苔藓中汞的吸附与解吸：分子机制及生物监测意义

《Journal of Hazardous Materials》：Mercury sorption and desorption in mosses: Molecular mechanisms and biomonitoring implications

　　

摘要：汞（Hg）是全球性分布污染物，具有重要生态影响。陆生苔藓被广泛用作Hg生物监测器（biomonitor），但Hg在这些生物体内的累积、滞留和释放机制仍不清楚，这一认知缺口限制了对生物监测数据的解释及对Hg生态毒理效应的评估。本研究以苔藓物种 Pseudoscleropodium purum 为对象，综合稳定同位素、化学分析和分子分析手段，探讨Hg沉积途径、来源及驱动Hg累积的分子机制。研究结果表明气态单质汞（gaseous elemental Hg，Hg0）是主要沉积途径，占总Hg输入的66%；但沉积后相当一部分Hg0在苔藓组织内发生氧化，结合沉降后光化学还原（post?depositional photoreduction），使残留Hg0仅占总Hg的5–35%。Hg稳定同位素和质量独立分馏（MIF，Δ201Hg与Δ199Hg呈强相关，rho＝0.88）未显示当地燃煤、森林火灾或大气汞耗竭事件（atmospheric mercury depletion events，AMDEs）的重要贡献，表明研究区Hg主要来自长距离大气传输。分子分析显示，苔藓中Hg累积与胞外空间酰胺基（amide groups）增加及羰基（carbonyl groups）减少相关，反之酰胺水解可导致已结合Hg的释放。上述发现揭示了苔藓Hg循环的新的分子机制，表明细胞壁及质膜官能团可影响Hg分配。研究结果挑战了苔藓是可靠累积型生物监测器的假设，证明至少对该物种及所研究环境条件下，苔藓Hg含量反映的是沉积与光还原损失的动态平衡。

论文解读——《Mercury sorption and desorption in mosses: Molecular mechanisms and biomonitoring implications》发表于《Journal of Hazardous Materials》

研究背景与意义

汞（Mercury，Hg）无已知生物功能且具神经毒性与基因毒性，其有机形态甲基汞（methylmercury，MeHg）可在食物链中生物放大。大气中超过90%为气态单质汞（elemental Hg，Hg⁰），寿命约一年，可经长距离传输并通过干/湿沉降进入陆地与海洋生态系统。陆生苔藓因无角质层、比表面积大、具丰富阳离子交换位点，被广泛用于大气Hg沉降的生物监测（biomonitoring，如ICP Vegetation计划）。然而已有研究发现苔藓Hg浓度与沉降通量相关性弱，且高浓度脉冲可在3–4个月内回落至基线，暗示苔藓并非被动累积器，而是存在动态的摄取—再释放过程。此前对Hg在苔藓内的沉积途径、来源判别、分子结合机制及沉降后转化（氧化、光还原、再排放）均缺乏系统认识，限制了生物监测数据的解读及生态风险评估。为此，研究人员利用西班牙加利西亚（Galicia）地区1999–2018年保存于环境标本库（Environmental Specimen Bank）的 Pseudoscleropodium purum 样本，整合Hg稳定同位素（mass?dependent fractionation，MDF，δ²⁰²Hg；mass?independent fractionation，MIF，Δ¹⁹⁹Hg、Δ²⁰⁰Hg、Δ²⁰¹Hg）、化学示踪（溴Br、火灾示踪物苊烯 retene）及傅里叶变换红外光谱（Fourier?transform infrared spectroscopy with attenuated total reflectance，FTIR?ATR）等多维手段，阐明Hg沉积主导途径、来源特征、分子结合机制及沉降后光化学转化过程，并重新评估该苔藓作为大气Hg生物监测器的适用性。

主要关键技术方法

研究人员使用四个样本数据集：Dataset 1（2000年区域21个样，测总Hg与FTIR）、Dataset 2（2000–2014年两个高Hg站点20个样，测总Hg、热释放实验估算Hg⁰比例、Br、retene、Hg同位素、热脱附Hg?pTD?AAS及FTIR）、Dataset 3（2006–2019年五个站点411个样测总Hg，其中25个做FTIR）、Dataset 4（1999年氯碱厂附近2个样测总Hg与FTIR）。总Hg用DMA?80直接测汞仪测定，热释放实验通过30℃与120℃干燥后THg差值估算挥发性Hg⁰比例。Hg同位素经微波酸消解后用冷蒸气多接收电感耦合等离子体质谱（cold vapor multi?collector inductively coupled plasma mass spectrometry，CV?MC?ICP?MS）测定MDF与MIF。森林火灾贡献用retene作示踪物并以PTV?GC?MS/MS定量；AMDEs贡献用Br浓度（ICP?MS测定）与Hg的相关性判断。Hg形态定性分析采用热解?热脱附?原子吸收光谱（pyrolysis?thermo?desorption?AAS，Hg?pTD?AAS）。分子组成用FTIR?ATR在4000–400 cm^?1扫描，重点分析酰胺Ⅰ/Ⅱ带（~1558 cm^?1）与羰基（~1709/1713 cm^?1）吸收变化。同位素混合模型用Δ²⁰⁰Hg二元混合计算Hg⁰贡献份额，统计用Spearman/Pearson相关及R语言处理。

