海洋中钆污染，如何影响海洋生态？如何治理？

在医院的磁共振成像检查中，可能会使用钆造影剂以增强影像的清晰度，然而，这些看似无害的医疗物质最终会流入海洋，并对生态系统造成长期影响。近年来，海洋中的钆元素正在全球海岸和海洋环境中积累，甚至对某些海洋生物产生毒性。

这些钆是如何进入海洋的呢，它在海洋中累积了多少呢？对海洋生态有有什么影响呢？最后又是如何治理呢？

海洋中的钆污染

钆在自然界中本是一种稀有元素，但自1980年代以来，它的使用量激增，主要归功于医学成像技术的发展。在磁共振成像检查中，钆基造影剂被注射进人体，帮助医生更清晰地观察血管、肿瘤等结构。这些造影剂在完成使命后，90%以上会在几小时内通过尿液排出体外。

但问题在于，我们日常常见的城镇污水处理厂在设计中并未考虑如何去除这类特殊化学物质，因此，高达80%的钆会直接排放，最终进入海洋。

根据研究，全球钆分布情况显示欧洲和亚洲是污染热点。在德国柏林的地表水中监测到钆浓度最高记录，达到1,176.77μg/L，在夏威夷近海最少，仅0.00002516 μg/L。这种污染物不仅在水体中被检测到，在沉积物中也会富集，比如，澳大利亚某些河口沉积物的钆浓度高达9,460μg/g。这些数据表明，人口密集、医疗发达的地区钆污染更严重。

钆进入海洋中，不会凭空消失，而是被海洋生物吸收，并沿食物链传递。贝类作为滤食习性，会从海水中富集钆，研究检测到在亚洲个体的壳中钆浓度高达31.5 μg/g。

相比于贝类，棘皮动物如海胆对钆极为敏感，研究显示，在392μg/L的钆暴露下，紫海胆幼体会出现骨骼畸形，表明钆还可能破坏整个种群的繁殖成功率。

钆的毒性机理到底是什么样的呢？这跟它的化学性质密切相关，由于钆离子（Gd³⁺）的尺寸与钙离子（Ca²⁺）接近，它可以阻塞钙通道，影响神经和肌肉功能，还可以抑制关键酶，如谷胱甘肽-S-转移酶，削弱生物的解毒能力。

在多项实验中，科学家发现钆暴露会导致脂质过氧化增加300%，而脂质过氧化是细胞膜损伤的标志，另外，也表现出抗氧化酶活性紊乱，这些都表明生物体正在努力抵抗钆的毒性。

除了钆的本身毒性外，研究发现，全球变暖和海洋酸化可能让钆的毒性更强。如水温升高4°C会使某些蛤蜊的钆累积量增加40%，pH降低至7.7会损害贻贝的滤食能力。

钆污染是一个典型的人为污染物，在利用的同时无意中向环境释放了这种持久性污染物，虽然目前的生态影响尚未达到灾难性水平，但早期预警研究的价值在于防患于未然。

图：钆污染示意图🔽

钆污染如何治理？

现有的水处理技术能否有效去除这些医疗来源的钆？带着这一问题，研究在东南昆士兰的三座先进水处理厂中，研究人员采集了处理流程各环节的水样，采样点覆盖从进水到微滤、反渗透、高级氧化、直至最终出水的全过程，确保能够完整追踪钆的迁移路径。

研究发现，在进水端，人为钆的浓度范围为115-350pmol/kg，是自然背景值的20-100倍，显著高于未受污染水体。

传统的混凝沉淀和微滤工艺对人为钆几乎没有任何去除效果。数据显示，微滤前水中的人为钆浓度为230pmol/kg，微滤后为240pmol/kg，差异在误差范围内，这一结果表明，钆配合物完全以溶解态存在，不会被膜过滤截留。

真正的转折点出现在反渗透环节。反渗透是一种利用半透膜在压力驱动下分离溶质的技术，广泛应用于海水淡化和高纯水制备。研究显示，反渗透对人为钆的去除率达到99.83%-99.94%，使出水浓度降至0.59-0.96pmol/kg，这种高效的去除源于反渗透膜对溶解性物质的选择性截留特性。

然而，通过样品预浓缩技术，研究人员仍能在反渗透出水中检测到微量的人为钆信号，这说明现有的反渗透技术虽然高效，但并未实现完全截留。特别值得注意的是，不同厂家生产的反渗透膜表现略有差异，这可能与膜材料特性有关。

被RO膜截留的钆并不会消失，而是随浓缩液进入下一个环节，数据显示，反渗透浓缩液中人为钆浓度升至2.6nmol/kg，约为进水浓度的7倍。如果这些高浓度废液经过生物处理后排放到环境中，成为潜在的新污染源。

这项研究最令人安心的发现是，经过完整处理的再生水中，人为钆浓度已降至无法检测的水平，这意味着即使将再生水混入饮用水源，也不会造成钆的积累。

但并不是所有的污水处理厂都设置了反渗透膜处理工艺。

图：澳大利亚东南昆士兰高级水处理厂(AWTPS)的通用示意图🔽

来自各种废水处理厂的经处理废水为AWTPS提供了水源。AWTPS的三个主要处理步骤是微滤、反渗透和UV/H202高级氧化。在标记的采样位置使用痕量金属清洁技术收集了样品。

❓思考题：气候变化如何影响钆的毒性？

A.海水变暖会减少钆污染
B.酸化让钆更容易被生物吸收
C.冰川融化能稀释钆浓度
D.飓风会把钆吹到太空

参考文献：

Gadolinium: a review on concentrations and impacts in marine and coastal systems.https://doi.org/10.1016/j.envpol.2025.126453

Removal of magnetic resonance imaging contrast agents through advanced water treatment plants. https://doi.org/10.2166/wst.2010.885