sou · GWB319 · 2008-03-04 00:00:00 — Oorganiskt tvåvärt kvicksilver är en jon som kan bilda salter och komplex med ett stort antal ämnen. En del av dessa, som kvick- silversulfid och -selenid, har extremt låg löslighet i vatten. Andra, som kvicksilveroxid och -klorid, är lättlösliga. Kvicksilver kan också förekomma i organisk form och i naturen bildas metylkvicksilver i två former, mono- och dimetylkvicksilver, CH3B HgB +P ,P resp (CH3B B)2P HgP . Den förra är vattenlöslig och har för- mågan att passera biologiska membran och barriärer som blod/hjärn- och placentabarriärerna. Den senare är flyktig. Omvandlingar av betydelse för kretslopp i akvatiska system Då förekomsten av en rörlig pool av kvicksilver till vilken män- niskans olika utsläpp bidragit och bidrar är det centrala rationella argumentet för åtgärder, som syftar till att aktivt skilja kvicksilver som finns i teknosfären från biosfären, och då insikten om förekomsten av en sådan pool vuxit fram gradvis som en del av studier och modell- ering av kvicksilvrets bio-geo-kemi och ännu inte kan sägas vara allmänt känd, redovisats kunskapsutvecklingen vad gäller omvand- lingar av betydelse för kvicksilvrets kretslopp i akvatiska system i ett historiskt sammanhang. Man kan då urskilja tre epoker i forsknings- historien. En som sträcker sig från mitten av 1960- till slutet av 1970- talet, en annan från slutet av 1970- och en tredje därefter. Under den första var focus i forskningen på metyl- kvicksilver och förekomsten därav i fisk och och var ledande länder. I den andra låg tyngdpunkten på atmosfärisk lång- distanstransport med i forskningsfronten och i den tredje har intresset främst riktats mot kvicksilveranvändning i tropikerna och ämnets omsättning där och i världshaven med ett brett internationellt deltagande. Vad var känt om biologisk metylering av kvicksilver och andra biokemiska omvandlingar innan situationen i tropisk och subtropisk miljö studerades? Biologisk kvicksilvermetylering upptäcktes av svenska forskare 1967. Den första rapporten beskrev hur oorganiskt tvåvärt kvick- silver som sattes till sjösediment till en del omvandlades till metyl- kvicksilver av de där befintliga mikroorganismerna. Processen förklarade hur det kunde komma sig att fisk som levde i kvick- silverförorenade vatten kunde innehålla av sitt kvicksilver i metylform trots att alla kända utsläpp innehöll oorganiskt kvicksilver eller fenylkvicksilver. Att levande organismer skulle producera metylkvicksilver var överraskande. En ledande amerikansk forskare på området har kallat det den mest häpnadsväckande upptäckten på det metall- toxikologiska området. Orsaken till denna förvåning var att metylkvicksilver för människor och andra djur liksom för fåglar är betydligt giftigare än oorganiskt kvicksilver och att organismer, när det gäller naturligt förekommande ämnen, som regel beter sig ändamålsenligt. Då ter sig nedbrytning av den giftigaste formen rimligare än syntes. Många organismer bryter också ned metylkvicksilver liksom andra organiska kvicksilverföreningar. Det var känt långt innan den biologiska metyleringen av ämnet upptäcktes. Till demetylerarna hör också bakterier och svampar, vilket gör att mikroorganismer i en och samma miljö både bildar och bryter ner metylkvicksilver i olika biokemiska processer. Man kan därför tala om t.ex. metyle- ringshastighet såväl brutto som netto. Upptäckten av den biologiska metyleringen av kvicksilver utlöste en period av intensiv forskning avseende kvicksilvrets omvandling mellan olika förekomstformer i naturen och speciellt i akvatisk miljö. En serie nya upptäckter följde också. Bildning av dimetylkvicksilver som en möjlig slutprodukt av biologisk metyle- ring var en sådan. Denna flyktiga kvicksilverform hittades först i en ruttnande fisk. fastslogs att slutresultatet av den biologiska metyleringen tenderar att bli monometylkvicksilver vid låga pH- värden och dimetylkvicksilver vid höga. Det var känt att en kvicksilverdroppe, alltså elemen- tärt