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1、环境化学第五章污染物在生物体内的迁移转化重重 点点 掌掌 握握污染物质的污染物质的生物富集、生物富集、放大和积累放大和积累微生物微生物对环境污染物的对环境污染物的降解转化作用降解转化作用环境环境污染物污染物对对人体健康人体健康的影响的影响第一节第一节生物污染和生物污染的主要途径生物污染和生物污染的主要途径一、一、生物污染生物污染 有两种含义，一种是指对人和生物有害的微生物、寄生虫等有两种含义，一种是指对人和生物有害的微生物、寄生虫等病原体和变应原等污染水体、大气、土壤和食品，影响生物产量病原体和变应原等污染水体、大气、土壤和食品，影响生物产量和质量，危害人类健康。和质量，危害人类健康。另一种是
2、指大气、水环境以及土壤环境中各种各样的污染物另一种是指大气、水环境以及土壤环境中各种各样的污染物质，包括施入土壤中的农药等，通过生物的表面附着、根部吸收、质，包括施入土壤中的农药等，通过生物的表面附着、根部吸收、叶片气孔的吸收以及表皮的渗透等方式进入生物机体内，并通过叶片气孔的吸收以及表皮的渗透等方式进入生物机体内，并通过食物链最终影响人体健康的现象。食物链最终影响人体健康的现象。二、植物受污染的主要途径二、植物受污染的主要途径1.表面附着表面附着表面附着是指污染物以物理方式黏附在植物表面的现象。表面附着是指污染物以物理方式黏附在植物表面的现象。表面附着量的大小与表面附着量的大小与植物的表面积
3、大小、表面形状、表面性植物的表面积大小、表面形状、表面性质质等有关。植物叶片越粗糙，比表面积越大，越能吸附大量污染等有关。植物叶片越粗糙，比表面积越大，越能吸附大量污染物。一些植物叶片分泌一些油脂性物质，增加了对颗粒态污染物物。一些植物叶片分泌一些油脂性物质，增加了对颗粒态污染物的吸附作用。例如云杉、油松、马尾松能分泌油脂性物质，杨梅、的吸附作用。例如云杉、油松、马尾松能分泌油脂性物质，杨梅、草莓等叶片粗糙，比表面积大。草莓等叶片粗糙，比表面积大。生物的污染生物的污染生物受到污染生物受到污染云杉云杉油松油松2.2.植物吸收植物吸收 植物对大气、水体和土壤中污染物的吸收方式可分植物对大气、水体和
4、土壤中污染物的吸收方式可分为为主动吸收主动吸收和和被动吸收被动吸收两种。两种。主动吸收即代谢吸收主动吸收即代谢吸收，是指植物细胞利用其特有的，是指植物细胞利用其特有的代谢作用所产生的能量而进行的吸收作用。细胞通过这代谢作用所产生的能量而进行的吸收作用。细胞通过这种吸收能把种吸收能把浓度差逆向的外界物质浓度差逆向的外界物质引入细胞内。植物通引入细胞内。植物通过根系从土壤或水体中吸收营养物质和水分的同时亦吸过根系从土壤或水体中吸收营养物质和水分的同时亦吸收污染物，其吸收量的大小与污染物的性质及含量、土收污染物，其吸收量的大小与污染物的性质及含量、土壤性质和植物品种等因素有关。壤性质和植物品种等因素
5、有关。主动吸收可使污染物在主动吸收可使污染物在植物体内浓缩。植物体内浓缩。被动吸收即物理吸收被动吸收即物理吸收，这种吸收依靠外液与原生质，这种吸收依靠外液与原生质的浓度差，通过溶质扩散作用实现吸收过程，其吸收量的浓度差，通过溶质扩散作用实现吸收过程，其吸收量的大小与污染物的性质及其含量大小，植物与污染物接的大小与污染物的性质及其含量大小，植物与污染物接触时间的长短等有关。触时间的长短等有关。三、动物受污染的主要途径三、动物受污染的主要途径 环境中的污染物主要通过环境中的污染物主要通过呼吸道、消化道和皮肤吸收呼吸道、消化道和皮肤吸收等途径进入动物体内，并通过食物链得到浓缩富集，最终等途径进入动物
6、体内，并通过食物链得到浓缩富集，最终进入人体。进入人体。1.1.动物吸收动物吸收 动物在呼吸空气的同时将毫无选择的吸收来自空气中动物在呼吸空气的同时将毫无选择的吸收来自空气中的气态污染物及悬浮颗粒物，在饮水和摄取食物的同时，的气态污染物及悬浮颗粒物，在饮水和摄取食物的同时，也将摄入其中的污染物，脂溶性污染物还能通过皮肤的吸也将摄入其中的污染物，脂溶性污染物还能通过皮肤的吸收作用进入动物机体。例如，某些气态毒物如氰化氢、砷收作用进入动物机体。例如，某些气态毒物如氰化氢、砷化氢等都可经皮肤吸收。化氢等都可经皮肤吸收。呼吸道吸收的污染物，通过呼吸道吸收的污染物，通过肺泡肺泡直接直接进入动物体内进入动
7、物体内大循环大循环。成年人每天吸入成年人每天吸入101012m12m3 3的空气，而空气中正隐藏着的空气，而空气中正隐藏着各种各样的污染物质。各种各样的污染物质。呼吸道是吸收大气污染物质的主要呼吸道是吸收大气污染物质的主要途径，途径，人的呼吸道主要包括鼻、咽、喉、气管、支气管及人的呼吸道主要包括鼻、咽、喉、气管、支气管及肺等部位。肺等部位。主要的吸收部位是主要的吸收部位是肺泡肺泡。肺泡的膜很薄，数量众多，。肺泡的膜很薄，数量众多，表面布满壁膜极薄、结构疏松的毛细血管。呼吸道吸收的表面布满壁膜极薄、结构疏松的毛细血管。呼吸道吸收的污染物只可以污染物只可以直接进入血液系统直接进入血液系统并转移至淋
