(完整)121011 第二章 生物富集解析

2.3 影响生物富集的因素
生物学特性 污染物性质 环境因素
2.3.1 生物学特性
（1）分解酶的活性
生物对复杂有机化合物的富集能力与 其体内存在的分解该类物质的酶的活性有 关。酶活性越强，则越不易富集；酶活性 越弱，则越易富集。
例如鱼对某些农药的富集能力强是因为 鱼体内环氧化物水化酶和艾氏剂环氧化酶 的活性小于人类、鸟和昆虫的缘故。
DDT在食物链中的富集
DDT：3×10-6mg/m3 DDT：0.04mg/kg
DDT：0.5mg/kg DDT：2mg/kg DDT：2.5mg/kg
大气
浮游生物 小鱼 大鱼 海鸟
思考：
• 为什么许多有机和无机污染物在生物体 内的浓度远远大于其在环境中的浓度？
• 对于一个受污染的生态系统而言，生物 体内的污染物浓度为什么会有明显的随 营养级升高而增加的现象？
2.3.2 污染物性质
（1）稳定性和脂溶性是富集的重要条件
生物富集与生物对污染物的解毒能力(即污染物的生物稳 定性)有关。解毒能力越强，则富集能力越弱；反之则富 集能力越强。解毒能力又与污染物的化学结构有关。
例如PCB中可置换的氯的数目或位置不同，其代谢、解 毒、富集的情况差别就很大。研究者对氯置换数目不同的 各种单一PCB成分进行深入研究，得出以下几条规律：
• （3）脂类
脂类含有极性酯键，这类酯键能和金属 离子结合而形成络合物或螯合物，从而把 重金属贮存在脂肪内。
（4）核酸
核酸在生物富集中具有十分重要的作用。 核酸是极性化合物，既含有磷酸基又含有 碱性基团，属两性电解质。在一定的pH条 件下能解离而带电荷，所以能和金属离子 结合。
污染物质和上述生物各组分结合，并被 固定在生物体各部位，降低污染物的活性， 从而加速生物的吸收，增加富集量。
对三种鱼(蛙鱼、草鱼、鲤鱼)的研究证明，在相同铅浓度下， 三种色各部位的富集规律都一致 即鳃＞内脏＞骨筋＞头＞肌肉。
水稻对Pd的吸收为：根>叶>茎>谷壳>米
（5）生育期
生物在不同生育期接触污染物,体内富集量 有明显差异。 对水稻对铅的富集顺序为: 拔节期＞分蘖期＞苗期＞抽穗期＞结实期。
谷壳和糙米的富集量则不同．都是以结实 期施铅富集量最高，其富集顺序为： 结实期＞苗期＞拔节期＞抽穗期＞分蘖期。
• 植物地上部重金属含量大于根部该种重金属 含量。
• 地上部生物富集系数>1。
（1）化学稳定性
球果蔊菜（Cr，As） 芥菜（Pb，Cr、Cd、Ni、Zn，Cu ）
长绒毛委陵菜（Zn） 圆锥南芥（Cd）
案例
美国Edenspace 公司专门从事开发植物修 复各种污染土壤和水体的工作。该公司1996 年 成功地利用B . j uncea （芥菜）与EDTA 结合修 复了一块铅污染的土地。通过灌溉施入2 mmol/ kg 的EDTA ,然后种植印度芥菜,21 天后收割,在 一个季节内共种植收割3 茬。
影响因素
（2）生物体内的脂肪含量
多氯联苯（PCBs）在鱼体内脏中的浓度 差别很大，一般以肝脏中PCBs浓度最大，其 次为鳃、整个鱼体、心脏、脑、肌肉，这种 变化差异是由于这些脏器中脂肪含量不同而 引起的。
生物富集常用富集系数来表示。
描述生物富集现象的两个概念：
生物积累和生物放大
2.1.3 生物积累（bio-accumulation）
2.1.2生物富集系数（BCF） bioconcentration factors
影响因素
（1）有机物在水中的溶解度 我们可以通过有机化合物的辛醇—水分配系
数(Koc)来表示：有机物பைடு நூலகம்等体积的混合溶剂辛 醇—水中的分配程度。
由于辛醇对有机物的分配，与有机物在土壤 有机质中的分配极为相似，因此辛醇—水分配系 数(Koc）是反映有机物在水和沉积物中，有机质 间或水生生物脂肪之间分配的一种很有用的指标， 其数值越大，有机物在有机相中的溶解度也越大， 在水生生物体内的富集作用也越大。
2.1.4 生物放大(bio-magnification)
• 定义：在同一个食物链上，高位营 养级生物体内来自环境的某些元素 或难以分解的化合物的浓度，高于 低位营养级生物的现象。
