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全球汞的生物地球化学循环综述
期末论文翻译
题目：
全球汞的生物地球化学循环：
综述
全球汞的生物地球化学循环：
综述
摘要：
汞污染造成全球人类健康问题和环境风险。
尽管在环境中本身就存在汞，但是由于人类活动使陆地、大气和海洋中循环的汞量增加了3到5倍。
汞以单质状态排入大气，在被氧化沉积入生态系统之前，汞要经历全球性运移。
在水体中，汞可以转变为甲基汞，一种强有力的神经毒素。
人类和野生动动物将暴露于甲基汞，当它在食物链上生物积累时。
在汞进入深海沉积物之前，它将的在大气、海洋和地面系统持续循环几百年到几千年。
汞的全球生物地球化学循环不确定的方面，包括在大气、陆地大气和海洋大气循环的氧化过程和在海洋中的甲基化过程。
国家和国际政策已经解决了汞的直接排放问题，但是进一步努力减少风险，面临众多政策和技术上的挑战。
关键词：
生态动力学健康陆地大气相互作用污染
引言
汞自然地存在于地球上的生物地球化学系统，但是几个世纪的人类活动，如采矿和化石燃料的燃烧，正在使越来越多的元素进入大气、海洋和陆地系统
（1）。
汞是一个全球性的环境问题：
它甲基汞的形态是意思有效的神经毒素，影响着人类和野生动植物的发展和健康
（2）。
这篇综述调查了汞的全球生物地球化学循环的知识现状，通过汞的形态变化和在环境之间的循环，重点关注了汞元素的生物地球化学循环和其过程。
尽管长期以来，国家和国际间将汞作为一个环境问题的关注度持续增加，几乎没有政策解决汞在环境中复杂行为或在某种程度上改变其生物地球化学循环特征。
汞排放的控制在不同空间尺度上产生多种效益取决于汞的来源和种类控制。
由于自然系统反应在时间上的延迟，对汞的减排不会立即，成比例的影响汞的暴露量（3-7）。
以前的人为汞排放的对当今世界最大的影响（约占三分之一的今天排放到大气中）意味着认识和管理汞在全球陆地和海洋循环将是一个持续的、长期的挑战。
在全球，生物地球化学复杂的科学知识使汞循环保留了不确定性。
这篇通过特别注意其经过大气、海洋和陆地的过程来呈现了当前对汞的全球生物地球化学循环和其过程的理解，并制定重要的地区和全球范围内的管理方法和政策。
简要概括了健康问题和相关的国内和国际汞减排政策（第二部分）,第三部分介绍了全球生物地球化学周期及其相关的时间表。
4-7部分详细说明了不确
定性和约束全球汞循环不同部分的全球预算。
第4部分阐述了向大气中排放汞，
第五部分调查了无机汞在大气中的化学变化过程、转运和沉积。
第6部分阐述了
一个与陆地大气相互作用有的比较难理解的过程，第7部分讨论了汞在水体中的
情况。
综述的结论在第8部分总结和分析了与政策相关的不确定性和研究需要。
2、健康的关注和相关政策的努力
汞会在水生食物链经过多层次累积。
人类暴露其中主要是因为使用了被污染的鱼，特别是那些大量使用鱼类的人易暴露
（2）。
国家委员会（8）和Mergler等人
（2）已经详细阐述了有关甲基汞毒性的科学知识。
在这里,我简单总结甲基汞所带来的健康问题和相关政策努力解决风险。
著名的汞中毒事件吸引了科学和政策关注甲基汞带来的风险。
20世纪50年代，在日本的水俣地区，人们因食用被高剂量的甲基汞污染的鱼而导致了神经损害，如视力、听力和、感知的受到影响、麻痹和行走困难（9）。
那些在子宫内暴露的经历更严重的影响,包括精神发育迟滞、脑瘫、耳聋、失明。
20世纪70年代在伊拉克，人因食用使用含有甲基汞杀菌剂喷洒过的谷物做成的面包而暴露于高水平的甲基汞。
其健康影响包括：
