全球大气汞在冰川冰尘中的积累

《Journal of Hazardous Materials》：Worldwide accumulation of atmospheric mercury in glacial cryoconite

　　

本研究首次对全球范围内冰川表面发现的异质性且常富含有机质的物质——冰尘(cryoconite)中的汞(Hg)浓度变化进行了全面的全球分析。研究人员从两个半球的39条冰川上共收集了130份冰尘样本。在挪威和阿拉斯加的冰尘中测得的汞浓度最高（高达0.965 μg g-1），其次是欧洲阿尔卑斯山（高达0.498 μg g-1），这反映了来自相对靠近这些冰川地区的重工业化和人口稠密区的大气沉降水平。为了更好地评估汞在冰川环境中的环境分布，除了冰尘，研究人员还考虑了在冰川和冰前区发现的其他环境基质，包括藻类、土壤和河流沉积物。这包括对来自卡纳克冰川（格陵兰）的红色雪藻中的汞进行的一项新颖分析。在本研究考虑的所有环境基质中，冰尘样本的汞浓度最高。研究人员使用了污染负荷指数(Pollution Load Index)、地累积指数(Geoaccumulation Index)和荷兰目标值(Target Values for the Netherlands)作为污染指标来识别沉积物污染热点。根据这些污染指数，北半球的样本受到轻微到中度汞污染，而南半球的样本则未受污染。在北半球样本中，来自瑞典、挪威和斯瓦尔巴群岛的冰尘污染状况最高，而来自阿拉斯加和欧洲阿尔卑斯山的样本通常仅受到轻微污染。这些结果强调了加深我们对动态且快速变化的冰川环境在汞的积累、运输和再排放方面作用的理解的重要性。

在全球气候变化的响应下，世界上的绝大多数冰川正在退缩，其中一些速度极快。与此同时，冰盖正经历日益加剧的变薄和质量损失，而永久冻土区则普遍变暖，有时甚至发生突发性融化，导致陆地和河流景观退化。由于冰-反照率反馈循环，冰冻圈对气候变化特别敏感。此外，反照率在冰川的能量平衡和随之产生的融化过程中起着核心作用。当冰川表面存在深色杂质时，会降低反照率，从而导致融化加剧。陆地冰冻圈的变化正导致融水、沉积物、溶质和污染物向下游环境释放，这给水生生态系统、人类基础设施（例如水库和水处理设施）、粮食生产和人类健康带来了诸多问题。汞已被确定为最具毒性的天然元素之一，广泛存在于包括冰川景观在内的冰冻圈中。它在环境中的存在源于人类活动，包括燃烧煤炭或褐煤、不当的废物处置、石油精炼、使用含汞农药和化肥，以及采矿、化工、制药和造纸等各种工业活动。该元素也作为火山喷发、岩石侵蚀和风化、生物质燃烧、海洋挥发、地热过程以及再排放等自然现象的结果出现在环境中。汞可以在大气中存留长达数月，这促进了该元素向远离排放源区域的转移。尽管汞的开采和利用历史长达数千年，但其毒性的完全认识是相对近期的事情。自1956年日本水俣湾发生甲基汞（汞的有机形态：[CH₃Hg]⁺）泄漏导致3000多人中毒的事件以来，人们付出了巨大努力来了解汞在环境中的来源、迁移和归宿及其对生物体（包括人类）的影响。尽管2017年生效的《联合国关于汞的水俣公约》旨在保护人类健康和环境免受汞的不利影响，但研究表明，主要由于手工和小规模金矿开采、水泥生产、有色金属开采、废物生产和焚烧以及化石燃料燃烧增加等人为活动，过去几十年环境中汞的沉降有所增加。尽管欧洲和北美的贡献正在减少，但亚洲的排放却在增加。大量研究关注冰冻圈地区汞的排放、沉降和积累，因为汞在食物网中的生物积累和生物放大作用对当地生物群和土著居民具有影响。永久冻土现在被认为是全球重要的汞储存库，研究也集中在冰川冰中汞的积累和储存及其随后在融水中的释放。然而，北极监测与评估计划指出，从退缩冰川中释放的汞具有高度不确定性，部分源于对冰川中汞的不同储库及其释放机制和时间的了解有限。近期研究表明，冰川表面发现的一种深色、常富含有机质的沉积物——冰尘，具有很强的吸附和保留来自大气沉降污染物的能力，微生物可能在此过程中起关键作用。研究表明，冰尘可富集人为污染物，如放射性核素、潜在有毒元素（包括金属和类金属）以及有机污染物（如多氯联苯和多环芳烃）。这些大气来源污染物的浓度通常比其他环境材料（如土壤和表层沉积物）高出一个或多个数量级。因此，冰尘及其所在的冰尘穴可能是冰川表面的污染物热点。人们担心，随着冰川融化、退缩和变薄加剧，冰尘的迁移可能导致富集污染物的冰尘被输送并储存于冰前和下游环境中。此外，当冰尘沉积在冰川末端时，它可能在冰川退缩后的土壤形成初期阶段发挥作用，从而促进土壤发育。尽管此前少数局部和区域研究记录了冰尘中汞浓度升高的情况，但迄今为止，尚未有对其在全球冰川景观中存在的系统性评估。关于冰川表面生物（如藻类）和非生物（如尘埃）要素污染的知识仍然有限。鉴于信息匮乏，本研究的目标是确定从全球冰川收集的冰尘样本中汞浓度的变异性。本研究结合了大部分新的冰尘汞浓度结果以及对已发表研究数据的综合。冰尘在汞的储存和转化中起着重要作用，这可能对气候变暖下冰川补给生态系统产生下游影响。因此，研究人员将这些结果与在红色雪藻和冰川环境其他基质中检测到的汞浓度进行了比较。最后，评估了汞浓度在不同纬度（高纬度和中纬度）的区域差异，探讨了当地人为活动的影响，以及有机物对汞积累的影响。本论文发表在《Journal of Hazardous Materials》期刊上。

