第2章 生物富集

（4）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。
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。 富集还和某些元素的代谢有关，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。
生物富集还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。
2、污染物渗透能力强弱即在生物体内穿透能 力的强弱，决定了污染物在生物体内富集的部 位不同。 穿透力强的农药多富集于果肉、米粒；穿 透力弱的种类则多停留在果皮、米糠之中。
海洋生物比淡水生物所富集的砷要多得多。 各种淡水鱼的砷的富集系数3—30和10一40。 海洋生物砷的富集系数则比这些淡水鱼及甲壳动 物要高出10—100倍
（五） 超量积累的植物
有些植物能超量吸收和积累重金屑，称这种植物 为重金属超量积累植物。 这类植物现已发现了360多种，其中大多为十字 花科植物，以超量积累Ni的植物最多，约有150种。 这类植物有三个主要特征： a 体内某一元素浓度大于一定的临界值； b 植物吸收的重金屑大部分分布在地上部，即有 较高的地上部／根浓度比率； c 在重金属污染的土壤上这类植物能良好的生长， 一般不会发生重金属毒害现象。 除以上主要特点外，生物有机体的大小、性别、 食性、食量、生活区域、脂肪含量及生长发育季节等 也都会影响生物对污染物的富集。
二、污染物的性质
包括污染物的价态、形态、结构形式、相对分 子量溶解度稳定性（化学、生物）、在溶液中的扩 散能力和在生物体内的迁移能力。 1、稳定性和脂溶性是富集的重要条件
DDT化学稳定性强，为脂溶性物质，易被吸收和 积累在脂肪中。有机氯农药、多率联苯、甲基汞等。
有机磷、酚类物质相反，化学不稳定、易分解， 不易积累。
（四）不同生物种
不同生物种对污染物的吸收累积存在差 异。 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。 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＞喜旱莲子草＞大藻＞心 叶水车前＞水车前。
生物富集的研究，无论在哪个水平上进行，都可 以采取野外采样调查、室内分析的方法和室内模拟实 验的方法。 前者的优点在于污染物的富集是各种因素综合作
用的结果，与实际情况相符；后者的优点在于影响富
集的各种因素便于控制，便于分析各个因素各自的作 用和它们的综合作用。 也可以将两种方法结合，互相印证。


（2）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。一股认为蛋白质所含有 的酸性氨基酸比碱性氨基酸多，其等电点接近 于pH值为5。 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。
等电点：两性离子所带电荷因溶液的pH值不 同而改变，当两性离子正负电荷数值相等时， 溶液的pH值即其等电点。
环境要素通过影响生物的生长发育
和污染物的性质来间接影响污染物的生
物富集，土壤重金属作物效应的区域差 异就是环境要素作用的结果。
土壤环境：
土壤水分过多，污染物以还原态为主，活 性受到抑制，富集量减少。土壤水分过少，污 染物的可给态数量少，富集量亦因此而减少。 土壤pH低，有利于污染物的活化，富集量 增加。 土壤中有机质和矿质元素的大量存在，会 极大地降低植物富集重金属的数量。 不同类型的土壤，对不同种类的有机和无 机污染物具有不同的降解、吸附和淋溶作用， 因而影响土壤生物和植物对污染物的生物积累。
生物积累是指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。 生物积累使这些物质的蓄积随该生物体的 生长发育而不断增多。早在1887年，人们就发 现牡蛎能够不断地从海水中蓄积铜元素，以致 使这些牡蛎的肉呈现绿色，叫做“牡蛎绿色 病”。原因是废金属冶炼所放出的重金屬，以 50万倍的浓缩累积在牡蛎身体中。 科学家们研究得最多的是生物体从环境中 积累有毒重金属和难以分解的有机农药。