eller metalliskt kvicksilver, oxideras på ytan om det ligger länge i luft och alltså omvandlas till tvåvärt kvicksilver, som tillsammans med syre bildar en gråsvart hinna av kvicksilveroxid på droppen. Den erfoderliga redoxpotentialen för denna oxidationsprocess var också känd. Just därför föreföll det märkligt att detsamma skulle kunna ske under vatten i sjösediment. Vattnets mycket låga syre- halt jämfört med luftens gjorde att redoxpotentialen inte kunde nå det ovan nämnda kritiska värdet. Likväl ledde även utsläpp av metalliskt kvicksilver till vattendrag till förhöjda halter av metyl- kvicksilver i fisken där. Förklaringen stod att finna i det tvåvärda kvicksilvrets mycket höga affinitet för organiskt material och i synnehet för svavel och selen. Om den oxiderade formen binds mycket starkt till närvarande ligander minskar detta den för oxida- tion erfoderliga potentialen. Kvicksilver kan oxideras under vatten i organiska sediment. Bindningsstyrkan betecknas med den grekiska bokstaven alfa och kanske kan man utan att häda hävda att denna alfa-koefficient är en grundbult i förståelsen av metallers miljö- kemi. Ett par biokemiska mekanismer för biokemisk metylering av kvicksilver beskrevs också . Bägge ledde vidare till för- klaringar och förstålse av kvicksilvrets miljöbiokemi och ekologi. Den först beskrivna mekanismen var resultatet av lyckade in vitro (utan levande organismer) försök med överföring av metylgrupper från metylkobalamin, vitamin B12P ,P till oorganiskt tvåvärt kvick- silver. Metylkobalamin är ett ämne som hos många organismer spelar en avgörande roll i ett mycket stort antal biokemiska metyleringsreaktioner. I vissa organismer är denna metylgrupps- bärare särskilt aktiva. Det hör s.k. metanogena bakterier som lever i syrefattiga miljöer och producerar metan. Efter upptäckten av denna mekanism för biologisk kvicksilvermetylering var nästa steg att i naturen undersöka metyleringsaktiviteten i de miljöer mellan aeroba (syresatta) och anaeroba (syrefria) där metanogena bakte- rier är rikligt förekommande. Som väntat befanns den vara mycket hög. Den andra biokemiska mekanismen kunde beskrivas efter en serie försök med olika mutanta stammar av brödmöglet Neurospora crassa. Den kan beskrivas som en felsyntes av den svavelhaltiga aminosyran metionin i närvaro av kvicksilver. Kvicksilver som har en mycket hög affinitet för svavel binder till den svavelatom i homocystein på vilken en metylgrupp skulle ha placerats för att det skulle bli metionin. När kvicksilvret sitter där hamnar metyl- gruppen på det i stället och metylkvicksilver bildas. Metionin är en aminosyra som finns hos de allra flesta levande organismer, men den syntesväg vars slutsteg beskrivits ovan finns bara hos lägre organismer. Högre djur och växter framställer det på annat sätt. När denna mekanism var klarlagd hade ett mycket stort antal bakterier och svampar hunnit testas för sin förmåga att metylera kvicksilver och samtliga undersökta former hade denna förmåga. Detta till skillnad mot däggdjur, fåglar, fiskar, grodor, kräft- och blötdjur som saknade den. För de allra flesta mikroorganismer gällde också att deras aktivitet beträffande metylering av kvicksilver korrelerade väl med deras allmänna biologiska aktivitet mätt som syreförbrukning eller dehydrogenasaktivitet. (Dehydrogenas är ett enzym som är centralt i cellers energiförsörjning.) Undantag från denna korrelation med en mycket högre kvicksilvermetylering förekom, som ovan sagts, i miljöer utan syre och utan fria sulfid- joner. Den hypotes, som så att säga gav sig själv, var att felsyntesen av metionin var den bland mikroorganismer allmänt förekommande biokemiska mekanismen för metylering av kvicksilver, medan vissa – de metanogena – hade ytterligare en syntesväg och därigenom en mycket högre kvicksilvermetyleringsaktivitet. undersökningar har visat att även en annan grupp av bakterier som lever i gränslandet mellan aeroba och anaeroba förhållanden, sulfatreducerarna, har en