生態(tài)系統(tǒng)的有毒有害物質(zhì)循環(huán)

生態(tài)系統(tǒng)的有毒有害物質(zhì)循環(huán)地球環(huán)境主要由大氣圈、水圈、土壤圈、巖石圈和生物圈構(gòu)成。大氣圈、水圈、土壤圈和生物圈共同組成了地球環(huán)境系統(tǒng)，每個(gè)圈層都離不開太陽(yáng)所提供的能量，這幾個(gè)圈層密切聯(lián)系，相互作用，不停的進(jìn)行著物質(zhì)、能量交換，維持著動(dòng)態(tài)的自然平衡，使地球及其生物得以生存、繁衍和發(fā)展。生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)是指無機(jī)化合物和單質(zhì)通過生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)循環(huán)可以用庫(kù)和流通兩個(gè)概念來加以概括。[1]其中，庫(kù)是由存在于生態(tài)系統(tǒng)某些生物或非生物成分中的一定數(shù)量的某種化合物所構(gòu)成的。對(duì)于某一種元素而言，存在一個(gè)或多個(gè)主要的蓄庫(kù)。在庫(kù)里，該元素的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常結(jié)合在生命系統(tǒng)中的數(shù)量，并且通常只能緩慢地將該元素從蓄庫(kù)中放出。物質(zhì)在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)實(shí)際上是在庫(kù)與庫(kù)之間彼此流通的。在單位時(shí)間或單位體積的轉(zhuǎn)移量就稱為流通量。生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)分為三種類型。第一個(gè)是水循環(huán)。在生態(tài)系統(tǒng)中，水是以液態(tài)、固態(tài)、氣態(tài)這3種形式存在的。海洋、湖泊表面的水不斷蒸發(fā)，變成水蒸氣。水蒸氣在空氣中遇冷凝結(jié)又成為降雨。這些降雨一部分直接又落回江河湖海，而另一部分則落到陸地。落到陸地的這部分降雨，一些被植物吸收，另一些則滲入地下，成為地下水，地下水最終又緩慢流入海洋。而植物吸收土壤中的水分后，又通過蒸騰作用，將水分子送回大氣中。動(dòng)物則直接飲用河流、湖泊中的水，并從食物(植物或動(dòng)物)中取得一部分水，最后通過分泌、排泄等活動(dòng)把水分還回給環(huán)境。這就是生態(tài)系統(tǒng)中水循環(huán)的大致過程。第二個(gè)是氣體型循環(huán)。氣體型循環(huán)主要有碳元素的循環(huán)、氮元素的循環(huán)和氧元素的循環(huán)。這里，我們主要介紹一下碳元素的循環(huán)。呼吸的重點(diǎn)是吸入氧氣而呼出二氧化碳?xì)怏w，而植物除了呼吸以外，還可以進(jìn)行光合作用，“吸入”二氧化碳?xì)怏w，而“呼出”氧氣?？諝庵械亩趸急恢参铩拔搿焙笞?yōu)樘穷悾蟛糠钟糜谥参锷L(zhǎng)，而少部分通過細(xì)胞呼吸被送還給大氣。動(dòng)物們則是通過食物鏈攝食碳元素，其中也有一小部分用于呼吸，大部分用于自身的生長(zhǎng)。最后那些沒有被捕食的動(dòng)植物死掉后，尸體被分解者(如真菌)分解，將當(dāng)初用于自身生長(zhǎng)的碳元素也全部以二氧化碳的形式放還給大氣。以上就是碳循環(huán)的主要途徑。第三個(gè)是沉積型循環(huán)。磷循環(huán)、硫循環(huán)，及鈣、鉀、鈉、鎂的循環(huán)都為沉積型循環(huán)。下面以磷循環(huán)為例，介紹一下沉積型循環(huán)。沉積巖中的磷酸鹽因風(fēng)化、侵蝕等作用而溶于水中，進(jìn)入土壤或海洋。植物可以從土壤中直接吸收磷酸根離子，用于合成自身的一些物質(zhì)，然后再通過食物鏈將磷傳遞給植食動(dòng)物、肉食動(dòng)物，最后這些動(dòng)物的尸體被分解者分解，磷又重新回到環(huán)境中，“等待”再次被植物吸收。以上是磷在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的情況。以上我們提到，巖石風(fēng)化后，一部分磷酸鹽進(jìn)入土壤，而另一部分磷酸鹽則進(jìn)入海洋。進(jìn)入海洋生態(tài)系統(tǒng)的磷酸鹽也相繼被浮游植物、浮游動(dòng)物等吸收。但這些動(dòng)植物死后，尸體沉入海底，只有小部分可被分解繼而“等待”植物的再次吸收，而大部分尸體還未來得及被分解就被淤泥與海沙所覆蓋，最終在海底長(zhǎng)期積存下來，于是這部分磷就暫時(shí)脫離了循環(huán)，磷循環(huán)也因而被稱為不完全循環(huán)。