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基于CiteSpace的水...境中汞的研究现状及趋势分析_陈优.pdf

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1、第 6 卷第 4 期2024 年 4 月环境生态学Environmental EcologyVol.6 No.4Apr.2024基于 CiteSpace 的水环境中汞的研究现状及趋势分析陈优,肖方景,谢民生,崔小梅,布多,张强英*(西藏大学 生态环境学院,西藏 拉萨850000)摘要:本研究首次通过 CiteSpace 分析水环境中汞的研究现状,总结了研究热点和前沿。从中国知网、万方、维普 3 大中文数据库和 Web of Science Core Collection(WoSCC)检索了 20082023 年与水环境中汞有关的研究,检索到相关文献 697 篇。使用CiteSpace 生成了作

2、者/国家/机构之间的合作网络图谱,获得了关键词共现以及聚类图谱。结果表明:1)论文最高产者所发表的文章为 8 篇,截至目前尚未形成核心作者团队;2)中国和中国科学院大学是该领域的领先国家和机构,分别发表了 450 篇和21 篇论文;3)研究热点集中在汞离子、甲基汞、沉积物、原子荧光法、吸附以及水生生物。基于 CiteSpace 的研究结果,发现了国家、机构和作者之间的密切合作。目前主要研究趋势为水环境中汞的检测方法和去除技术,因此,未来应更加重视高性能纳米材料的制备和汞离子监测网络的完善,建立更加完善的汞离子监测预警方法。关键词:CiteSpace;可视化分析;水环境;汞中图分类号:X1312

3、文献标识码:A文章编号:2096-6830(2024)04-0117-08Analysis of research status and trend of mercury in water environment based on CiteSpace CHEN You,XIAO Fang-jing,XIEMin-sheng,CUI Xiao-mei,BU Duo,ZHANG Qiang-ying*(College of Ecology and Environment,Tibet University,Lhasa 850000,China)Environmental Ecology,2024,6

4、(4),117124Abstract:In this study,CiteSpace was used to analyze the research status of mercury in water environment for the first time andsummarize the research hotspot and frontierStudies related to mercury in the water environment from 2008 to 2023 were searched fromthree Chinese databases:CNKI,Wan

5、fang,VIP,and the Web of Science Core Collection(WoSCC),697 relevant literatures wereretrievedCiteSpace was used to generate the cooperative network map among author/country/institution,and the keyword co-occurrenceand clustering map were obtainedThe results show that:1)The most prolific author has p

6、ublished 8 articles and has not formed a coreauthor team up to now;2)China and the Chinese Academy of Sciences are the leading countries and institutions in this field,with 450and 21 papers published,respectively;3)esearch focuses on mercury ion,methylmercury,sediment,atomic fluorescence,aquaticorga

7、nisms and adsorption Based on the findings of CiteSpace,the study found closed collaboration between states,institutions andauthorsAt present,the main research trend is the detection method and removal technology of mercury in water environmentTherefore,in the future,more attention should be paid to

8、 the preparation of high-performance nanomaterials and the improvement of mercury ionmonitoring network,so as to establish a more perfect mercury ion monitoring and early warning methodKey words:CiteSpace;visual analysis;water environment;mercury收稿日期:2023-09-26基金项目:第 二 次 青 藏 高 原 综 合 科 学 考 察 研 究 项 目(

9、2019QZKK0603);中央支持地方高校改革发展计划项目(藏财科教指 2023 1 号);西藏大学研究生“高水平人才培养计划”项目(2021-GSP-S042)资助。作者简介:陈优(1999-),女,重庆人,硕士生,主要研究方向为水环境化学。通讯作者:张强英,E-mail:15089054059 163com。汞(Hg)是一种广泛存在于自然界中的重金属污染物,具有显著的积累效应和遗传毒性,对人体健康和生态环境危害极大1。研究发现,汞离子可以通过摄取或呼吸进入生物体内,对其神经系统、生殖系统、免疫系统等产生损害,导致生长发育迟缓、死亡率增加等不良影响2。水是汞进入环境和生物体内的主要迁移转化

10、途径1。水环境中的汞包括单质汞 Hg(0)、无机汞(Hg+、Hg2+)、有机汞(甲基汞 MeHg、乙基汞 EtHg)3,它们会影响水的化学性质和生物性质,导致水质恶化,使得水体的水生态功能下降,影响水资源的可持续利用4。人类活动是水环境中汞的主要来源,包括工业废水、医疗废水、生活废水等5,6。研究发现,水环境中汞的污染主要集中在工业化地区和农业地区,这些地区通常有环 境 生 态 学第 4 期大量的人类活动和汞排放源,导致水环境中汞浓度升高,危害生态系统和人类健康7,8。因此,保护水源和水生态环境,减少水环境中汞含量对于保障人类健康和生态环境的可持续发展至关重要。目前针对水环境中汞的污染问题,研