mycket hög aktivitet med avseende på kvicksilvermetylering. De finns också ofta vid syre- språngskikt i den fria vattenmassan förutom i sedimenten. Vilken biokemisk mekanism de använder sig av i metyleringspreocessen är ännu inte klarlagt. Än mycket senare har det också visats att det också i oceanernas ytvatten produceras metylkvicksilver i stora mängder. Här är dock slutprodukten huvudsakligen dimetylkvicksilver, vilket är i enlighet med den tidigare observationen från limnisk miljö att metylerings- processen resulterar i mest dimetylkvicksilver vid pH över neutral- punkten. Världshaven är svagt alkaliska. Vilka organismer som utför kvicksilvermetyleringen i oceanernas väl syresatta ytvatten är inte känt. Deras metyleringsaktivitet är mycket hög. Metan- producerande och sulfatreducerande bakterier kan det inte vara just på grund av den höga syrehalten i vattnet. tillgång till orga- niskt substrat gör även andra heterotrofa (sådana som lever av att bryta ned organiskt material = de flesta) bakterier mindre sanno- lika och svampar kan nästan uteslutas. Mikroskopiska plankton- alger eller autotrofa (självnärande med fotosyntesförmåga) bakterier har föreslagits som kandidater, men hypotesen har inte Den biokemiska mekanismen som dessa effektiva metylerare använder är inte heller känd. Förvåningen var som sagt stor när det visades att metylkvick- silver syntetiserades av organismer. Den blev till att börja med inte mindre när det också visade sig att mikroorganismer med god metyleringsförmåga var mer toleranta mot oorganiskt tvåvärt kvicksilver än de med sämre. För bakterier och svampar var metyleringen ett sätt att avgifta kvicksilvret! Förklaringen till detta ligger i metylkvicksilvrets förmåga att lätt och snabbt passera biologiska barriärer som cellmembran, blod/hjärn barriären och placentan. För högre organismer med differentierat nervsystem och intrikat fosterutveckling innebär detta att metylkvicksilver till skillnad mot oorganiskt tvåvärt tar sig till de känsligaste ställena – hjärnan och fostret. För bakterier och svampar innebär det att metylkvicksilver, som bildas i cellen, lätt tar sig ut genom cell- membranen. Metyleringen möjliggör en passiv utsöndring av kvick- silvret, skulle man kunna säga. Metylering är inte det enda sätt som mikroorganismer kan avgifta oorganiskt tvåvärt kvicksilver på. Vid den tid då svenska forskare först studerade metyleringsprocessen höll deras japanska kollegor på med studier av bakteriell reduktion av oorganiskt tvåvärt kvicksilver till elementärt. De påvisade processen och klarlade en del av biokemin bakom den och konstaterade också att de bakteriegrupper som var goda kvicksilverreducerare också hade högre tolerans för oorganiskt tvåvärt kvicksilver. Då elementärt kvicksilver är flyktigt antas mikrobiell kvick- silverreduktion vara en viktig faktor bakom degasing, avgång av kvicksilver från mark och vatten till luft. Ytterligare en mekanism för produktion av metylkvicksilver finns beskriven. Den involverar humus. Forskare hade funnit att när oorganiskt tvåvärt kvicksilver sattes till steriliserade prover, som innehöll humus, så kunde en liten mängd metylerat kvicksilver extraheras. En större mängd eller upprepad tillsatts till det sterila provet ökade inte den utvinnbara metylkvicksilvermängden. Om däremot provet återinfekterades och fick stå innan det åter steriliserades och oorganiskt tvåvärt kvicksilver tillsattes erhöll en mindre tillskottsmängd av metylkvicksilver. Den förklarings- hypotes som växte fram ur detta sade att oorganiskt tvåvärt kvicksilver kunde binda till ett begränsat litet antal tillgängliga metylgrupper i humus för att sedan extraheras som metylkvick- silver. När provet för återinfekterades frilade mikroberna nya metylgrupper till vilka kvicksilver kunde binda. Metylkvicksilver i jonform erhölls vid båda tidpunkterna genom att extraktions- processen spjälkade av metylgruppen med vidhängande kvicksilver från resten av humusmolekylen. Om man ska kalla processen