直至下次海平面的變遷，這部分磷才能“重見天日”。生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)推動(dòng)著各種物質(zhì)在生態(tài)群落和無機(jī)壞境中循環(huán)。這里面的物質(zhì)包括組成生物體內(nèi)的重要基礎(chǔ)元素：碳、氮、硫、磷，以及以DDT為代表的能長(zhǎng)期存在的有毒有害物質(zhì)循環(huán)。其循環(huán)是整個(gè)地球環(huán)境的循環(huán)，因?yàn)槲镔|(zhì)循環(huán)具有全球性，發(fā)生在各個(gè)圈層。在南極上方發(fā)現(xiàn)的臭氧層空洞便可證明。有毒有害物質(zhì)具體指的是：因生產(chǎn)的需要需在生產(chǎn)過程中，或清潔、消毒、設(shè)施運(yùn)作、害蟲防治、化驗(yàn)過程中需使用到的清潔劑、消毒劑、殺蟲劑、機(jī)器潤(rùn)滑油、化學(xué)試劑等化學(xué)品物質(zhì)，這里面有重金屬物質(zhì)，放射性元素物質(zhì)，以及各種PTS、POPs等。這些物質(zhì)特點(diǎn)是，對(duì)于生物體危害較大，能夠在環(huán)境中持久地存在，難以被分解，容易富集在生物體內(nèi)。研究生態(tài)系統(tǒng)的有毒有害物質(zhì)循環(huán)對(duì)于人類健康以及全生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境都有著非常重要的意義。那么這些有毒有害物質(zhì)是如何在環(huán)境中遷移的呢？一、污染物在大氣中的遷移?；钚晕勰嗫煞譃楹醚趸钚晕勰嗪蛥捬趸钚晕勰?。通過微生物生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用以達(dá)到處理污水的目的。溶解氧是水體自凈中主要的生態(tài)元素之一。因?yàn)槲⑸镌谔幚砦廴疚飼r(shí)需要消耗氧氣，并且水體中其他動(dòng)物如魚類的生存也需要充足的氧氣。一旦溶解氧不足，就會(huì)造成魚類死亡，而尸體的堆積則會(huì)滋生大量厭氧菌使尸體腐爛破壞水體生態(tài)平衡。水體富營(yíng)養(yǎng)化也是嚴(yán)重破壞水體生態(tài)平衡的一類污染。它主要是由于大量的氮、磷、鉀等元素排入到流速緩慢、更新周期長(zhǎng)的地表水體，使藻類等水生生物大量地生長(zhǎng)繁殖，使有機(jī)物產(chǎn)生的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過消耗速度，水體中有機(jī)物積蓄。水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因主要是工業(yè)廢水排放不達(dá)標(biāo)而排進(jìn)水體以及農(nóng)業(yè)過度使用化肥導(dǎo)致化肥流入水體造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。生活污水和化肥、食品等工業(yè)的廢水以及農(nóng)田排水都含有大量的氮、磷及其他無機(jī)鹽類。天然水體接納這些廢水后，水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，促使自養(yǎng)型生物旺盛生長(zhǎng)，特別是藍(lán)藻和紅藻的個(gè)體數(shù)量迅速增加，而其他藻類的種類則逐漸減少。水體中的藻類本來以硅藻和綠藻為主，藍(lán)藻的大量出現(xiàn)是富營(yíng)養(yǎng)化的征兆，隨著富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展，最后變?yōu)橐运{(lán)藻為主。藻類繁殖迅速，生長(zhǎng)周期短。藻類及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不斷消耗水中的溶解氧，或被厭氧微生物分解，不斷產(chǎn)生硫化氫等氣體，從兩個(gè)方面使水質(zhì)惡化，造成魚類和其他水生生物大量死亡。藻類及其他浮游生物殘?bào)w在腐爛過程中，又把大量的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放入水中，供新的一代藻類等生物利用。因此，富營(yíng)養(yǎng)化了的水體，即使切斷外界營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的來源，水體也很難自凈和恢復(fù)到正常狀態(tài)。