2012年第40卷第4期Vol.40.No.4,2012
地 球 与 环 境
EARTH ANDENVIRONMENT
599
Hg稳定同位素地球化学研究进展
22,王柱红1,陈玖斌1*,冯新斌1,蔡虹明1,
()中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳5中国科学院研究生院,北京11.50002;2.00039)摘 要:近年来汞(稳定同位素研究进展显著。H也Hgg具有七种稳定同位素。以往研究不但报道了Hg同位素质量分馏,报道了H使Hg同位素非质量分馏,g成为目前唯一在自然界中具有同位素非质量分馏的重金属元素。本文阐述了Hg同位总结了H介绍了地球各圈层样品中H素的研究背景,g同位素分析方法和引起Hg同位素分馏的生物化学过程,g同位素组成
200
),更开辟了的国内外最新研究现状。而最新发现的大气降雨中异常的、呈季节性变化的偶数HHΔ g同位素非质量分馏(g
偶数H其分馏机理Hg同位素研究的新领域。不同于奇数Hg同位素非质量分馏,g同位素非质量分馏还未经任何实验验证,也完全不清楚,亟待深入研究。H三维”同位素体系(质量分馏、奇数以及偶数H的研究和应用g可能的“g同位素非质量分馏)将有希望为进一步认识H生物累积、大尺度迁移以及全球性的生物地球化学循环提供更加丰富的信息,具有重要g环境过程、的科学意义。
关键词:质量分馏;奇数同位素非质量分馏;偶数同位素非质量分馏;环境地球化学Hg稳定同位素;
+
()中图分类号:P597.2 文献标识码:A 文章编号:16729250201204059912---
Hg是唯一能以气态单质在大气中长距离传输
的重金属元素,Hg污染给人类健康和环境都带来
1]
。大气中的H气态很大风险[g主要有三种形态:0
,零价H二价活性气态H以及吸HRGM)g(g)g([2]
),附在颗粒物上的H其中以气态零价HHg(gpg
[]0
(为主,含量高达9H0%以上3。Hg)g通过人为1,2,4]
,或自然释放进入大气之后[将发生一系列的物
8]
。汞的全球循环通量见图1,二[由于以往的Hg地
对许多生物化学球化学研究主要局限于浓度检测,
其所估过程中的Hg迁移转化的认识还不够清楚,算的通量也有很大的不确定性,因此需要建立新方法进行深入的研究。
汞同位素研究为进一步认知Hg全球生物化学
196
循环提供了新的手段。HHg有7种稳定同位素, g
198199200 (、、、0.15%)H9.97%)H16.87%)Hg(g(g
201202204
(、、(、23.10%)H13.18%)H29.86%)Hg(gg[]9(。目前,自然样品及室内实验研究报道6.87%)
也有研究报道了H了Hg同位素质量分馏,g同位
化学、光化学反应并相互转化。全球地表大气理、
30
/。HH6nmg的平均浓度约为1.gg可在大气中
[]
滞留约0.5~1a并在全球大气中均匀混合1。全[]
/球海洋总H5pmolL5。据估算,g浓度近似为1.
/,总陆地释放源为1来自有机质的附加释700Mag[6]
/。L放源为600Maindbergg等估算全球植物释
[]
/放的汞在1400~3200Ma之间,Selin等1以分析g
主要是奇数汞同位素非质量分馏素的非质量分馏,
[]1992018,10-18
()。这些研究表明H二维”HHg和 gg“同位素体系在示踪Hg污染源及其生物地球化学过][]8,16,17,19-21
。S程方面具有重要意义[herman等8
偏远湖泊沉积物岩芯现在和工业化前的Hg沉降比
例为基础,估算现在的汞沉积比工业化前的汞沉积
[]量大3~5倍。Pacna等7报道了2000年全球人y
首次运用Hg稳定同位素比值来研究燃煤排放源附
[7]
近的H提出两种奇数Hlum等1g沉降。Bg同位素非质量分馏之间的相关关系可用于区分不同光化并指出该方法可用于示踪自然界中特学反应过程,
/。煤燃烧是主要的人为H200Mag排放总量是2g其对总人为源的贡献高达三分之为Hg排放源,
;收稿日期:改回日期:2012062120120826----
基金项目:中国科学院百人计划,加拿大安大略省博士后奖学金
,,:第一作者简介:王柱红(女,博士研究生,从事非传统稳定同位素(的环境地球化学研究。E-m1983-)HZn,Cu,Fe等)ailcindwzh@163.gycom.