麻痹，视觉、说话和听力上的问题，此外还导致成人死亡，孕妇的暴露对胎儿具有更严重的神经上的影响（8,10）。
近来，流行病学研究已经把孕妇暴露于甲基汞同其胎儿的神经发育影响联系起来。
引起这些影响的甲基汞的剂量远比引起日本伊拉问题的剂量要低。
三个主要的流行病学研究调查汞消费与暴露孕妇后代的健康结果之间的联系。
法罗群岛的研究（11）和新西兰（12）显示产妇甲基汞暴露和发育缺陷的后代之间的相关性,而在塞舌尔群岛的一项研究发现没有联系（13）。
对心血管的影响,特别是在成年男性,也与甲基汞暴露有联系（14、15）。
在2000年，美国国家研究委员会综述了甲基汞的毒性效应,建议了基于法罗群岛研究的美国环境保护署（EPA）的甲基汞将参考剂量（RfD）（8）。
EPA设置的汞的RfD为0.1μg每千克体重每天，美国其他几个国家已经建议孕妇和儿童避免吃高甲基汞的鱼,如金枪鱼、鲨鱼、旗鱼。
Axelrad等人（17）在法罗群岛,新西兰和塞舌尔的综合研究分析，估计认为就母亲头发增加百万分之一的汞胎儿失去0.18点智商。
甲基汞还会影响野生动物健康，这要它们的饮食暴露于高甲基汞。
现存于环境中的甲基汞浓度已经对野生动物的行为、神经、内分泌和生殖产生影响（18,19）。
在鸟类中，甲基汞暴露和生殖障碍相关
（20），环境中甲基汞的浓度已经影响鱼类繁殖（21）。
Scheuhammer等人（21）已经详细综述了环境中的汞对野生动物的影响。
甲基汞存在于海洋和淡水两种鱼类中。
淡水鱼是当地垂钓者和渔民捕获。
这
些人口,虽然少,但可能会消耗大量的鱼和因此可能特别容易受到甲基汞暴露（22）的影响。
然而,在美国人们消费的大多数海鲜是商业河口和海洋鱼类和贝类,而这些野生数量有超过90%的暴露于汞（23、24）。
以法规减少甲基汞对这些不同人群的风险，需要不同政治尺度上的行动。
汞在工业化国家监管，至少是从50年代以来，而在国际上是70年以来。
斯德哥尔摩联合国人类环境会议在1972年发起对优先级污染物在海洋环境中的行动,包括汞（26a）。
许多早期对汞的国际政策是在开发区域水质有害物质合作的背景下展开的。
过去的几十年里在工业化国家（27）虽然汞的排放减少了，新知识对低水平甲基汞危害的认及担心远程运输增加来自工业化国家的汞排放导致了新的国际担心。
在北极的生态系统汞受到了特别关注，因我高浓度的汞测量在生物群已被测出（28）。
因为在北极土著人群的传统食物,他们特别容易受到汞的暴露。
最近，联合国环境规划署（UNEP）努力解决有关汞的迄今为止最全面的国际活动来解决汞的污染问题。
2009年2月,联合国环境规划署管理委员会建立了一个管理组织并开始在全球协商,具有法律约束力的汞公约。
这项决议附有几年的关于汞的志愿活动工程，感兴趣的国家和其他各方以手工黄金采矿、运输和命运的研究,煤燃烧,和废物管理为主题建立合作伙伴关系。
全球条约谈判,从2010年开始,将解汞的决大气排放以及汞在产品，工艺，废物和国际贸易方面的问题。
这些协定的一个关键问题将是,用技术和资金援助发展中国家实行上述方案。
在美国,有持续的争论关于燃煤电厂汞排放的监管。
2000年末,经过漫长的法律程序,EPA表示其打算对发电厂汞排放进行监管,要求一个所谓MACT（最大可实现的控制技术）的标准,这将要求工厂基于现有技术的和可行的尽可能多的减少汞排放。
布什政府在2003年推翻了这一决定,而是选择实行通过总量管制与排放交易系统对汞进行控制,它将设置一个国家对汞排放限制和允许个人之间的交易以满足社会需求（28a）。
尽管总量管制与排放交易系统已经成功用于控制酸化污染物,环境组织,如塞拉俱乐部,批评他们对汞控制的应用。
他们认为,总量管制与排放交易的方法将使汞来源持续在“热点”附近。