11、究人员提出了多种治理技术和策略,包括化学沉淀9、吸附10、生物修复11 等,这些技术和策略能够有效地减少水环境中汞的浓度,降低其对生态系统和人类健康的风险。然而,尚未有文献对水环境中汞的研究状况及趋势进行系统的梳理和分析。本研究采用CiteSpace 6.2.2 软件对近 15 年来国内外水环境中关于汞的相关文献进行可视化梳理,集中在作者/机构/国家合作网络、高频关键词共现、聚类分析等方面,探讨了水环境中汞的研究热点和前沿。1数据来源与研究方法1.1数据来源于 2023 年 4 月 28 日,以中国知网(CNKI)、万方、维普为中文文献数据库,Web of Science CoreCollec

12、tion(WoSCC)为英文文献数据库进行检索,以确保数据的全面性。将关键词拆分为“水环境”和“汞”,进行高级检索,在 3 大中文数据库的检索式为:“水环境”O“水中”AND“汞”,在 WoSCC 的检索式为:“water environment”AND“mercury”,将时间范围设置为 2008 年 1 月 1 日2023 年 4 月 28 日。为确保检索数据的时效性和代表性,所有的检索均选择核心期刊。通过以上检索方式,在中国知网、万方、维普以及 WoSCC 分别得到 158、123、73、470 篇文献,再通过人工阅读文献的题目、摘要及内容,去除重复、学位论文、会议、综述以及与主题毫不相

13、关的文献,最终得到有效文章 697 篇。1.2研究方法文献计量学是一种应用数学和统计学对出版物进行定量分析的方法12,为研究者分析学科热点和发展趋势,预测学科发展方向提供依据。CiteSpace 是一个基于 Java 的可用于文献计量和可视化分析的应用程序,基于共引分析理论(co-ciation)和寻径网络算法(pathFinder)等对某个领域文献计量以探究该领域演化的关键路径及拐点,并通过绘制可视化图谱分析学科演化潜在动力机制,探测学科发展前沿13。它可通过分析文献已知参数(如年份、关键词、作者、机构、国家等),探索作者/机构/国家之间的合作网络,捕捉随时间推移被高频使用的关键词,从而确定

14、水环境中汞领域的研究前沿和新兴趋势。在 CiteSpace 的可视化知识图中,不同的节点代表不同作者/机构/国家/关键词,它们之间的连线越多,则联系越紧密,而中心度高的节点通常被标识为该领域的热点或转折点。此外,CiteSpace 依据聚类清晰度提供了 S 值(平均轮廓值),若 S0.7,则说明聚类具有较高的同质性,证明聚类结果有意义;若 S0.5,则通常认为聚类是合理的13。本研究从 3 大中文数据库以及 WoSCC 获取数据,再将其以 efWorks 格式导出,命名为 download_XXX,最后导入 CiteSpace 6.2.2 用于文献计量和可视化分析。2结果与分析2.1论文刊发量

15、与时间分析国内外关于水环境中汞的研究论文刊发量随时间变化曲线如图 1 所示。近 15 年该领域刊载中文文献 227 篇,英文文献 470 篇。其中,中文文献处于较平衡状态,波动不大,英文文献呈波浪式上升趋势。此外,英文文献的年发文总量和发文增长率均高于中文文献,国内外水环境汞的研究论文刊发总量呈上升趋势。图 1论文刊发量Fig1Number of articles issued2.2作者共现分析为了解水环境中汞的研究成果分布及团队合作状况,对文献进行作者发文量分析和合作关系分析。国内外发表关于水环境中汞的相关研究的作者共819 位,刊发排名前十的作者见表 1。其中,冯新斌是中文该领域最高产作者

16、,发文量为 8 篇,AmourouxDavid 和 Cai Yong 发文 5 篇是英文该领域最高产作者。普赖斯(Price)定律14 中核心作者的计算公式如下:M=0.749 Nmax式中,M 指最低发文量,Nmax指论文发表数量最8112024 年陈优等:基于 CiteSpace 的水环境中汞的研究现状及趋势分析多作者的论文数量。因此中文文献最低发文量Mc2.12、英文文献最低发文量 Mn1.67,按照取整原则,即发表 3 篇及以上论文的作者算中文领域的核心作者,发表 2 篇及以上论文的作者算英文该领域的核心作者。表 120082023 年国内外发文量排名前十的作者统计表Table 1St