,:陈玖斌,男,研究员,从事非传统稳定同位素(的环境地球化学研究。HZn,Cu,Fe等)E-mailcheniubini.i.ac.cn.*通讯作者:@vgjpgyg
600
地 球 与 环 境 2012年
[1]
图1 全球Hg循环通量
1
Fi.1 Globalbioeochemicalccleofmercur ggyy
[]
[2]
殊的化学反应过程。S提出气溶胶Honke2g和陆地H其各自蕴含g非质量分馏具有潜在的重要性,
了进行数据间相互比较,采用NISTSRM3133H g
17]xxx
。δ作为参照标准[Hg具体计算公式为:
着特有的影响因素。虽然Hg同位素已经在地球化
学研究中显示出重要的应用前景和意义,但Hg同不同端元的同位素组成、位素研究仍处于起步阶段,
不同反应过程的同位素分馏还不清楚,仍需深入研究。如苔藓、泥炭和湖泊沉积物作为大气Hg沉降
可能直接反映沉降H的受体,g的非质量分馏特征,
[22]
提供的信息可用来量化陆地再释放Hg的通量。然而,目前对这部分Hg通量还缺乏了解。苔藓本
{xxx
(H‰)=δ gxxx 198 (/)samle000-1×1xxx 198
(H/H)ggNSTSRM3133
]}
98
‘代表除1xxx’Hg以外的Hg同位素。δ>0表明样品相对标准富集重同位素;δ<0表明样品相
对标准亏损重同位素;=0表明样品与标准同位素δ比值相同。
指Hg既有奇数又有偶数同位素非质量分馏,的是实际测得的同位素值与基于理论质量分馏定律
16]
:计算出的值的偏差,计算公式如下[
199199202
)HHH2520Δ δ g=δ g-(g×0.
200200202
)HHH5024Δ δ g=δ g-(g×0.201201202
)HHH7520Δ δ g=δ g-(g×0.
但许多大气实际检测结果却与苔应代表大气组成,
3,8,18,23,24]
。另外,藓中检测结果相反[大气、海洋、
深层地幔及天体陨石的Hg同位素组成几乎还是未
知数。
质量分馏即质量依赖分馏,是指同位素的分馏这种分馏现象存与同位素之间的质量差异成正比,
在于大部分的平衡分馏和动力学分馏过程中。非质量分馏是指同位素的分馏与同位素之间的质量差异这种分馏现象一般发生于特殊的光不成正比关系,
如光致氧化作用、光致还原作用等。化学过程中,
xxxHHg同位素质量分馏通常用δ g来表示。为
1 Hg同位素分析方法
1.1 样品前处理
1.1.1 低浓度样品预富集
由于一些天然样品的H需要g浓度往往较低,
大量的样品才能满足汞同位素比值测量要求(40
第4期H 王柱红等:g稳定同位素地球化学研究进展601
25]
),,研究较为困难[因此需要对这些样品进行预ng
[26]
浓缩,然后分析Halinovskg同位素比值。My等
、、HClHF、HBrHBrOHNO3、3等。1.2 Hg同位素分析方法
[7]
于1Aston2919年发现了H0g同位素。自2
[8]
世纪初,研究人员先后采用比重法、Brnsted等2
采用强碱性Dowex18阴离子交换树脂来进行离-X子交换分离,并成功应用此方法分析了高汞含量的固体样品的同位素比值。但是,采用这种离子交换分离方法,需添加大量的酸对样品进行预处理,难以
[5]
采用一应用于低汞浓度的天然水样品。Chen等2
、、中子活化(NAA)气体质谱仪、QICP-MSICP--TOF-MS及SinlecollectorICP-MS等技术测定汞- g
的同位素组成。然而,由于自然样品汞同位素组成变化小,上述分析精度无法满足测量要求。近几年随着新一代质谱仪MC来,ICP-MS和连续流冷蒸-汽发生器(进样系统的开发应用,可以精确CFCVG)
[1]的检测H最初将这两项auretta等1g同位素。L
技术相结合并获得了高精度同位素比值,Klaue29]等[使用连续流发生器直接连接VGP54ICP --
也获得了高精度的数据。尽管一些研究应用过MS,
种新的汞浓缩提纯方法以满足低汞浓度水溶液样品这是H中汞同位素比值测量,g预浓缩方法的一大
突破。为了降低pH值从而尽量减少酸对Hg回收率的影响,该方法采用AG将1×4离子交换树脂,
平衡树脂和去除杂质所用盐酸的浓度降至0.1/因此L。由于硝酸溶液的分配系数小于盐酸,mol
选择含半胱胺酸的硝酸作为Hg的洗脱液。该方法并通过通过分析不同浓度的合成样品和天然样品,评估汞回收率和溶解有机络合物对汞同位素值重现性的影响进行验证。研究显示,该方法回收率高,具完全适用于天然淡水有较好的重现性和测量精度,
