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南开大学科研团队破解环境中甲基汞形成之谜
2021-04-28 13:53:00
南开大学
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  甲基汞具有极强的神经毒性,容易在食物链和生物圈中富集放大,严重威胁着人类的食品安全和生命健康。1950年代,日本轰动世界的“水俣病”的“元凶”也正是甲基汞。然而,长期以来,甲基汞在环境中的形成之谜,使得人们始终无法从源头上治理甲基汞污染。

  近日,南开大学环境科学与工程学院张彤教授团队的一项关于“含汞矿物纳米颗粒微生物甲基化过程机制”的研究成果破解了这一科学谜题。他们发现,天然有机质可通过调控初级纳米粒子的生长方向,影响纳米汞与厌氧细菌金属转运蛋白的结合过程,显著抑制其甲基化潜能的自然衰减,导致富含有机质环境中甲基汞持续地生成和积累。这一突破,为环境汞污染风险评估提供了重要的理论依据,为设计开发高效的甲基汞污染阻控技术提供了崭新思路。4月26日,介绍该工作的论文发表于国际顶级学术刊物《自然-地球科学》(Nature Geoscience)上。

图:含汞矿物纳米颗粒甲基化潜能自然衰减的作用机制

  汞是一种在自然界(包括大气、水体、土壤以及生物圈)中普遍存在的重金属污染物。由于汞具有长距离迁移的能力,已经被联合国环境规划署列为全球性污染物,是除了温室气体外唯一一类对全球范围产生影响的化学物质。鉴于汞污染的严重性,2017年8月,包括中国在内的128个国家和地区联合签订了旨在全球范围内控制汞污染的《水俣公约》。根据该公约条款,缔约国将全面禁止生产、进口和出口加汞产品。

  汞污染最严峻的环境后果是排放至环境中的无机汞在微生物的作用下转化为甲基汞,进而在水产品和农作物中富集,直接威胁人类健康。

  “研究发现,食物链中积累的甲基汞并非人类活动直接排放的,而是自然过程中在微生物的作用下产生的。我们目前无法从源头上治理甲基汞污染,关键在于我们对甲基汞在环境中生成过程的机制认识不清。”张彤说。

  甲基汞的生成很大程度上取决于复杂环境介质中无机汞的化学形态。传统观点认为,只有溶解态汞具有甲基化潜能。张彤团队的研究率先证明了厌氧环境中硫化汞成矿过程易形成含汞纳米颗粒(黑辰砂),这些颗粒态汞能够被硫酸盐还原菌快速转化为甲基汞。

  “在纳米汞的甲基化过程中,我们观察到了显著的晶面效应。一方面,天然配体调控硫化汞的成矿过程,产生不同暴露晶面的含汞矿物纳米颗粒。另一方面,黑辰砂的不同暴露晶面与决定汞细胞摄入过程的甲基化细菌金属转运蛋白的结合能力显著不同。这两方面的作用共同导致了真实环境中观测到的汞甲基化潜能自然衰减速率的巨大差异。”张彤说。

  该研究的发现为完善汞的生物地球化学循环模型,准确预判汞污染修复响应时间提供了全新的视角。

  “在明确汞甲基化潜能自然衰减机制的基础上,我们有望开发出低成本、环境友好的原位甲基汞污染阻控技术,为汞污染全球治理提供新策略。”张彤表示,该研究阐释的矿物-微生物界面作用新机制还可推广至锌、铜、铅、镉等其它“软”金属矿物。在这类矿物中,有些驱动着环境中重要的生命活动、产能过程,有些会导致严重的生态和健康风险,具有重要的环境意义。

  南开大学为该成果论文第一完成单位,环境科学与工程学院博士研究生田莉为论文第一作者,张彤教授为论文通讯作者。该研究得到了中组部青年人才计划、国家自然科学基金、科技部重点研发计划等项目资助。

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