水体溶解性有机质（DOM）中超氧阴离子介导汞还原的关键作用与环境意义研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Superoxide-mediated Hg(II) reduction by dissolved organic matter in surface waters

本研究首次系统性揭示了地表水体中溶解性有机质（DOM）通过超氧阴离子（O2•?）介导Hg(II)还原的机制。文章通过量化淡水和海水中超氧阴离子对Hg(II)光/暗还原的贡献，结合模型DOM（SRFA/LHA）实验和酚羟基功能团验证，阐明了酚类结构是DOM生成超氧阴离子并驱动Hg(II)还原的关键位点。该成果深化了对汞（Hg）生物地球化学循环的认识，并为利用DOM调控技术原位修复汞污染水体提供了新思路。

　　

汞（Mercury, Hg）是一种全球性污染物，其在水环境中的迁移转化深刻影响着生态安全和人体健康。汞的形态决定了其毒性、迁移性和生物有效性。其中，剧毒的甲基汞（Methylmercury, MeHg）极易在食物链中富集，对人体神经系统造成严重危害。二价汞（Hg(II)）是水环境中汞的主要形态，其还原为元素汞（Hg(0)）是调控汞从水体向大气释放（即“汞的挥发”）的关键过程，直接影响着全球汞的生物地球化学循环。溶解性有机质（Dissolved Organic Matter, DOM）广泛存在于自然水体中，已知其在Hg(II)的还原过程中扮演重要角色。然而，这一过程的微观机制，尤其是DOM的特定官能团（如酚羟基）如何通过产生活性氧物种来驱动Hg(II)还原，一直是一个未被充分揭示的科学“黑箱”。厘清DOM介导Hg(II)还原的具体路径，特别是超氧阴离子（superoxide, O₂^•?）在其中的贡献，对于预测汞的环境归趋、评估其生态风险以及开发污染控制新策略至关重要。正是在此背景下，山东大学环境科学与工程学院的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表了这篇题为“Superoxide-mediated Hg(II) reduction by dissolved organic matter in surface waters”的研究论文，系统探究并量化了超氧阴离子在DOM介导的Hg(II)还原过程中的核心作用。

为了深入探究上述科学问题，研究人员综合运用了多种关键技术方法。首先，利用“吹扫-金阱捕集-冷蒸气原子荧光光谱法（Purge-gold trap-CVAFS）”高灵敏检测反应中生成的Hg(0)，这是追踪Hg(II)还原过程的核心手段。其次，使用超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase, SOD）作为超氧阴离子的特异性清除剂，通过对比实验来评估超氧阴离子的贡献，这是揭示其作用的关键策略。再次，利用3-双(2-甲氧基-4-硝基-5-磺苯基)-2H-四氮唑-5-甲酰苯胺内盐（XTT）作为化学探针，量化了不同来源DOM在黑暗和光照条件下产生超氧阴离子的能力。最后，通过甲基化反应选择性封闭DOM中的酚羟基，并结合傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）进行表征，直接验证了酚羟基在超氧阴离子生成和Hg(II)还原中的功能。研究样本涵盖了青岛地区的典型环境水体（胶州湾海水和崂山水库淡水）以及来自国际腐殖质学会（IHSS）的七种标准DOM样品，确保了研究的环境代表性。

研究结果层层递进，揭示了DOM-超氧阴离子-Hg(II)反应的完整链条。

3.1. 超氧阴离子在自然水体DOM介导的Hg(II)还原中的贡献：研究人员首先在真实环境水体（海水和淡水）中进行孵育实验。通过添加超氧化物歧化酶（SOD）抑制超氧阴离子的活性，他们发现，对于新引入的Hg(II)，超氧阴离子贡献了DOM介导的光还原量的38%至55%。而对于已与水中有机质达到预平衡状态的Hg(II)，其贡献率仍达到28%至33%。这表明，无论汞是刚刚进入水体还是已经与DOM结合，超氧阴离子都是驱动其光还原的重要力量。黑暗条件下的贡献则可以忽略不计，突显了光照（光化学过程）在引发这一反应中的主导作用。这些数据清晰地表明，超氧阴离子介导的还原是地表水体中Hg(0)生成的一个重要且广泛的途径。图1直观展示了在有无SOD处理下，新加入和预平衡Hg(II)在海水和淡水中光还原/暗还原的百分比差异。