海水中汞的浓度为0.0001mg/L时， 浮游生物体内含汞量可达0.0010.002mg/L，小鱼体内可达0.20.5mg/L，而大鱼体内可达1-5 mg/L， 大鱼体内汞比海水含汞量高1万-6万倍。
2.1.3 生物积累（bio-accumulation）
• 研究的意义 生物机体对化学性质稳定的物质的 积累性可作为环境监测的一种指标，用以评价污 染物对环境的影响，研究污染物在环境中的迁移 转化规律。
对某种特定元素来说，某些生物种类比同一 环境中的其他种类有特别强的积累能力，常被称 为“积累者生物”。例如褐藻能大量积累锶，地 衣能积累铅，水生的蓼属植物能积累DDT。这些生 物可以作为指示生物,甚至可以作为重金属污染的 生物学处理手段。
主要表现为：
①污染物和生物体中某些成分结合(络合、螯合)，不能 再参加代谢活动，使污染物失去毒性，从而可以在生物 体内富集；
②体内污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱 烃、脱卤、苯环轻基化和异构化过程，毒性降低，甚至 彻底分解，失去毒性，从而加速生物的吸收，增加生物 富集量。
（4）不同器官
生物的不同器官对污染物的富集量 有很大差异。这是因为各类器官的结 构和功能不同，与污染物接触时间的 长短、接触面积的大小等也都存在很 大差异。
大的效应。
2.1.2 生物富集系数（BCF） bioconcentration factors
• 别名 生物富集因子
• 含义 BCF是生物组织（干重）中化合物的 浓度和溶解在水中的浓度之比。也可以认为 是生物对化合物的吸收速率与生物体内化合 物净化速率之比。
• 生物体内污染物的浓度/生存环境中该污染 物浓度
在还原性环境中，重金属离子易被还原，导致 活性下降，并和糖类结合形成不溶性化合物。
（1）糖类
醛基
葡萄糖
（2）蛋白质和氨基酸
蛋白质和氨基酸也
具有与重金属及某
些农药相结合的位
点。一般认为蛋白
质所含有的酸性氨
基酸比碱性氨基酸
氨基酸
多，其等电点接近
于pH5。
如果在中性环境中，蛋白质往往呈 阴离子状态，易和金属阳离子结合—离 子吸附作用：
（2）元素代谢
例如，进入动物体内的无机砷有一部 分在体内被甲基化，不易排出体外，因此， 有机砷化合物远比无机砷化合物容易在体 内富集。
金属元素在各类生物体内的半衰期长 短不同，能直接影响生物富集量。例，大 鼠的甲基汞70d，无机汞50d，因此甲基汞 较无机汞更易于被生物富集
（3）对毒性的降解
生物体吸收污染物后，由于其特有的生物学特征，可 以降低污染物的毒性，从而使其在体内富集。
2.2 生物富集机制
2.2.1 生物体内能与污染物结合的物质
生物体内凡是能和污染物形成稳定结合 物的物质，都能增加生物富集量。这些组 分都能和污染物特别是重金属相结合而形 成稳定的结合物，增加富集，也可消除或 缓解重金属的毒害作用。
这类物质有糖类、蛋白质、氨基酸、脂类、 核酸等
（1）糖类
糖类物质分子结构中都有醛基（葡萄糖，果 糖是两糖，但易变为醛糖，二糖中的麦芽糖、乳 糖，多糖中的纤维素等都是由半缩醛羟基与醇羟 基缩合而成，其分子结构中部具有1，4—苷键， 并因此保留一个半缩醛羟基，使其中一个单糖有 可能转变为醛式）而具有还原性。
• 定义：生物体在生长发育过程中，直接通 过环境和食物蓄积某些元素或难以分解的 化合物的过程。
生物在其整个代谢活跃期内都在通过 吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环 境中蓄积某些元素或难分解的化合物，以 致随生物的生长发育，浓缩系数不断增大， 这种现象称为生物积累（又称生物学积 累）。生物积累的程度同样用浓缩系数表 示。
第二章 生物富集
(Bio-enrichment)
关于生物富集的一个实例与一 个实验
由多氯联苯(PCB)引发的米糠油事件
1968年3月，日本的九州、四国等地区的几 十万只鸡突然死亡。经调查，发现是饲料 中毒，当年6－10月，有4家人患原因不明 的皮肤病，患者初期症状为痤疮样皮疹， 指甲发黑，皮肤色素沉着，眼结膜充血等。 至1977年，因此病死亡人数达数十余人， 1978年，确诊患者累计达1684人。通过尸 体解剖，在死者五脏和皮下脂肪中发现了 多氯联苯。
