第三章_生物富集 2.

1、第二章第二章 生物富集生物富集20201211111張俊萍 2013200050 主講人： 張俊萍 2013200050 合作成員：李 慧 2013200031 對(duì)于一個(gè)受污染的生態(tài)系統(tǒng)而言，處于不同營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的生物體內(nèi)的污染物濃度，不僅高于環(huán)境中污染物的濃度，而且具有明顯的隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)升高而增加的現(xiàn)象。污染物在食物鏈中的流動(dòng)和積累，對(duì)人類的健康造成了很大的威脅，因此，研究污染物的生物積累現(xiàn)象及其機(jī)制，具有十分重要的意義。 第二章 生物富集 第一節(jié) 生物富集的概念 第二節(jié) 生物富集的機(jī)制 第三節(jié) 生物富集的研究方法第一節(jié) 生物富集的概念 生物富集（bio-enrichment） 又稱生物濃縮（bio

2、-concentration），是指生物機(jī)體或處于同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)的許多生物種群，從周圍環(huán)境中有選擇吸收和蓄積某種元素或難分解的化合物，導(dǎo)致生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過(guò)環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。 生物富集常用富集系數(shù)或濃縮系數(shù)來(lái)表示 ： 富集系數(shù)Ci/C0 附： C-生物體內(nèi)污染物的濃度 C0生存環(huán)境中該污染物濃度 生物積累（bio-accumulation） 同一生物個(gè)體在其整個(gè)代謝活躍期中的不同階段，機(jī)體內(nèi)來(lái)自環(huán)境的元素或難分解化合物的濃縮系數(shù)不斷增加的現(xiàn)象。 生物積累使這些物質(zhì)的蓄積隨該生物體的生長(zhǎng)發(fā)育而不斷增多?？茖W(xué)家們研究得最多的是生物體從環(huán)境中積累有毒重金屬和難以分解的有機(jī)農(nóng)藥。 生物放大（bio-

3、magnification） 在同一食物鏈上，高位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物機(jī)體內(nèi)來(lái)自環(huán)境元素或難分解化合物的濃縮系數(shù)比低位營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物增加的現(xiàn)象。 生物放大一詞是專指具有食物鏈關(guān)系的生物說(shuō)的，如果生物之間不存在食物鏈關(guān)系，則用生物濃縮或生物積累來(lái)解釋。第二章 生物富集 第一節(jié) 生物富集的概念 第二節(jié) 生物富集的機(jī)制 第三節(jié) 生物富集的研究方法第二節(jié) 生物富集機(jī)制 影響生物富集的因素很多：生物種的生物學(xué)特性、污染物的性質(zhì)、生物器官和組織、污染物的濃度和作用時(shí)間，以及環(huán)境特點(diǎn)是主要的、決定性的因素。一、生物種的生物學(xué)特性 1）生物體內(nèi)能與污染物結(jié)合的物質(zhì) 不同種的生物對(duì)物質(zhì)的富集程度是不一樣的。 生物富集主要決定

4、于生物本身的特性，特別是生物體內(nèi)存在的、能與污染物結(jié)合而形成穩(wěn)定化合物的某類物質(zhì)的活性強(qiáng)弱和數(shù)量多少。生物體內(nèi)凡是能和污染物形成穩(wěn)定結(jié)合物的物質(zhì)，都能增加生物富集量。生物體內(nèi)有很多組分都能和污染物特別是重金屬相結(jié)合而形成穩(wěn)定的結(jié)合物，從而消除或化解重金屬的毒害作用。 這類物質(zhì)有糖類、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂類、核酸等。 （1）糖類 單糖分子結(jié)構(gòu)中都有醛基（果糖是酮糖，但易變?yōu)槿┨牵侵械柠溠刻?、乳糖，多糖中的纖維素等都是由半縮醛羥基與醇羥基縮合而成，其分子結(jié)構(gòu)中部具有1，4苷鍵，并因此保留一個(gè)半縮醛羥基，使其中一個(gè)單糖有可能轉(zhuǎn)變?yōu)槿┦蕉哂羞€原性。 在還原性環(huán)境中，重金屬離子易被還原，導(dǎo)致活性下

