I de senere år har den teknologiske udvikling medført, at det er muligt at måle kviksølv-isotoper med så høj præcision, at disse kan bruges som et slags ”fingeraftryk” og give ny viden om kilder, transportveje og processer i kviksølvets komplicerede kredsløb.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 6, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Jens Søndergaard, seniorforsker, Institut for Ecoscience, Aarhus Universitet
I dag måles høje koncentrationer af kviksølv (Hg) i især top-rovdyr som isbjørne og tandhvaler i Arktis, hvor Hg udgør et sundhedsproblem. Kviksølvet stammer både fra naturlige og menneskeskabte kilder, blandt andet afbrænding af kul og guldminedrift. Globalt er der stort fokus på at nedbringe Hg-udledningerne, blandt andet under FN’s Minamata Konvention, som Danmark tiltrådte i 2017. Men på trods af faldende globale Hg-udledninger og Hg-koncentrationer i atmosfæren over Arktis, har de seneste årtiers data vist en stigende tendens i de fleste biologiske tidsserier i Arktis [1].
Tidligere har det været antagelsen, at Hg-koncentrationerne i dyrelivet var tæt koblet til globale Hg-udledninger til atmosfæren med efterfølgende langtransport og deponering i Arktis, men uoverensstemmelsen viser, at vi mangler viden om Hg-kredsløbet. Nu er der imidlertid hjælp at hente, der kan gøre os klogere. I de senere år har udviklingen i massespektrometre og et videnskabeligt momentum medført, at Hg-isotoper kan anvendes til at give et os et helt nyt indblik i kviksølvets kredsløb, herunder kilder, transportveje og biogeokemiske transformationsprocesser i miljøet [2]. Det vil forbedre mulighederne for både at forstå og forudsige effekterne af Hg-reguleringen under Minamata Konventionen og dermed på sigt nedbringe Hg-belastningen.
Kviksølv-isotoper og fraktionering
Kviksølv har syv naturligt forekommende isotoper med følgende forekomst: 196Hg (0.16%), 198Hg (10%), 199Hg (17%), 200Hg (23%), 201Hg (13%), 202Hg (30%) og 204Hg (6.8%). Data viser, at forskellige primærkilder til Hg ofte har små, men målbare, forskelle i isotopernes fordeling [2]. I kviksølvets efterfølgende kredsløb i naturen indgår en række processer som oxidation/reduktion, optag i vegetationen, fordampning og methylering/demethylering (figur 1).
Disse processer kan alle resultere i fraktionering, dvs. ændringer i isotopfordelingen. Alle reaktionerne kan medføre ”Mass Dependent Fractionation (MDF)”, der skyldes forskelle i bindingsenergier knyttet til isotopernes vægt med de laveste energier for de letteste isotoper. På grund af det forhold vil produkterne være opkoncentreret i de lettere isotoper og de tilbageblivende reaktanter være opkoncentreret i de tungere.
I kviksølvets kredsløb indgår imidlertid også processer knyttet til påvirkning af sollys, der kan resultere i en anden type fraktionering kaldet ”Mass Independent Fractionation (MIF)”. Denne fraktionering skyldes andre egenskaber ved isotoperne end kemisk bindingsenergi, blandt andet forskelle i kernespin og dermed magnetisk moment. MIF kan opdeles i ”even-isotope MIF” og ”odd-isotope MIF”, der knytter sig til fraktionering af isotoper med hhv. et lige og ulige antal neutroner i kernen. Even-isotope MIF sker ved oxidationsprocesser i tropospausen [3] og odd-isotope MIF ses ved fotokemisk reduktion af methyl-Hg og uorganisk Hg i vandmiljøet [4] (figur 1). MDF og MIF udtrykkes som en række deltaværdier (se faktaboks 1).
Hvad kan kviksølv-isotoper fortælle om kilder, transportveje og processer i Arktis?
