CREST新文 | 江桂斌院士团队：植物叶片累积大气汞研究——进展与挑战
导 读
自上世纪50年代水俣病事件后，有毒重金属汞（mercury，Hg）的环境迁移、转化和生物毒性等受到了人们的广泛关注和研究。理解汞的生物地球化学循环过程对于控制和减少汞污染具有重要意义。人为源和天然源排放汞主要以零价汞形态（Hg(0)）释放到大气中，而大气中的汞形态也主要以气态零价汞（gaseous elemental mercury，GEM或Hg(0)）为主。近年研究指出植物叶片吸收并累积大气汞是大气汞沉降的重要组成，对于大气汞浓度、传输以及全球汞循环有重要影响（图1）。其中，森林生态系统中大气汞的沉降量为1930 Mg yr⁻¹，占整个陆地生态系统约大气汞沉降量（3600 Mg yr⁻¹）的50%以上。目前，人们对植物叶片累积大气汞的过程尚缺乏系统研究，大气汞进入植物叶片后的转化和运输机制等还不清晰。因此，本综述对大气汞在植物叶片中的吸收、固定、转化、迁移和归趋等过程进行了全面系统地总结，并阐述了植物叶片累积大气汞相关过程的研究进展、发展方向以及面临的挑战。
图1 图文摘要
主要内容
作为大气中主要的汞形态，气态零价汞也是植物叶片吸收的主要汞形态。目前认为植物叶片通过气孔途径和非气孔途径吸收气态零价汞，而气态零价汞进入叶片后会发生一系列生物化学反应，进而固定在叶片内部（图2）。研究表明植物叶片中90~96%的汞分布在叶肉细胞，其余少量汞分布在叶片表面和角质层。目前研究认为进入叶片后的Hg(0)首先氧化为更稳定的二价汞，该氧化过程可能影响叶片吸收大气汞的速率和能力。过氧化氢酶在叶片氧化Hg(0)中发挥了重要作用，但是叶片中也存在其他未证实的Hg(0)氧化机制。有研究通过X射线吸收精细结构谱发现野生植物叶片中的主要汞形态为汞与巯基生物分子结合态（Hg-SR）和硫化汞（HgS），这表明叶片中的汞可能发生络合和硫化等反应。但是，植物叶片中汞的具体转化机制和赋存分子结构等仍不明确，未来需要结合多种汞形态分析手段、元素成像技术和生物技术等开展深入研究。
由于陆生植被生物量巨大，植物叶片中汞的归趋对于汞的全球生物地球化学循环具有重要的意义。如图2所示，植物叶片中汞的归趋包括以下几种途径：一方面，叶片中固定的部分汞可以通过还原反应重新释放到大气中；另一方面，叶片中的汞可以通过冠层穿透雨或植物凋落物进入土壤；此外，作为生态系统的初级生产者，叶片累积的汞可通过食物链传递到其他生物体内。然而，这些过程中汞的转化机制和通量研究存在困难，影响人们对植物叶片中汞的环境影响和风险的准确评估。例如，通过植物凋落物进入土壤中的全球汞通量约为1180 ± 710 Mg yr⁻¹，这些凋落物中汞的迁移和转化对全球汞循环产生重要影响。如图3所示，凋落物中的汞经历各种物理反应（如吸附、挥发）、化学反应（如氧化、还原、硫化）和生物过程（如生物甲基化、去甲基化），这些复杂过程共同决定了汞的环境迁移能力、生物毒性和环境归趋。但是，目前仍难以对凋落物中汞的归趋进行定量，未来研究可结合同位素示踪技术和生态学方法等对这些过程开展汞通量研究。
图3 植物凋落物中汞发生的物理、生物和化学反应
总结与展望
植物叶片累积大气汞是汞生物地球化学循环的重要组成，是大气汞在植物叶片中吸收、固定、转化、再释放和通过冠层穿透雨/凋落物沉降等诸多复杂过程的综合结果。本研究对植物叶片累积大气汞的相关过程进行了系统和全面总结，认为深入植物叶片和凋落物中汞的转化机制及汞通量研究将有助于准确评估植物累积大气汞在全球汞循环中的具体贡献。此外，面对目前研究中的诸多挑战，结合多种汞形态分析手段、元素成像技术、稳定同位素示踪技术、生物技术和生态学方法等将有助于揭示植物叶片中汞的具体形态、转化机制、交换通量和环境归趋。
作者简介
第一作者：
刘艳伟，中国科学院生态环境研究中心助理研究员，2019年获得博士学位，研究方向为有毒污染物的生物累积和转化。
通讯作者：
阴永光，中国科学院生态环境研究中心研究员。主要研究方向为有毒金属的形态分析与环境转化，曾获国家自然科学基金优秀青年基金、万人计划青年拔尖人才等项目资助，获中国分析测试协会科技奖一等奖（排名第一）、中国化学会青年环境化学奖等，发表学术论文100余篇，授权专利7项。
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环境科技评论CREST
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