2016, Vol. 36
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2. 中国科学院大学, 北京 100049
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
汞是自然状态下唯一以气态形式存在于大气中的重金属，它在空气中以多种形态存在，主要分为气态单质汞(Gaseous Elemental Mercury，GEM)、活性气态汞(Gaseous Oxidized Mercury，GOM)和颗粒态汞(Particulate Bound Mercury，PBM)，其中，GEM占90%以上(Ci et al.，2012; Fitzgerald et al.，1991).大气汞能随大气传输到世界各地，被认为是全球性污染物(冯新斌等，2009；杨永奎等，2007).同时，汞还是环境中的持久性有毒污染物，甲基汞(MeHg)毒性最强，且具有很强的神经毒性(Clarkson et al.，2006)，因其具有亲脂性、生物累积和生物放大效应，对人类健康造成了严重的威胁.饮食(特别是鱼类)是人类暴露甲基汞的主要途径(Syversen，2012).近期研究表明，水稻有很强的甲基汞富集能力(Horvat et al.，2003; Zhang et al.，2010a)，而水稻是内陆居民的主食之一，因此，水稻对汞污染地区的居民造成了严重的健康风险(Feng et al.，2008;Zhang et al.，2010b).以往研究表明，水稻体内的甲基汞主要来自根对土壤中甲基汞的吸收(Meng et al.，2010，2011; Zhang et al.，2010b; Liu et al.，2012; Zhou et al.，2015)，且目前许多学者认为土壤和沉积物中存在着的几种不同种群的微生物是汞甲基化的主要原因(Vaithiyanathan et al.，1996;King et al.，2001; Siciliano et al.，2002).然而早期汞的光化学甲基化研究表明，植物表皮蜡质中含有的醇、醛、酯、酮等有机物质，可在紫外光照下与气态单质汞和二价汞离子反应生成甲基汞；植物体内的甲基化剂(乙酸、对羟基苯甲醛等)也可将无机二价汞甲基化为甲基汞(Bertilsson et al.，1971;Falter，1999).笔者所在课题组研究发现，大气GEM是典型农作物(小麦、玉米和水稻)地上部分汞富集的主要来源(Niu et al.，2011;陈剑，2015).那么大气GEM是否与水稻甲基汞的富集有响应关系?目前尚不清楚.因此，本文利用开顶气室熏蒸实验和土壤加汞培育实验研究水稻体内各组织中甲基汞的富集对大气GEM浓度升高的响应关系，这对进一步评估汞的健康风险具有重要意义.
2 实验设计(Experimental design) 2.1 开顶气室熏蒸实验大田开顶式熏蒸可以为植物提供比较接近自然的生长环境，气室内的温湿度与自然环境接近(陈法军等，2005).整个实验装置由气室、GEM生成系统和布气系统3部分组成，具体如图 1所示.气室为长1.5 m、宽1.4 m、高1.0 m的箱体，为减少外部气体对气室内气流的干扰，将气室顶端加置0.5 m高的45°收缩口(Heagle et al.，1973)，气室体积约为2.9 m3.气室框架由PVC管构成，室壁为透光性良好的聚四氟乙烯膜.含汞气体经布气孔均匀进入并自下而上分散通过气室后由气室顶部排出.系统设计中考虑到最大程度地接近于自然条件.GEM生成系统利用汞在常温下呈液态且易挥发的原理控制，布气系统由PVC管将气流从底部通入气室(Mandl et al.，1985)，气室内汞质量浓度由RA-915+塞曼原子吸收汞分析仪在线监测.实验地点位于湖南农业大学的农资系实验基地.根据在线监测实验区近地表空气汞质量浓度的背景值((5±2)ng·m-3)和1972年联合国环境会议公布的空气平均汞质量浓度(1~50 ng·m-3)，开顶气室熏蒸实验共设置了4个浓度水平，分别为：(5±2)(CK)、(15±5)、(45±5)、(90±10)ng·m-3，每个水平3个重复.气室内GEM的浓度通过调节浮子流量计控制载气流速获得，鼓风机(690 m3·h-1)每50 s左右完成一次彻底的换气.从2013年8月31日开始熏气，到2013年11月15日结束熏气，24 h连续供气.