为开展本研究，研究人员采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   样本采集与数据集构建：从全球39条冰川的冰尘穴和表层沉积物中采集了共计130份冰尘样本，并综合了先前发表的来自9条额外冰川（包括加拿大不列颠哥伦比亚省1条、欧洲阿尔卑斯山1条和中国西部7条高海拔冰川）的冰尘数据，构建了一个涵盖南北半球48条冰川的数据集。样本来源冰川的海拔、气候和地理位置差异显著。此外，还采集并分析了来自冰川和冰前区域的其他环境基质（如土壤、河流沉积物、藻类）样本，包括对格陵兰卡纳克冰川红色雪藻中汞的新分析。
2. 2.
   实验室分析与质量控制：对采集的样品进行了化学分析以测定总汞浓度。分析在配备有测汞仪的Direct Mercury Analyzer上进行。为确保数据质量，使用了标准参考物质（如NIST 2709a, MESS-3, PACS-3）进行准确度控制，并通过重复分析样品来评估精密度。样品的有机质含量通过重铬酸钾氧化法测定。
3. 3.
   污染状况评估：为评估冰尘中汞的污染水平，研究人员采用了多种污染指数，包括污染负荷指数(Pollution Load Index, PLI)、地累积指数(Geoaccumulation Index, I_geo)和荷兰目标值(Target Values for the Netherlands)。这些指数用于比较观测浓度与背景值或监管标准，从而识别沉积物污染热点并评估区域污染状况。

研究结果：

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  冰尘中汞浓度的区域差异：
  分析显示，冰尘中的汞浓度在北半球样本中变化范围大（0.002 至 0.965 μg g^-1，平均值0.193 μg g^-1），在南半球样本中较低（0.005 至 0.133 μg g^-1，平均值0.060 μg g^-1）。两者差异具有统计学显著性。最高的汞浓度出现在挪威、阿拉斯加和欧洲阿尔卑斯山的冰尘中。斯瓦尔巴群岛、瑞典、挪威的样本显示出最高的污染水平，而阿拉斯加和欧洲阿尔卑斯山的样本通常仅为轻微污染。南半球样本总体上未被污染。
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  汞在冰尘中的广泛积累：
  研究发现汞存在于本研究所包含的所有冰川的冰尘中，表明其在南北半球以及高中纬度地区的陆地冰冻圈中普遍存在。尽管大多数研究冰川地理位置偏远、海拔变化大且通常远离主要人口中心，但仍检测到了汞。这表明大气长距离传输是汞到达这些偏远冰川环境的主要途径。冰尘中的汞浓度通常比冰川和冰前区的其他环境基质（如土壤、河流沉积物、藻类）高出一个数量级以上，突显了冰尘作为冰川表面汞积累热点的重要性。汞浓度与样品中有机质含量之间存在显著的正相关关系，表明有机质在冰尘富集汞的过程中起着关键作用。
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  结论：
  本调查研究的结果揭示，北半球，尤其是斯瓦尔巴群岛、挪威、瑞典、欧洲阿尔卑斯山和阿拉斯加的冰川和冰川环境受到汞污染的影响。冰尘中的汞浓度高达0.965 μg g^-1，显著超过上大陆地壳的估计值（0.056 μg g^-1）。在汞污染方面，土壤剖面中的一个显著例外是在斯瓦尔巴群岛的冰前区，其浓度与冰尘中的浓度相当，这表明冰川融水径流将受污染的冰尘输送并沉积在冰川前缘地区，这可能对冰前生态系统构成风险。研究人员强调，需要进一步研究以更好地理解驱动汞在冰川表面冰尘中积累的具体机制，以及这些汞库在冰川融化和退缩背景下的命运。