研究生物放大，特别是研究各种食物链对 哪些污染物具有生物放大的潜力，对于确定环 境中污染物的安全浓度等，具有重要的意义。
第二节 生物富集机制
影响生物富集的因素很多：生物种
的特性、污染物的性质、污染物的浓度
和作用时间，以及环境特点是主要的、 决定性的因素。
一、生物学特性
（一）生物体内能与污染物结合的物质 生物体内存在的、能与污染物相结合的活 性物质的活性强弱和数量多寡都影响生物的富 集。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；并且，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。
（二）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。
对三种鱼（鲢鱼、草鱼、鲤鱼）的研究 证明，在相同铅浓度下，三种鱼各部位的富 集规律都一致：
即鳃＞内脏＞骨筋＞头＞肌肉。
水稻对Pb的吸收为：根>叶>茎>谷壳>米
（1）糖类物质分子结构中都有醛基（果 糖是酮糖，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。 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。
（5）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。
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、苯环羟基化和异构化 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。
(1) 水相中放射性农药的污染速度； (2) 在生态系统中．农药对生物的毒害作用； (3) 水相和各种生物体内，放射性农药代谢、 变化情况； (4) 测定农药在各生物体内的富集系数。





二、调查试验研究
确定一个污染区，以污染源为中心， 调查污染物在环境(气、水、土)中的含量、 时空分布规律；生物对环境中污染物的富 集规律以及污染物在生态系统中沿食物链 逐级富集的规律以及对人体的危害。 （一）环境调查 大气、水、土壤 （二）植物调查 （三）动物调查
同时氨基酸含有羧基和氨基，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。 在能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金 属硫蛋白及类金属硫蛋白。
（3）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。
（三）不同生育期 生物在不同生育期接触污染物；体内富集 量有明显差异。水稻对铅的富集顺序为： 拔节期＞分蘖期＞苗期＞抽穗期＞结实期。 叶片和茎对铅的富集量也以拔节期铅最高。 谷壳和糙米的富集量则不同．都是以结实 期铅富集量最高，其富集顺序为： 结实期＞苗期＞拔节期＞抽穗期＞分蘖期。 小麦对六六六的吸收也一样。
3、基质溶液中，污染物可给态（可溶性）数 量的多少直接影响植物的吸收和富集。
根吸收和富集的铅的数量与可溶性铅量显 著相关。 4、重金属不易分解，易富集，易生物放大。
重金属在进入生物体内后，不易排出，在食物链 中的生物放大作用十分明显，在较高营养级的生物体 内可成千万倍地富集起来，然后通过食物链进入人体， 在人体的某些器官中蓄积起来造成慢性中毒，影响人 体健康。
三、污染物的浓度和作用时间
生物体内污染物的富集量与环境中污染物 的浓度成正相关，但富集系数与环境中污染的 浓度没有显著的正相关性，相反有随污染物浓 度增高而逐渐下降的趋势。如镉。 富集量不仅与污染物浓度有关，还与作用 时间密切相关。污染物的浓度越高，作用时间 越长，则生物体内污染物富集量也愈多。
四、环境特点
一、模拟研究
在一个容器内，栽培和放养若干种生物， 并按食物、营养关系组成若干条食物链。在这
样一个小小的生态系统中，研究污染物在食物
链中的迁移、富集规律。


高粱一毛虫一硅藻一浮游生物一孑孓一食蚊鱼
高粱一毛虫一绿藻一瓶螺

将放射性标记农药涂在石英砂、植物上 或直接加入水相中。间隔一定时间后，测定 砂和水中各种生物的放射性标记农药及其代 谢产物。实验的目的是：


生物放大是指在同一个食物链上，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。 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。


直至20世纪70年代初期，不少科学家在研 究农药和重金属的浓度在食物链上逐级增大时， 多将这种现象称为生物浓缩或生物积累。 1973年起，科学家们才开始用生物放大一 词，并将生物富集作用、生物积累和生物放大 三者的概念区分开来。
大气环境
气态污染物主要通过气孔进人植物体， 凡是能影响光合作用的因素均能影响气态 污染物在植物体内的积累。
如: 光强
温度
湿度
五、富集与食物链
在生态系统内，污染物沿食物链流动过程中， 含量逐级增加，其富集系数万倍增加。
第三节 研究生物富集的方法
生物富集的研究，可在个体（单独生物种）和食
物链两个水平上进行。
第一节 生物富集的概念
生物富集（bio－enrichmBiblioteka Baidunt）： 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。 生物富集常用富集系数或浓缩系数来表示： 富集系数＝生物体内污染物的浓度/生存环境中 该污染物浓度 还有两个概念：