富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)影響水體的水質(zhì)，會(huì)造成水的透明度降低，使得陽(yáng)光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的過飽和狀態(tài)。溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少，都對(duì)水生動(dòng)物有害，造成魚類大量死亡。同時(shí)，因?yàn)樗w富營(yíng)養(yǎng)化，水體表面生長(zhǎng)著以藍(lán)藻、綠藻為優(yōu)勢(shì)種的大量水藻，形成一層“綠色浮渣”，致使底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件分解產(chǎn)生的有害氣體和一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素也會(huì)傷害魚類。因富營(yíng)養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長(zhǎng)期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，也會(huì)中毒致病。對(duì)于河湖水體富營(yíng)養(yǎng)化治理，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)采用不同的物理、化學(xué)、生物方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)防、控制和修復(fù)，并且取得了一定的成效。現(xiàn)在主要的物理處理方法有底泥疏浚、引水沖洗、機(jī)械曝氣等，一方面工程量巨大、運(yùn)行成本高，另一方面對(duì)污染嚴(yán)重的河湖進(jìn)行底泥疏浚，易導(dǎo)致底層的沉積物發(fā)生懸浮和擴(kuò)散，促進(jìn)了沉積物中的氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽及其所吸附的金屬離子的釋放，從而使水體環(huán)境面臨受沉積物中釋放的重金屬離子及氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽二次污染的風(fēng)險(xiǎn)；化學(xué)方法有投加混凝劑和除藻劑等，雖然能在短期內(nèi)取得一定效果，但也存在著治理不徹底、成本高的問題，特別是會(huì)產(chǎn)生二次污染，引發(fā)新的生態(tài)問題；現(xiàn)流行的生物和生態(tài)修復(fù)，通過微生物降解和水生植物的吸收、轉(zhuǎn)移或生態(tài)浮床、濾床的過濾、吸附等措施來消減水體中的氨氮。此類方法雖避免了二次污染問題，但受自然環(huán)境影響大，要求條件苛刻，同時(shí)相對(duì)于其它處理技術(shù)而言，更有周期長(zhǎng)、見效慢的缺點(diǎn)。[3]三、污染物在土壤中的遷移1揮發(fā)2分配3淋溶滲濾：是指土壤物質(zhì)隨水流由上部土層向下某一部位或側(cè)向移動(dòng)的過程，亦稱淋溶作用，這是土壤中比較普遍存在的過程。4植物吸收5土壤擴(kuò)散土壤是由固體、液體和氣體三相共同組成的多相體系。固相指土壤礦物質(zhì)(原生礦物和次生礦物質(zhì))和土壤有機(jī)質(zhì)，兩者占土壤總量的90~95%。液相指土壤水分及其可溶物，兩者合稱為土壤溶液。氣相指土壤空氣。土壤中還有數(shù)量眾多的細(xì)菌和微生物，一般作為土壤有機(jī)物而視為土壤固相物質(zhì)。土壤礦物是土壤的主要組成物質(zhì)，占土壤固體總量的90％以上。它源于巖石的風(fēng)化作用，在大小和組成上復(fù)雜多變。土壤礦物按成因可分為原生礦物和次生礦物。土壤有機(jī)質(zhì)概指土壤中動(dòng)植物殘?bào)w、微生物體及其分解和合成的物質(zhì)，是土壤的固相組成部分。約占土壤固體總重量的1％－10％，土壤水分是土壤的重要組成部分，主要來自大氣降水、灌溉水和地下水。這些水充當(dāng)了土壤中所發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)，對(duì)于巖石風(fēng)化、土壤形成、植物生長(zhǎng)有著決定性的意義。土壤空氣也是土壤的重要組分之一。土壤空氣來源大氣，它存在于未被水分占據(jù)的孔隙中，它對(duì)土壤微生物活動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及植物的生長(zhǎng)發(fā)育都有重大的作用。