甲基供体解析的同位素诊断技术揭示了在紫外线驱动下汞(II)甲基化过程中的机制多样性

《Journal of Hazardous Materials》：Methyl group donor?resolved isotopic diagnostics reveal mechanistic diversity in UV?driven methylation of Hg(II)

短波紫外-C（254 nm）驱动水相Hg(II)光甲基化为MeHg，丙酮/乙酸显示奇偶同位素分馏（MIF） slopes 0.9-1.3（自由基对主导），乙醛出现 steeper slopes（1.8-2.0）及Δ200Hg负值，指示多步电子转移或非均相过程。可逆双池同位素模型解析动力学及MDF分配规律，证实甲基供体特异性机制。

　　

林阳|张坤|于茂军|李世宇|韩德明|于本|肖彩玲|胡立刚|尹永光|史建波|蒋贵斌

中国科学院杭州高等研究院环境学院，中国杭州310024

摘要

汞（Hg）的光化学甲基化过程在自然界中难以分离。本研究发现，在低分子量有机化合物（丙酮、乙酸、乙醛）的存在下，短波长UV-C（254 nm）能够选择性地驱动水中的Hg(II)发生光甲基化反应，生成MeHg；而在可见光/UV-A/UV-B光照射下则不会生成MeHg。丙酮条件下总产率可达59–84%，乙酸条件下为25–40%，乙醛条件下为38–66%。通过浓度-同位素时间序列分析，发现存在明显的奇数质量独立分馏现象（odd-MIF；Δ^199Hg高达25‰），并且不同供体具有特定的Δ^199Hg/Δ^201Hg比值。丙酮和乙酸实验中的odd-MIF比值分别为0.9–1.0和1.1–1.3，这与自由基对化学过程相符。相比之下，乙醛实验中的odd-MIF比值更陡（1.8–2.0），同时伴随着较小的Δ^200Hg负值（低至-0.4‰），表明可能存在多步骤电子转移或非均相反应机制。一个可逆的双池同位素模型能够拟合出正向和反向反应速率以及MDF富集因子，并揭示了两种不同的甲基化途径：丙酮中以去甲基化为主，而乙酸中以甲基化为主。这些基于供体类型的同位素特征为评估大气水体在短波长辐射下的类似过程提供了依据。

引言

汞（Hg）通过氧化还原和络合反应在大气、水圈和岩石圈之间循环，但其转化为甲基汞（MeHg）的过程具有最大的毒理学意义，因为MeHg会在生物体内积累并放大[1],[2],[3],[4]。虽然微生物hgcAB途径已被证实是缺氧沉积物和水体中MeHg的主要来源[5],[6]，但大气和沉积物中甲基化汞的来源仍不明确。有人提出多种机制，包括海雾中的二甲基汞通过空气交换进入大气后在大气中转化[7]，此外云水和雾水中Hg(II)的光化学甲基化也被认为是MeHg的潜在来源[8],[9],[10],[11],[12]。最近的一项建模研究估计，云中Hg(II)的光化学甲基化每年产生的甲基汞量约为数百毫克[13]。尽管这些估计受参数和环境条件的限制，但它们突显了云中Hg(II)甲基化的潜在重要性，并强调了进一步系统化机制研究的必要性。

从机制上看，大气和水生系统中丰富的低分子量有机化合物（LMWOCs）在光照下可作为有效的甲基供体，因为它们可以生成含甲基的自由基或激发态，从而与Hg(II)发生反应[10],[12],[14],[15],[16],[17],[18]。然而，此前关于LMWOC驱动的Hg(II)甲基化的证据尚不充分：在同一实验中MeHg可能同时生成和分解，物质形态动态变化，且未观察到的消耗过程（如Hg(0)的释放或次级有机汞物种的形成）使得质量平衡复杂化。这些因素限制了对机制的准确解释，目前尚不清楚这类途径是否普遍存在、是否具有供体特异性，或者在机制上是否存在多样性。