En række studier er de senere år blev udgivet om Hg-isotoper, der har forbedret vores viden om Hg-kredsløbet i Arktis [blandt andet 5-7]. Senest har en gruppe fra Aarhus Universitet (AU) og Københavns Universitet (KU) inkl. forfatteren af denne artikel undersøgt over 700 prøver af biologiske vævsprøver og tørveprofiler fra Grønland indsamlet over de seneste 40 år publiceret i det anerkendte tidsskrift Nature Communications [8]. Studiet viser blandt andet signifikante forskelle i Hg-isotoper mellem regioner i Grønland, der ikke umiddelbart kan forklares med forskelle i atmosfærisk langtransport og deponering, men derimod korrelerer med havstrømme og påvirkning fra hhv. Polhavet og Atlanterhavet.
Andre studier har vist, at frigivelse af Hg fra havoverfladen (såkaldt evasion) med efterfølgende atmosfærisk deponering er en hovedkilde til Hg i de terrestriske arktiske områder [7,9]. Ovenstående tyder således på, at havstrømmene og dermed Hg oplagret i havet har større betydning for Hg-belastningen i Arktis end hidtil antaget. Det er vigtig viden, da den gennemsnitlige opholdstid for Hg i havet er over 300 år [10], hvor den i atmosfæren kun er 0,5-2 år [1], og kan være med til at forklare, hvorfor faldet i atmosfæriske Hg-koncentrationer over Arktis over de seneste årtier endnu ikke er slået igennem i dyrelivet. Studiet i Nature Communications giver desuden indblik i speciering af Hg ved atmosfærisk deponering, fraktionering af Hg i forskellige væv i nøgledyrearter som isbjørne og sæler og på forskellige trofiske niveauer samt udvikling i Hg-isotoper/kilder i Grønland over tid.
Arbejdet med Hg-isotoper på AU fortsætter i de kommende år, blandt andet under projektet GreenPath i samarbejde med KU støttet af Danmarks Frie Forskningsfond.
E-mail:
Jens Søndergaard: js@ecos.au.dk
Referencer
1. AMAP, 2021. AMAP Assessment 2021: Mercury in the Arctic. Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), Tromsø, Norway (https://www.amap.no/documents/doc/amap-assessment-2021-mercury-in-the-arctic/3581).
2. Tsui, M. T-K., Blum, J.D., Kwon, S.Y., 2020. Review of stable mercury isotopes in ecology and biogeochemistry. Science of the Total Environment, 716, 135386 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719353793).
3. Cai, H., Chen, J. Mass-independent fractionation of even mercury isotopes. Science Bulletin, 61, 116-124 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927316302110).
4. Bergquist, B.A., Blum, J.D., 2007. Mass-dependent and mass-independent fractionation of Hg isotopes by photoreduction in aquatic systems. Science, 318, 417-420 (https://www.science.org/doi/10.1126/science.1148050).
5. Obrist, D. et al., 2017. Tundra uptake of atmospheric elemental mercury drives Arctic mercury pollution. Nature, 547, 201-204 (https://www.nature.com/articles/nature22997).
6. Araujo, B.F., et al., 2022. Mercury isotope evidence for Arctic summertime re-emission of mercury from the cryosphere. Nature Communications, 13, 4956 (https://www.nature.com/articles/s41467-022-32440-8).
7. Huang, S., et al., 2025. Oceanic evasion fuels Arctic summertime rebound of atmospheric mercury and drives transport to Arctic terrestrial ecosystems. Nature Communications, 16, 903 (https://www.nature.com/articles/s41467-025-56300-3).
8. Søndergaard, J., Elberling, B., Sonne, S., Larsen, M.M., Dietz, R., 2025. Stable isotopes unveil ocean transported legacy mercury into Arctic food webs. Nature Communications, 16, 5135 (https://www.nature.com/articles/s41467-025-60356-6).
9. Sonke, J.E., et al., 2023. Merucy stable isotope composition of lichens and mosses from northern eurasia reveals Hg deposition pathways and sources. ACS Earth and Space Chemistry, 7, 204-211 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsearthspacechem.2c00297).
10. Kawai, T., Sakurai, T., Suzuki, N., 2020. Application of a new dynamic 3-D model to investigate human impacts on the fate of mercury in the global ocean. Environmental Modelling and Software, 124, 104599 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364815219305894).