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| 图 1 开顶气室熏蒸实验示意图 Fig. 1 Schematic diagram of open top chamber fumigation experiment |
为了进一步明确水稻各器官甲基汞富集与土壤汞浓度的响应关系，本研究设计了土壤加汞培育实验，以期为开顶气室熏蒸实验提供参照.根据以往研究，汞矿区土壤的汞含量约为22 mg·kg-1(Meng et al.，2010)，实验区土壤汞的背景值为(47±20)μg·kg-1)，因此，本文土壤加汞实验设置了5个剂量水平，分别为(47±20)(CK)、(88±16)、(728±23)、(1113±31)、(2168±20)μg·kg-1.为降低水稻培育过程中土壤中的汞向大气排放，在种植水稻前，土壤添加不同剂量的HgCl2后需先老化7个月(朱小翠等，1996).
3 实验方法(Experimental methods) 3.1 样品采集与处理水稻成熟后，采集水稻植株及其根部土壤.在实验室依次用饮用水、去离子水和超纯水将植株清洗干净，并将其根、下部茎、上部茎、叶、籽粒和壳分开，植株和土壤样品经过冷冻干燥处理后将样品研磨成150目的粉末待分析.
3.2 分析方法植株样品中甲基汞的测定采用碱消解-有机萃取分离-反萃取水相富集-水相乙基化衍生GC-CVAFS联用法(仇广乐等，2005)；土壤中甲基汞的测定采用浸提-萃取-反萃取乙基化结合GC-CVAFS法(何天容等，2004).这两种方法的回收率均在80%以上.
3.3 质量控制质量控制考虑到了空白试验、平行样、样品加标回收试验及测定标准物质来控制.植株中甲基汞测定方法的最低检出限为0.003 ng·g-1，加标回收率平均为102%；土壤中甲基汞测定方法的最低检出限为0.6 pg·g-1，平均回收率为97.8%，两者的相对标准偏差均不会超过10%.
4 结果与讨论(Results and analysis) 4.1 土壤中甲基汞的含量不同GEM熏蒸下的土壤甲基汞含量见图 2a.从图中可以看出，气室中GEM浓度变化并没有明显引起土壤中甲基汞含量的变化，Niu等(2011)、陈剑(2015)的大田原位气室熏蒸实验也表明土壤总汞并没有随空气中GEM浓度的改变而变化，因此，本研究气室中汞的浓度对土壤表层甲基汞含量的影响可以忽略不计.土壤加汞实验的结果(图 2b)表明，水稻根土甲基汞的含量与总汞含量没有显著的相关性(p＞0.05).这可能是因为土壤甲基化受多个因素的影响，如pH、Eh、温度、有机质、微生物、硫化物及天然配位体等(丁疆华，2000；冯新斌等，2009；Liu et al.，2012).
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| 图 2 开顶气室熏蒸实验(a)和土壤加汞实验(b)中土壤中甲基汞的含量 Fig. 2 MeHg levels in open top chamber experiment(a)and soil mercury enriched experiment(b) |
图 3显示在气室熏蒸实验中，水稻根中甲基汞的含量与大气GEM的含量无显著差异(r=0.1186，p＞0.05)，而随水稻根土中甲基汞含量的增加而增加(r=0.9870，p＜0.01).土壤加汞培育实验的结果表明，在一定范围内，水稻根中甲基汞的含量随土壤中总汞的含量呈二次拟合线性增加(r=0.7280，p＞0.05)，且与土壤中甲基汞的含量有明显的线性相关性(r=0.9462， p＜0.05)(图 4).研究表明，成熟期水稻根中的甲基汞含量与其土壤中的甲基汞含量显著相关(Zhang et al.，2010a;Meng et al.，2010)，Schwesig等(2003)也曾报道，有机汞比无机汞更容易被根吸收而在植物体内进行迁移；此外，近期的研究也表明，植物体内的络合素和小分子肽可以移除植物体内的重金属，但对甲基汞没有作用(Krupp et al.，2009).因此，水稻的根中甲基汞的富集主要来自对土壤中甲基汞的吸收，大气GEM和土壤总汞的影响不明显.
