污染物的生物遷移-課件

3.污染物的生物遷移3.1生物積累3.2生物富集3.3生物放大3.污染物的生物遷移3.1生物積累13.1生物積累生物從周?chē)h(huán)境和食物鏈蓄積某種物質(zhì)或元素，使其在機(jī)體中的濃度超過(guò)周?chē)h(huán)境中濃度的現(xiàn)象稱(chēng)為生物積累，可用生物濃縮系數(shù)BCF表示。生物富集和生物放大都可以造成生物積累。3.2生物富集生物通過(guò)非吞食方式從外界攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的同時(shí)，使某些污染物或元素在生物體內(nèi)的濃度大大超過(guò)周?chē)h(huán)境中的濃度的現(xiàn)象，稱(chēng)為生物濃縮或生物富集。常用濃縮系數(shù)來(lái)表示生物濃縮率。3.1生物積累23.3生物放大在生態(tài)系統(tǒng)中，生物往往通過(guò)食物鏈和呼吸兩個(gè)途徑在體內(nèi)濃縮污染物質(zhì)。一種污染物的濃度在同一食物鏈上往往隨著營(yíng)養(yǎng)級(jí)提高而逐步增大，甚至可提高數(shù)百倍至數(shù)萬(wàn)倍，從而對(duì)人體構(gòu)成危害，這種作用稱(chēng)為生物放大作用。生物放大的程度可以用生物濃縮系數(shù)表示。生物放大并不是在所有條件下都能發(fā)生，有些物質(zhì)只能沿食物鏈傳遞而不放大，有些物質(zhì)既不能沿食物鏈傳遞也不能沿食物鏈放大。原因是同種生物可能隸屬于不同食物鏈不同的營(yíng)養(yǎng)級(jí)，因而有不同的食物來(lái)源，擾亂了生物放大；不同生物或同種生物在不同條件下對(duì)污染物的吸收、降解、排泄、積累等均有可能不同，也會(huì)影響生物放大狀況。3.3生物放大34.污染物的生物轉(zhuǎn)化4.1生物轉(zhuǎn)化的若干概念與規(guī)律4.2無(wú)機(jī)物的微生物轉(zhuǎn)化

4.2.1氮的微生物轉(zhuǎn)化

4.2.2硫的微生物轉(zhuǎn)化

4.2.3重金屬元素的微生物轉(zhuǎn)化4.3有機(jī)物的微生物轉(zhuǎn)化

4.3.1氧化反應(yīng)類(lèi)型

4.3.2還原反應(yīng)類(lèi)型

4.3.3水解反應(yīng)類(lèi)型

4.3.4結(jié)合反應(yīng)類(lèi)型4.污染物的生物轉(zhuǎn)化4.1生物轉(zhuǎn)化的若干概念與規(guī)律4生物轉(zhuǎn)化是指污染物進(jìn)入生物體后，在有關(guān)體內(nèi)酶或分泌到體外的酶的催化作用下的代謝變化過(guò)程，包括生物降解和生物活化兩種轉(zhuǎn)化過(guò)程。生物降解是在生物體內(nèi)酶或分泌酶的作用下將有機(jī)物分解為簡(jiǎn)單有機(jī)物或無(wú)機(jī)物，轉(zhuǎn)變?yōu)榈投净驘o(wú)毒物的過(guò)程。多數(shù)污染物經(jīng)生物轉(zhuǎn)化后，水溶性提高，毒性也相對(duì)減弱或消失，有的分解中間產(chǎn)物與生物體內(nèi)的物質(zhì)相結(jié)合，生成易排泄物而迅速排出體外。生物活化是有的污染物在生物體內(nèi)的代謝過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)楸饶阁w毒性更大的生物活性物質(zhì)的現(xiàn)象，例如汞的甲基化。