8、巴系统或其他并转移至淋巴系统或其他器官，而不经肝脏的解毒作用，从而产生的毒性更大。器官，而不经肝脏的解毒作用，从而产生的毒性更大。消化道吸收的污染物通过消化道吸收的污染物通过小肠小肠吸收，吸收，经肝脏经肝脏在进入大循在进入大循环。环。食物和饮水主要是通过消化道进入人体的。从口腔摄食物和饮水主要是通过消化道进入人体的。从口腔摄入的食物和饮水中的污染物质，主要是被动扩散被消化管入的食物和饮水中的污染物质，主要是被动扩散被消化管吸收，主动转运很少。消化管包括口腔、咽喉、食管、胃、吸收，主动转运很少。消化管包括口腔、咽喉、食管、胃、小肠、大肠等部位，小肠、大肠等部位，主要的吸收部位是小肠，其次是胃主要
9、的吸收部位是小肠，其次是胃。进入小肠的污染物质大多数以进入小肠的污染物质大多数以被动扩散被动扩散方式通过小肠方式通过小肠黏膜再转入血液，因而污染物质的脂溶性越强、在小肠内黏膜再转入血液，因而污染物质的脂溶性越强、在小肠内浓度越高，被小肠吸收越快。浓度越高，被小肠吸收越快。小肠的吸收总面积约小肠的吸收总面积约200m200m2 2，胃的约为胃的约为1m1m2 2，小肠的吸收功能远大于胃。，小肠的吸收功能远大于胃。经皮肤吸收的污染物可直接进入血液循环经皮肤吸收的污染物可直接进入血液循环 人体皮肤的表面积平均约为人体皮肤的表面积平均约为1.8m1.8m2 2,同时还有近同时还有近1010万个毛细孔和
10、近万个毛细孔和近1010万根头发与头皮相通，这些都万根头发与头皮相通，这些都是污染物质进入人体的通道。相对而言，人体皮肤是污染物质进入人体的通道。相对而言，人体皮肤对污染物质的吸收能力较弱，常以对污染物质的吸收能力较弱，常以被动扩散被动扩散的方式的方式相继通过皮肤的表皮及真皮，再滤过真皮中的毛细相继通过皮肤的表皮及真皮，再滤过真皮中的毛细血管壁膜进入到血液中。血管壁膜进入到血液中。一般，相对分子质量低于一般，相对分子质量低于300,300,处于液态或溶解处于液态或溶解态，呈态，呈非极性的脂溶性污染物质非极性的脂溶性污染物质，最容易被皮肤吸，最容易被皮肤吸收，如酚、醇等。收，如酚、醇等。由呼吸道
11、吸收并沉积在呼吸道表面上的有害由呼吸道吸收并沉积在呼吸道表面上的有害物质，可咽到消化道，再被吸收进入机体。物质，可咽到消化道，再被吸收进入机体。2.2.食物链作用食物链作用 生物（包括微生物）能通过食物链传递和富集污染物。生物（包括微生物）能通过食物链传递和富集污染物。水体中的污染物通过生物、微生物的代谢作用进入生物、水体中的污染物通过生物、微生物的代谢作用进入生物、微生物体内得到微生物体内得到浓缩浓缩，其浓缩作用可使污染物在生物体内的，其浓缩作用可使污染物在生物体内的含量比在水体中的浓度大得多。水体环境中，浮游生物是食含量比在水体中的浓度大得多。水体环境中，浮游生物是食物链的基础。物链的基础
12、。污染物在食物链的每次传递中浓度就得到一次污染物在食物链的每次传递中浓度就得到一次浓缩，甚至可以达到产生中毒作用的程度。浓缩，甚至可以达到产生中毒作用的程度。人处于食物链的人处于食物链的末端，人若长期食用了污染水体中的鱼类，则可能由于污染末端，人若长期食用了污染水体中的鱼类，则可能由于污染物在体内长期富集浓缩，引起慢性中毒。物在体内长期富集浓缩，引起慢性中毒。环境污染物不仅可以通过环境污染物不仅可以通过水生生物食物链富集水生生物食物链富集，也可以，也可以通过通过陆生生物链富集陆生生物链富集。如农药、大气污染物，可通过植物的。如农药、大气污染物，可通过植物的叶片、根系进入植物体内得到富集，而含有
13、污染物的农作物、叶片、根系进入植物体内得到富集，而含有污染物的农作物、牧草、饲料等经过牛、羊、猪、鸡等动物进一步富集，最后牧草、饲料等经过牛、羊、猪、鸡等动物进一步富集，最后通过粮食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶等食物进入人体中浓缩，通过粮食、蔬菜、水果、肉、蛋、奶等食物进入人体中浓缩，危害人体健康。危害人体健康。第二节第二节 环境污染物在生物体内的分布环境污染物在生物体内的分布一、一、污染物在植物体内的分布污染物在植物体内的分布 许多污染物质都是通过植物的土壤进入生态系统的。许多污染物质都是通过植物的土壤进入生态系统的。植物对污染物质的吸收植物对污染物质的吸收被认为是污染物在食物链中的积被认为是污
