三峽庫區(qū)典型支流水庫長壽湖汞的生物地球化學特征.pdf

1、汞及其有機化合物（甲基汞）具有強神經(jīng)毒性、脂溶性和高生物富集性特征。自日本發(fā)生“水俁病”事件后，環(huán)境中汞污染問題一直受到人們廣泛關(guān)注。上世紀70年，Smith首次發(fā)現(xiàn)了新建水庫魚體中甲基汞含量升高超出了世界衛(wèi)生組織建議的食用衛(wèi)生標準（≤1.0 mg kg-1，濕重）的現(xiàn)象。之后的一系列研究進一步發(fā)現(xiàn)，在新建水庫環(huán)境中，汞會通過活化、甲基化、食物鏈吸收傳遞，逐級放大。魚體對水體中甲基汞的生物富集系數(shù)通常在104～107范圍內(nèi)，即水體中的甲

2、基汞濃度低，但通過水生食物鏈傳遞放大以后，魚類等高營養(yǎng)層次生物體內(nèi)可能出現(xiàn)很高的甲基汞污染。由此，水庫被認為是典型的“汞敏感生態(tài)系統(tǒng)”。我國是“水庫大國”，到2013年初，僅長江流域就已經(jīng)建成各類水庫4.7萬座，其中大型水庫173座，總庫容量1978億m3，占長江水庫總庫容的78％。同時，三峽水庫屬于長江高山峽谷蓄水形成的特大調(diào)節(jié)型水庫，庫區(qū)汞本底值相對較高，流域山高坡陡，土地墾殖率高，且人為農(nóng)業(yè)活動（耕地種植、網(wǎng)箱養(yǎng)魚）頻繁活躍等因素

3、，使得庫區(qū)流域環(huán)境問題不容忽視。因此，加強對庫區(qū)水環(huán)境汞生物地球化學系統(tǒng)研究顯得尤為重要。由于三峽水庫由一系列水域構(gòu)成，開展小流域汞的生物地球化學行為研究是了解流域環(huán)境對水體汞影響的突破口。
　　1）長壽湖水庫水體不同季節(jié)總汞、總甲基汞濃度在表層和垂直空間表現(xiàn)出明顯差異。總基于此，本文選擇三峽庫區(qū)一重要支流水庫——長壽湖水庫為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)查采樣與室內(nèi)實驗分析相結(jié)合的研究方法，對汞在長壽湖水庫水體的分布、水體-大氣界面、沉積

4、物-水界面的交換特征，魚體汞富集的生物地球化學特征，以及水庫汞的質(zhì)量平衡進行系統(tǒng)研究，以期為三峽庫區(qū)支流水庫區(qū)域汞循環(huán)模式提供有力的數(shù)據(jù)支撐，同時也為探討三峽水庫蓄水運行后可能引起的汞活化效應(yīng)及相關(guān)生態(tài)環(huán)境問題提供科學依據(jù)。結(jié)果表明：汞濃度平均值為（14.77±12.24）ng·L-1，總甲基汞濃度平均值為（0.41±0.47）ng·L-1。表層水體各形態(tài)汞的塊金效應(yīng)值表明各形態(tài)汞的分布一方面受水溫、pH、氧化還原環(huán)境等水庫內(nèi)在屬性的影

5、響，另一方面與人為活動外源輸入有關(guān)；溶解態(tài)甲基汞主要來源于水庫水體內(nèi)部汞的甲基化；而顆粒態(tài)甲基汞則主要來源于流域地表徑流帶入的外源輸入。長壽湖水庫水體MeHg/THg的比例總體較高，而DMeHg/MeHg的比例絕大部分均高于50%，這一結(jié)果表明長壽湖水體內(nèi)在環(huán)境條件利于汞的甲基化。適宜的水溫有利于提高長壽湖水庫水中微生物的活性，從而促進汞的甲基化作用，較低溫度抑制汞的甲基化或者有利于汞脫甲基化進程。夏秋季采樣點垂直剖面上溶解態(tài)甲基汞濃度

6、在表層下4～8m出現(xiàn)峰值，隨之其值降低近湖底部再次躍增。顆粒態(tài)甲基汞濃度峰值出現(xiàn)表層下8～20m而非在沉積物-水體界面處，主要與上層水體顆粒物吸附甲基汞的沉降有關(guān)。夏季、春季水體DMeHg濃度與DO相關(guān)關(guān)系（r=-0.482**，p<0.05；r=-0.339*，p<0.01），秋季和冬季不具有相關(guān)性。
　　2）長壽湖水庫溶解氣態(tài)汞受到水環(huán)境多因素直接或間接影響，存在明顯季節(jié)變化。全年溶解氣態(tài)汞范圍為5～85 pg·L-1，平均濃