5、降，并和糖類結(jié)合形成不溶性化合物。（2 2）蛋白質(zhì)和氨基酸）蛋白質(zhì)和氨基酸 蛋白質(zhì)和氨基酸也具有與重金屬及某些農(nóng)藥相結(jié)合的潛位。 等電點(diǎn)：兩性離子所帶電荷因溶液的pH值不同而改變，當(dāng)兩性離子正負(fù)電荷數(shù)值相等時(shí)，溶液的pH值即其等電點(diǎn)。一股認(rèn)為蛋白質(zhì)所含有的酸性氨基酸比堿性氨基酸多，其等電點(diǎn)接近于pH值為5。如果在中性環(huán)境中，蛋白質(zhì)往往呈陰離子狀態(tài)，易和金屬陽(yáng)離子結(jié)合離子吸附作用。 氨基酸：氨基酸：1 1）、）、含有含有羧基和氨基羧基和氨基，它們都能與金屬相結(jié)合，它們都能與金屬相結(jié)合而形成金屬螯合物。而形成金屬螯合物。 2 2）、許多氨基酸還含有）、許多氨基酸還含有一一N N基、一基、一SHSH

6、基基等，也都能與金屬結(jié)合形成復(fù)雜的金屬螯合環(huán)。等，也都能與金屬結(jié)合形成復(fù)雜的金屬螯合環(huán)。 在能與重金屬結(jié)合的蛋白質(zhì)中，最重要的是在能與重金屬結(jié)合的蛋白質(zhì)中，最重要的是金屬硫蛋白金屬硫蛋白及類金屬硫蛋白及類金屬硫蛋白。 （3）脂類含有極性酯鍵，這類酯鍵能和金屬離子結(jié)合而形成絡(luò)合物或螯合物，從而把重金屬貯存在脂肪內(nèi)。 （4）核酸在生物富集中具有十分重要的作用。核酸是極性化合物，既含有磷酸基又含有堿性基團(tuán)，屬兩性電解質(zhì)。在一定的pH條件下能解離而帶電荷，所以能和金屬離子結(jié)合。 污染物質(zhì)和上述生物各組分結(jié)合，并被固定在生物體各部位，降低污染物的活性，從而加速生物的吸收，增加富集量。2）、不同器官 生物

7、的不同器官對(duì)污染物的富集量有很大差異。這是因?yàn)楦黝惼鞴俚慕Y(jié)構(gòu)和功能不同，與污染物接觸時(shí)間的長(zhǎng)短、接觸面積的大小等也都存在很大差異。 對(duì)三種魚（鰱魚、草魚、鯉魚）的研究證明，在相同鉛濃度下，三種魚各部位的富集規(guī)律都一致： 即鰓內(nèi)臟骨筋頭肌肉。水稻對(duì)水稻對(duì)PdPd的吸收為：的吸收為：根根 葉葉 莖莖 谷殼谷殼 米米3）、不同生育期 生物在不同生育期接觸污染物；體內(nèi)富集量有明顯差異。水稻對(duì)鉛的富集順序?yàn)椋?拔節(jié)期分蘗期苗期抽穗期結(jié)實(shí)期。 葉片和莖對(duì)鉛的富集量也以拔節(jié)期鉛最高。 谷殼和糙米的富集量則不同都是以結(jié)實(shí)期鉛富集量最高，其富集順序?yàn)椋?結(jié)實(shí)期苗期拔節(jié)期抽穗期分蘗期。 小麥對(duì)六六六的吸收也一樣。

8、4）、不同生物物種 不同生物種對(duì)污染物的吸收累積存在差異。 薛森棟等對(duì)美國(guó)華盛頓州Tocoma冶煉廠下風(fēng)向楓林地 土壤上植物中的汞的含量和分布進(jìn)項(xiàng)研究，研究菌耳和地 衣因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的吸收痕量元素的能力，比同一區(qū)域內(nèi)的 樹木可吸收累積更多的汞。 黃會(huì)一等研究表明，幾種楊樹富集汞的強(qiáng)弱順序?yàn)椋?加拿大楊晚花楊早楊遼楊。 8種水生植物對(duì)銅的吸收規(guī)律為： 苦草（2種）黑藻喜旱蓮子草大藻心葉水車前水車前。 海洋生物比淡水生物所富集的砷要多得多。各種淡水魚海洋生物比淡水生物所富集的砷要多得多。各種淡水魚的砷的富集系數(shù)的砷的富集系數(shù)330330和和1010一一4040。海洋生物砷的富集系數(shù)則。海洋生物砷的富