清洁空气汞规则,应用一个总量管制与排放交易方法于2005年实行，但在2008年，哥伦比亚特区巡回法院的以程序上撤销这项规则，行业组织向最高法院在2009年提出的上诉但不成功。
3、全球汞预算
汞通过火山和地质活动从地球深部储层到大气层（29）。
天然汞的生物地球化学循环涉及大气传输,沉积陆地和海洋,液化作用（图1中,黑色）。
汞的最终归宿是埋藏于深海沉积物，这是非常缓慢。
从图1中，汞整体一生结合其从大气-海洋-陆地系统转移到深海沉积物巫妖300年的时间。
这个数字是两个不确定数量的比值，汞在大气-海洋-陆地系统中的数量除以工业化以前地球上汞源，这被认为是在工业化前的稳态周期。
用同样的方法，Mason&Sheu
（1）在较小的地质成因源的基础上计算出的汞的总体寿命为10000年。
人类通过燃煤、,采矿、和工业活动改变了汞的生物地球化学循环，这些活动将汞从长期沉积存储带到大气中（图1中,红色）。
由于这些过去和现在的人类活动，增加了汞的循环量这些还将在大气、海洋和陆地持续循环几个世纪，将影响环境和人类（31）。
这些已经释放的汞增加了大气与海洋或陆地之间自然流量（图1中,红色和黑色虚线）。
环境中的汞的数量在工业化前和今天数量都是不确定的，从文献中估计工业化前的和现在的流通量会因为特点领域的三个或更的因素而改变（见表1）。
构建工业化前的和现在的汞循环的关键信息是当今的与工业化前的汞沉积物的比值。
这个比例告诉我们在工业化前的时期有多少汞存在于大气中,因此对整个循环提供了一个约束。
测量这一比值的基础是来自偏远湖沉积物岩心,据估计,今天的汞沉积是工业化前沉积的三到五倍。
在一篇沉积物富集综述里，Fitzgerald等人报道了未受人为干扰的地区在美国和加拿大的湖泊的当前和工业化前沉积物的比值2.7±0.9和斯堪的纳维亚半岛2.0–2.6。
尽管越来越多的记录报告自工业化以来沉积物岩心相似的增长，一些冰川核心和泥炭记录显示更大的增长。
在使用冰川冰核心数据时，Schuster等人（33）报道了自1840年代来汞沉积物增加了20倍，Roos-Barraclough等人（34）发现在瑞士当前在泥炭记录的量与工业化前相差15倍。
Biester等人（35）认为最近一检查泥炭和湖泊沉积物记录之间的差异可能是由于出现错误在铅210测近期泥炭年龄和铅-210
和汞在泥炭核心成岩再迁移。
因此他们认为湖泊沉积物是一个更可靠的估计历史
汞的积累。
4、排放
汞是通过自然过程和人类活动被排放到大气中的。
汞进入大气的自然来源量很小主要人为汞排放。
4.1工业化前的排放
汞在自然循环中,主要排放来自地质来源,主要有有关的火山和地质活动以及含汞丰富地区排放。
这些来源的总量估计（参见图1）在500Mg/a,尽管这个数字是很不确定的。
主要排放（来源来自于岩石圈）和汞的工业化前来自土地的二级排放的主要区别，这可以推断土壤汞起源于大气中（在第六节进一步讨论）,对理解人类干扰汞自然循环程度的大小。
主要排放来自所谓的全球mercuriferous带。
这些地区的地球板块构造边界地质含有丰富的汞，包括北美西部、欧洲中部和中国南部（36）。
在这些地区,汞存在于朱砂矿（硫化汞）中,其有特有的红色。
汞已经被人类社会熟知几千年了，早期采矿活动发生在这些含量丰富的自然地区。
例如,在西班牙阿尔马登汞矿,至少从罗马时代（37）就开始产生汞。
在这些地区，通过地热活动或含量丰富的岩石和土壤（38），汞自然释放释放到大气中去。
Varekamp&Buseck（36）估计通过从温泉和地热运输释放的汞，全球为60Mg/a。
