孔隙水中甲基汞明显低于中部,并低于上覆底层水体甲基汞,表明孔隙水-水体剖面甲基汞峰值迁移到上覆底层水体中.而在典型的孔隙水甲基汞剖面中,甲基汞通常位于表层几cm,且通常为春夏季大于冬季,也通常高于上覆水体甲基汞(e.g..同时,6,9月份阿哈水库沉积物和孔隙水表层甲基汞均低于红枫水库,表明在6,9月份,阿哈水库过量积累的硫离子(16~21 μmol · L-1)明显抑制了沉积物表层汞的甲基化.而在阿哈湖上覆水体中,虽然也发生了强烈的硫酸盐还原,但底层硫离子多在10 μmol · L-1左右,没有对甲基化造成抑制,适宜的硫酸盐还原活动正好促进了汞的甲基化,使得在孔隙水-水体剖面中,甲基汞峰值从沉积物表层迁移到上覆底层水体中.可见,在受到高硫酸盐污染的水库中,SBR活动很大程度上影响着水‐沉积物界面甲基汞的分布.而且,在这种高硫酸盐污染的水库中,汞的甲基化和硫酸盐的还原程度并不是简单的线性相关性,这和Mack的研究一致.虽然阿哈水库沉积物DIRB和沉积物及孔隙水甲基汞没有表现出明显的相关性,但从DIRB和甲基汞分布规律可看出,除阿哈大坝9 月份外,其它铁还原菌峰值都分布在10 cm左右,也就是沉积物柱中部,这和6、9 月份阿哈水库大坝和长滩孔隙水甲基汞分布规律一致,表明铁还原菌活动对沉积物中下部汞的甲基化有一定的促进作用.

  在红枫水库,各季节硫酸根含量均低于阿哈水库,表层沉积物中的SRB数量也明显低于阿哈水库.从春季明显降低的硫酸根可以看出,红枫水库春季沉积物中也发生了明显的硫酸盐还原,但其产生的硫离子大多低于10 μmol · L-1,处于对汞甲基化产生抑制的临界点,处于最有利于汞甲基化的适宜范围,使得水体-孔隙水剖面中甲基汞峰值出现在沉积物表层,且明显高于同季节的阿哈水库.虽然9月份红枫湖孔隙水中也出现了大量的硫离子,但并没有观察到汞甲基化的抑制现象,这可能是由于在高含量的硫离子出现以前,就已经形成了高含量的甲基汞.同时,在红枫水库,硫酸盐还原菌的主要产物硫离子与其孔隙水甲基汞表现出了显著正相关关系(r=0.674,p<0.001,n=31),此结果也说明,在硫酸盐含量较低的红枫水库,SRB的还原活动对沉积物汞的甲基化起强烈的促进作用.另一方面,在红枫水库,由于其硫酸盐含量低于阿哈水库,其SRB 活动不如阿哈水库强烈,SRB 对DIRB 生长的抑制作用较小或不受抑制,通过相关性分析可知,DIRB与沉积物甲基汞表现出了显著正相关性(r=0.562,p<0.05,n=14),说明DIRB 对汞甲基化的形成也有一定的促进作用.

  百花水库沉积物中甲基汞与所研究的两种还原性微生物,孔隙水中甲基汞与总铁/硫离子均不存在显著相关性.在百花水库,其沉积物中总甲基汞和DMeHg峰值除了出现在表层,还出现在沉积物中下部,这与红枫水库分布在表层或次表层完全不同.虽然在沉积物表层也出现了不连续的硫离子高值(>10 μmol · L-1),但在孔隙水表层仍然检测到了明显高于其它两个水库的甲基汞峰值,同时在上覆底层水体中甲基汞也远大于其它两个水库,这可能和百花水库曾受贵州水晶厂严重汞污染有关,其较高的底物活性汞为汞甲基化提供了充足的原料.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  5 结论

  硫酸还原菌和铁还原菌均是汞的甲基化细菌.阿哈、百花和红枫水库都位于贵阳市喀斯特地区,其pH等基本理化特征相似,但由于这些水库受酸性矿山废水(阿哈水库)、含汞废水(百花水库)、生活污水(红枫水库)污染严重,造成这些水库某些理化特征差异明显,这些都将可能显著影响汞的甲基化过程.本研究探讨了两种还原性微生物在这些水库中的分布及其对汞甲基化的影响,得出以下主要结论.

  1)在上覆水体中,SRB为主要的汞甲基化细菌,而在污染严重且差异明显的沉积物中,两种微生物对甲基汞的分布影响各不相同.

  2)在受矿山酸性废水污染的阿哈水库,由于其过高的硫酸根及其硫酸盐还原活动,导致夏季沉积物表层硫离子大量积累,严重抑制了汞的甲基化过程.

  3)在红枫水库,适宜的SRB活动促进了汞的甲基化,同时铁还原菌对汞甲基化的形成也有一定的促进作用.

  4)在百花水库,由于沉积物曾受到严重汞污染,甲基汞峰值主要受到沉积物总汞的影响,和两种微生物活动均未表现出显著相关性. 

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