<返回>生物轉(zhuǎn)化是指污染物進(jìn)入生物體后，在有關(guān)體內(nèi)酶或分泌到體外的酶54.2.1氮的微生物轉(zhuǎn)化氮是構(gòu)成生物體的必需元素。在環(huán)境中氮的主要形態(tài)有三種：空氣中的分子氨；生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸等有機(jī)氮化合物，以及生物殘?bào)w變成的各種有機(jī)氮化合物；銨鹽、硝酸鹽等無(wú)機(jī)氮化合物。三種形態(tài)間的轉(zhuǎn)化主要是通過(guò)微生物作用，包括氮的同化、氨化、硝化、反硝化和生物固氮等氮的同化：綠色植物和微生物吸收硝態(tài)氮NO3--N和銨態(tài)氮NH4+-N，組成機(jī)體中的氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)、核酸等含氮有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程，與光合作用、糖類(lèi)物質(zhì)代謝過(guò)程相伴隨。4.2.1氮的微生物轉(zhuǎn)化6氨化過(guò)程：所有有機(jī)殘?bào)w中的有機(jī)氮化合物，經(jīng)微生物的作用分解成氨態(tài)氮的過(guò)程。氨化過(guò)程：所有有機(jī)殘?bào)w中的有機(jī)氮化合物，經(jīng)微生物的作用分解成7固氮作用：通過(guò)固氮菌的作用把分子氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡倪^(guò)程。所生成的氨并不排出菌體外，而是在菌體內(nèi)進(jìn)一步參與合成氨基酸和蛋白質(zhì)。硝化作用：氨在有氧條件下通過(guò)微生物的作用氧化成硝酸鹽的過(guò)程。硝化作用要求高水平的氧，即充足的氧供給條件；中性至弱堿性條件，當(dāng)pH>9.5時(shí)硝化細(xì)菌受到抑制，pH<6.0時(shí)亞硝化細(xì)菌被抑制；最適宜溫度為30℃，低于5℃或高于40℃時(shí)就不能活動(dòng)。硝化作用在自然界，特別是在土壤環(huán)境和污水處理中很重要，比如肥料以銨鹽或氨形態(tài)進(jìn)入土壤時(shí)，微生物的硝化作用可將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹参镙^易吸收利用的硝態(tài)氮。固氮作用：通過(guò)固氮菌的作用把分子氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡倪^(guò)程。所生成的氨8硝酸鹽在通氣不好的情況下，通過(guò)反硝化細(xì)菌的作用而還原的過(guò)程稱(chēng)為反硝化作用。反硝化細(xì)菌需要厭氧環(huán)境，有豐富的有機(jī)物作為碳源和能源，一般適宜的酸度范圍是中性至弱堿性，溫度為25℃左右。反硝化作用通常有三種情形：（1）包括細(xì)菌、真菌和放線菌在內(nèi)的的多種微生物，將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸。（2）兼性厭氧假單胞菌屬、色桿菌屬等使硝酸鹽還原成N2O或N2。（3）梭芽孢桿菌將硝酸鹽還原成亞硝酸鹽和氨。<返回>硝酸鹽在通氣不好的情況下，通過(guò)反硝化細(xì)菌的作用而還原的過(guò)程稱(chēng)9硫是生命的必需元素，在環(huán)境中有單質(zhì)硫、無(wú)機(jī)硫化合物和有機(jī)硫化合物三種存在形態(tài)。環(huán)境中的含硫有機(jī)化合物有含硫的氨基酸、磺胺酸等，微生物降解在好氧條件下是硫酸，在厭氧條件下是硫化氫，降解不徹底時(shí)可形成硫醇而被菌體暫時(shí)積累，再轉(zhuǎn)化為硫化氫。硫是生命的必需元素，在環(huán)境中有單質(zhì)硫、無(wú)機(jī)硫化合物和有機(jī)硫化10硫化氫、單質(zhì)硫在微生物作用下氧化，最后生成硫酸的過(guò)程稱(chēng)為硫化作用。在硫化作用中以硫桿菌和硫磺菌為最重要。硫酸鹽、亞硫酸鹽等在微生物作用下進(jìn)行還原，最后生成硫化氫的過(guò)程稱(chēng)為反硫化，以脫硫弧菌最重要。海水中硫酸鹽濃度較高，經(jīng)反硫化細(xì)菌作用還原成硫化氫是海水中硫化氫的主要來(lái)源；而淡水中硫化氫主要來(lái)源于含硫有機(jī)物質(zhì)的厭氧降解。<返回>硫化氫、單質(zhì)硫在微生物作用下氧化，最后生成硫酸的過(guò)程稱(chēng)為硫化114.2.3.1汞微生物參與汞形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要方式是汞的甲基化作用和將汞的化合物還原為金屬汞的還原作用。在好氧或厭氧條件下，某些微生物將二價(jià)無(wú)機(jī)汞鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆投谆倪^(guò)程稱(chēng)汞的甲基化，反應(yīng)機(jī)理是微生物利用體內(nèi)的甲基鈷氨蛋氨酸轉(zhuǎn)移酶來(lái)實(shí)現(xiàn)汞的甲基化。