總體來看，土壤空氣和大氣的主要成分都是氮?dú)狻⒀鯕夂投趸?。土壤中生活著一個(gè)生物群體，它們不但積極參與巖石的風(fēng)化作用，并且是成土作用的主要因素。土壤生物是土壤的重要組成成分。土壤動(dòng)植物殘?bào)w及土壤腐殖質(zhì)在微生物作用下可分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)化合物，直至最終被徹底分解成無機(jī)化合物，如CO2、CO、H2O、NO2、NH3、N2、H2S、CH4等。土壤污染物主要是一些重金屬和農(nóng)藥，還有土壤酸化。土壤中重金屬的形態(tài)分級(jí)：交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)。重金屬污染土壤的凈化：生物修復(fù)途徑是可行的生物修復(fù)實(shí)例：利用蚯蚓處理具有良好的除去重金屬的效果。經(jīng)蚯蚓的作用使基質(zhì)中重金屬濃度明顯下降，而且隨著蚯蚓的繁殖，其凈化量越大。也僅僅是轉(zhuǎn)化而已（變成生物體，即生物的富集作用）?，F(xiàn)在國(guó)際上研究報(bào)道較多的有植物超量吸收（例如印度芥菜具有較強(qiáng)的吸收鎘的能力）。此外報(bào)道的有對(duì)鋅、鋁等重金屬的超量吸收。降解是土壤中農(nóng)藥凈化的主要途徑，是以土壤微生物與酶為主對(duì)農(nóng)藥的分解作用。該過程受含水量的影響，含水量增加，農(nóng)藥在土壤中的分解能加速。根據(jù)分解作用的性質(zhì)，農(nóng)藥在土壤中的降解過程主要包括：脫氯作用、脫烷基作用、氧化還原作用和水解作用。導(dǎo)致土壤酸化的因素一個(gè)是酸雨的淋洗（由于雨水淋洗土壤鹽基的作用，土壤總是或多或少呈鹽基不飽和狀態(tài)）另一個(gè)是酸性污水或不合理施肥（施肥量大，特別是酸性肥料或偏施氮肥）?？刂茖?duì)策：源頭控制（產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)）；有機(jī)農(nóng)業(yè)和生態(tài)農(nóng)業(yè)實(shí)施；肥料工藝（包膜肥料）。四生物相中污染物的遷移：1吸收、分布、排泄和生物轉(zhuǎn)化。2生物積累：生物通過吸附、吸收和吞食作用，從周圍環(huán)境中攝入污染物并滯留體內(nèi)，當(dāng)攝入量超過消除量，污染物在體內(nèi)的濃度會(huì)高于水體濃度。包括生物富集和生物放大。3植物提取、植物轉(zhuǎn)運(yùn)、植物固定、植物揮發(fā)以及根際效應(yīng)。大多數(shù)污染物都能通過生物積累匯聚在生物體內(nèi)，一定的積累量后會(huì)造成生物體功能的損害，威脅生物健康。有人研究牡蠣在50微克/升的氯化汞溶液中對(duì)汞的積累，觀察到第7天,牡蠣（按鮮重每公斤計(jì)）體內(nèi)汞的含量達(dá)25毫克,濃縮系數(shù)為500；第14天達(dá)35毫克，濃縮系數(shù)為700；第19天達(dá)40毫克，濃縮系數(shù)為800；到第42天增加到60毫克，濃縮系數(shù)增為1200。此例說明，在代謝活躍期內(nèi)的生物積累過程中，濃縮系數(shù)是不斷增加的。魚體中農(nóng)藥殘毒的積累同魚的年齡和脂肪含量有關(guān)，農(nóng)藥的殘留量隨著魚體的長(zhǎng)大而增加。在許多情況下，生物個(gè)體的大小同積累量的關(guān)系，比該生物所處的營(yíng)養(yǎng)等級(jí)的高低，更為重要。生物機(jī)體對(duì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)的積累性可作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的一種指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)污染物對(duì)環(huán)境的影響，研究污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。對(duì)某種特定元素來說，某些生物種類比同一環(huán)境中的其他種類有特別強(qiáng)的積累能力，常被稱為“積累者生物”。例如褐藻能大量積累鍶，地衣能積累鉛，水生的蓼屬植物能積累DDT。這些生物可以作為指示生物,甚至可以作為重金屬污染的生物學(xué)處理手段。因此，對(duì)生物積累的研究，具有重要的理論和實(shí)踐意義。至于生物積累的機(jī)理，尚有待深入研究。綜上所述，有毒有害物質(zhì)