稳定的汞同位素为解析这些复杂性提供了方法[19],[20],[21]。通过研究质量依赖性和质量独立性分馏（MDF和MIF），汞同位素系统可以揭示反应的机制特征[22],[23],[24]。MIF现象在光驱动过程中普遍存在，常被用作光化学反应的保守代理指标[25],[26]。重要的是，奇数质量同位素的分馏特征（odd-MIF）对反应的主要步骤提供了诊断依据[27],[28],[29]，因为磁同位素效应（MIE）通常导致Δ^199Hg/Δ^201Hg比值在1.0–1.4之间[21]，而核体积效应（NVE）则导致比值接近1.6[30]。目前尚缺乏关于LMWOC驱动的光化学甲基化的系统同位素特征，且在封闭反应器中甲基化和去甲基化同时发生的情况下，定量解释更加困难。迄今为止，仅有少数研究应用稳定汞同位素研究非生物光甲基化过程，且仅考察了有限的供体类型，所得结果在分馏特征上并不一致[31],[32],[33]。例如，在可见光下通过MeCo介导的Hg(II)光甲基化过程中未观察到显著的分馏现象[31],[33]；而在MeCo和乙酸存在的情况下观察到轻微的正向odd-MIF（Δ^199Hg为0.6‰），这可能是由MIE引起的[32]。这些系统证据的缺乏凸显了开展针对性实验的必要性，以明确正向和反向反应的机制，并确定供体特异性的同位素特征。

本研究在紫外光照射下，特别是UV-C照射下，研究了Hg(II)向MeHg的转化过程，选用丙酮、乙酸和乙醛作为甲基供体，比较了不同官能团对产率、反应速率和同位素分馏的影响。实验探讨了短波长照射是否以供体依赖的方式驱动Hg(II)的甲基化，以及由此产生的MDF和MIF特征是否能够区分不同的光化学途径。通过可逆的双池同位素模型估算了反应的动力学参数和MDF值。这些结果为相关暴露情景（包括平流层上层、极地地区臭氧消耗期间以及人工UV系统）中的短波长光甲基化过程提供了机制上的依据。

试剂与材料

丙酮购自J. T. Baker（HPLC纯度）；乙酸购自Sigma-Aldrich（纯度>99%）；乙醛购自Acros Organics（超纯）。用于光反应的标准汞溶液来自国标（北京）检测与认证中心（GSB 04–1729–2004，浓度为1000 μg/mL in 1.0 M HNO3）。2-巯基乙醇（2-ME）购自Sigma-Aldrich（纯度>99%）。汞（NIST SRM 3133和3177）和铊（NIST SRM 997）溶液用于汞同位素分析。

UV-C选择性诱导MeHg生成

在UV-C照射下，丙酮、乙酸和乙醛显著促进了Hg的甲基化（峰值约251 nm，见图S2）。相比之下，在黑暗、可见光或UV-A/B条件下4小时反应后未检测到MeHg的生成。丙酮实验中的最大MeHg产率为59–84%，乙酸实验中为25–40%，乙醛实验中为38–66%（见图1）。在10 mM丙酮存在下，MeHg的生成量最高。

结论与意义

本研究表明，在低分子量有机化合物存在的情况下，水中的Hg(II)在近254 nm的UV-C照射下可转化为MeHg，且产生的同位素特征强烈依赖于甲基供体。丙酮和乙酸导致明显的odd-MIF现象，其Δ^199Hg/Δ^201Hg比值符合自由基对反应的特征；而乙醛则表现出更陡的比值，并伴随较小的Δ^200Hg负值，表明存在超出单一自由基对途径的复杂过程。

补充信息

平流层MeHg通量估算方法；HPLC-ICPMS系统的物种分离性能；UV-C灯的光谱分布；odd同位素与MDF模型的偏差；丙酮和乙酸参与的光甲基化和去甲基化步骤的速率及MDF拟合；Δ^199Hg/Δ^201Hg比值的线性回归；HPLC-ICPMS分析的操作条件；HPLC分离和微波消化方法用于汞同位素分析的性能；NIST SRM的汞同位素组成

CRediT作者贡献声明

蒋贵斌：项目监督与管理。林阳：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、实验实施、数据管理。尹永光：方法学设计、数据分析。史建波：撰写、审稿与编辑、项目监督、资源协调、资金获取、概念构思。肖彩玲：资源调配、实验实施。胡立刚：方法学设计、数据分析。韩德明：数据管理。于本：实验实施、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢与资金来源

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42025704、22076205和22406038）和中国博士后科学基金（项目编号2024M750692）的支持。