kemisk eller biokemisk blir en definitionsfråga, då själva metylgruppsöverföringen, enligt hypo- tesen, sker på rent kemist väg, medan tillgången på metylgrupper, som kvicksilvret kan binda till, kommer av mikroorganismernas attacker mot humuskomplexen. spelar också en central roll för förklaringen av de slående höga metylkvicksilverhalter som man fann i områden, t.ex. nya vattenkraftsmagasin, som satts under vatten. Det var i och , som man först observarade fenomenet, men det har sedan konstaterats på många håll i taiga- (det nordliga barr- skogs-) bältet. Förklaringen var att kvicksilver som var bundet till humusämnen i jord innan uppdämningen skedde blev tillgängligt för metylering när det hamnade under vatten. I ett skede av forskningen om biologisk metylering av kvick- silver ägnades betydande intresse åt balansen mellan metylering och demetylering och frågan om de båda processerna påverkades olika av omgivningsparametrar som temperatur, pH och syrehalt. Netto- metyleringen, skillnaden mellan de två processerna, visade sig ha ett svagt negativt samband med temperatur och ett starkt negativt samband med pH-värde och syrehalt. Beroendet var dock inte linjärt utan var mest uttalat vid riktigt låga, arktiska, temperaturer och när nästan inget syre fanns. (Surhetsmåttet pH är en loga- ritmisk funktion så frågan om linjäritet är lite mer komplex.) Studier av nettometyleringshastigheter, som ju direkt är av- hängiga av balansen mellan metylering och demetylering, har dock förblivit svåra av rent metodologiska skäl även om resultat som de ovan redovisade kan anses rimligt tillförlitliga. Bara som ett litet exempel på de svårigheter som forskaren möter kan nämnas att båda processerna är beroende av substratkoncentrationen. Om man alltså startar ett experiment med att tillsätta oorganiskt tvåvärt kvicksilver har den ena processen, metyleringen, sitt substrat till hands men inte den andra, demetyleringen, eftersom inget metyl- kvicksilver ännu hunnit bildas. Initiellt blir allt metyleringshastig- heten brutto lika med den netto. Allt eftersom metyleringen fortgår ökar mängden metylkvicksilver medan mängden tillgängligt oorganiskt kvicksilver minskar. Nybildningen av metylkvicksilver avtar alltså och nedbrytningen ökar. Man skulle kunna föreställa sig att de två processerna skulle finna en jämvikt, men så är det bara om de fysiskt kemiska förhållandena förblir konstanta liksom populationen av mikroorganismer, men detta är osannolikt såväl i laboratoriemiljö som under fältmässiga förhållanden. Dessa svårigheter blir än större genom de högst olika hastig- heter med vilka huvudprodukterna, metylkvicksilver och oorga- niskt tvåvärt kvicksilver, kan passera cellmembran och andra barriärer. Metylkvicksilver gör detta lätt och fort och kan därför lämna den mikroorganismcell, där det bildades. Oorganiskt tvåvärt kvicksilver binder å andra sidan starkare till organiskt material och andra ligander. Detta medför att om processerna sker i sediment kan omrörning radikalt förändra förutsättningarna och resultaten. Sammantaget medför dessa och många andra metodologiska problem att fältobservationer av nettometyleringshastighet är svåra att göra med rimlig tillförlitlighet och att laboratorieförsök är nästan omöjliga att få representativa. Redan innan forskningen om kvicksilver i miljön på allvar på- börjats hade geologer och mineralforskare observerat förekomsten av mycket höga kvicksilverhalter i järn- och manganmoduler på havsbotten. i samband med miljömotiverade studier av kvicksilverhalt i bottensediment konstaterades samma sak i myr- malm på bottnarna i svenska och finska insjöar och i . Detta ledde till spekulationer om olika mekanismer för samutfäll- ning av järn och kvicksilver i syrerikt vatten. Vad hade studier i tempererade områden lärt oss om kvicksilveranrikning och -halt i fisk? Utan att ha nämnvärd kontakt med varandra var svenska och japanska forskare först med att beskriva vissa grundläggande mönster för kvicksilvers