9、集系數(shù)則比這些淡水魚及甲殼動(dòng)物要高出比這些淡水魚及甲殼動(dòng)物要高出1010010100倍倍5)、超積累植物 重金屬超量積累植物：植物能超量吸收和積累重金屬 這類植物有三個(gè)主要特征： a 體內(nèi)某一元素濃度大于一定的臨界值； b 植物吸收的重金屑大部分分布在地上部，即有較高的地上部根濃度比率； c 在重金屬污染的土壤上這類植物能良好的生長(zhǎng)，一般不會(huì)發(fā)生重金屬毒害現(xiàn)象。 除以上主要特點(diǎn)外，生物有機(jī)體的大小、性別、食 性、食量、生活區(qū)域、脂肪含量及生長(zhǎng)發(fā)育季節(jié)等也都會(huì) 影響生物對(duì)污染物的富集。 球果蔊菜（球果蔊菜（CrCr，AsAs） 芥菜（Pb，Cr、Cd、Ni、Zn，Cu ）圓錐南芥（圓錐南芥（Cd

10、Cd） 長(zhǎng)絨毛委陵菜（長(zhǎng)絨毛委陵菜（ZnZn）二、污染物的性質(zhì) 污染物的性質(zhì)主要包括污染物的價(jià)態(tài)、形態(tài)、結(jié)構(gòu)形式、相對(duì)分子量、溶解度或溶解性質(zhì)、穩(wěn)定性（物理、化學(xué)、生物）、在溶液中的擴(kuò)散能力和在生物體內(nèi)的遷移能力。1）、化學(xué)穩(wěn)定性和脂溶性是富集的重要條件。 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)，其理化性質(zhì)能在環(huán)境中和生物體內(nèi)的遷移過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間的保持穩(wěn)定，難以被化學(xué)降解和生物降解，極易通過(guò)食物鏈而大量積累。 脂溶性高的污染物與生物接觸時(shí)，能迅速地被吸收，并貯存在脂肪中，很難被分解，也不易排出體外。 主要物質(zhì)有：DDT（氯化碳?xì)浠衔铮?、有機(jī)氯農(nóng)藥、PCB（多氯聯(lián)苯）、甲基汞等。2 2）、污染物滲透能力）、污染物滲

11、透能力 污染物滲透能力強(qiáng)弱污染物滲透能力強(qiáng)弱即在生物體內(nèi)穿透能力的即在生物體內(nèi)穿透能力的強(qiáng)弱決定了污染物在生物體內(nèi)富集的部位不同。強(qiáng)弱決定了污染物在生物體內(nèi)富集的部位不同。 穿透力強(qiáng)的農(nóng)藥多富集于果肉、米粒；穿透力弱的種類則多停留在果皮、米糠之中。 水溶性越高，越易穿透。 3 3）污染物可給態(tài)）污染物可給態(tài) 基質(zhì)溶液中，污染物可給態(tài)(可溶性)數(shù)量的多少直接影響植物的吸收和富集。 根吸收和富集的鉛的數(shù)量與可溶性鉛量顯著相關(guān)。4 4）重金屬不易分解，易富集，易生物放大）重金屬不易分解，易富集，易生物放大 重金屬在進(jìn)入生物體內(nèi)后，不易排出，在食物鏈中的生物放大作用十分明顯，在較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的生物體內(nèi)可成

12、千萬(wàn)倍地富集起來(lái)，然后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，在人體的某些器官中蓄積起來(lái)造成慢性中毒，影響人體健康。二、污染物的濃度和作用時(shí)間 富集量不僅與污染物濃度有關(guān)，還與作用時(shí)間密切相關(guān)。污染物的濃度越高，作用時(shí)間越長(zhǎng)，則生物體內(nèi)污染物富集量也愈多。三、環(huán)境條件 環(huán)境條件有：pH值、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、溫度、水流方向、水速等； 環(huán)境要素通過(guò)影響生物的生長(zhǎng)發(fā)育和污染物的性質(zhì)來(lái)間接影響污染物的生物富集，土壤重金屬作物效應(yīng)的區(qū)域差異就是環(huán)境要素作用的結(jié)果。例如: 土壤水分過(guò)多，污染物以還原態(tài)為主，活性受到抑制，富集量減少。土壤水分過(guò)少，污染物的可給態(tài)數(shù)量少，富集量亦因此而減少。 土壤pH低，有利于污染物的活化，富集

