嘉陵江北碚段水体甲基汞光化学降解特征及硝酸根的影响

【摘要】汞(Hg)是环境中毒性最强的重金属元素之一,在环境中可以以单质态的形式存在,其可以通过环境界面向大气挥发释放,通过大气循环进行长距离迁移,经干湿沉降至地表后造成偏远地区汞污染。汞的毒性由其形态决定,其中甲基汞(MMHg)是毒性最强的形态,具有较高的神经毒性,由于具有其极强的亲脂性和与亲蛋白特性,能够在食物链中累积和放大,因而对人类和食鱼生物的健康造成严重伤害。上世纪50～60年代日本水俣病事件的发生,引起了全世界各国对环境汞污染的高度关注。表层水体中MMHg的光化学降解在水体汞的生物地球化学循环中占有重要地位,是水环境中汞迁移转化的一个重要归趋。然而目前对自然水体中MMHg光降解的研究相对较少,其降解特征、产物、反应历程、水体离子的作用机制等仍不明了。嘉陵江经重庆北碚汇入长江,是长江的重要支流,探究其水体的MMHg光降解特征对于理解该水域Hg的循环特征以及长江汞的源与汇具有重要意义。据此,本研究以重庆北碚段嘉陵江为研究对象,采用原位培养实验,考察不同光照条件(强度与波长)对MMHg光降解速率的影响,并计算了该水域水体MMHg年降解通量,同时验证了不同波长光照条件下硝酸根(N03-)在MMHg光降解过程中的作用；并采用室内模拟实验,探讨N03-浓度对MMHg光降解速率、产物及反应历程的影响,以及不同光照条件下N03-在MMHg光化学反应中的作用机制。结果发现：在全波段(Overall)光照条件下,不同季节的嘉陵江水体MMHg光降解速率具有较大差异,且均是在表层降解最快,其中春季降解速率为0.91d-1,夏季降解速率为0.89d-1,秋季和冬季速率分别为0.045d-1和0.015d-1。随水深度的加深MMHg降解速率逐渐减小,冬季MMHg降解速率下降最快,在水深0.8m时降解速率降为0,夏秋两季在水深1.5m时速率降为0,而春季在水深3m处仍能发生MMHg光降解反应。不同波长条件下,嘉陵江表层水体MMHg光降解速率具有季节性差异,均为春季最大,夏季次之,冬季最小。其中UV-A波段条件下,嘉陵江水体MMHg降解速率为0.0065～0.58d-1;UV-B波段下为0.0021～0.23d-1;而可见光(PAR)波段下为0.0068～0.30d-1。随水深度的加深,各波段光照引发的MMHg光降解速率呈逐渐减小趋势,其中UV-B波段光降解速率下降最快,在水深约0.2m处降解速率基本为0,其次为UV-A,该波段引发的降解速率约在水深0.8m处为0,PAR波段在水中穿透率最强,在水深1.5m处仍能发生MMHg光降解反应。通过计算可知,嘉陵江水体MMHg光降解通量存在较大的季节差异性,其中春季最大,为30.25ng·m-2·d-1,夏季次之,为9.00ng·m-2·d-1,秋季为0.81ng·m-2·d-1,冬季最低,为0.27ng·m-2·d-1。每一波段对MMHg降解通量的贡献率有很大差异,UV-B的贡献为6.22%～49.77%,UV-A的贡献为14.81%-46.27%,PAR的贡献为35.42%-64.96%,对整个水域而言,UV-A和PAR对MMHg光降解起关键作用,根据季节变化计算出嘉陵江水体的MMHg光降解通量为4.69μg·m-2·y-1。在Overall、UV-A、UV-B波长条件下,只加入N03-的处理中,MMHg降解速率最大,分别为:0.76d-1、0.50d-1、0.22d-1;其余各处理下MMHg光降解速率相差不大,分别约为：0.72d-1、0.46d-1、0.18d-1。而PAR波段下,所有处理中MMHg的降解速率无明显差异,约为0.23d-1。NO3-对嘉陵江水体MMHg的光降解无影响作用；这说明,在有紫外光存在条件下,NO3-对嘉陵江水体MMHg的光降解有明显的促进作用。随着NO3-浓度的增加,MMHg光降解速率逐渐增大,NO3-浓度从1.5mg·L-1增加到15mg·L-1,MMHg光降解速率提高了18.17%。由室内模拟试验得出,在自然光(NL)条件下,MMHg.MMHg+BA.MMHg+BA+15mg·L-1NO3的处理中,MMHg降解速率无明显差异,约为0.55d-1,Hg0的释放通量增加较快且相差不大,约为25.32ng;而Hg2+勺生成量均呈现先上升后下降的趋势。随NO3-浓度的升高,MMHg光降解的速率逐步增加,由0.61d-1上升至0.92d-1,Hg0释放通量增加较缓慢,其生成量仅为2.11～2.41ng;Hg2+的生成量随NO3-浓度的增加而增加,3h后浓度约25.25～25.82ng·L-1。通过室内模拟实验得出,在NL、紫外光(UV)条件下,只加入了NO3-的处理MMHg光降解速率分别为0.10、0.046L·(ng·h)-1;Hg0生成量分别为1.41、1.27ng;而其余各处理中MMHg光降解速率和Hg0生成量相差不大,其光降解速率分别为0.052、0.015L·(ng·h)-1,Hg0的释放通量分别为23.81、15.38ng。在VL条件下,所有处理下MMHg降解速率约为0.003L·(ng·h)-1,Hg0的生成量最高仅为5.17ng。在NL条件下,随NO3-浓度的增加,MMHg光降解速率也增加,经6种不同NO3-浓度(0、0.1、0.5、2.5、10、15mg·L-1)处理后,MMHg光降解速率分别为0.044、0.10、0.11、0.10、0.96、2.20L·(ng·h)-1;当NO3-浓度为0时,反应器中Hg2+的浓度也呈现出先增加后减小的趋势,当加入NO3-浓度从0.1mg·L-1增加到15mg·L-1时,Hg2+的浓度呈现逐渐增加趋势,由28.74ng·L-1增加到38.89ng·L-1；而Hg0的生成量随NO3-浓度的增加也呈现逐渐增加的趋势,生成量分别为：19.35、2.77、2.46、1.25、1.20、1.04ng,未添加NO3-的处理中,Hg0的平均释放通量为6.45ng·h-1,是其他几种处理的7.0～18.6倍。
【作者】毛雯；
【导师】王定勇；
【作者基本信息】西南大学，环境科学，2014，硕士
【关键词】嘉陵江；甲基汞；光化学降解；硝酸根；降解产物；

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