7、度26 pg·L-1，其中夏季、春季濃度高于秋季濃度和冬季濃度。在全年絕大多數(shù)時間長壽湖水庫表層水溶解氣態(tài)汞呈過飽和狀態(tài)，意味著富營養(yǎng)化條件利于水體中Hg0的生成和向大氣釋放。全年采樣期間長壽湖水氣界面汞交換通量平均為(2.1±6.0) ng·m-2·h-1。汞交換通量最高發(fā)生在夏季。通徑分析發(fā)現(xiàn)影響水-氣界面釋汞通量直接效應(yīng)主要為水體汞濃度、光照強度和紫外線強度；間接效應(yīng)主要為紫外線強度、光照強度、風速，其中風速通過紫外線間接作用高于

8、風速本身對水-氣界面汞交換通量的影響。因此，水氣界面交換通量受到兩方面制約：一方面光照強度、紫外線強度、水體汞濃度直接或間接影響著水體溶解氣態(tài)汞的生成；另一方面風速大小影響著水面上方大氣汞濃度擴散梯度，從而影響著水-氣界面交換通量。
　　3）長壽湖水庫沉積物總汞平均值（44.8±16.9）ng·g-1，接近于我國土壤中汞的幾何平均值，低于三峽庫區(qū)消落帶土壤汞含量平均值。長壽湖水庫沉積物甲基汞平均值(0.38±0.41)ng·g-1

9、。間隙水中無機汞濃度季節(jié)趨勢：秋季>夏季>春季>冬季。沉積物/間隙水總汞固液分配系數(shù)KdTHg平均值4.8×103 L· kg-1。各季節(jié)沉積物/間隙水總汞固液分配系數(shù)依次為：冬季>春季>秋季>夏季。沉積物甲基汞固液分配系數(shù)KdMeHg平均值7.1×102 L· kg-1，各季節(jié)甲基汞固液分配系數(shù)分別為：冬季>春季>夏季>秋季。全年間隙水DMeHg/DHg(%)平均值為23.1%±7.5%，屬于中等甲基汞產(chǎn)率湖泊。水庫垂直剖面間隙水甲基

10、汞峰值出現(xiàn)在表層下16cm和28cm，可能硫酸鹽還原細菌活動擴展到更深的區(qū)域，從而導致了沉積物深處甲基化率的提高。間隙水溶解態(tài)甲基汞在秋季和夏季向上覆水體擴散通量遠高于冬季。
　　4）長壽湖水庫不同營養(yǎng)級別魚類、不同魚體器官的總汞、甲基汞差異性明顯。魚體總汞平均值為（55.9±29.6）ng·g-1，甲基汞平均值（26.3±19.6）ng·g-1，遠遠低于食用水產(chǎn)品標準、和食品污染物限量標準，沒有發(fā)現(xiàn)類似北歐、美國水庫魚體汞普遍超

11、標現(xiàn)象。不同營養(yǎng)級別魚類總汞大小依次為：鱖魚>鯰魚>黃顙魚>翹嘴紅鲌>胭脂魚>鯽魚>團頭舫>鯉魚>草魚。魚體器官中總汞含量高低依次為：魚體肌肉>心臟>肝>鰓>脂肪>魚鰾>卵>腦。不同營養(yǎng)級別魚類甲基汞大小順序依次為：肉食性魚類>雜食性魚類>草食性魚類。魚體器官中甲基汞含量高低依次為：心臟>脂肪>肝>肌肉>腦>魚鰾>鰓>卵。魚體甲基汞占總汞比例為（47.3±17.8）%。魚體肌肉總汞的富集系數(shù)最高，其次為心臟。魚體心臟甲基汞富集系數(shù)最高，

12、其次為肝臟。健康風險評估結(jié)果顯示，各年齡段人群食用長壽湖魚類HQ（RfD230）均小于1，表明不存在甲基汞暴露的風險，食用長壽湖水庫魚類是安全的。
　　5）根據(jù)水庫汞質(zhì)量平衡模型，估算出長壽湖水庫是總汞的“匯”，每年長壽湖水庫截留凈總汞量為4103g；長壽湖水庫是甲基汞的“源”，每年水庫產(chǎn)生凈甲基汞量331g。長壽湖水庫中總汞輸入年通量順序依次為：河流輸入>間隙水擴散>大氣濕沉降>沉積物再懸浮。其中，河流輸入是水庫總汞的極其重要來

13、源?？偣斎氲闹饕D(zhuǎn)移過程為：上一環(huán)境系統(tǒng)→水相轉(zhuǎn)移、間隙水擴散→水相轉(zhuǎn)移。水庫總汞輸出年通量順序依次為：河流輸出>水體懸浮顆粒物沉降>水氣界面揮發(fā)>魚體吸收>沉積物掩埋?？偣敵鲋饕^程：水相→下一環(huán)境系統(tǒng)轉(zhuǎn)移、水相→固相轉(zhuǎn)移、水相→氣相轉(zhuǎn)移。長壽湖水庫甲基汞輸入年通量順序依次為：間隙水擴散>河流輸入>濕沉降>沉積物再懸浮。其中，間隙水的擴散是水庫甲基汞的首要來源，河流輸入長壽湖水庫甲基汞的第二大來源。甲基汞輸入的主要轉(zhuǎn)移過程為：上一