14、染物在食物链中的积累并危害陆生动物的第一步。累并危害陆生动物的第一步。污染物质进入到植物体的途径：污染物质进入到植物体的途径：通过通过根系的吸收根系的吸收并通过蒸腾作用输送到植物体的并通过蒸腾作用输送到植物体的各部分；各部分；通过植物通过植物叶片的气孔叶片的气孔从周围空气中从周围空气中吸收吸收蒸汽化的蒸汽化的污染物质，并输送到植物体的各个部分；污染物质，并输送到植物体的各个部分；植物表皮通过植物表皮通过渗透作用渗透作用吸收有机污染物的蒸汽。吸收有机污染物的蒸汽。各种途径吸收的污染物总和减去植物代谢过程中消各种途径吸收的污染物总和减去植物代谢过程中消耗或损失的是污染物质在生物体内的积累。耗或损失
15、的是污染物质在生物体内的积累。根部吸收根部吸收 污染物主要是通过根部吸收进入植物体内，根部对污染污染物主要是通过根部吸收进入植物体内，根部对污染物质的吸收有两种方式：主动吸收和被动吸收。主动吸收需物质的吸收有两种方式：主动吸收和被动吸收。主动吸收需要消耗一定量的能量，而被动吸收主要是通过扩散、吸收和要消耗一定量的能量，而被动吸收主要是通过扩散、吸收和质量流动，不需要消耗能量。质量流动，不需要消耗能量。根部吸收主要是根部吸收主要是物理吸附物理吸附而不是生物化学行为。根部的而不是生物化学行为。根部的吸收过程在最初一个小时之内最快，占吸收过程在最初一个小时之内最快，占4848小时过程的小时过程的50
16、%50%70%70%，且在吸收过程中污染物质在根部很快达到平衡而浓度不，且在吸收过程中污染物质在根部很快达到平衡而浓度不随时间增加而变化。随时间增加而变化。植物植物叶片的气孔叶片的气孔吸收空气中的蒸汽态污染物质吸收空气中的蒸汽态污染物质 叶子表面有很多气孔，气孔可以随环境条件的变化而有叶子表面有很多气孔，气孔可以随环境条件的变化而有时张开有时关闭，气孔是二氧化碳、氧气和其他气体的进出时张开有时关闭，气孔是二氧化碳、氧气和其他气体的进出口，也是蒸腾作用的出口。口，也是蒸腾作用的出口。降落在植物表面的污染物可通过降落在植物表面的污染物可通过渗透渗透作用进入植物体内作用进入植物体内 这种吸收作用很少
17、，但某些污染物，比根部吸收更重要。这种吸收作用很少，但某些污染物，比根部吸收更重要。只有植物表面直接接触的污染物质只有植物表面直接接触的污染物质才能通过渗透作用进入植物体内才能通过渗透作用进入植物体内植物从植物从大气大气中吸收污染物后，污染物在植物体内的中吸收污染物后，污染物在植物体内的残留量残留量常以叶部分布最多。常以叶部分布最多。植物从植物从土壤和水体土壤和水体中吸收污染物，其残留量一般的分布规中吸收污染物，其残留量一般的分布规律为：根茎叶穗壳种子。律为：根茎叶穗壳种子。表表5 5-2-2 水稻各部位水稻各部位1414C-C-六六六残留量及残留比六六六残留量及残留比表表5 5-1-1 成熟
18、期水稻各部位中的含镉量成熟期水稻各部位中的含镉量二、污染物在动物体内的分布二、污染物在动物体内的分布污染物质在动物体内的分别过程主要包括吸收、分布和排泄。污染物质在动物体内的分别过程主要包括吸收、分布和排泄。1.吸收吸收吸收是污染物质从机体外吸收是污染物质从机体外,通过各种途径通透体膜进入通过各种途径通透体膜进入血液的过程。血液的过程。吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。吸收途径主要是机体的消化管、呼吸道和皮肤。消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。进入小肠的污消化管的主要吸收部位在小肠，其次是胃。进入小肠的污染物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入血液。染物质大多以被动扩散通过肠粘膜再转入
19、血液。影响消化管吸收的因素：（影响消化管吸收的因素：（1）污染物质的脂溶性污染物质的脂溶性：脂溶脂溶性越强及在小肠内浓度越高性越强及在小肠内浓度越高,被小肠吸收也越快。被小肠吸收也越快。（2）血液流速血液流速：污染物质的脂溶性强，血流速度越大污染物质的脂溶性强，血流速度越大,则则膜两侧污染物质的浓度梯度越大膜两侧污染物质的浓度梯度越大,机体对污染物质的吸收速机体对污染物质的吸收速率也越大。极性污染物质率也越大。极性污染物质,因其脂溶性小因其脂溶性小,在被小肠吸收时在被小肠吸收时经膜扩散成了限速因素经膜扩散成了限速因素,而对血流影响不敏感。而对血流影响不敏感。（3）离解度离解度：未解离型易于扩散