17、atistical table of the top 10 authors in terms ofpublication volume from 2008 to 2023序号作者发文量序号作者发文量1冯新斌81Amouroux David52陈振楼42Cai Yong53毕春娟43Titilope John Jayeoye44常青34Zhu Bao-Cun45何天容35Arunabha Thakur36李伟36Chang Suk-Kyu37梁鹏37Yuan uo28张娟38Ali Mohammadi29孟博39Cao Yu-Juan210雷永乾210Krabbenhoft David P2根据

18、 CiteSpace 的统计,中文文献发文量 3 篇以上的作者共计 9 人,占比2.3%,同理,英文文献发文量 2 篇以上的作者共计 52 人,占比 12.3%,其占比均低于 50%,表明核心作者团队未形成。通过对发文作者的共现分析,得到该领域作者共现网络图谱(图 2)。结果表明,存在由冯新斌、Amouroux David、Cai Yong、陈振楼、Zhu Bao-Cun、李伟、梁鹏、张娟、Arunabha Thakur、Chang Suk-Kyu 10个主要作者合作团队。不同的节点代表不同的作者,节点之间的线越粗,作者之间的合作就越多12,如图 2 所示,高产的作者通常与其他作者有稳定的合作

19、。(a)中文数据库(b)WoSCC图 2中文数据库和 WoSCC 作者共现网络图谱Fig2Author co-occurrence network ofChinese databases and WoSCC2.3机构及国家共现分析通过 CiteSpace 统计了中英文文献的研究机构(表 2)。结果表明,中文文献发表最多的机构为中国科学院地球化学研究所,英文文献最多的机构为中国科学院大学,同样中国科学院大学也是发文量最多的机构。此外,各机构的发文量总数存在差异,英文文献高于中文文献。通过对环境中汞领域研究机构的共现分析得到机构合作网络图谱(图 3)。结果表明,存在中国科学院大学、中国科学院地球化

20、学研究所、Indian Institute of Technology System、DalianUniversity of Technology 4 个机构合作团体。表 2发文量排名前五研究机构统计表Table 2Statistical table of the top 5 research institutionsin the number of publications序号发文量机构国家113中国科学院地球化学研究所中国29西南大学中国35中国海洋大学中国45中国科学院大学中国54兰州交通大学中国616University of Chinese Academy of Sciences中国

21、711Indian Institute of Technology System印度88Dalian University of Technology中国97Fuzhou University中国106Guiyang Institute of Geochemistry中国对英文文献进行国家共现分析得到国家合作网络图谱(图 4)。结果表明,从事水环境中汞研究的前十个国家贡献了 436 篇文章,占发表总数的92.77%。其中,中国是发文量最多的国家,贡献了911环 境 生 态 学第 4 期(a)中文数据库(b)WoSCC图 3中文数据库和 WoSCC 机构共现网络图谱Fig3Institution

22、 co-occurrence network map ofChinese databases and WoSCC图 4WoSCC 国家共现网络图谱Fig4Country co-occurrence network of WoSCC223 篇文章,占总数的 1/3,反映了中国在水环境中汞的研究中的主导地位。此外,各国家之间的合作密切,构成了以中国、美国、印度、加拿大、朝鲜为主的国家合作团队。2.4关键词分析2.4.1高频关键词共现及聚类分析高频关键词反映了相应研究内容在某研究领域的地位和影响力,代表了研究领域的热点话题12。关键词之间的联系由节点之间的连线表示,一般而言,颜色越深、线段越粗则表明

23、联系越紧密(图5)12。中英文文献中关键词出现频次排名前十如表 3 所示,其中频次数排名前八的为 water、senor、mercury、ions、甲基汞(methylmercury)、汞离子(Hg2+)、吸附(adsorption)、nanoparticles,且每个关键词之间都存在着一定联系。综合考虑关键词数量、出现频率和中心度,从中筛选出 4 个主要研究热点:水、甲基汞、汞离子、吸附。(a)中文数据库(b)WoSCC图 5中文数据库和 WoSCC 关键词共现网络图谱Fig5Keywords co-occurrence network map ofChinese database and

24、WoSCC表 3高频关键词Table 3High-frequency keywords序号 频次 中心度关键词序号 频次 中心度关键词1220.39甲基汞11010.17water2170.15汞离子2860.06sensor3120.13吸附3760.05mercury470.02原子荧光法4730.09ions560.06地表水5550.04nanoparticles660.06海水6530.11Hg2+750.09富集7460.12methylmercury850.09无机汞8450.03probe950.09烷基汞9400.05selective detection1050乙基汞103