3.2. DOM模型物质（SRFA）中超氧阴离子介导的Hg(II)还原：为进一步验证机制，研究采用国际公认的DOM模型物质——苏旺尼河富里酸（Suwannee River Fulvic Acid, SRFA）进行实验。通过控制溶解氧浓度（N₂或O₂吹扫）和使用SOD，证实了溶解氧是超氧阴离子生成的前体，而超氧阴离子是Hg(II)还原的关键中间体。在光照和O₂充足条件下，SRFA介导的Hg(II)还原被SOD显著抑制了约50%。这一部分结果再次确认了“DOM在光照下产生活性氧（尤其是超氧阴离子）→ 超氧阴离子还原Hg(II)”的反应路径，并揭示了该路径不仅存在于复杂的环境水体中，也存在于结构相对明确的模型DOM中。图2展示了在不同光照、氧条件和SOD处理下，SRFA介导的Hg(II)还原效率对比。2/N₂吹扫和SOD的影响。">

3.3. DOM中酚羟基在超氧阴离子生成和Hg(II)还原中的作用：研究的关键一环是追溯超氧阴离子的源头。通过量化七种不同来源DOM（如苏旺尼河天然有机物、里奥纳德腐殖酸等）在光照下产生超氧阴离子的能力，并与其已知的酚羟基含量进行关联分析，发现两者之间存在显著的正相关关系（R²= 0.79）。这强烈暗示酚羟基是DOM在光下生成超氧阴离子的主要功能基团。图3展示了七种DOM在光照下产生超氧阴离子的差异及其与酚羟基含量的相关性。

为了提供直接证据，研究人员对里奥纳德腐殖酸（Leonardite Humic Acid, LHA）进行了甲基化处理，选择性地封闭了其酚羟基。光谱表征（FT-IR和XPS）证实了处理的有效性。后续实验显示，与原始的LHA相比，酚羟基被封闭的LHA在光照下产生超氧阴离子的能力大幅下降了约76%，其介导Hg(II)光还原的效率也相应急剧降低了约80%。这为“酚羟基 → 超氧阴离子 → Hg(II)还原”的因果关系链提供了确凿的实验证据。图4对比了原始LHA与酚羟基封闭LHA在超氧阴离子生成和Hg(II)还原能力上的巨大差异。

在讨论和结论部分，本研究系统性地归纳了核心发现。研究首次明确量化并证实了由DOM衍生、特别是其酚羟基结构在光照下生成的超氧阴离子，是驱动地表水体中Hg(II)还原为Hg(0)的一个关键且广泛存在的化学还原剂。这一过程深刻影响了汞在水-气界面的交换通量：更多的Hg(II)被还原为挥发性的Hg(0)并释放到大气中，从而降低了水体中可被转化为剧毒甲基汞（MeHg）的Hg(II)库，对减轻汞的生态健康风险具有积极意义。研究指出，超氧阴离子介导的Hg(II)还原效率受到DOM的组成（特别是酚类物质丰度）、光照强度、溶解氧浓度以及Hg(II)与DOM结合程度（新加入或预平衡状态）的共同调控。鉴于气候变化可能导致陆地来源、富含酚类物质的DOM更多地输入到水生生态系统，这一还原路径的环境重要性在未来可能会进一步增强。

总而言之，该研究不仅揭示了汞环境地球化学循环中一个此前被低估的关键微观机制，还为未来可能的汞污染原位修复提供了新视角：通过调控水体中DOM的组成（如增加酚类物质）或曝气增氧来促进超氧阴离子的生成，从而强化Hg(II)向Hg(0)的转化和去除。然而，这种干预对水环境整体氧化还原状态、DOM结构演变及汞生物有效性的复杂影响，仍需未来研究进一步阐明。同时，对Hg(II)经由Hg(I)中间体最终转化为Hg(0)的反应动力学的精细表征，将有助于完全厘清超氧阴离子介导还原的详细反应路径。