近日，南開大學環境科學與工程學院教授張彤團隊獲得一項關于“含汞礦物納米顆粒微生物甲基化過程機制”的研究成果。他們發現，天然有機質可通過調控初級納米粒子的生長方向，影響納米汞與厭氧細菌金屬轉運蛋白的結合過程，顯著抑制其甲基化潛能的自然衰減，導致富含有機質環境中甲基汞持續地生成和積累。這一突破，為環境汞污染風險評估提供了重要的理論依據，為設計開發高效的甲基汞污染阻控技術提供了嶄新思路。4月26日，介紹該工作的論文發表于國際頂級學術刊物《自然·地球科學》。
甲基汞危害大成因是謎
汞是一種在自然界(包括大氣、水體、土壤以及生物圈)中普遍存在的重金屬污染物。由于汞具有長距離遷移的能力，已經被聯合國環境規劃署列為全球性污染物，是除了溫室氣體外唯一一類對全球范圍產生影響的化學物質。鑒于汞污染的嚴重性，2017年8月，包括中國在內的128個國家和地區聯合簽訂了旨在全球范圍內控制汞污染的《水俁公約》。根據該公約條款，締約國將全面禁止生產、進口和出口加汞產品。
汞污染最嚴峻的環境后果是排放至環境中的無機汞在微生物的作用下轉化為甲基汞。甲基汞具有極強的神經毒性，容易在食物鏈和生物圈中富集放大，嚴重威脅著人類的食品安全和生命健康。1950年代，日本轟動世界的“水俁病”的“元兇”也正是甲基汞。
然而長期以來，甲基汞在環境中的形成之謎，使得人們始終無法從源頭上治理甲基汞污染。
“研究發現，食物鏈中積累的甲基汞并非人類活動直接排放的，而是自然過程中在微生物的作用下產生的。我們目前無法從源頭上治理甲基汞污染，關鍵在于我們對甲基汞在環境中生成過程的機制認識不清。”張彤說。
打通治理汞污染的重要一環
甲基汞的生成很大程度上取決于復雜環境介質中無機汞的化學形態。傳統觀點認為，只有溶解態汞具有甲基化潛能。張彤團隊的研究率先證明了厭氧環境中硫化汞成礦過程易形成含汞納米顆粒(黑辰砂)，這些顆粒態汞能夠被硫酸鹽還原菌快速轉化為甲基汞。
“在納米汞的甲基化過程中，我們觀察到了顯著的晶面效應。一方面，天然配體調控硫化汞的成礦過程，產生不同暴露晶面的含汞礦物納米顆粒。另一方面，黑辰砂的不同暴露晶面與決定汞細胞攝入過程的甲基化細菌金屬轉運蛋白的結合能力顯著不同。這兩方面的作用共同導致了真實環境中觀測到的汞甲基化潛能自然衰減速率的巨大差異。”張彤說。
該研究的發現為完善汞的生物地球化學循環模型，準確預判汞污染修復響應時間提供了全新的視角。
“在明確汞甲基化潛能自然衰減機制的基礎方面，我們有望開發出低成本、環境友好的原位甲基汞污染阻控技術，為汞污染全球治理提供新策略。”張彤表示，該研究闡釋的礦物—微生物界面作用新機制還可推廣至鋅、銅、鉛、鎘等其它“軟”金屬礦物。其中，有些礦物驅動著環境中重要的生命活動、產能過程，有些會導致嚴重的生態和健康風險，對其進行研究具有重要意義。