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汞矿区汞同位素地球化学研究取得重要成果

发布时间:2013-06-06      浏览次数:

Hg在自然界有7个稳定同位素,分别为196Hg、198Hg、199Hg、200Hg、201Hg、202Hg和204Hg,其质量数变化达4%。近年来,随着新一代多接收器质谱仪(MC-ICP-MS)的开发应用以及新提纯技术的进步,使得高精度测定Hg同位素成为可能。从本世纪初Klaue等首次利用MC-ICP-MS实现汞同位素高精度测定,到2009年在贵阳召开的第9届全球汞污染物会议上首次开设汞同位素专题会场,过去10年,汞同位素地球化学经历了飞跃的发展,并逐渐成为国际地球科学和环境科学一个重要的研究方向(Yin et al., 2010a)。

中科院地化所环境地球化学国家重点实验室冯新斌课题组率先在国内建立了高精度测定汞同位素组成的方法(Yin et al., 2010b)。目前,该技术已成功应用到典型生态系统(如贵州湖泊、广东东江流域、四川红原泥炭)的汞污染源示踪研究(Feng et al., 2010; Liu et al., 2011; Shi et al., 2011)。近期,冯新斌研究院所带领的研究团队针对贵州万山汞矿区汞的同位素地球化学循环进行了详细而系统的研究,并取得了如下研究成果:

(1)Feng et al. (2013)通过测定贵州省不同汞污染区表层土壤的汞同位素组成,发现不同汞污染区土壤汞存在不同的汞同位素组成特征。研究揭示,汞同位素的“MDF—MIF”二维体系可能成为未来示踪土壤汞来源的有效工具。尤其是汞同位素的 MIF 特征对于示踪和定量表层土壤大气汞的贡献率,可以发挥非常有效的作用。该成果以“封面文章”的形式发表在《Chinese Science Bulletin》上。

(2)国际环境科学权威刊物《Environmental Science & Technology》刊登了中科院地化所关于万山汞矿水稻汞同位素地球化学的最新研究成果(Yin et al., 2013a)。本研究发现,汞在水稻体内迁移转化过程可以发生较大汞同位素变化(δ202Hg可达~3.0‰;Δ199Hg可达~0.3‰),从而为进一步解释汞在植物体内的迁移转化奠定了基础。在此基础上,通过分别测定两个端元(土壤汞和大气汞)的同位素组成,我们得出了水稻植株不同部位汞的二元混合模型,并根据水稻不同部位非质量分馏的强弱,估算了其大气汞的相对比例。

(3)国际地球化学知名刊物《Chemical Geology》于2013年出版的“Advances in Mercury Stable Isotope Geochemistry”专辑,刊登了两篇中科院地化所万山汞矿汞同位素示踪的最新研究成果(Yin et al., 2013b; Yin et al., 2013c)。

 Yin et al. (2013b)测定了贵州万山汞矿的汞矿石和汞冶炼废渣样品的汞形态和汞同位素组成。研究发现,万山地区汞矿石经高温冶炼后,可形成多种汞的副矿物。万山汞矿汞矿石的主要成分是辰砂(99 ± 0.5%,2σ,n=3),少量的黑辰砂(1 ± 0.5%, 2σ, n=3);汞矿渣的主要成分为:黑辰砂(52 ± 0.5%, 2σ, n=3)>辰砂(42 ± 0.5%, 2σ, n=3)>甘汞(6 ± 0.5%, 2σ, n=3)。汞矿冶炼过程能够导致汞同位素分馏(δ202Hg可达~0.80‰)。本研究对示踪汞矿区不同汞污染源的环境效应具有重要意义。

 Yin et al. (2013c) 利用化学连续浸提法对贵州万山汞矿区土壤中生物可利用态的汞 [水溶态、(NH4)2S2O3提取态]进行提取,并测定了其汞同位素组成。研究发现,万山矿区土壤汞同位素δ202Hg组成介于-0.29 ~ 0.15 ‰,平均值为-0.02 ± 0.16 ‰(n=8),且无明显的非质量分馏(Δ199Hg ~0)。万山矿区土壤水溶态汞δ202Hg介于0.50 ~ 0.86 ‰,平均值为0.70 ± 0.13 ‰(n=8)。万山矿区土壤(NH4)2S2O3提取态汞δ202Hg介于0.89 ~ 1.52 ‰,平均值为1.28 ± 0.25 ‰(n=8)。该研究为汞污染土壤修复技术提供了重要依据。

注:上述研究受国家自然青年基金(40825011)——“表生环境中汞同位素地球化学研究”资助。项目培养的博士研究生3名,硕士研究生1名。有1名博士生获得中国科学院院长特别奖、2名同学获中国科学院朱李月华优秀博士生奖、1名同学获得中国科学院优秀毕业生;冯新斌研究院获得973项目的资助。

参考文献:

Feng X., Yin R., Yu B., et al. Mercury isotope variations in surface soils in different contaminated areas in Guizhou Province, China. Chinese Sci. Bull., 2012, 58(2): 249-255. (封面文章)

Feng X., Foucher D., Hintelmann H.,et al. Tracing mercury Contamination Sources in Sediments Using Mercury  Isotope Compositions. Environmental Science & Technology, 2010, 44:3363–3368

Liu J., Feng X., Yin R., et al. Mercury distributions and mercury isotope signatures in sediments of Dongjiang River, the Pearl River Delta, China. Chemical Geology, 2011,287, 81-89.

Shi W., Feng X., Zhang G., et al. High precision measurement of mercury isotopes deposit record over the past 150 years in a peat core from Hong Yuan. Chinese Sci. Bull,2011, 56(9): 877-882.

Yin R., Feng X., Meng B. Stable Hg Isotope Variation in Rice Plants (Oryza sativa L.) from the Wanshan Hg Mining District, SW China. Environmental Science & Technology. 2013a, doi.org/10.1021/es304302a.

Yin R., Feng X., Wang J., et al., Mercury speciation and mercury isotope fractionation during ore roasting process and their implication to source identification of downstream sediment in Wanshan mercury mining area, SW China. Chemical Geology. 2013b. doi:10.1016/j.chemgeo. 2012.04.030.

Yin R., Feng X., Wang J., et al., Mercury isotope variations between bioavailable mercury fractions and total mercury in mercury contaminated soil in Wanshan Mercury Mine, SW China. Chemical Geology. 2013c. doi:10.1016/j.chemgeo.2012.04.017.

Yin R., Feng X., Shi W., Application of the stable-isotope system to the study of sources and fate of Hg in the environment: A review. Appl. Geochem., 2010a, 25, 1467–1477.

Yin R., Feng X., Foucher D., et al., High Precision Determination of Hg Isotope Ratios Using Online Mercury Vapor Generation System Coupled with Multi-collector Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer. Chinese J. Anal. Chem. 2010b, 38(7), 929–934.

                                    (冯新斌课题组 供稿)