20、通过膜。：未解离型易于扩散通过膜。呼吸道是吸收大气污染物的主要途径。其主要吸收部位是肺泡。呼吸道是吸收大气污染物的主要途径。其主要吸收部位是肺泡。气态和液态气溶胶污染物质气态和液态气溶胶污染物质,可以被动扩散和滤过方式可以被动扩散和滤过方式,分别迅速分别迅速通过肺泡和毛细血管膜进入血液通过肺泡和毛细血管膜进入血液。固态气溶胶和粉尘污染物质吸进。固态气溶胶和粉尘污染物质吸进呼吸道后呼吸道后,可在气管、支气管及肺泡表面沉积。可在气管、支气管及肺泡表面沉积。到达肺泡的固态颗到达肺泡的固态颗粒很小粒很小,粒径小于粒径小于5m。其中。其中,易溶微粒在溶于肺泡表面体液后易溶微粒在溶于肺泡表面体液后,按上述
21、过程被吸收按上述过程被吸收,而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收。而难溶微粒往往在吞噬作用下被吸收。皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径。皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径。皮肤接触的污染物皮肤接触的污染物质质,常以被动扩散相继通过皮肤的表皮及真皮常以被动扩散相继通过皮肤的表皮及真皮,再滤过真皮中毛细再滤过真皮中毛细血管壁膜进入血液。血管壁膜进入血液。一般一般,分子量低于分子量低于300，处于液态或溶解态，处于液态或溶解态,呈非极性的脂溶性污染物质呈非极性的脂溶性污染物质,最容易被皮肤吸收最容易被皮肤吸收,如酚、尼古丁、如酚、尼古丁、马钱子碱等。马钱子碱等。血脑屏障血脑屏障：中枢神经系统的毛细血
22、管壁内皮细胞互相紧密中枢神经系统的毛细血管壁内皮细胞互相紧密相连、几乎无空隙相连、几乎无空隙，是阻止已进入人体的有毒污染物深入到中是阻止已进入人体的有毒污染物深入到中枢神经系统的屏障。枢神经系统的屏障。当污染物质由血液进入脑部时当污染物质由血液进入脑部时,必须穿过必须穿过这一毛细管壁内皮的屏障这一毛细管壁内皮的屏障，此时此时,污染物质的经膜通透性成为污染物质的经膜通透性成为其转运的限速因素。其转运的限速因素。高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性高脂溶性低解离度的污染物质经膜通透性好好,容易通过血脑屏障容易通过血脑屏障,由血液进入脑部由血液进入脑部,如甲基如甲基汞汞化合物。化合物。2.2.排泄排
23、泄 排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等，而以排泄器官有肾、肝胆、肠、肺、外分泌腺等，而以肾和肝肾和肝胆胆为主。为主。肾排泄是污染物质通过肾随尿而排出的过程。肾排泄是污染物质通过肾随尿而排出的过程。胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，胆汁排泄是指主要由消化管及其他途径吸收的污染物质，经血液到达肝脏后，以原物或其代谢物和胆汁一起分泌至十二经血液到达肝脏后，以原物或其代谢物和胆汁一起分泌至十二指肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。指肠，经小肠至大肠内，再排出体外的过程。*值得注意的是有些物
24、质由胆汁排泄，在肠道运行中又重值得注意的是有些物质由胆汁排泄，在肠道运行中又重新被吸收，该现象称为新被吸收，该现象称为肠肝循环肠肝循环。3.3.分布分布 分布是分布是指污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由指污染物质被吸收后或其代谢转化物质形成后，由血液转送至机体各组织血液转送至机体各组织;与组织成分结合；从组织返回血液以与组织成分结合；从组织返回血液以及再反复等过程。及再反复等过程。按照污染物性质和进入动物组织的类型不同，大体有以按照污染物性质和进入动物组织的类型不同，大体有以下五种分布规律：下五种分布规律：（1 1）能溶解于体液的物质，如钠、钾、锂、氟、氯、溴）能溶解于体液的物质，如钠
25、、钾、锂、氟、氯、溴等离子，在体内分布比较均匀。等离子，在体内分布比较均匀。（2 2）镧、锑、钍等三价和四价阳离子，水解后生成胶体，）镧、锑、钍等三价和四价阳离子，水解后生成胶体，主要蓄积于肝或其他网状内皮系统。主要蓄积于肝或其他网状内皮系统。（3 3）与骨骼亲和性较强的物质，如铅、钙、钡、锶、镭、）与骨骼亲和性较强的物质，如铅、钙、钡、锶、镭、铍等二价阳离子在骨骼中含量较高。铍等二价阳离子在骨骼中含量较高。（4 4）对某一种器官具有特殊亲和性的物质，则在该种器）对某一种器官具有特殊亲和性的物质，则在该种器官中蓄积较多。如碘对甲状腺，汞、铀对肾脏有特殊亲和性。官中蓄积较多。如碘对甲状腺，汞、铀
