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粮食汞污染:煤炭燃烧另一面

17.05.2018
埃克利•塞林·诺艾尔
权玺允
 
科学家通过模型揭示了工业活动和煤炭燃烧与水稻汞污染的联系,并指出不同的政策选择会影响未来稻米中的汞含量。
 
虽然水稻中甲基汞含量要低于鱼类,但在中国中部地区人们摄入的稻米要远多于鱼类。图片来源:David Woo
 
汞污染通常是一个与鱼类消费有关的问题。全球许多地区都建议孕妇和儿童食用汞含量低的鱼肉,以免对健康造成不良影响,包括甲基汞对神经系统的损伤。
 
但在全球最大的汞排放国中国,给人们带来威胁的甲基汞更多地是来自水稻而非鱼类。在最近的一项研究中,我们探讨了这个问题的严重性,及其未来可能的发展方向。
 
我们发现,中国未来的排放轨迹可能会严重影响其水稻中的甲基汞含量。这不仅对中国,而且对煤炭用量不断增长且以稻米为主食的亚洲都有着重大影响。这也与各国都在执行的《水俣公约》息息相关,该公约是一项保护人类健康和环境免受汞污染影响的全球性条约。
 
为什么会出现水稻汞污染?
 
21世纪初以来,中国对一些地区的大米进行了甲基汞含量检测。这些地区的汞矿开采及其他工业活动导致土壤中的汞含量很高,而土壤中的汞随后都被水稻吸收了。然而,最近的研究表明中国其他地区稻米中的甲基汞含量也在升高。这说明空气中的汞(由燃煤电站等污染源向大气排放,并随后沉降到陆地上)也是导致大米中汞含量升高的一个因素。
 
为了更好地了解甲基汞通过气相沉积在水稻中的积累过程(所谓气相沉积是指空气中的汞通过降雨或者直接沉降到陆地的过程),我们构建了一个计算机模型,分析土壤和大气中的甲基汞对水稻汞含量的相对影响,然后预测了不同排放情境下,未来水稻中的甲基汞浓度的变化情况。
 
煤炭燃烧等工业活动排入大气中的汞在鱼类体内积累,但针对煤炭使用不断扩大的中国和亚洲其他地区的水稻汞污染的研究并没有那么多。图片来源:马克西姆·梅尔尼科夫(Maxim Melnikov),禁止商用及演绎。
 
虽然水稻中甲基汞含量要低于鱼类,但在中国中部地区人们摄入的稻米要远多于鱼类。研究表明,土壤汞污染地区居民摄入的甲基汞量要高于美国环保署每天每公斤体重0.1微克的参考剂量,设定这一参考剂量是为了防止出现智商下降等不良的健康影响。近来有数据表明,摄入量低于参考剂量也有可能导致其他神经发育问题。然而,针对甲基汞对稻米消费者影响的专项研究少之又少。
 
为了确定这一问题的影响范围,我们以汞模型为基础,参照中国的大米产地分布图,比较了几个汞沉积预计较高的地区。我们发现,汞沉积水平高的省份也是水稻生产大省。中部地区的7个省份(河南、安徽、江西、湖南、贵州、重庆和湖北)占中国稻米产量的48%,而来自大气的汞沉积量却几乎是其他地区的两倍。
 
根据我们的计算,到2050年,汞沉积量既有可能会增加近90%,也有可能减少60%,这取决于未来的政策和技术。
 
我们的建模方法
 
为了了解大气中的汞如何转化为甲基汞进入稻米中,我们建立一个用于模拟稻田中汞的模型。环境中的甲基汞是由生物活动(具体来说是细菌)制造的,这一过程通常发生在湿地和淤泥等漫灌水环境中。类似地,生长季节的水稻田里充满了水,水稻根系周围富含营养的环境也有利于细菌的滋生和甲基汞的产生。
 
我们的水稻田模型模拟了汞如何在水、土壤和水稻等稻田生态系统的各个部分转变形态、积累并最终转化为甲基汞的。
 
在我们的模型中,汞通过沉积和灌溉进入不流动的漫灌水中,然后在水、土壤和植物之间移动。我们首先初始化并校准了该模型,随后进行了为期5个月的实验,即从插秧到收获的时长,随后将我们的实验结果和中国各地稻米汞含量的测量值进行比较。我们还模拟了不同的大气沉降和土壤汞浓度的情境。
 
我们的模型虽然简单,但能够重现中国各省稻米中甲基汞浓度变化的情况,还能准确地反映土壤汞浓度与稻米中甲基汞含量之间的正相关。
 
但问题不全在土壤。水中的汞(来自稻田漫灌水或土壤中的水)也会影响稻米中甲基汞的浓度,其影响程度取决于土壤和水中这两个不同的吸收过程的相对速率。在某些情况下,大气中的汞沉降到稻田里后可能会进入稻米中。这说明,改变汞排放可能会影响稻米中汞的含量。
 
汞排放影响稻米
 
未来稻米中的汞含量会发生怎样的变化?
 
我们研究了一个高排放情境(假设2050年之前没有新的政策出台来控制汞的排放)和一个低排放情境(假设中国减少煤炭使用,燃煤电站也配备先进的汞排放控制技术)。在前一种情况下,中国稻米平均甲基汞含量提高了13%,后一种情况则降低18%。稻米中甲基汞含量下降最多的地区是政策严格控制的中部地区,那里稻米产量高,且稻米是甲基汞暴露的重要来源。
 
因此,管理稻米中的汞浓度需要双管齐下,同时解决空气沉降和水土污染。了解当地情况也很重要:我们的模型没有考虑到的土壤酸度等其他环境因素也会影响甲基汞的产生和在稻米中累积。
 
改变稻米生产策略也能有所帮助——例如,采用土壤干湿交替模式种植水稻可以降低耗水量、甲烷排放量以及稻米中甲基汞的含量。
 
我们设定的情境可能低估了《水俣公约》中控汞措施给中国带来的潜在健康利益,中国也是该公约的缔约国之一。我们的情境仅考虑了电站排放进入空气中的汞,但《公约》中的防控措施也涉及其他部门的排放,并且禁止汞开采,解决受污染场所和土地以及水排放的问题。
 
减少汞排放对其他水稻生产国也有好处,但目前中国以外可用的数据很少。然而我们的研究表明,汞污染问题并非无稽之谈,从政策上下功夫确实有用。
 
 
本文原载于《对话》
 
翻译:金艳
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