近日，中国科学技术大学环境科学与工程系、极地环境与全球变化安徽省重点实验室谢周清教授课题组在极地及海洋边界层大气汞观测研究方面取得连续进展。相关研究结果分别以“Spatial distribution of atmospheric mercury species in the Southern Ocean”和“Stable mercury isotopes revealing photochemical processes in the marine boundary layer”为题在Journal of Geophysical Research：Atmospheres在线发表。

汞（Hg）是一种剧毒重金属，具有较强的挥发性，其气态单质汞（GEM）可以随大气环流进行长距离输送。而一旦被氧化并沉降进入水体、土壤等厌氧环境后，便可能在微生物作用下被甲基化，生成毒性更强且可以通过食物链富集的甲基汞形态，对生态系统构成严重威胁。南极独特的环境以及周边海域的海冰光化学机制对大气汞循环具有特殊的影响，是全球汞循环重要的汇，南极脆弱的海洋生态系统对汞暴露十分敏感。大气沉降是汞进入海洋的主要途径，并且主要以氧化态汞的形式进行。然而，迄今为止，南极周边海域的大气氧化态汞的观测还十分匮乏，严重限制我们对南极地区大气汞循环机制的理解，以及对极地大气汞沉降及其生态效应的进一步评估。

在中国第34次南极科考（CHINARE-34）（2017年11月至2018年3月）期间，依托“雪龙”号考察船，对东南极周边海域进行大范围的大气形态汞高分辨率走航观测，涵盖了南极大陆沿岸、海冰区及开阔大洋三种不同的地表类型。结果发现，南极海洋边界层大气汞具有较大的空间分布差异。夏季极昼期间，南极大陆沿岸较高的大气氧化性可导致大气GEM显著的原位氧化，在内陆下降风输送作用下成为南极海洋边界层大气气态氧化态汞（GOM）的重要来源。在海冰区，尽管大气GEM也会发生氧化，但由于显著的海盐气溶胶摄取作用，会使得所生成的GOM被快速清除，导致较低的大气GOM浓度。在开阔海域，一年海冰的季节性融化以及更显著的海盐摄取作用导致了该地区最低的GOM浓度。

图1  夏季南大洋三种地表类型区域的大气汞循环机制示意图

在此基础上，与天津大学陈玖斌教授团队合作，进一步探讨了汞形态（包括气态单质汞（GEM）、气态氧化态汞（GOM）和颗粒态结合汞（PBM））之间的转化机制。汞元素在自然界中一共有七种稳定同位素，分别为¹⁹⁶Hg、¹⁹⁸Hg、¹⁹⁹Hg、²⁰⁰Hg、²⁰¹Hg、²⁰²Hg和²⁰⁴Hg。在自然或人为条件下汞的传输和转化会引发汞同位素分馏，分馏过程可以被分为质量相关分馏（MDF）、奇质量数同位素的非质量相关分馏（odd-MIF）和偶质量数同位素的非质量相关分馏（even-MIF）。因此，汞是一种独特的具有“三维”同位素分馏体系的重金属元素，这意味着可以利用汞同位素来有效识别环境样品中汞经历的过程。对雪龙船走航期间采集的总悬浮颗粒物（TSP）样品进行了汞同位素测试分析。结果发现人为直接排放的PBM对本研究采集的PBM的贡献有限。GEM在大气中经历了Br/Cl等自由基的氧化，生成的Hg²⁺被颗粒物吸附从而转变为PBM。另外，PBM的Δ¹⁹⁹Hg/Δ²⁰¹Hg比值表明其在海洋大气中经历了液相光还原，颗粒物中有机碳（OC）的含量对Hg²⁺的还原再释放有影响。随着OC含量的降低，PBM的光还原会受到抑制。

图2 汞在海洋边界层中所经历的物理化学过程示意图

以上结果为进一步理解极地海洋大气汞循环机制及模型的模拟研究提供了新的认识及数据支撑。两篇论文的第一作者分别为环境科学与工程系博士生乐凡阁和邱悦。研究工作得到了国家自然科学基金和自然资源部极地考察办公室等研究项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1029/2021JD034651

https://doi.org/10.1029/2021JD034630