地化所发现大气降雨中异常的偶数汞同位素非质量分馏

大气降水是大气汞进入到地表生态系统的主要途径，因此，系统研究降水中的汞，对确定大气Hg的污染来源以及深入了解Hg沉降后的表层环境效应和全球Hg生物化学循环都至关重要。到目前为止，大气汞循环方面的认知仍存在很多空白和不确定性，有必要在开发新方法的基础上进行深入研究。

汞同位素为研究大气汞的生物地球化学循环提供了新的手段。汞有七个稳定同位素196Hg、198Hg、199Hg、200Hg、201Hg、202Hg、204Hg。初步研究表明，自然界中不但存在着明显的汞同位素的质量分馏，还存在着汞同位素的非质量分馏，并主要是奇数同位素非质量分馏，这是迄今为止唯一在自然环境中检测出同位素非质量分馏的重金属元素。对比汞同位素质量分馏效应，非质量分馏能够提供更加可靠和直接的示踪源和过程的同位素信息，有着广阔的应用前景。然而，由于大气和降水中汞含量很低(几个ng/L)，采集足够用于汞同位素分析的样品是一项艰巨的挑战，迄今为止，有关大气及大气降水中Hg同位素的研究报导还非常有限。

中科院地化所陈玖斌研究员等在建立高效浓缩提纯（10000倍）淡水汞方法的基础上(Chen et al.,JAAS, 2010)，对加拿大中纬度2010年全年大气降水汞同位素进行了系统研究，不但检测到与以往实验推测结果完全相反的正的奇数汞同位素非质量分馏，还首次发现了异常的呈明显季节性变化的偶数汞同位素非质量分馏（D200Hg）， D200Hg最大值甚至达到1.20‰（见附图）。研究表明，正的奇数汞同位素非质量分馏可能源自大气雨滴中汞的光致还原作用，核磁（自旋）效应可能是其产生的最终机理。在详细研究大气运移轨迹和样品化学组成等数据基础上，他们提出大气降水D200Hg异常可能首先产生于平流层底部颗粒物表面上发生的单质汞的光致氧化过程，然后伴随平流层向对流层的入侵向下迁移，并最终在中纬度被雨滴等捕获而导致大气降水中偶数Hg同位素非质量分馏。相关研究成果刚刚发表在国际刊物Geochimica, Cosmochimica Acta 上 (Chen et al., Unusual fractionation of both odd and even mercury isotopes in precipitation from Peterborough, ON., Canada, 原文链接:http://dx.doi.org/10.1016/j.gca.2012.05.005)。与奇数汞同位素非质量分馏不同，偶数Hg同位素非质量分馏还未被任何实验所验证，其形成机理也完全不清楚。亟待进行深入研究。

偶数Hg同位素非质量分馏的发现具有重要的科学意义，这使Hg有可能成为唯一具有“三维”同位素体系的重金属元素，而汞同位素组成的研究和应用将有可能为进一步认识Hg环境过程、生物累积、大尺度迁移以及全球性的生物地球化学循环提供更加丰富的信息，同时，D200Hg与温度的负相关关系还表明，偶数汞同位素非质量分馏还可能为研究气候变化提供强有力证据。（陈玖斌课题组 供稿）