förekomst i fisk. Till dessa hör att halten är högre i större och äldre individer av en art och högre i rovfisk än i plankton- och bottenfauneätare. Ett viktigt genombrott kom sedan när en svensk forskare fann att kvicksilver i fisk till föreligger i form av metylkvicksilver. Det hade avgörande betydelse för den toxi- kologiska riskbedömningen men spelade också en stor roll för förståelsen av upptags- och anrikningsmönster. Den bild som stegvis framträdde var följande: Fisk tar upp kvicksilver från vatten och via födan. Upptag sker i princip av många olika förekomstformer, organiska lika väl som oorganiska, men det sker i särskilt hög grad av metylkvicksilver beroende på att ämnet både är fettlösligt och på att det snabbt och lätt passerar cellmembran. Väl inne i fisken kan oorganiskt kvick- silver utsöndras och vissa organiska former, som fenylkvicksilver, brytas ned. Det gäller dock inte metylkvicksilver, som fisk varken kan utsöndra eller metabolisera. Väl inne i fisken stannar det där. En följd av detta är att fiskens body burden aldrig minskar och att dess koncentration av metylkvicksilver bara kan minska genom utspädning i en större kroppsvolym till följd av tillväxt. Detta fordrar dock att fisken flyttar till en mindre belastad miljö (som t.ex. laxsmolt kan göra om de vandrar från en förorenad älv ut i havet). Blir fisken kvar under samma omständigheter fortsätter den ta upp metylkvicksilver via andningsvatten och föda och dess halt ökar därför vanligen med storlek och ålder. Detta kallas bio- ackumulation. Då fiskar liksom alla organismer behöver äta mer än de själva tillväxer – ofta för att själva öka ett – koncentrerar de persistenta (svårnedbrytbara) ämnen som de inte kan utsöndra. Då de alltid därigenom får högre halter än deras bytesdjur/föda har kommer organismer på toppen av näringskedjan att få de högsta halterna. Detta kallas näringskedjeanrikning eller biomagnifikation. En orsak till att äldre individer av en art tenderar att ha högre koncentration än en yngre med samma vikt är att den behövt äta mer för att nå den storlek den har, då den måst underhålla den s.k. basmetabolismen (som ej medför tillväxt) . Metylkvicksilver i akvatiska system utgör ett nästan perfekt exempel på ett ämne som bioackumuleras och anrikas i närings- kedjan. Stora exemplar av topp-predatorerna i de akvatiska syste- men, som gädda i våra insjöar och hajar i världshaven, får därmed de högsta metylkvicksilverhalterna. Givetvis spelar den lokala föroreningssituationen också en mycket stor roll. I vattendrag med direkta utsläpp av kvicksilver kan halterna bli mycket höga. Delångerån i är ett sådant exempel där det svenska rekordet för kvicksilverhalt i fisk, en gädda, noterades med 17 ppm eller mg/kg. Denna notering var förvisso exceptionellt hög och överträffas bara av en del fisk från i . (Där de tidiga analyserna utfördes med en äldre och mindre säker kolorimetrisk metod, ditizonmetoden.) Dock var halter upp till 5 ppm vanliga i större rovfiskar från vattendrag med direkt- utsläpp av kvicksilver både i och . Systematiskt förhöjda kvicksilverhalter i fisk påträffades dock inte bara i vattendrag med direkta kvicksilverutsläpp utan också generellt i försurade sjöar. Många försök gjordes att förklara detta fenomen. Metyleringsprocessen med monometylkvicksilver var en förklaringskandidat, styrkan av de kemiska komplex som oorga- niskt tvåvärt kvicksilver bildar vid lågt pH en annan. visade sig huvudförklaringen vara den förändring av näringskedjan, som leder till rovfisken ifråga, som inträffar när försurningskänsliga arter försvinner. Nära nog generellt kan man säga att i sjöar med ett pH eller lägre är kvicksilverhalten i enkilos rovfiskar 1 ppm eller mer. Från de öppna oceanerna rapporterades höga metylkvicksilver- halter i de stora rovfiskarna haj, tonfisk och svärdfisk. Individer med en storlek på hade ofta kvicksilverhalter på 1 ppm och större individer än mer. I nås 1 ppmgränsen vid redan vid halva denna fiskvikt. Vad kunde