26、对肾脏有特殊亲和性。（5 5）脂溶性物质，如有机氯化合物（六六六、）脂溶性物质，如有机氯化合物（六六六、DDTDDT等），等），易蓄积于动物体内的脂肪中。易蓄积于动物体内的脂肪中。一些金属、类金属在动物及人体内的主要分布部位一些金属、类金属在动物及人体内的主要分布部位一种污染物对某一种器官有特殊亲和作用，但同时也分一种污染物对某一种器官有特殊亲和作用，但同时也分布于其他器官；布于其他器官；同一种元素可能因其价态或存在形态不同而在体内蓄积的同一种元素可能因其价态或存在形态不同而在体内蓄积的部位也有所不同。部位也有所不同。如水溶性汞离子很少进入脑组织，但烷基如水溶性汞离子很少进入脑组织，但烷基汞呈
27、脂溶性，能通过脑屏障进入脑组织。汞呈脂溶性，能通过脑屏障进入脑组织。4.4.生物蓄积生物蓄积 机体长期接触某污染物质，若吸收超过排泄及其代谢转化，机体长期接触某污染物质，若吸收超过排泄及其代谢转化，则会出现该污染物质在体内逐增的现象，称为生物蓄积。蓄积则会出现该污染物质在体内逐增的现象，称为生物蓄积。蓄积量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。量是吸收、分布、代谢转化和排泄各量的代数和。机体的主要蓄积部位是机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨酪血浆蛋白、脂肪组织和骨酪。污染。污染物质常与血浆蛋白结合而蓄积。物质常与血浆蛋白结合而蓄积。蓄积部位与毒性作用部位蓄积部位与毒性作用部位：相同
28、：相同-如百草枯在肺及一氧化如百草枯在肺及一氧化碳在红细胞中血红蛋白的集中。不相一致碳在红细胞中血红蛋白的集中。不相一致-如如DDTDDT在脂肪组织在脂肪组织中蓄积中蓄积,而毒性作用部位是神经系统及其他脏器而毒性作用部位是神经系统及其他脏器;铅集中于骨铅集中于骨髓髓,而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。而毒性作用部位在造血系统、神经系统及胃肠道等。蓄积部位中的污染物质蓄积部位中的污染物质,常同血浆中游离型污染物质保持常同血浆中游离型污染物质保持相对稳定的平衡。相对稳定的平衡。在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致在污染物质蓄积和毒性作用的部位不相一致时时,蓄积部位可成为污染物质内在的
29、二次接触源蓄积部位可成为污染物质内在的二次接触源 ,有可能引有可能引起机体慢性中毒。起机体慢性中毒。第三节第三节 污染物质的生物富集、放大和积累污染物质的生物富集、放大和积累 各种物质进入生物体内，即参加生物的代谢过程，其中生命各种物质进入生物体内，即参加生物的代谢过程，其中生命必需的物质，部分参与了生物体的构成，多余的必需物质和非生必需的物质，部分参与了生物体的构成，多余的必需物质和非生命所需的物质中，易分解的经代谢作用很快排出体外，会长期残命所需的物质中，易分解的经代谢作用很快排出体外，会长期残留在生物体内，随着摄入量的增大，在生物体内的浓度也会逐渐留在生物体内，随着摄入量的增大，在生物体
30、内的浓度也会逐渐增大。增大。一、生物富集一、生物富集 生物富集生物富集是指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，是指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，通过通过非吞食方式非吞食方式，从周围环境，从周围环境(水、土壤、大气水、土壤、大气)蓄积某种元素或蓄积某种元素或难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现象。生物富集用生物浓缩系数表示，即：生物富集用生物浓缩系数表示，即：BCF=BCF=C Cb b/C Ce e 式中：式中：BCFBCF：生物浓缩系数：生物浓缩系数 C Cb b：某种元素或难降解物质在机体中的浓度：某
31、种元素或难降解物质在机体中的浓度;C Ce e：某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度。：某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度。生物浓缩系数生物浓缩系数(Bioconcentration Factor)(Bioconcentration Factor)：金枪鱼和海绵对铜的金枪鱼和海绵对铜的浓缩系数浓缩系数,分别是分别是100100和和14001400。一般一般,降解性小、降解性小、脂溶性高、水溶性脂溶性高、水溶性低的物质低的物质,生物浓生物浓缩系数高缩系数高一般，重金属元素和许多氯化碳氢化物、稠环、杂环一般，重金属元素和许多氯化碳氢化物、稠环、杂环等有机化合物具有很高的生物浓缩系数。