13、量增加。 土壤中有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)元素的大量存在，會(huì)極大地降低植物富集重金屬的數(shù)量。 不同類型的土壤，對(duì)不同種類的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物具有不同的降解、吸附和淋溶作用，因而影響土壤生物和植物對(duì)污染物的生物積累。 氣態(tài)污染物主要通過(guò)氣孔進(jìn)人植物體，凡是能影響光合作用的因素均能影響氣態(tài)污染物在植物體內(nèi)的積累。五、富集與食物鏈 在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，污染物沿食物鏈流動(dòng)過(guò)程中，含量逐級(jí)增加，其富集系數(shù)萬(wàn)倍增加。即使污染物在環(huán)境中的濃度很低，沒(méi)有超標(biāo)，但在生態(tài)系統(tǒng)中通過(guò)食物鏈逐級(jí)富集，可以致人死命。 在研究環(huán)境污染時(shí)，除了監(jiān)測(cè)水、大氣、土壤污染物外，還要注意低濃度污染物的長(zhǎng)時(shí)間作用，以及污染物在生態(tài)系統(tǒng)中沿食物鏈逐級(jí)富集的

14、規(guī)律。第二章 生物富集 第一節(jié) 生物富集的概念 第二節(jié) 生物富集的機(jī)制 第三節(jié) 生物富集的研究方法第三節(jié)、研究生物富集的方法 生物富集的研究，可在個(gè)體（單獨(dú)生物種）和食物鏈兩個(gè)水平上進(jìn)行。前述的許多富集規(guī)律就是在個(gè)體水平研究的基礎(chǔ)上得出的。 生物富集的研究，無(wú)論在哪個(gè)水平上進(jìn)行，都可以采取野外采樣調(diào)查、室內(nèi)分析的方法和室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法。 前者的優(yōu)點(diǎn)在于污染物的富集是各種因素綜合作用的結(jié)果，與實(shí)際情況相符；后者的優(yōu)點(diǎn)在于影響富集的各種因素便于控制，便于分析各個(gè)因素各自的作用和它們的綜合作用。 也可以將兩種方法結(jié)合，互相印證。一、模擬研究 研究方法： 在一個(gè)容器內(nèi)，栽培和放養(yǎng)若干種生物，并按食物

15、、營(yíng)養(yǎng)關(guān)系組成若干條食物鏈。在這樣一個(gè)小小的生態(tài)系統(tǒng)中，研究污染物在食物鏈中的遷移、富集規(guī)律。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 玻璃缸一只（25cm30cm50cm）,內(nèi)裝15kg石英砂作陸相，加入一定量營(yíng)養(yǎng)液做水相。陸相中栽種50株高粱苗，并放入若干毛蟲。水相中放養(yǎng)一定量的藻類、浮游生物、瓶螺、孑孓和食蚊魚。組成兩條食物鏈： 高粱一毛蟲一硅藻一浮游生物一孑孓一食蚊魚高粱一毛蟲一硅藻一浮游生物一孑孓一食蚊魚 高粱一毛蟲一綠藻一瓶螺高粱一毛蟲一綠藻一瓶螺 將放射性標(biāo)記農(nóng)藥涂在石英砂、植物上或直接加入水相中。間隔一定時(shí)間后，測(cè)定砂和水中各種生物的放射性標(biāo)記農(nóng)藥及其代謝產(chǎn)物。實(shí)驗(yàn)的目的是： (1) 水相中放射性農(nóng)藥的污染速度； (2) 在生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)藥對(duì)生物的毒害作用； (3) 水相和各種生物體內(nèi)，放射性農(nóng)藥代謝、變化情 況； (4) 測(cè)定農(nóng)藥在各生物體