有利于促进天然水环境中HHg的浓缩提纯,g的迁移转化过程研究及其毒性学研究。1.1.2 固体和有机样品前处理
除少量天然水样品和液态试剂外,绝大部分样沉积物、气溶胶、动植物等固体样品。然品为岩石、
而,只有少数固体样品可应用XRD和SEM进行矿物组成及形态分析,而绝大部分ICP-MS、HPLC、
、MCICP-MSCVAFS等仪器都为液体进样。因此,-固体样品必须消解成液态进行检测。
固体样品消解主要有干法消解和湿法消解两种。固体样品干法消解,主要是固体样品和固体化学粉末在高温下的热碱熔融,原理是粉末样品(主要为硅酸盐)与盐或碱高温熔融后产生可溶性硅酸盐(硅酸钠、硅酸钾等)和金属化合物,残留物经稀酸处理后金属可溶于溶液。固体样品湿法消解是将固体样品在液态溶液(酸、氧化剂、有机溶剂等)中消解。因为H在消解过程中要尽量g具有易挥发的特性,避免H同时也要注意避免生成新的难溶沉g丢失,淀物,如CaFCaSOPbClFel2、4、2、2O3、A2O3、因此主要对样品进行湿法酸消解。使CrOCl22等,用该方法要尽量准确控制所添加的酸量,不能使酸明显过量,否则易形成难容或微溶物,干扰化学前处理和检测。有机固体样品也主要进行液态(强酸+、强氧化剂)消解,所用酸为HNO100~120℃)3(、H2OHClO200℃)H2SOOHClO2、4(4+HN3、4+
渡态信号来测量H但是检测精度并未达到g同位素,
]10,30-35
。连续流冷蒸汽发生器所具有的水平[Jackson]13
等[将连续流冷蒸汽发生器与NetuneMCICP --p
MS结合但是没有对仪器质量歧视进行合理校正。随后,研究人员通过在NuPlasmaICP- MC--
[7,[7-4]36]0
和T上MS1hermoNetuneMCICP-MS3 -p
采用连续流法,并结合最优化质量歧视效应校正达[5]到现有的高精度检测水平。C对比了校正hen等2
、质量歧视效应的样品标准间差法(SSB)Tl标准化样品标准间差法(以及改进的经验外标法NSSB)(,最终采用了MEMEEN)EN来校正质量歧视效
202
应,用该方法可获得最高δ可达Hg精确度(
[41]
。M0.10‰)alinovsky等提出尽管Hg蒸汽生成
法具有高精确度、高分离度等优势,但是对于某些络
合剂样品,蒸汽生成法表现出一些缺陷。例如无机
---
、、、阴离子(等)有机复合物和溶液ClICN-、Br
中的氧化物,会干扰H使一部分Hg还原,g以
2+26]
。从而导致进样不完全[Hg形态残留在溶液中,
2+0
据报道,在Hg转化为Hg的还原过程中会发生
如果不能将HHg同位素分馏。因此,g从溶液中完
全释放提取,就有可能造成测得的Hg同位素偏差。
(不能预防样品准备Tl外标法有以下缺点:1)过程中可能存在由于回收率未达到100%而产生的()H的同位素分馏;2g通过冷蒸汽发生器进入质谱仪,而Tl因不易于生成蒸汽只能使用喷雾器将其喷入,致使Tl和Hg质量歧视效应可能受到不同机制
[2]
的影响。因此,提出了双稀释Mead和Johnson404196
/剂法,该方法是将含有已知2HHgg比值的标准
经预处理后检测H溶液与样品混合,g同位素。由
602
地 球 与 环 境 2012年
于对样品产生影响的同位素分馏效应或者仪器质量
04196
/歧视效应也同样会影响稀释剂的2HHgg比值,04196
/因此,通过对比已测得的2HHgg比值和已知的04196
/未发生分馏的稀释剂溶液的2可校HHgg比值,
0
从液相蒸发出的气相Hg会导致负的质量分馏而
[45]
并未产生非质量分馏。Yang等的研究同样显示
)还原H导致SnClNaBH4)IIg(2和四乙基硼酸钠(
负的质量分馏而没有导致非质量分馏。此外,他们),使用N发现相同结果。aBHIIg(4还原乙基H
[9]
研究了非生物黑暗条件下,Zhenintelmann4g和H()的过程,发现存在负的质DOC和SnClIIg2还原H
202
量分馏。图2为实验研究中的δHg质量分馏图。实验研究2.2 非质量分馏(MIF)
非质量分馏仅发生于特殊的生物化学过程中,完全不受样品前处理和检测过程(仪器质量歧视效应遵循质量分馏规律)的影响,因此能够提供更加可靠的同位素示踪信息,这对Hg生物地球化学循环研究具有深远的意义。目前,几乎没有任何微生物实验发现可检测到的MIF现象。最近还原细菌的发酵性甲基化实验虽然发现反应产物MeHg比初