32、等有机化合物具有很高的生物浓缩系数。二、生物放大二、生物放大 是指在是指在同一食物链上同一食物链上的的高营养级生物高营养级生物，通过，通过吞食吞食低营养低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内的浓度随级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象。生物放大的程度也用生物浓缩营养级数提高而增大的现象。生物放大的程度也用生物浓缩系数表示。系数表示。生物放大的结果是食物链上高营养级生物体体内这种物生物放大的结果是食物链上高营养级生物体体内这种物质的浓度显著超过环境中的浓度，质的浓度显著超过环境中的浓度，如不存在食物链的关系如不存在食物链的关系就就不能称之为生物
33、放大，而不能称之为生物放大，而只能是生物富集或生物积累只能是生物富集或生物积累。生物放大并不是在所有条件下都能发生。有些物质只能生物放大并不是在所有条件下都能发生。有些物质只能沿着生物链传递，不能沿食物链放大；有些既不能沿食物链沿着生物链传递，不能沿食物链放大；有些既不能沿食物链传递，也不能沿食物链放大。传递，也不能沿食物链放大。影响生物放大的因素很多，如食物链往往都十分复杂影响生物放大的因素很多，如食物链往往都十分复杂,相相互交织成网状互交织成网状,同一种生物在发育的不同阶段或相同阶段同一种生物在发育的不同阶段或相同阶段,有有可能隶属于不同的营养级而具有多种食物来源可能隶属于不同的营养级而具
34、有多种食物来源,这就扰乱了这就扰乱了生物放大。生物放大。不同生物或同一生物在不同的条件下不同生物或同一生物在不同的条件下,对物质的对物质的吸收、消除等均有可能不同吸收、消除等均有可能不同,也会影响生物放大状况也会影响生物放大状况。有机化合物在生物体的积累不是通过有机化合物在生物体的积累不是通过食物链迁移产生的生物放大，而是生食物链迁移产生的生物放大，而是生物脂肪对有机化合物的溶解作用。物脂肪对有机化合物的溶解作用。三、生物积累三、生物积累生物积累是生物从生物积累是生物从周围环境周围环境(水、土壤、大气水、土壤、大气)和和食物链食物链蓄蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环积某种
35、元素或难降解物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。境中浓度的现象。生物积累也用生物浓缩系数（生物积累也用生物浓缩系数（BCF）表示。）表示。以水生生物对某物质的生物积累而论，其微分速率方程以水生生物对某物质的生物积累而论，其微分速率方程可以表示为：可以表示为：式中：式中：c cw w生物生存水中某物质浓度；生物生存水中某物质浓度；c ci i食物链食物链i i级生物中该物质浓度；级生物中该物质浓度；c ci i1 1食物链食物链i i1 1级生物中该物质浓度；级生物中该物质浓度；W Wi,ii,iI Ii i级生物对级生物对i i1 1级生物的摄食量级生物的摄食量 i,i-1i,i
36、-1 i i级生物对级生物对i i1 1级生物中该物质的同化率；级生物中该物质的同化率；K Kaiai i i级生物对该物质的吸收速率常数；级生物对该物质的吸收速率常数；K Kei ei i i级生物体中该物质消除速率常数；级生物体中该物质消除速率常数；K Kgi gi i i级生物的生长速率常数。级生物的生长速率常数。当生物积累达到平衡时，当生物积累达到平衡时，dci/dt=0dci/dt=0时：时：式中右端二项依次以式中右端二项依次以 C Cwiwi 和和C Cii表示表示,则此式改则此式改写成写成:从水中摄得从水中摄得的浓度的浓度-生物生物富集的贡献富集的贡献从食物链传递得到从食物链传递
37、得到的浓度的浓度-生物放大生物放大的贡献的贡献从上式可以看出，生物积累的物质浓度中，两相进从上式可以看出，生物积累的物质浓度中，两相进行比较，可以看出生物富集和生物放大对生物积累的行比较，可以看出生物富集和生物放大对生物积累的贡献。贡献。生物放大和生物富集都是生物生物放大和生物富集都是生物积累的一种方式积累的一种方式表表5-1 5-1 生物富集、放大和积累对照生物富集、放大和积累对照生物富集生物富集生物放大生物放大生物积累生物积累作用对作用对象象环境环境生物体生物体前位生物体前位生物体后后生物体生物体环境、生物环境、生物体体生物体生物体作用机作用机理理C C生物体生物体CC环境环境C C后生物