研究结果

3.1. Mercury deposition pathways and sources（汞沉积途径与来源）

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  3.1.1. Mercury deposition pathways（汞沉积途径）：苔藓样品Δ²⁰⁰Hg与Δ²⁰⁴Hg接近零，Δ¹⁹⁹Hg显著偏负（?0.1‰至?0.75‰），符合大气Hg⁰沉积特征。二元混合模型估算平均66%的苔藓Hg来自大气Hg⁰摄取，与北半球其他苔藓研究结果一致，表明Hg⁰气体吸收是主导沉积途径。
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  3.1.2. Potential sources of Hg（潜在Hg来源）：①燃煤——电厂煤源变更（本地褐煤转进口印尼煤）未在δ²⁰²Hg中引起相应时间趋势变化，不支持本地燃煤为主要来源；②森林火灾——retene浓度与THg及Hg⁰占比均无显著相关，排除区域森林火为主要Hg来源；③大气汞耗竭事件（AMDEs）——Br与THg及Hg⁰占比无显著相关，Δ²⁰⁰Hg未显示典型AMDE负异常，不支持AMDEs重要贡献。综上，研究区Hg主要来源为Hg⁰的长距离大气传输（long?range atmospheric transport，LRAT），脉冲事件的具体触发机制未能由现有示踪剂识别。

3.2. Mercury uptake by mosses: plant surface transformations and molecular mechanisms involved（苔藓对汞的摄取：表面转化与分子机制）

热释放实验显示苔藓中Hg⁰仅占THg的5–35%（高Hg样品5–6%，低THg样品16–35%），Hg?pTD?AAS在<100℃检出Hg⁰峰，200–215℃为主峰对应与有机质强结合的Hg^II，表明沉积Hg⁰部分被胞外催化氧化为Hg^II后再结合。FTIR显示THg＞90 ng g^?1时，酰胺基（1558 cm^?1）吸收随THg升高而增强（r＝0.93/0.61，p＜0.01），羰基（1709 cm^?1）吸收随THg升高而减弱（r＝?0.88/?0.52，p＜0.01），羰基/酰胺比值与log(THg)显著负相关。这表明Hg累积伴随胞外基质羧基→酰胺转化（可能的酰胺化 amidation），氮/氧供体位点增加利于Hg^II结合；反向酰胺水解可断裂结合并释放Hg，解释脉冲后快速回落。Hg^II主要与细胞壁胺/酰胺/羧基/巯基配位，而非单纯物理吸附。

3.3. Mercury post?deposition photochemical transformations（沉降后光化学转化）

Δ²⁰¹Hg与Δ¹⁹⁹Hg强相关（rho＝0.88，p＜0.0001），斜率符合光还原特征。低THg样品Δ¹⁹⁹Hg/Δ²⁰¹Hg≈0.94，高THg样品降至≈0.71，1/THg与该比值负相关（rho＝?0.48，p＝0.042）。苔藓内Hg⁰比例与Δ¹⁹⁹Hg、Δ²⁰¹Hg负相关（rho≤?0.50，p＜0.05），说明部分Hg⁰系原位光还原沉积Hg^II产生而非全为直接吸附。样品Δ¹⁹⁹Hg中位数?0.38‰，较大气Hg⁰端元更负，证实显著的沉降后光化学还原及再排放，且该过程受站点光照条件影响。FTIR羰基吸收与Δ¹⁹⁹Hg/Δ²⁰¹Hg负相关，说明经历较强光还原的样品保留较多羧基（未参与酰胺化），与Hg结合—光还原—酰胺水解循环相吻合。

3.4. Limitations（局限性）

同位素与热脱附样本量有限（n＝20与n＝4），仅单物种单区域，FTIR为间接证据，脉冲事件确切触发机制未明，示踪剂对短时局地源敏感度有限。

讨论与结论总结（翻译Conclusions节）

本研究提供确凿证据表明，气态单质汞（Hg⁰）是西班牙西北部苔藓 Pseudoscleropodium purum 中Hg的主要沉积途径（同位素Δ²⁰⁰Hg≈0、负Δ¹⁹⁹Hg及模型估算占66%），但沉积后仅有5–35%以挥发性Hg⁰形式存在，大部分被胞外氧化为Hg^II并与细胞壁酰胺基结合（FTIR显示酰胺增加、羰基减少）。结合同位素MIF信号（Δ²⁰¹Hg–Δ¹⁹⁹Hg线性相关）与羰基—MIF负相关关系，证实沉降后光还原是控制Hg滞留时间的关键过程，可使Hg^II再转化为挥发性Hg⁰逸出，解释观测到的脉冲快速衰减。同位素与化学示踪（Br、retene、δ²⁰²Hg时序）不支持本地燃煤、森林火灾或AMDEs为主要来源，Hg主要来自Hg⁰长距离大气传输。上述动态平衡（沉积?氧化?结合?光还原?再排放）表明，在研究条件下 Pseudoscleropodium purum 的Hg含量非单纯累积值，不能视为长期积分型大气Hg生物监测器；仅在点源持续排放且光还原受限时其累积特征较可靠。该发现对基于苔藓的单次间隔采样生物监测方案提出重要修正依据。