202
(),的δ但是没有始反应物HIIHF)-MDgg更低(证据表明生物的甲基化过程会产生Hg非质量分
50]
。馏[
[6]
通过光照实验和黑暗实Blum和Beruist1gq
正样品Hg同位素比值。使用该方法不但可以提高
202
,如≤0.还可以避免因样品H06‰)δ g测量精度(与标样(或基质)浓度不同(或变化)而产生的干扰。)其劣势在于(实验操作可能人为造成稀释剂产生1较重元素同位相对样品偏大或偏小的分馏。(2)
04196
素2HHg可能与较轻 g在实际分馏过程存在一
定程度上的偏差,从而产生双稀释剂法测得结果的)误差。(高纯度的稀释剂难以获取,因此难免对精3度产生一定的影响。
2 Hg同位素分馏过程的实验模拟研究
实验研究2.1 质量分馏(MDF)
一些实验对部分重要微生物的Hg转化过程的
[3,15,43,44]44]
。K分馏系数进行了量化分析[ritee等4分别测定了生物在mererB酶的作用下H-A和m-g
()还原和M在IIeHg去甲基过程的Hg分馏系数,
0202这两种情况中,产物HHg的δ g都低于初始Hg
202
()或M,而分馏系数变化受生物种IIeHHg的δ g
验研究了水环境中奇数Hg同位素质量分馏和非质
量分馏机理,确定了光还原反应可导致奇数Hg同
199201
、)非质量分馏,其非质量分馏程度位素(HHgg
类、温度、生长速率以及其它实验条件影响。Ber-g
[7]
的Huist等1g同位素分馏实验采用了天然光线q
,并添加了高浓度的DOC(SuwanneeRiver腐植酸)
与系统内DOC含量有正相关关系。与微生物还原
[7]0
反应不同的是,发现HBeruist等1gqg亏损奇数
。随着还原产物的增加,)HIF)HII-Mg同位素(g(
/实验中的HDOC比值要远远高于自然水体的比g
0202
值。实验结果显示产物HHg的δ g低于反应物,
[45]这点与微生物还原条件的情况相似。Yang等使
和MeHHg还原过程的同位素变化趋势也不一致,g
201202
()还原反应的MD//)比值约IIFMIF(HHΔ δ gg
,。此外,为1.5MeH.0Hg还原反应该比值约为3g199201
()还原反应的Δ/IIHH.00而MeΔ -gg比值是1
[6]
H36。Zhenintelmann4g还原反应的为1.g和H
()光致还原反应,观用甲酸和UV光源研究了HIIg
[6,47]
察到负的质量分馏。Z通henintelmann4g和H)的光还原作用的细过一系列的实验探讨了HIIg(
/节,分析了HDOC比值的重要性和不同配体在gHhenintel-g同位素分馏方面的作用。Zg和H
[6][7]
的实验和B的实验的差别在mann4eruist等1gq
于使用的光源和D他们使用了过滤氙OC不同,
也发现了奇数同位素非质量分馏,同时还显示从高
199201
///HDOC到自然水体HDOC,HHΔ Δ gggg也从1.31降至1.19。研究者认为这种变化主要是因
/为在低HDOC比值下Hgg主要与还原硫基团结
/合而在高HDOC比值下与含氧基团结合。g
9
研究了非生物黑暗条件下,Zhenintelmann4g和H
)的过程,发现存在轻微DOC和SnClIIg(2还原H199201
(/的负的非质量分馏,4‰)HH<-0.Δ Δ gg比值为1.他们认为这与核体积效应有关。5~1.6,[7]
拓展了早期的研究工作,分Zhenintelmann4g和H
)析了一些单独的低分子有机酸对H的光化学IIg(
[]
()灯而非天然阳光,并采用了天然湖水作为DXeOC
/,源(其实验结果HDOC比值与天然水体更接近)g表明存在负的质量分馏。
天然热液系统中的Hmithg同位素研究。S
[8]36]
等[与S提出热液溶液所释放的液态herman等4
0202
。HHF)-MDg可能含有低于溶液Hg的δ g值(
[38]
结果表明Zheng等对此进行了实验验证和量化,
还原反应的同位素分馏(这些有机酸部分含半胱氨
第4期H 王柱红等:g稳定同位素地球化学研究进展603
)和M溶液中的HIIeHg(g光化学
还原/降解反应显示反应物中被还原的Hg产物中亏损奇数Hg同位
[17]
而雪中的H素(IF)-M-卤素化g合物光化学还原反应显示还原Hg
产物富集奇数H+g同位素(
[23]