Gustin等人（38）以测量美国西部汞自然释放量为基础估算在美国每年从含量丰富岩石和土壤释放量为10-20Mg/a。
全球主要土地排放量估计多达500Mg/a。
以前估算全球火山排放量通过乘以SO2的量，而通过火上喷出物中汞与SO2的比值来估算全球SO2。
在不同数量级，使用外推法来测得这些比例，结果是全球估计由火山喷发释放的汞量在75–700Mg/a。
4.2人为排放
据直接估计,现在的人为汞排放到大气中的范围从2200–4000My/a（见表1）。
Pacyna等人（42）在2000年一最新的释放源计算释放量为2200My/a。
人为源主要是化石燃料的燃烧,尤其是煤燃烧，在2000年静止燃烧占总排放量的60%，根据Pacyna等人的释放源目录。
其他工业过程向大气中释放汞是水泥生产、有色金属生产、生铁和钢产量,烧碱生产、黄金产量,和废物处理,以及直接汞生产。
一些人认为Pacyna等人（42）清单可能低估了来自亚洲的排放（43）,其他工作估计排放从其他源的排放，如手工金矿释放汞（44）。
全球大气汞排放总量自1990年以来一直保持相对稳定（42）。
汞排放在美国
和欧洲在过去几十年呈下降趋势，主要是由于在80控制的协同效应。
末端技术用于控制硫或微粒,如烟气脱硫或静电除尘器,也可以减少汞排放到大气中（45）。
在美国,汞排放法规对医疗废物焚烧和城市垃圾燃烧排放也导致汞排放在90年代减少。
美国人为排放量从1990年估计的220吨下降到1999年的115吨（46）。
然而，随着中国和其他快速发展的国家更加依赖火力发电，来自亚洲的排放（今天的人为排放的一半）继续增加。
来自亚洲的排放量约占全球人为排放量的50%（见图2）。
在发达国家的汞排放源如美国和欧洲已知的比在发展中国家更以了解。
此外,尽管燃料燃烧排放和各种工业过程的不确定性估计分别为±25%和30%,废物处
理的不确定性是2-5倍。
如上所述，在现在有的调查目录中汞在小型手工黄金采矿作业使用是一个潜在的大污染源而被忽视，从这样的污染源排放到大气中的汞为450Mg/a。
虽然这估计结果是非常不确定的（30）。
历史上的采矿业排放量更高,超过800Mg/a（44）。
Pacyna等人（42）估计在2020年汞排放现在排放量增加或减少20%,但他警告说这个推测不确定。
Streets等人估计根据社会经济和技术的发展，在2050年汞的排放量将介于2390和4860Mg/a。
此外，汞的演化发展也是一个不清楚的领域，其对大气的发展方向非常重要，在下面将展开讨论。
5、大气过程
汞从地质源和陆地，海洋表面以Hg（0）的形式排放。
Hg（0）的排放也来自于人为源，如燃煤发电厂。
然而，人为源也能以两种不同的形式形成汞：
二价汞[Hg（II）]和汞关联粒状物质[汞柱（P）]。
Hg（0）是大气中汞的含量最丰富的形式，全球表面空气中平均浓度大约在1.6ngm−3。
约在大气中存在0.5-1年，Hg（0）在全球大气中充分混合。
因为Hg（II）和Hg（P）比汞柱（0）更溶于水，它们通过干，湿沉降，是生态系统中汞沉积的主要形式。
Hg（II）和Hg（P）在大气中比Hg（0）具有更短的寿命
（几天至数周），其表面浓度的变化范围为1-100Pgm-3。
掌握Hg（0）和Hg
（II）/（P）在大气中的转换和其沉积过程对于评估汞污染的来源和途径是重要的（1,48,49）。
该节下面在两个方面讨论了科学知识和不确定因素：
大气中Hg
（0），Hg（II）和Hg（P）分配和其之间的转换的大气化学同时理解和量化沉积的过程（50-52）。
5.1.分配及大气化学在大气中汞的检测和模型可以提供大气中汞的化学与分布（53）。
气态汞的