25、80.06adsorption聚类分析的目的是描述数据之间的相似性,从而揭示某研究领域热点问题的发展脉络15。图 6显示了关键词聚类网络,其中,中文文献存在 6 个聚类,英文文献存在 9 个聚类,其模块值 Q 均大于(a)中文数据库0212024 年陈优等:基于 CiteSpace 的水环境中汞的研究现状及趋势分析(b)WoSCC图 6中文数据库和 WoSCC 关键词聚类Fig6Keywords clustering of Chinese database and WoSCC0.3,平均轮廓值 S 均大于 0.7,表明聚类结果可信且显著。2.4.2时间线图谱分析时间线图(图 7 和图 8)描绘

26、了某个聚类中的关键词随时间的变化趋势,展示了关键词的更新及相互影响状况15。结果表明,汞离子和 sediment 聚类包含的关键词最多且出现时间范围广,而空间分布和 river water 聚类包含的关键词最少。此外,关于水环境汞的研究出现了从吸附到吸附条件及吸附机理的转变,研究方法也出现从原子荧光法到冷汞法再到冷原子荧光法的转变。图 7中文数据库时间线图Fig7Timeline view of Chinese database图 8WoSCC 时间线图Fig8Timeline view of WoSCC2.4.3关键词突现分析关键词突现分析反映了某研究领域的研究前沿16。通过 CiteSpa

27、ce 对 关 键 词 进 行 突 现 分 析(图 9),红色的线表示关键字爆发的时间段,蓝色的线表示间隔时间。其中,中文文献突现强度最高的是原子荧光法,其他突现强度较高的包括总汞、吸附以及甲基汞;英文文献中突现强度最高的是 ions,其他突现强度较高的有 mercury ions、sediment。其中121环 境 生 态 学第 4 期汞离子和 fish 的突现爆发一直持续到 2023 年,表明水环境中汞的研究热点是汞离子和 fish。(a)中文数据库关键词突现前 21(b)WoSCC 关键词突现前 25图 9中文数据库和 WoSCC 关键词突现Fig9Keywords with the st

28、rongest citation bursts ofChinese database and WoSCC3讨论3.1研究现状20082023 年共获取 697 篇与水环境中汞相关的文章,其总体增长趋势随时间波动,表明当前水环境中汞的研究处于发展阶段,虽然发文量较低,但在 2014 年有了快速增长,表明该领域在 2014 年受到了广泛关注,这可能与 2013 年 10 月 10 日包括中国在内的 87 个国家和地区的代表共同签署了关于汞的水俣公约 有关17,增加了各国对汞的关注,也加强了各国控制汞排放的力度;同样,在 2017 年发文量也有一定幅度的增长,这可能与关于汞的水俣公约 生效有关。从发

29、表论文数量来看,科研实力较强的机构主要集中在高等教育科研机构。排名前五的机构发文 95 篇,占发文总量的 13.63%,且这 5 所机构中有 4 所位于中国,说明中国在相对贡献上位居前列,这与各国在水环境中汞领域的贡献一致。3.2研究热点与前沿关键词是对某课题的高度概括。在分析过程中,常用关键词通常用于识别研究领域的热点。关键词共现、聚类分析及突现结果显示目前主要的研究热点包括汞离子、甲基汞、沉积物、原子荧光法、吸附以及水生生物,因此总结水环境中汞的研究热点与前沿主要是水环境中汞离子的检测和去除2 个部分。3.2.1水环境中汞离子的检测由于汞离子的极端毒性,世界卫生组织(WHO)将饮用水中汞离

30、子的允许限量定为 0.5 g/L18。目前对水环境中汞离子的检测方法不太便捷,因此开发一种经济实惠、可靠、快速和灵敏的方法,用于检测水环境中汞的浓度成为研究热点与趋势。Sun等19 采用金纳米粒子修饰的硅纳米线阵列作为活性表面增强拉曼散射衬底,构建了一个 DNA 技术辅助的高性能传感平台,能够在 64 min 内超灵敏地检测痕量 Hg2+,且样品消耗低(小于 30 L),该传感器具有优异的选择性和良好的可回收性。此外,它还能准确可靠地确定河水中未知的 Hg2+浓度。Jia等20 设计了一种两性离子功能化聚合物微球作为核心吸附剂,用于在线固相萃取对水环境中汞的选择性快速富集。结果表明,40 mL

