地化所在二价汞液相还原过程中的同位素分馏研究取得进展

大气是汞的最重要传输途径，大气汞的物理-化学转化过程在汞的生物地球化学循环中扮演着非常重要的角色。不同形态的汞在大气中的迁移范围不同，其生态环境效应也存在显著差异。研究证实，大气中广泛存二价汞的还原过程及单质汞的氧化过程。由于分析仪器和实验手段的局限，早期国内外针对大气中汞的化学转化过程的研究仅局限在大气中各形态汞浓度测定的基础之上，严重阻碍了人们对汞在大气中的化学转化过程的深入理解。

近年来，随着新一代多接受电感耦合离子质谱（MC-ICP-MS）和新提纯技术的开发应用，汞同位素研究已成为国际地球科学和环境科学领域一个重要的研究方向。鉴于汞在迁移转化过程中会产生独特的同位素分馏，汞同位素分馏体系为人们深入研究汞的反应过程和机理以及形态转化途径提供了重要线索。因此，深入研究大气汞在氧化-还原过程中的同位素分馏特征，对认识局地及全球尺度上大气汞的循环过程具有非常重要的理论和现实意义。然而，针对大气汞在氧化-还原过程中的同位素分馏机理及相关影响因素的研究非常有限，严重制约着人们对大气中汞的迁移转化过程的全面、深入认识。

中国科学院地球化学研究所冯新斌研究团队基于前期建立的二价汞液相还原反应装置及汞同位素分析方法体系，选择大气中具有较高浓度和活性的典型含氧有机物（包括：草酸、苯醌、对二苯酚以及蒽醌-2,6-二磺酸盐(AQDS)）为研究对象，系统开展了二价汞还原反应动力学机制及其同位素分馏研究，同时还探究了光照、pH值以及溶解氧对还原反应的影响（图1）。研究发现，在还原物过量的情况下，二价汞的紫外光解反应遵循伪一级动力学，且在蒽醌-2,6-二磺酸盐参与下的反应速率高达10^-3 s^-1。在草酸参与下的还原反应研究中，只有完全脱质子形式（C₂O₄^2-）才有利于紫外光下二价汞的液相还原，由此推测该过程通过两条独立的途径分解，并可通过汞的非质量分馏异常区分（图1）。蒽醌-2,6-二磺酸盐参与下的汞还原过程会产生较大的奇数汞同位素非质量分馏，这一反应具有与腐殖质和Hg^II的光还原非常相似的动力学和同位素分馏特性。该研究结果不仅证实了之前的科研假设，即醌类物质控制着富含有机质的液相介质中二价汞的还原过程，更有助于解释大气颗粒物中观察到的偏正的的奇数汞同位素非质量分馏现象。上述研究成果，不仅提升了人们汞在大气中的迁移转化过程的认识深度，同时为大气汞同位素模型及大气汞传输模型的建立提供基础数据。　　

相关研究成果在环境领域权威SCI刊物Environ Sci Technol上发表：Zhao HF, Meng B*, Sun GY, Lin CJ, Feng XB*, Sommar, J*. Chemistry and Isotope Fractionation of Divalent Mercury during Aqueous Reduction Mediated by Selected Oxygenated Organic Ligands. Environ. Sci. Technol. 2021, 55, 13376-13386。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c03171。该研究受国家自然科学基金（41673025，41931297和41907286）等项目的资助。

　　图1 大气中典型含氧有机物参与的二价汞的还原过程及其同位素分馏示意图

　　（冯新斌课题组/供稿)