該酶的輔酶是甲基鈷胺素（甲基維生素B12）。汞的生物甲基化途徑可由此輔酶把甲基離子傳遞給Hg2+形成甲基汞，本身轉(zhuǎn)變?yōu)樗镶挵匪亍：笳哂捎谄渲械腃o被輔酶FADH2還原并失水而轉(zhuǎn)變?yōu)槲鍌€(gè)氨配位的一價(jià)鈷胺素。最后輔酶甲基四葉氫酸將甲基離子轉(zhuǎn)于五配位鈷胺素，并從其一價(jià)鈷上取得兩個(gè)電子，以負(fù)甲基離子與之絡(luò)合，完成甲基鈷胺素的再生，使循環(huán)繼續(xù)。同樣的，在上述過(guò)程中以甲基汞取代汞離子的位置就形成二甲基汞。二甲基汞的生成速度比甲基汞約慢6000倍。二甲基汞揮發(fā)性大，容易從水體或土體中散逸至大氣。將甲基汞或二甲基汞還原脫去甲基并生成金屬汞的反應(yīng)過(guò)程又稱(chēng)為生物去甲基化，促酶常見(jiàn)的是假單胞菌屬。4.2.3.1汞124.2.3.2砷砷的毒性很強(qiáng)，一般三價(jià)砷毒性最大，五價(jià)砷次之，甲基砷化合物再次之，三甲基砷仍然具有高毒性。砷的微生物甲基化作用的基本途徑如下：其中的甲基供體是相應(yīng)轉(zhuǎn)移酶的輔酶S-腺苷甲硫氨酸，起著傳遞甲基離子的作用。微生物的砷甲基化作用在厭氧和好氧條件下都可發(fā)生，主要發(fā)生在水體和土體中。此外，無(wú)色桿菌、假單胞菌、黃桿菌等能將亞砷酸鹽氧化成砷酸鹽。而甲烷菌、脫硫弧菌、微球菌等能將砷酸鹽還原為亞砷酸鹽。4.2.3.2砷134.2.3.3硒硒是人體必需的微量元素，攝入機(jī)體的硒稍有不足或略微過(guò)量都會(huì)產(chǎn)生毒害作用。在有毒的硒化合物中，以亞硒酸及其鹽和酯的毒性最大。環(huán)境中除亞硝酸鹽外，還有硒酸鹽、單質(zhì)硒及有機(jī)硒化合物等。微生物參與的硒轉(zhuǎn)化有：（1）有機(jī)硒化合物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)硒化合物（2）硒化合物甲基化，最重要的產(chǎn)物是二甲基硒和三甲基硒（3）將硒酸鹽轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硒（4）單質(zhì)硒的氧化：如光合紫硫菌能將單質(zhì)硒轉(zhuǎn)化為硒酸鹽4.2.3.3硒144.2.3.4鐵鐵細(xì)菌能把二價(jià)鐵轉(zhuǎn)化為三價(jià)鐵：當(dāng)鐵細(xì)菌生活在鐵制管道中時(shí)，常因管內(nèi)有酸性水而將鐵氧化成可溶性Fe2+，再被鐵細(xì)菌氧化為三價(jià)鐵，形成為Fe(OH)3凝膠沉積于管壁上。煤礦及一些無(wú)機(jī)礦床內(nèi)所含的黃鐵礦可在鐵細(xì)菌的作用下發(fā)生化學(xué)氧化，形成酸性礦水：當(dāng)?shù)V水的pH在4.5~2.5之間時(shí)，可進(jìn)一步發(fā)生氧化，4.2.3.4鐵15上述反應(yīng)可被耐酸鐵細(xì)菌催化而大大加速。生成的Fe3+進(jìn)一步氧化黃鐵礦，以上兩個(gè)反應(yīng)的聯(lián)合作用構(gòu)成了一個(gè)由鐵細(xì)菌發(fā)揮重大作用的溶解黃鐵礦的循環(huán)過(guò)程，生成大量硫酸，加劇了礦水的酸化，有時(shí)能使礦水的pH降至0.5。此外在還原狀態(tài)的環(huán)境中（氧還電位較低）通過(guò)微生物的作用，可使難溶性的三價(jià)鐵化合物還原成亞鐵化合物而溶解。有機(jī)鐵化合物也可被一些微生物分解而釋放出無(wú)機(jī)鐵。<返回>上述反應(yīng)可被耐酸鐵細(xì)菌催化而大大加速。生成的Fe3+進(jìn)一步氧16（1）混合功能氧化酶加氧氧化此類(lèi)型酶的專(zhuān)一性強(qiáng)，能催化多種有機(jī)毒物氧化碳雙鍵環(huán)氧化碳羥基化氧脫烴（1）混合功能氧化酶加氧氧化17硫脫烴及脫硫氮脫烴及脫氮（2）脫氫酶脫氫氧化（3）氧化酶氧化<返回>硫脫烴及脫硫<返回>18（1）可逆脫氫酶加氫還原（2）硝基還原酶還原（3）偶氮還原酶還原（4）還原脫氯酶還原<返回>（1）可逆脫氫酶加氫還原<返回>19（1）羧酸酯酶使脂肪酸酯水解（2）芳香酯酶使芳香酸酯水解（3）磷脂酶使磷酸酯水解（4）酰胺酶使酰胺水解<返回>（1）羧酸酯酶使脂肪酸酯水解<返回>20（1）葡萄糖醛酸結(jié)合在葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶的作用下，生物體內(nèi)尿嘧啶核苷二磷酸葡萄糖醛酸中，葡萄糖醛酸基可轉(zhuǎn)移至含羥基的化合物上，形成O-葡萄糖苷酸結(jié)合物。所涉及的羥基化合物有醇、酚、烯醇、羥酰胺、羥胺等。芳香及脂肪酸中羧基上的羥基，也可以與葡萄糖醛酸結(jié)合成O-葡萄糖苷酸。該結(jié)合反應(yīng)很常見(jiàn)，也很重要。結(jié)合后的葡萄糖苷酸結(jié)合物的水溶性很高，而有利于從機(jī)體內(nèi)排出體外，可避免體內(nèi)許多生物大分子的損傷而起到解毒作用。但是也有少量結(jié)合物的毒性