31、 样品溶液对有机汞的富集系数达到 98,甲基汞的低检出限为 0.63ng/L,相对标准偏差低于 4.1%,该方法可以简便、灵敏、选择性地测定水环境中微量汞形态。由于水环境中的汞大部分会沉降到底泥中,底泥中的汞在微生物的作用下直接或间接转换成甲基汞,而甲基汞溶于水,又回到水环境,因此对底泥中汞的检测也十分重要21。研究发现,沉积物中的汞2212024 年陈优等:基于 CiteSpace 的水环境中汞的研究现状及趋势分析浓度随深度略有变化,甲基汞最高值出现在沉积物-水界面的前 2 cm 处22。Kodamatani 等23 建立了高效液相色谱-化学发光检测-简单萃取选择性测定沉积物样品中甲基汞和乙

32、基汞的方法,该方法检出限为 0.16 ng/g。汞是一种有毒物质,还会影响水生生物的生长、繁殖、行为和免疫等方面,严重的情况下会导致生物死亡,因此研究水生生物对汞的响应和影响,对于评估水环境汞污染的生态风险具有重要意义24。Thongsaw 等25 采用双云点萃取技术,利用电热原子吸收光谱法对水和淡水鱼类样品中的汞离子和MeHg 进行预富集和形态分析,其检出限为 0.23g/L。Zhang 等26 建立了流动注射紫外光化学或超声蒸汽发生原子荧光光谱法测定和分析汞形态。在 UV 照射下,汞离子和甲基汞均可转化为 Hg(0),得到总汞浓度;在超声波照射下,只有 Hg2+可以还原为 Hg(0),可得

33、到 Hg2+浓度,用总汞浓度减去Hg2+浓度即可计算出 MeHg 的浓度。此外,该方法可应用于生物样品的超灵敏汞形态分析。3.2.2水环境中汞的去除水环境中的汞离子污染会对生态环境和人类健康产生严重影响,因此,对汞离子的去除技术也是环保领域的研究热点。目前常见的汞离子去除技术包括吸附剂法、沉淀法、电化学法以及光催化氧化法。Zhi 等27 制备了具有强汞亲和力的多孔 MoS2复合气凝胶载金纳米颗粒,它不仅能以低检出限(3.279nmol/L)的比色法灵敏地检测水溶液中的汞(),而且还能表现出超强的汞吸附能力(吸附容量为1 527 mg/g)和快速解吸能力。Das 等28 合成了环磷腈和三嗪基无机

34、-有机杂化纳米多孔材料,该材料可从浓度为 2 mg/L 的 Hg2+水溶液中可逆吸附Hg2+,使 Hg2+浓度小于 1 g/L;此外,它在干扰离子存在时具有高选择性吸附,易于再生和可重复使用。Lu 等29 研究了原位形成的锰铁氧化物去除痕量汞,实验结果表明,原位 Mn-Fe 比聚合氯化铝和氯化铁更能有效地去除汞,使汞以不带电的形式存在,即 Hg(OH)2、HgClOH(aq)和 HgCl2(aq)。Surucu30 使用简单、经济、实用的电化学技术去除饮用水样品中的汞。Fattah 等31 通过汞()直接电沉积在双极装置中的毫米级石墨棒上,从而将其从水溶液中去除。该无线技术允许在本体电池中使用

35、多个石墨棒阵列,从而在受污染的水溶液中去除 Hg2+,且具有高去除率(98%)。Miranda 等32 利用 UV-A 照射研究了 TiO2光催化去除水溶液中的甲基汞,甲基汞去除的最佳条件是低剂量的催化剂和碱性环境,在最佳条件下,照射 2 min 后,甲基汞的去除率达到95%以上。综上所述,汞离子的检测方法和去除技术正在不断地发展和完善,未来可能会出现更多的高效、低成本、环保、可持续的检测方法与去除技术,为保护生态环境和人类健康提供更加可靠的技术支持。4展望本研究对近 15 年来水环境中汞的国内外文献进行可视化统计分析,直观展示了国内外水环境中汞的研究现状、研究热点,并对当前国内外研究前沿做了

36、梳理和总结,为水环境中汞的检测和去除技术的开发提供了参考方向:(1)制备具有高灵敏度、高特异性和快速响应的纳米材料,实现对汞离子的高效检测;利用光学显微镜、拉曼光谱等技术,结合化学分析方法,实现对汞离子在水环境中的高分辨率成像检测。(2)加强对具有高吸附能力、高分散性和高表面积的纳米材料的制备以及利用微生物等生物体系对汞离子进行生物吸附和生物还原,从而实现对汞离子的高效去除。(3)未来还需要进一步完善汞离子监测网络,建立更加完善的汞离子监测体系。这需要政府、企业、学术机构等各方的共同努力,包括建立完整的汞离子监测网络、完善数据管理和共享机制、加强对汞离子的环境管理和控制等方面。参考文献 1KA

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