。MIF)
4 地球各圈层样品Hg同位素组成
4.1 大气圈
RGM湿沉降和Hgp干沉降是Hg从大气向地面迁移的单向过程。迄今为止,大气Hg同位素研究以这是由于大气中大气降水为主,
202
图2 实验研究中的δHg质量分馏
[19]
202
Fi.2 δHisotoemassfractionationobservedinexerimentalresearch ggpp
其研究技术尚不成Hgp含量极低,
熟。而大部分的大气Hg会随着大气降水到达地面,因而大气降水样品是目前研究大气Hg同位素的主
。实验发现,酸,部分不含)含有半胱氨酸的低分子而不含半有机酸和天然DOC产生的分馏很相似,胱氨酸的有机酸(比如,含丝氨酸)的还原产物富集,奇数同位素(结果表明相反的核磁同位素+MIF)效应在发挥作用。正的非质量分馏现象与跟北极雪)卤素相关的H光化学还原中所观察到的现象IIg(
23]
。相似[
要手段。第二部分已经介绍了天然水样品的预处理二维”同位素和Hg同位素测量技术。尽管Hg的“
质量分馏和奇数H已展体系(g同位素非质量分馏)示出在全球Hg生物地球化学循环演化研究中的广阔的应用前景,但是有关大气及大气降水中Hg同
19,22]
。这主要是因为位素的研究报道还非常有限[
3 HIF分馏机制g同位素M
由于Hg同位素分馏存在质量分馏和非质量分
馏,其地球化学过程备受关注。目前认为Hg同位一种是核体积素的非质量分馏主要存在两种机制,
,。核效应(另一种是核磁同位素效应(NVE)MIE)体积效应是一种因为核体积与核电荷半径及质量不成正比而引发的同位素分馏,这种分馏效应在量子
51]
,并且在实验室实验中力学计算中已经被预测到[
49,52]
。已观察到由N也观察到了这种现象[VE引发199201
的非质量分馏数量级通常非常小(HHΔ g和Δ g[9,19920152]
,/。.2‰)5~24<0Δ HΔ Hgg比值为1.
MIE主要发生于光化学自由基对反应的热力学分53]
。奇数同位素的磁旋转加剧了三重态到单重馏[
/,大气和降水中汞含量很低(几个n采集足够用L)g于汞同位素分析的样品是一项艰巨的挑战。最新研
3,18]
究[报道了偶数Hg同位素也存在非质量分馏,使H奇数同位素非g有可能成为同位素质量分馏、
三维”同位质量分馏以及偶数同位素非质量分馏的“
素体系。这一发现意义重大,将为Hg研究提供更加丰富的信息,从而有助于进一步探索其迁移转化规律。
目前关于直接大气降水样品中Hg同位素研究
[8]
的文献仅有四篇,即C关于加拿大安大略hen等1
[]
)省彼得伯勒市(北纬4大气降水研究、4.17°Graze3
)关于五大湖(北纬4的大气降水研究以及0°~52°
[3]
以及美国弗罗里达州(北纬Sherman等对北极雪28]
)。C的大气降水研究[24°30'至31°hen等
[18]
对平
态以及单重态到三重态之间的系统交叉。结果,反应产物可能使奇数H这取决g同位素富集或亏损,
于单重态或三重态自由基对是否是光化学产生的。在天然光照实验室实验中,添加了天然DOC的水
流层入侵对流层的可能性进行了研究,提到北极圈是彼得伯勒地区大气降水Hg三大贡献端元之一。
在冬季,北美低层对流层循环主要受北极圈的高压和北美大陆的低压的控制。高压迫使北极气团(距
604
地 球 与 环 境 2012年
地面6k为对流层顶部)随气流向南运移,在途经m,加拿大北部后到达采样点。HYSPLIT模型也清晰地显示了北极气团对最低层500m气团的影响。而在夏季,由于向南高压气流的消失,来自北极Hg的贡献可能会减弱。关于北极、北美大湖和佛罗里
[3,8,23]达地区大气降水中的H的最新g同位素组成
202
大气降水的确表现为负的Δ研究结果表明,Hg
200
HΔ g异常可能首先产生于平流层底部颗粒物表
然后伴随平流面上发生的单质汞的光致氧化过程,
层向对流层的入侵向下迁移,并最终被捕获而导致大气降水中偶数Hheng同位素非质量分馏。C
18]等[认为雪晶等气溶胶或者颗粒物的存在可能会
0促进Hg的光氧化反应进而导致偶数Hg同位素的非质量分馏。以往的研究也表明在缺乏O3和0
光氧化反应需要阳光和冰冻气溶Hg的北极地区,
54]
。然而,胶或者雪晶表面的存在[迄今为止,偶数
值,与实验结果和表征大气同位素
组成的苔藓中的检测结果相符;然而,在降雨中检测到的正的奇数同
201
位素的非质量分馏(H20‰到1.10‰之Δ g在-0.