总量测定[（TGM），包括Hg（0）加上气相中的Hg（II）提供的一部分小的贡献]是北半球中纬度地区主要来源（54-58），尽管一些数据可通过巡航测量海洋
（59-61）。
这些测量结果表明，TGM在全球大气中相对充分混合。
北半球的浓度一般比南半球较高一些，因为大多数排放源是来自于北半球（62，63）。
在大气中Hg（0）的主要固定方式是氧化成Hg（II）。
作为低级氧化态的Hg（0）在全球大气中仍然不明。
此前，全球最重要的汞的氧化被认为是臭氧或OH-基团（64，65），并且这些反应被认为是包括在大多数大气汞的模型中。
然而，热力学的计算和分析显示，这些反应在大气压的条件下不会发生（66）。
最近的测量和分析通过溴（Br），测得汞氧化反应的速率常数（67）。
Hg的较少在雨水样品中被观察到，并且因此开始假设，该反应也可能发生在大气中（48）。
在大气中的Hg（Ⅱ）的测量可以帮助限制氧化还原反应中的不确定性。
这
些测量是通过在氯化钾（KCl）涂溶蚀上收集Hg（II），并还原到Hg（0）（68）。
测定的物种被称为活性气态汞（RGM），这是一个具有可操作性定义的数量。
在大气中的Hg（II）的确切的形态还不明确，但是一般认为其主要是HgCl2。
Hg（0）到Hg（II）的氧化被认为是通过光化学进行控制的，从而Hg（II）的产量预计在中间部分出现峰值。
Br和OH都是光化学生成的。
RGM有一个昼夜周期，在中午达到峰值，并且在夜间达到最小值（43）。
同日本Okinawa岛的数据进行比较，
（43）模型模拟显示虽然模拟的使用OH的Hg（II）的化学峰值出现在午后，测量得出的RGM峰出现在较早中午左右。
由于Br较OH在当天早些时候增加，这已经作为证据解释Br可能导致了Hg（0）的氧化（69）。
RGM浓度和紫外辐射也相关于大西洋海洋边界层，这表明就地生产与Br是一致的（70）。
甚至尽管初始模型评估显示Br可能全球汞的氧化剂中占主导地位的尚需要进一步的分析证实这个猜想（71，72）。
Br也被认为是造成北极汞损耗事件（AMDEs）的原因（73）。
在AMDEs中，发生在春天整个极地所在的区域，Hg（0）迅速减少而RGM达到峰值。
AMDEs与流层臭氧损耗事件有密切的关系，这是基于卤素如Br和Cl快速氧化的结果
（74）。
AMDEs认为是与之类似的原因。
由于北极生态系统中汞是特别值得关注的，在AMDEs中沉积的Hg的命运是非常有趣的。
积雪测量表明在AMDEs中汞矿床干燥过程中的一部迅速减小和重挥发（75）。
然而，一些沉积的汞可能留在生态系统中，它可能会对生态系统产生影响，在某一段时间段内来提高生产力（28）。
在AMDEs过程中汞沉积和排放到北极生态系统的质量平衡仍然不明（76）。
最近的测量表明，RGM浓度随着海拔增加，而Hg（0）随着海拔减小。
这反映出在高海拔处Hg（0）到Hg（II）的转换，而总汞的量保持恒定。
在俄勒冈州的Bachelor山的测量（海拔2.7公里）指出由表面测量的RGM的平均水平升高，同时在下沉气流中有非常高的浓度（最多600PgM-3）（77）。
Talbot等人（78）指出，在平流层飞行器的测量中Hg（0）近枯竭，Murphy等人（79）测量了对流层顶附近的汞粒子。
因为在大气中的RGM浓度非常之低，电流测量技术无法在高频率下从飞机可靠地测量。
高空RGM可能是一个重要汞的全球水库，其在表面的潜在影响将在下面讨论。
5.2.上沉积的约束
如上所述，因为Hg（II）和Hg（P）是水溶性物质而且在大气中比Hg（0）具有更短的寿命，这些物种人为来源的直接排放易附着在区域范围。
