土壤水体成分对"稻田汞"的形态及水生生物有效性的影响研究

Fish cultured in rice paddy fields is an important food source for Chinese residents. However, recent studies indicated that mercury polluted rice paddy fields were found to be potential hotspots for mercury bioaccumulation. Therefore, investigations on the bioaccumulation of "paddy mercury" (mercury in paddy soil or water) in aquatic organisms and its mechanism are necessary and would help prevent food safety accidents in China. In the field study part, "biological mercury" (mercury accumulated in aquatic organisms within paddy fields) concentrations in mercury polluted rice paddy fields will be measured in different sites and in different months of the year. Then the ecological and health risk of mercury will be assessed based on measured subcellular distribution and concentrations of "biological mercury" as well as bioaccessibility of fish-mercury to human beings. In the laboratory study part, stable isotopes of mercury will be used simultaneously as tracers to investigate the effects of paddy soil/water composition on the environmental (i.e. mercury partitioning between water and soil, mercury speciation) and biological (mercury bioavailability and bioaccumulation) behaviors of "paddy mercury". Based on the laboratory study, we expect to find the key paddy soil/water components and the key subcellular species of "biological mercury" controlling bioavailability of "paddy mercury", which would greatly improve our mechanistic understanding of mercury bioaccumulation along the food chains of rice fields. Mechanistic information gained as well as techniques developed in this study would greatly contribute to our long-term national policy on food safety.

稻田养殖鱼类是我国居民膳食的重要来源，而近期的研究发现汞污染稻田可能是汞生物富集的活跃区域。明确污染稻田中汞（"稻田汞"）在鱼类等稻田水生生物中的富集（"水生生物汞"）及其机理，有助于避免灾难性食品安全事故。通过野外汞污染稻田测定，揭示"水生生物汞"浓度的时空变化规律，结合汞亚细胞分布及人体生物可给性的测定，评估"水生生物汞"的生态风险与人体健康风险；基于野外测定的结果，在实验室条件下采用汞稳定同位素双示踪技术，定量研究稻田土壤、水体主要成分对"稻田汞"的环境行为（汞的水土分布、形态）与生物行为（汞沿稻田水生食物链传递的生物有效性）的影响，揭示控制"稻田汞"形态及生物有效性的关键性土壤、水体成分，结合"水生生物汞"的亚细胞分布特征，阐明稻田水生生物汞富集的机理，为实现我国中长期发展纲要提出的"有效保障国家食品安全"的目标提供理论、方法和途径。

汞可通过大气沉降、灌溉等方式进入稻田中。近期研究显示，这些汞不但可以在稻田土壤中大量富集，而且由于稻田的湿地特性，无机汞容易被甲基化，穿透稻米胚乳层后导致稻米中甲基汞的大量富集，进而产生生态风险和人体健康风险。由此可见，研究关键生物地球化学因素对污染稻田中汞（“稻田汞”）的环境与生物行为，具有重大的科学与现实意义。.基于此，本项目主要选取了“土壤水体成分”（尤其是有机质、硒、硫酸盐等关键成分）这一关键生物地球化学因子，以探究其对于“稻田汞”的形态、生物有效性、生物富集、乃至其风险的影响，并通过田间试验、实验室盆栽试验、实验室模拟试验等，以及现代仪器分析手段（如XANES, TEM-EDX），对其内在机理进行探索。截至2016年12月，共发表通讯作者SCI论文16篇，公开发明专利2项。. 主要发现包括：（1）秸秆还田有机质输入可导致稻田中甲基汞的生成及生物有效性上升，从而导致其生物富集能力上升（水稻籽粒甲基汞浓度可升高一倍）；（2）稻田有机质（如水稻残体）腐殖化导致的惰性有机质浓度提高，将同时影响固液相甲基汞的活性，其综合结果导致稻田土壤中甲基汞生物有效性下降；（3）研发了通过生物碳降低稻田中甲基汞生物有效性的技术；（4）研发了通过萃取法，有效预测稻田中甲基汞生物有效性的技术；（5）稻田常见养殖水产小龙虾中的汞生物富集可能存在一定人体暴露风险，其风险极大程度上取决于其人群摄食量，即对于高摄食人群而言，小龙虾中的汞（主要是甲基汞，约占99%）存在一定健康风险；（6）土壤中“硒-汞作用”是控制稻田体系中“硒-汞拮抗”的关键原因，其机理在于土壤中形成“硒-汞纳米颗粒”，而生物体内的“硒-汞作用”则可能影响较小；（7）在硒存在条件下，硫酸盐对于汞形态的影响作用较弱，其原因在于土壤中“硒-汞纳米颗粒”的形成；（8）基于“土壤硒-汞作用”，研发了可用于修复汞污染土壤的修复技术。. 本研究的成果具有重要的科学与现实意义：（1）完善了稻田体系中，“汞-有机质”作用的机理，有利于准确预测有机质对于土壤汞形态转化、生物有效性与生物富集的影响；（2）深化了我们对于稻田体系中硒汞拮抗的认识，强调了“土壤硒-汞作用”的关键性地位；（3）基于理论研究的成果，研发了多项预测及控制“稻田汞”风险的技术，有利于修复汞污染土壤，保障居民食品安全。