间)却与实验推测结果完全相反。此外,北极降雪样
[23]品又显示负的奇数Hg同位素非质量分馏。尽管降雨和降雪中表现出完全相反的奇数Hg同位素
其形成Hg同位素非质量分馏尚未得到实验验证,
机理还完全不清楚,亟待深入研究。偶数Hg同位素非质量分馏源自平流层入侵的推论更有待进一步系统研究加以验证。4.2 水圈
人们对汞的关注主要起因于甲基汞污染。食用被污染的鱼类是人类甲基汞暴露的主要途径。因此,了解水生系统汞循环对环境危险评估非常重要。这两个系Hg在淡水和海洋系统的循环有所不同,统都备受人们的关注。水生系统中Hg同位素研究能为其Hg污染迁移转化研究提供新的示踪技术。目前大部分关于水环境中Hg同位素研究都集中在淡水生态系统,海洋中的Hg同位素研究尚处于空白状态。
图3为湖泊及其流域Hg循环转化图。全球的各海洋的总H平均海洋总汞浓度近似g浓度各异,
[]
/为1.5pmolL5。在Hg全球生物地球化学循环
中,海洋起着至关重要的作用。它一方面是重要的
非质量分馏的具体原因还不完全清楚,但这些初步检测结果已表明系统地研究大气降水Hg同位素
(尤其是非质量分馏)具有重要科学意义。尤为重要这些研究中还首次报道了北美降雨中正的偶的是,
数H大湖地区和佛罗里达g同位素的非质量分馏:
[,]200
值分别为0.降雨中平均ΔH15‰和0.11‰38,g但论文作者未对观测到的偶数汞同位素的非质量分
[8]
不仅发现了更为明显的馏做任何解释。Chen等1200
偶数HH△ g同位素的非质量分馏现象(g变化范围为0.而且发现其降水样品中21‰到1.24‰),200200
HH△ △ g呈现明显的季节性变化,g与温度之
00
间存在负相关关系。此外,还发现△2Hg和199
表现出完全不同的季节性变化,这意味着造H△ g
成偶数Hg同位素非质量分馏的生物地球化学反应
[8]
异于奇数H认为大气降水中hen等1g同位素。C
同时还是海水与大气、海水与海底沉积物及Hg汇,
洋壳之间Hg交换的重要载体。水生系统的天然样品显示了Hg同位素的质量分馏和非质量分馏特17]202
。河水、湖泊等天然水体中δ征[Hg变化范围
[5]
。应用H为-1.68‰~0.71‰2g同位素可以有大气、水生食物链中H效示踪河湖沉积物、g的来]20,40,55-57
,源[同样,研究海水中H可g同位素体系,
根据不同的Hg同位素组成来辨别不同的Hg源,
并对相应大气、陆源或自然过程、人类活动的贡献进行定性、定量研究,补充完善海洋即全球Hg循环模
测定海水H型。另外,g同位素组成还可以明确海洋食物链中Hg同位素组成是否直接来源于海水,
并有助于了解海洋中Hg的甲基化和甲基汞的生物
[1]
图3 湖泊及其流域Hg循环转化图
Fi.3 Mercurcclininalakeanditswatershed1 gyyg
[]
积累作用机理。有关模型研究认为,海洋中Hg的
光化学还原作用是导致全球Hg非质量分馏的主要
22]
。然而,目前海洋H过程[g循环模型主要建立在
第4期H 王柱红等:g稳定同位素地球化学研究进展605
有限的H存g浓度分析和局部区域研究的基础上,在许多不确定性,需要通过研究Hg同位素来进一
步补充完善。若能对海水Hg同位素进行详细的研将有望深入了解海洋H究,g生物地球化学循环中
如水-气交换、水-沉积物交换、不同相的重要过程,
态HHg相互转化、g在海水内循环以及甲基汞生物
积累等过程的机理,以及海水HHg汇、g的沉降以及不同相态间的转化通量。4.3 生物圈
[8]202
测得的稻米叶片的δ平均Yin等5Hg偏负,
约为-3.36‰。不同地区的地衣苔藓等样品显示[4]202
,为-并显示负的奇数同位H2.18‰~1.5‰2δ g
]12201(,素非质量分馏[H.98‰~-0.12‰)Δ g为-0
201
中-0.88‰、H35‰~-0.08‰;Δ g范围为-0.