Hg（0）排放寿命较长，以及大范围的氧化和还原将控制转换到Hg（II）和随后的沉积。
减少生态系统沉积的有效政策需要同时掌握氧化知识和沉积模式。
量化生态系统的沉积是有限的，因为监测网络只存在于少数地区，而且只用于湿沉降监测。
湿沉降的测量结果可参考来自美国的汞沉积网络（图3），以及一些欧洲电台（58，80）。
如图3所示，在美国最高的湿沉降在东南部，以及美国中西部和东北部沉积升高的另一些领域。
汞干燥沉积物的量级是不确定的,尤其是Hg（0）干燥沉积物,和一些测量可用来约束模型预估（81）。
进一步的测量干燥沉积物,尤其是一些地方的湿沉积测量可用,将极大地提高对汞循环的科学认识（51）。
在美国，大气模型用于分析总（湿和干燥）沉积模式，而且美国湿沉积测量可用于比较（81）。
模型分析表明,在美国沉积的量北美人为排放（包括美国、加拿大南部和墨西哥北部）的贡献平均在20%和30%之间（82、83）。
来自北美排放源的沉积物占美国中西部和东北部沉积物量的60%到81%，排放源向下风向向空气中排放Hg（II）和Hg（P）（图4）。
虽然总沉积在美国东南部最高,模型结果表明,对美国国内排放的控制将会有最大的影响来减少中西部和东北部沉积物。
曾经假设了在夏季通过对流活动在高海拔清除全球提高的RGM导致了美国东南部沉积物高，虽然一些人认为当地污染源也应负责部分升高的沉积物（85-87）。
全球和区域大气模型,广泛用于在一个局部范围内源的属性不能捕获沉积物，在电厂附近更是如此（88、89）。
由于当地的影响,导致对汞的“限制排放与交易许可”法规提出了批评，在第二节讨论。
在区域范围内,Hg（II）与Hg（0）的化学反应可以减少对Hg（II）排放的影响。
然而,正如上面所提到的,这个重要的过程是不确定的（90）。
一些测量和模型研究工作表明,通过在发电厂热柱中的SO2减少汞可以在燃煤电厂下风向地区减少湿沉积物中10%的汞。
这些和其他不确定性是当前的研究课题。
6、陆地循环
干和湿沉积物给陆地表面带来汞。
在地质含量丰富地区以外的讨论在第三部分，在全球地表沉积大部分汞为大气中的Hg（II）。
沉积后,一部分的汞会迅速挥发到大气中。
其余部分将被纳入一个长久的土壤库，在这可以在几百年到几千年的时间尺度上慢慢进入大气中。
这部分在追溯汞沉积进入土壤的路径。
6.1及时回收
最近沉积汞已被证实有挥发的倾向,这种现象在学术上被称为及时回收（30）。
这一现象的证据在一定程度上来自METAALICUS实验（92）,放射性标记的汞被添加到一个加拿大东部流域，随后监控它几年。
这个流域结果表明，最新的沉积汞（从测量放射性标记的形式被诊断）是更适用于减少和随后的排放，如Hg
（0）与汞比较已经存在于系统中。
根据这个实验和其他研究的基础估计,如果水与表面雪的值高，有5%到60%的汞沉积迅速回收到大气中,这取决于它的表面
（92-95）。
这样的汞也优先转换成甲基汞（92）。
这个及时回收的机制仍然是一个有待研究的课题。
6.2进入植物和土壤
同位素测量表明,新沉积的汞,并不会立即减少和挥发，最优先与植物相联系
（92）。
在地面植物,在地面上生物中的汞主要来自大气,而其根源来自土壤（96）。
Hg（II）沉积到树叶通过降水（湿沉积）和干沉积。
Hg（0）的吸收被认为是通过叶片内部气孔的气体交换（81）。
在季节尺度上,汞沉积到植物进入土壤是通过降水和落叶（97）。
大多数的汞在陆地系统（>90%）驻留在土壤与有机质有关,它与硫结合降低硫组分的量（98）。
可用土壤浓度测量范围从20-70ngg−
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