38、体后生物体CC前位生物前位生物体体富集系数不富集系数不断增大断增大表达方表达方式式C CBioBio/C/Cw wCCBioBio/C/CBioBioC CBioBio/C/Cw w第四节第四节 微生物对环境污染物的降解转化作用微生物对环境污染物的降解转化作用物质在生物作用下经受的化学变化，称为物质在生物作用下经受的化学变化，称为生物转化或代谢生物转化或代谢。通过生物，特别是微生物的转化，污染物质的毒性也随之改通过生物，特别是微生物的转化，污染物质的毒性也随之改变。变。一、微生物的生理特征一、微生物的生理特征微生物可以催化氧化或降解有机污染物或转化重金属元素微生物可以催化氧化或降解有机污染物或
39、转化重金属元素存在形态，这是环境中有机污染物转化的重要过程，同时微存在形态，这是环境中有机污染物转化的重要过程，同时微生物在重金属的迁移转化过程中也有很重要的作用。生物在重金属的迁移转化过程中也有很重要的作用。微生物是生物催化剂，能使许多化学反应过程在环境中发微生物是生物催化剂，能使许多化学反应过程在环境中发生，同时生物有机体的降解又为其他生物生长提供必要的营生，同时生物有机体的降解又为其他生物生长提供必要的营养，以补偿和维持生物活性的营养库。养，以补偿和维持生物活性的营养库。1.微生物的种类微生物的种类环境中的微生物可以分为三类：细菌、真菌和藻类。环境中的微生物可以分为三类：细菌、真菌和藻类
40、。细菌和真菌可认为是还原剂类，能使化合物分解为更简单细菌和真菌可认为是还原剂类，能使化合物分解为更简单的形式，从而维持它们自身的生长和代谢过程所需的能量。的形式，从而维持它们自身的生长和代谢过程所需的能量。细菌可分为自养细菌和异养细菌。基本形态有杆状、球细菌可分为自养细菌和异养细菌。基本形态有杆状、球状和螺旋状三种，属于原核微生物。单个细菌的细胞很小，状和螺旋状三种，属于原核微生物。单个细菌的细胞很小，只能在显微镜下看到，大多数细菌的大小在只能在显微镜下看到，大多数细菌的大小在0.53.0m范围。范围。球形菌球形菌弧形菌弧形菌螺形菌螺形菌杆形菌杆形菌真菌是类似植物但缺乏叶绿素的非光合生物，通常
41、是丝真菌是类似植物但缺乏叶绿素的非光合生物，通常是丝状结构，它对高浓度的金属离子的耐受能力很强，真菌对环状结构，它对高浓度的金属离子的耐受能力很强，真菌对环境最终的作用是分解植物的纤维素。境最终的作用是分解植物的纤维素。单细胞真菌多细胞真菌大型真菌藻类是一大类低等植物的统称。藻类是一大类低等植物的统称。藻类属于真核生物，藻类属于真核生物，是一种低等植物，种类很多，有单细胞的，也有多细胞的。是一种低等植物，种类很多，有单细胞的，也有多细胞的。植物体无根、茎、叶的分化，有的有鞭毛，能动。植物体无根、茎、叶的分化，有的有鞭毛，能动。光合光合色素：分为三大类，叶绿素色素：分为三大类，叶绿素(a,b,c
42、,d)；类胡萝卜素；藻胆；类胡萝卜素；藻胆素素(藻蓝素，藻红素藻蓝素，藻红素)。多数生活在水中，淡水种类多，海多数生活在水中，淡水种类多，海洋种类少，但数量多。洋种类少，但数量多。藻类营养一般是无机物，即自养型，其细胞内含有叶绿藻类营养一般是无机物，即自养型，其细胞内含有叶绿素及其他辅助色素，能进行光合作用。素及其他辅助色素，能进行光合作用。在有光照的时候，利用光能吸收二氧化碳合成细胞物质，在有光照的时候，利用光能吸收二氧化碳合成细胞物质，同时释放出氧气；在夜间无阳光时，则通过呼吸作用，取得同时释放出氧气；在夜间无阳光时，则通过呼吸作用，取得能量，吸收氧气，同时放出二氧化碳。能量，吸收氧气，同
43、时放出二氧化碳。这一特征在稳定塘废水处理方法中体现，白天塘内氧气这一特征在稳定塘废水处理方法中体现，白天塘内氧气充足，微生物利用氧气进行好氧分解有机物；夜间藻类呼吸充足，微生物利用氧气进行好氧分解有机物；夜间藻类呼吸氧气，使氧气，使DO下降。下降。硅藻硅藻红藻红藻褐藻褐藻 细菌接种到定量的液体培养基中，定时细菌接种到定量的液体培养基中，定时取样测定细胞数量。取样测定细胞数量。以以培养时间培养时间为为横座标横座标以以菌数菌数为为纵座标纵座标作图作图得到的一条反映得到的一条反映细菌在整个培养期间菌数变化规细菌在整个培养期间菌数变化规律律的曲线。的曲线。2.2.微生物的生长规律微生物的生长规律 微生
44、物的生长规律可以用生长曲线表现出来。微生物的生长规律可以用生长曲线表现出来。根据微生物的根据微生物的生长速率常数生长速率常数（growthrateconstant），即，即每小时的分裂次数（每小时的分裂次数（R）的不同，一般可把典型生长曲线粗分为）的不同，一般可把典型生长曲线粗分为延滞期延滞期、指数期指数期、稳定期稳定期和和衰亡期衰亡期等等4 4个时期个时期。延滞期延滞期指数期指数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期延滞期延滞期指数期指数期稳定期稳定期衰亡期衰亡期5-7 又称又称停滞期停滞期、调整期调整期和和适应期适应期。指少量单细胞微生物接种到新鲜培养基指少量单细胞微生物接种到新鲜培养基后，在开始培养