国的相应值为-2.62‰~-0.27‰、-0.36‰~
俄罗斯-哈萨克斯坦地区的为-1.0.33‰;81‰~-0.11‰、-0.56‰~-0.01‰。4.4 岩石圈及地表固体样品Hg同位素组成
岩石圈主要包括地壳和地幔顶部。幔源和壳源是天然Hg的两个主要来源。根据仅有的典型壳源
202
地壳H岩石的报道数据,Hg同位素组成δ g平均与多个实验室验证过的来自西班值约为-0.60‰,牙Almaden汞矿标准样品的Hg同位素组成相
16,24,25,34,43,55,64]
。目前岩石圈的H似[g同位素研若想得到更加确切的了解还需要进究还非常有限,
行大量的研究工作。确定幔源H主要g相当困难,
是由于地表Hg的干扰和不同形态的Hg相互转化引起分馏。幔源Hg可通过火山热液系统进入地表环境,通过检测火山热液样品可推测幔源Hg同位素组成。然而,由于地表系统Hg挥发以及单质Hg
202
氧化等作用的干扰,使得检测到的热液样品中δHg
[]3,36,48,64
。由于变化范围较大(-4.00‰~1.00‰)
其可能代表大气圈H鱼类g同位素组成。水生生物、
201
显示明显偏正的奇数同位素非质量分馏(HΔ g可[]6,17,26,56,59,60
,高达5而不同地区的燃煤样品.00‰)202
,却显示偏负的δ并具有H-2.98‰~0.11‰)g(
201
负的奇数同位素非质量分馏(H56‰~Δ g为-0.[61]202
。研究显示,人类头发中δ0.33‰)Hg的变化
201
范围为-0.92‰~1.42‰,Δ Hg变化范围为[7,56]202
。海鸟鸟蛋δ-0.14‰~0.66‰1Hg为
[2]201
。-0.84‰~1.45‰,H4‰~1.12‰6Δ g为0.[7]
对湖泊鱼类样品进行了Beruist和Blum1gq
研究,观察到奇数汞同位素的非质量分馏与鱼个体
因此幔源Hg比壳源Hg更加富集较重的同位素,
[20248]
平均幔源Hg的δ Hg组成可能接近于0‰。除了在小部分受光照影响的样品中检测到少量非质壳、幔源样品并未出现明显的非质量分量分馏之外,
[,,,,,,,,]201121331364855606164-66
。馏(H0‰)Δ ≈g
在地球表层,沉积物、土壤、矿物等具有与幔源202
,相异的δ并且变化范围较大(H-4.00‰~g[18]202
。研究显示北极圈湖泊沉积物的δ2.00‰)Hg
[3,55]
。美国有机值变化范围为-3.06‰~0.23‰1
大小及其体内H不同湖泊的鱼均表g浓度成正比,
现为正的非质量分馏,变化范围达到4‰,而且相同不同地区地区的大部分鱼类非质量分馏程度相近,的鱼类其非质量分馏程度各异。为了明确鱼体内产
[9]
分析了同一个湖生非质量分馏的可能性,Das等5
泊中食物链的不同营养级生物的Hg同位素组成。
在食物链中,各营养级生物(一级、二级、三级消费
199201 者)与ΔHHg和Δ g值之间存在显著的相关关
土壤相应值变化范围为-1.87‰~-0.96‰、
202
矿物的δ-0.4‰~-0.03‰,Hg变化范围为
202
火山热液系统的δ-3.88‰~2.1‰,Hg变化范围
[1,]33,36,48,64
。不同地区的淤为-3.42‰~0.58‰3202
泥、沉积物、土壤等样品显示δH.06‰~g为-32011.59‰并显示负的奇数同位素非质量分馏,HΔ g介
[,3,]60,61,65,67-69
。S于-0.56‰和0.42‰之间61her-[]
燃man等8研究了煤的两段温度(550℃和1000℃)
烧实验,发现了负的奇数Hg同位素的非质量分馏199(。现有HH24‰)Δ g平均值=-0.g同位素质
202201
)、量分馏(非质量分馏(研究数据总HHδ Δ gg)
系,表明代谢过程中可能发生非质量分馏。因此,与其他用于研究食物链动力学和结构的同位素系统相,似(即,C和N)Hg同位素的质量分馏和非质量分馏具有量化分析Hg迁移和了解环境中的生物积累
6,13,56,59,60,63]
。燃煤中的H的应用前景[g同位素植物H组成可能代表不同环境生物、g同位素组成,
[1]
并有可能受到后期成岩等过程影响。B研iswas6
202 究显示美国煤矿δH98‰~g值变化范围是-2.