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| 图 3 开顶气室熏蒸实验中水稻根中甲基汞的含量 Fig. 3 MeHg levels of the root in open top chamber experiment |
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| 图 4 土壤加汞培育实验中水稻根中甲基汞的含量 Fig. 4 MeHg levels of the root in soil mercury enriched experiment |
在气室熏蒸实验中，水稻上部茎的甲基汞含量在不同的大气GEM浓度熏蒸下表现为先增加后降低的趋势，且均比对照处理(CK)的含量高；下部茎的甲基汞含量与气室中GEM的浓度无显著相关性，而与土壤中甲基汞的含量有显著的相关性(r=0.9484，p＜0.05)(图 5).在土壤加汞培育实验中(图 6)，水稻上部茎和下部茎的甲基汞含量与土壤中总汞的含量二次线性相关(上部茎：r=0.7982，p＞0.05;下部茎：r=0.9011，p＜0.05)，且与土壤中甲基汞的含量有相同的变化趋势(上部茎：r=0.8560，p＞0.05;下部茎：r=0.9178，p＜0.05).值得关注的是，各个气室中上部茎的甲基汞含量均比下部茎高，而在土壤加汞培育实验中下部茎的甲基汞含量明显比上部茎高，这表明水稻上部茎中甲基汞的含量可能受到大气中GEM的影响，水稻下部茎受土壤汞含量变化的影响较大.
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| 图 5 开顶气室熏蒸实验中水稻茎中甲基汞的含量 Fig. 5 MeHg levels of the stem in open top chamber experiment |
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| 图 6 土壤加汞培育实验中水稻茎中甲基汞的含量 Fig. 6 MeHg levels of the stem in soil mercury enriched experiment |
两个实验结果共同说明，水稻茎中的甲基汞主要来自于根吸收的土壤MeHg向地上部分的传输，同时上部茎在一定程度上受到大气汞的影响.Niu等(2011)的大田实验研究结果表明，小麦和玉米的上部茎组织中汞的含量受大气汞的影响较大，下部茎的汞主要受土壤汞含量的影响.陈剑(2015)对水稻汞富集的开顶气室原位研究也表明，水稻茎中汞对大气/土壤汞浓度的响应关系结果与Niu等(2011)的研究结果一致.本研究的结果表明，水稻上部茎吸收的汞可能部分在体内在线转化为甲基汞(Falter，1999)，但实验结论需进一步的探索验证.下部茎中甲基汞的富集主要受土壤中甲基汞含量的影响，这与Meng等(2011)的研究结果一致.Liu等(2012)、Zhou等(2015)对水稻甲基汞的累积与分布的研究也表明水稻茎中的甲基汞主要来自土壤.
4.2.3 水稻叶中甲基汞的含量气室熏蒸实验中水稻叶中甲基汞的变化见图 7，随着气室中GEM浓度的增加，水稻叶中甲基汞的含量表现为先升高后降低的趋势，且均比CK中甲基汞的含量高.此外，气室内水稻叶中甲基汞的含量均较低，仅为0.8~3.1 μg·kg-1.从土壤加汞培育实验中可以看出，水稻叶中的甲基汞含量与土壤中总汞的含量二次线性相关(r=0.9746，p＜0.01)，且与土壤中甲基汞的含量显著正相关(r=0.9708，p＜0.01)(图 8).开顶气室熏蒸实验和土壤加汞培育实验共同说明了水稻叶中的甲基汞含量主要受土壤甲基汞含量的影响，在一定程度上也受到大气汞浓度的影响.Meng等(2011)提出，在水稻籽粒形成前，土壤中的甲基汞被根吸收进而传输至茎和叶，最后甲基汞从茎和叶中转移至籽粒.因此，水稻叶中的甲基汞主要来自根从土壤中吸收的甲基汞向上的传输.大气汞对水稻叶中甲基汞含量的影响可能是因为植物表皮蜡质中含有的醇、醛、酯、酮等有机物质在紫外光照下与气态单质汞和二价汞离子反应生成了甲基汞(Bertilsson et al.，1971).
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| 图 7 开顶气室熏蒸实验中水稻叶中甲基汞的含量 Fig. 7 MeHg levels of the leaf in open top chamber experiment |
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| 图 8 土壤加汞培育实验中水稻叶中甲基汞的含量 Fig. 8 MeHg levels of the leaf in soil mercury enriched experiment |
水稻籽粒及稻壳中甲基汞的含量在不同的大气GEM浓度的熏蒸下无显著差异，而与土壤中甲基汞的含量有显著相关性(籽粒：r=0.9865，p＜0.01;稻壳：r=0.9366，p＜0.05)(图 9)，说明大气来源的汞对水稻籽粒及稻壳中甲基汞的积累无线性影响，土壤中甲基汞的含量起主要作用.甲基汞在籽粒中的含量分别是其土壤含量的26、24、25和21倍，这表明水稻籽粒具有很强的甲基汞富集能力.籽粒中的甲基汞在成熟期主要从茎叶中转移而来(Meng et al.，2011)，在水稻上部茎和叶中甲基汞受一定程度大气GEM影响的情况下势必会对水稻籽粒甲基汞的富集产生影响，但究竟多大程度或量化其贡献还需进一步实验研究.