生物积累vs生物放大
• 生物积累是指同一生物个体在生长发 育的不同阶段生物富集系数不断增加 的现象。
• 生物放大是指在同一食物链上，生物富 集系数从低位营养级到高位营养级逐级 增大的现象。
• 生物放大一词是专指具有食物链关系的 生物说的，如果生物之间不存在食物链 关系，则用生物浓缩或生物积累来解释。
（1)四氯以下的低氯代PCB，几乎都能代谢为单酚，部分 形成二酚，所以易分解，不易富集。
MT的重金属解毒功能
MT是富含半胱氨酸的金属结合蛋白，其巯 基能强烈螯合有毒金属，并将之排出体外，从 而实现解毒功能。
MT与痕量金属的代谢有关，在所有的哺乳 动物组织中，MT-1和MT-2协同表达。MT-3是该 家族中的脑部特异成员，能结合锌和铜，具有 重要的神经生理和神经调节功能。对许多水生 生物的研究表明，MT在基本金属元素的调节中 起重要作用，并且对非基本的金属元素有抑制 和解毒作用。MT通过与重金属结合可以有效的 减轻重金属对机体的毒害，是目前临床上最理 想的生物螯合解毒剂。
• 研究（污染物）的生物积累的意义是什 么？
第二章 生物富集
• 生物富集的概念 • 生物富集机制 • 影响生物富集的因素 • 研究生物富集的方法
2.1 生物富集的概念
2.1.1 生物富集（bio－enrichment）： 定义：生物个体或处于同一营养级的许多 生物种群，从周围环境中吸收并积累某种 元素或难分解的化合物，导致生物体内该 物质的浓度超过环境中浓度的现象，又称 生物浓缩（bio-concentration）
生物富集直观表达
生物富集与食物链相联系，各种生物通过 一系列吃与被吃的关系，把生物与生物紧密地 联系起来，如自然界中一种有害的化学物质被 草吸收，虽然浓度很低，但以吃草为生的兔子 吃了这种草，而这种有害物质很难排出体外， 便逐渐在它体内积累。而老鹰以吃兔子为生， 于是有害的化学物质便会在老鹰体内进一步积 累。这样食物链对有害的化学物质有累积和放
同时氨基醛含有羧基和氨基，它们都能 与金属相结合而形成金属螯合物：
许多氨基酸还含有一N基、一SH基等，也都能 与金属结合形成复杂的金属螯合环，稳定性增强。
金属硫蛋白（MT）
金属硫蛋白(metallothionein)是由由微 生物和植物产生的金属结合蛋白，富含半胱 氨酸的短肽，对多种重金属有高度亲和性。 它是分子质量较低，半胱氨酸残基和金属含 量极高的蛋白质。与其结合的金属主要是镉、 铜和锌，广泛地存在于从微生物到人类各种 生物中，其结构高度保守。
（7）超富集植物与植物修复技术
超积累植物主要是指那些对某些重 金属具有特别的吸收能力（超过一般植 物100倍以上的植物），而本身不受毒害 的植物种和基因型，即重金属超富集 （hyperaccumulator）。
超富集植物的特征：
• 植物地上部（茎和叶）重金属含量是普通植 物在同一生长条件下的100倍。
结果： 表层土壤铅含量从2300 下降到420 mg/kg ; 15～30 cm 中土层铅含量从1280下降到992mg/kg; 30～45 cm 土层的铅含量几乎没有下降。
监测结果表明没有发现EDTA和铅向下层土壤的淋溶 作用,试验证明EDTA 确能增强印度芥菜吸收,显示 EDTA 和印度芥菜结合应用具有一定的植物修复潜力。
（6）不同生物种
几种杨树富集汞的强弱顺序为加拿大杨＞晚花杨＞早 杨＞辽杨。
8种水生植物对铜的吸收，规律为：苦草(2种)＞黑藻＞ 水龙＞喜旱莲子草＞大藻＞心叶水车前＞水车前。
菌耳和地衣因为具有很强的吸收痕量元素的能力， 比同一区域内的树木可吸收累积更多的汞。
于常荣等(1992)作了松花江鱼类汞污染现状研究．发 现生活在同一江段的不同鱼类总汞与甲基汞平均含量各 不相同，表现为(按含汞量由高到低顺序)：雷氏七鳃鳗 ＞鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼＞鲤鱼、银鲫鱼、犬首＞银 鲴。