vi postulerat om effekterna av kvicksilverutsläpp i tropisk och subtropisk miljö från vad vi visste? Utsläpp av oorganiskt kvicksilver i såväl elementär som tvåvärd form i tropiska ekosystem kunde förväntas leda till förhöjda halter av kvicksilver i fisk, framför allt i form av metylkvicksilver. Kon- centrationerna kunde förväntas bli högst i stora och relativt gamla rovfiskar. Givet den svagt negativa korrelation som konstaterats mellan temperatur och nettometylering av kvicksilver, den positiva korrelationen mellan temperatur och tillväxt hos fisken och den negativa korrelationen mellan tillväxthastighet och metylkvick- silverhalt var det dock att vänta att rovfisken i tropiska vattendrag inte skulle nå riktigt samma höga kvicksilverhalter som deras gelikar i kallare områden. Detta naturligtvis under förutsättning att utsläppta mängder och resulterande koncentrationer i sediment och vatten var någorlunda jämförbara. Förväntningen var alltså uttryckt i kvantitativa termer att kvick- silverhalter över ett par ppm skulle vara mycket ovanliga och bara förekomma i exceptionellt stora fiskar. Till följd härav kunde fiskätande fåglar och däggdjur förväntas ha förhöjda kvicksilverhalter, men troligen inte mer än vad deras deras demetylerings- och utsöndringssystem, inklusive fjädrar och päls, kunde klara. Massdöd och populationskrascher var således inte att vänta. Dammkonstruktioner och nyöversvämmade markområden för- väntades inte medföra förhöjda kvicksilverhalter i fisk så som observerats ske i tempererade områden, eftersom jordar i tropiska områden i allmänhet och i regnskogar i synnerhet har lågt innehåll av humus och annat organiskt material. Vad var motiven för SCOPEsTPF1FPT Hg-projekt och varför ville internationella kvicksilverforskare studera situationen i ? När SCOPEs kvicksilverprojekt startades skedde detta med det uttalade syftet att studera om kvicksilver, som släpptes ut i tropiska ekosystem, betedde sig på annat sätt och innebar större risker för människor eller andra arter i ekosystemet, än vad man kunde vänta sig utifrån raka extrapoleringar av de resultat, som erhållits från studier av dess beteende och effekter i kalla och tem- pererade delar av världen. Det fanns givetvis teoretiska grunder för antagandet att så skulle kunna vara fallet och det fanns preliminära resultat från undersökningar och observationer som föll utanför förväntade ramar. En grundläggande skillnad mellan de tempererade och sub- arktiska ekosystemen å ena sidan och de olika tropiska och sub- tropiska å den andra är givetvis temperaturen. Att biologiska kemiska och många fysiska processer går fortare vid högre tempe- ratur är självklar kunskap för de flesta. Många forskare angav också detta som en orsak att förvänta sig en högre produktion av metyl- kvicksilver från utsläppen av elementärt och oorganiskt tvåvärt kvicksilver. Tillkommande argument var högre primärproduktion och bildning av organiskt material, mer transport av humus till vattendragen och en därmed och med de stora nederbördsmängder- na sammanhängande större uttransport av kvicksilver från mark till vatten. Flera av dessa argument kunde, som vi redan sett ovan, ifråga- sättas redan i utgångsläget, men de tillhörde argumentarsenalen. 1TP , , som kan sägas vara de nationella veten- skapsakademiernas internationella samarbetsorganisation, har en miljökommitté, , .. Mer entydiga var konstaterandet, att medan bottensediment anses vara de viktigaste källorna för produktion av metylkvicksilver i kvicksilverförorenade limniska system i tempererade områden, fanns goda skäl att anta att det i tropiska regnskogar som Ama- zonas skulle vara översvämningsområden, sumpmarker, flytande vegetationsöar och säsongsmässigt vattendränkta skogar som skulle ha den rollen. Vidare innehåller tropiska ekosystem ett mycket större antal arter och bland dem många specialiserade predatorer (rovdjur). Detta innebär att de kanske bara har en bytesart eller t.o.m. ett utvecklingsstadium av en art.