45、的一段时间内细胞数目后，在开始培养的一段时间内细胞数目不立即增加，或增加很少，生长速度接不立即增加，或增加很少，生长速度接近于零的一段时期近于零的一段时期代谢系统是正在代谢系统是正在适应新环境。适应新环境。（一）（一）延滞期延滞期（Lagphase）延滞期延滞期分裂迟缓、代谢活跃分裂迟缓、代谢活跃 生长速率常数为零；生长速率常数为零；细胞形态变大或增长，许多杆菌可长成丝状，细胞形态变大或增长，许多杆菌可长成丝状，Eg.Eg.巨大芽孢杆菌（巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）在延滞期末，细胞的平在延滞期末，细胞的平均长度比刚接种时长均长度比刚接种时长6倍；倍；一般来说处于迟缓期
46、的细菌细胞体积最大一般来说处于迟缓期的细菌细胞体积最大！细胞内细胞内RNARNA尤其是尤其是rRNArRNA含量增高；含量增高；合成代谢十分活跃，核糖体、酶类和合成代谢十分活跃，核糖体、酶类和ATPATP合成加速，易产生各合成加速，易产生各种诱导酶；种诱导酶；对外界不良条件如对外界不良条件如NaClNaCl溶液浓度、温度和抗生素等理化因素溶液浓度、温度和抗生素等理化因素反应敏感。反应敏感。（1）延滞期的特点延滞期的特点细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓。细胞处于活跃生长中，只是分裂迟缓。在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。在此阶段后期，少数细胞开始分裂，曲线略有上升。微生物接种到一个新
47、的环境，暂时缺乏分解和催化有关底物的酶，或微生物接种到一个新的环境，暂时缺乏分解和催化有关底物的酶，或是缺乏充足的中间代谢产物等。为产生诱导酶或合成中间代谢产物，就需是缺乏充足的中间代谢产物等。为产生诱导酶或合成中间代谢产物，就需要一段适应期。要一段适应期。调调 整整 代代 谢谢（2）延滞期出现的原因延滞期出现的原因（二）（二）对数生长期对数生长期（Logarithmicphase）又称又称指数生长期指数生长期（Exponential phase）。指。指在生长曲在生长曲线中，紧接着延滞期的一段细胞数以几何级数增长的时期线中，紧接着延滞期的一段细胞数以几何级数增长的时期。指数期指数期对数生长期
48、的特点对数生长期的特点 生长速率常数生长速率常数R R最大，因而细胞每分裂一次最大，因而细胞每分裂一次所需的时间所需的时间代时代时（generation time，G G，又称，又称世代时间世代时间或或增代时间增代时间）或原生质增加一倍所需或原生质增加一倍所需的的倍增时间倍增时间（doubling time）最短；最短；细胞进行细胞进行平衡生长平衡生长（balanced growth），菌，菌体各部分的成分十分均匀体各部分的成分十分均匀；酶系活跃，代谢旺盛；酶系活跃，代谢旺盛；（三）（三）稳定期稳定期（stationaryphase）又称又称恒定期或最高生长期恒定期或最高生长期。其特点是生长速
49、率常数其特点是生长速率常数R等等于于0，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长，即处于新繁殖的细胞数与衰亡的细胞数相等，或正生长与负生长相等的动态平衡之中。与负生长相等的动态平衡之中。稳定期稳定期 这时的菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出这时的菌体产量达到了最高点，而且菌体产量与营养物质的消耗间呈现出一定的比例关系，这一关系就是一定的比例关系，这一关系就是生长产量常数生长产量常数Y（或称生长得率，（或称生长得率，growth yield）。xx0 xx0Y=Y=C C0C CC C0 x稳定期时的细胞干重（稳定期时的细胞干重（gml培养液），培养液），x0刚接
50、种时的细胞干重，刚接种时的细胞干重，C0 限制性营养物的最初浓度（限制性营养物的最初浓度（gml），），C 稳定期时限制性营养物的浓度（由于计算稳定期时限制性营养物的浓度（由于计算Y时必须用限制性营时必须用限制性营养物，所以养物，所以C应等于应等于0）。）。（四）（四）衰亡期衰亡期（declinephase或或deathphase）在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生的速度，整个群在衰亡期中，个体死亡的速度超过新生的速度，整个群体呈现负生长状态（体呈现负生长状态（R为负值）。为负值）。衰亡期衰亡期 细胞形态发生多形化，细胞形态发生多形化，例如会发生膨大或不规则的退化形例如会发生膨大或不规则的退化