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| 图 9 开顶气室熏蒸实验中水稻籽粒和壳中甲基汞的含量 Fig. 9 MeHg levels of the seed and shell in open top chamber experiment |
从土壤加汞培育实验中可以看出，土壤中的甲基汞含量是决定水稻籽粒及稻壳中甲基汞含量的主要因素(籽粒：r=0.9046，p＜0.05;稻壳：r=0.9181，p＜0.05).二次拟合结果表明，土壤中甲基汞的含量与土壤中总汞的含量基本无关(籽粒：r=0.6187，p＞0.05;稻壳：r=0.4357，p＞0.05)(图 10).籽粒中甲基汞的含量分别是土壤中甲基汞含量的6.9、6.5、5.2、14.7、4.3、5.8倍，这也进一步证明了籽粒具有很强的甲基汞富集能力.开顶气室熏蒸实验和土壤加汞培育实验共同表明，大气GEM对水稻籽粒和壳中甲基汞的富集无线性影响，但在水稻上部茎和叶中甲基汞的含量受一定程度大气GEM影响的情况下势必会对水稻籽粒甲基汞的富集产生影响，其影响程度或其量化贡献还需进一步实验研究；水稻籽粒和壳中的甲基汞主要来自土壤中的甲基汞，且籽粒具有很强的甲基汞富集能力.
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| 图 10 土壤加汞培育实验中水稻籽粒和壳中甲基汞的含量 Fig. 10 MeHg levels of the seed and shell in soil mercury enriched experiment |
在不同的GEM浓度的气室中，水稻各组织中甲基汞的含量占整个植株的平均分配比例为：籽粒＞上部茎＞根＞下部茎＞壳＞叶(图 11a).土壤加汞培育实验中水稻各组织中甲基汞分配比例见图 11b.从图中可以看出，水稻各组织中甲基汞的平均分配比例为：籽粒>下部茎>壳>根>上部茎>叶.从开顶气室熏蒸实验和土壤加汞培育实验的水稻各组织甲基汞的分配比例差异可以看出，气室熏蒸实验中上部茎甲基汞含量所占比例明显大于下部茎，土壤加汞培育实验则相反，这进一步验证了水稻上部茎受到一定程度的大气汞的影响，下茎主要受土壤汞的影响.气室熏蒸实验和土壤加汞培育实验籽粒中甲基汞的分配比例约为65%和70%，可见水稻籽粒具有很强的甲基汞富集能力.
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| 图 11 开顶气室熏蒸实验(a)和土壤加汞培育实验(b)中水稻各组织中甲基汞分配比例 Fig. 11 MeHg ratio in rice groups in open top chamber fumigation experiment(a)and soil mercury enriched experiment(b) |
1) 水稻根中的甲基汞含量与土壤甲基汞的含量显著相关，而与大气汞无线性关系.因此，水稻根中的甲基汞主要来自根对土壤中甲基汞的吸收.
2) 开顶气室熏蒸实验中水稻上部茎中甲基汞的含量在一定范围内随大气汞浓度的升高而升高，且上部茎中甲基汞的含量高于下部茎.土壤加汞实验中土壤甲基汞含量的升高对水稻上下部茎均有显著影响，且下部茎甲基汞含量高于上部茎.因此，水稻茎中甲基汞的含量主要来自土壤，且上部茎中甲基汞的含量受到一定程度大气汞的影响.
3) 水稻叶中甲基汞的含量在一定大气汞浓度范围内随大气汞浓度的升高略有升高，且各气室内水稻叶中甲基汞的含量均较低.在土壤加汞培育实验中，水稻叶中甲基汞的含量与土壤甲基含量有显著相关性.因此，水稻叶中的甲基汞主要来自土壤，且略微受到大气汞的影响.
4) 本研究中大气汞对水稻籽粒中甲基汞的含量无线性影响，水稻籽粒中甲基汞的分配比例显著高于其它组织，表明籽粒具有很强的甲基汞富集能力.在水稻上部茎和叶中甲基汞受一定程度大气GEM影响的情况下势必会对水稻籽粒甲基汞的富集产生影响，但究竟多大程度或量化其贡献还需进一步实验研究.
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