结见图4、图5。
606
地 球 与 环 境 2012年
5 展望
Hg同位素研究作为一个新兴的研
究领域备受关注。自2007年起,Hg同位素生物地球化学领域开始兴旺发展。目前,一些Hg研究人员已经意识到该方法在环境Hg研究方面具有广泛的应用已经开始应用H潜力,g同位素来分析各种不同的问题。
Hg作为唯一存在同位素非质量分馏的重金属元素,正如其他新兴的非传
202
)图4 不同自然样品δHn=833g值分布(
具有广阔的研统稳定同位素系统一样,
究和应用前景。然而,众多领域的Hg同
位素研究才刚刚起步,假如对这些领域有可能取得重大的Hg同位素进行研究,突破,如(海洋,大气,湖泊,地壳,地幔1)(等相关地球系统H2)g同位素的研究;生物化学过程H如大气g同位素研究,
02+
、实验模拟)HHg到Hg的氧化过程(g(的甲基化及生物富集过程研究;分馏3)
(据文献[3,6,8,12,13,17,19,24,25,31,33,36,39,
])48,52,55,56,59-61,64,65,67-70
202
)Fi.4 ObservedδHn=833innatural gg(
Fromref.[3,6,8,12,13,17,19,24,25,31,33,sstems( y
]
)36,39,48,52,55,56,59-61,64,65,67-70
亟需计算地球化学的发理论研究方面,
(展与贡献;需要对偶数H4)g同位素非
以证实其是否质量分馏进行深入研究,存在,进而了解其产生机理。
199 )(图5 不同自然样品Δ据文献Hn=399g分布(
[])3,8,17,18,23,26,33,39,56,59-61,65,67-69
199
()Fi.5 ObservedΔHn=399gg
innaturalsstems(Fromref.[3,8,17,18,23,26,33, y
])39,56,59-61,65,67-69
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,
(,,,1.StateKeLaboratorofEnvironmentalGeochemistrInstituteofGeochemistrChineseAcademofSciences yyyyy
;,)Guian550002,China2.GraduateUniversitoftheChineseAcademofSciencesBeiin100049,China ygyyjg :,AbstractDurinrecentdecadesremarkablehasbeenmadeinthestudofHstableisotoeroresseochemistr.Previous gygppggy ,havereortedbothmassdeendentfractionation(MDF)andmassindeendentfractionation(MIF)ofHisotoesesstudies - - -pppgp MIFofoddHisotoes.Utonow,HisthustheonlmetalelementthatdislassinificantMIFofisotoesintheeciall gppgypygppy ,nature.ThisaerintroducedthebackroundofHisotoestudiesandaveasummarofHisotoeanalsismethods(re -ppggpgygpyp ),rocessesconcentrationandisotoemeasurementofHisotoefractionatinandtheisotoiccomositionsofHindifferent ppgpgppg ,reciitation.NeireservoirsontheEarth.MoreoverrecentstudiesalsohavereortedsinificantMIFofevenHisotoesin -pppggp rocessestherlaboratorexerimentnorfieldworkhasidentifiedthemechanismsandinducinMIFofevenHisotoes.Fur -pypggp etossible“therstudisthusneededtoverifthisobservationandtothebestunderstandinofthemechanisms.Thethree -gpyyg ”rovidelobaleochemicaldimensionoftheHisotoesstem manewinsihtintoallasectsofbioHccle. - pgggpyygpgy
:;m;m;mKewordsHstableisotoeassdeendentfractionationassindeendentfractionationofoddHisotoesassinde - - --gpppgpy ;endentfractionationofevenHisotoesenvironmentaleochemistr pgpgy