第第二二章章 生物富集生物富集20201211111张俊萍 2013200050 主讲人： 张俊萍 2013200050 合作成员：李 慧 2013200031 对于一个受污染的生态系统而言，处于不同营养级上的生物体内的污染物浓度，不仅高于环境中污染物的浓度，而且具有明显的随营养级升高而增加的现象污染物在食物链中的流动和积累，对人类的健康造成了很大的威胁，因此，研究污染物的生物积累现象及其机制，具有十分重要的意义 第二章 生物富集 • 第一节 生物富集的概念• 第二节 生物富集的机制• 第三节 生物富集的研究方法 第一节 生物富集的概念•生物富集（bio-enrichment） 又称生物浓缩（bio-concentration），是指生物机体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中有选择吸收和蓄积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•生物富集常用富集系数或浓缩系数来表示 ： 富集系数＝Ci/C0 附： C----生物体内污染物的浓度 C0——生存环境中该污染物浓度 •生物积累（bio-accumulation） 同一生物个体在其整个代谢活跃期中的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象。
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 •生物放大（bio-magnification） 在同一食物链上，高位营养级生物机体内来自环境元素或难分解化合物的浓缩系数比低位营养级生物增加的现象 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 第二章 生物富集 • 第一节 生物富集的概念• 第二节 生物富集的机制• 第三节 生物富集的研究方法 第二节 生物富集机制 影响生物富集的因素很多：生物种的生物学特性、污染物的性质、生物器官和组织、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、生物种的生物学特性 1）生物体内能与污染物结合的物质 不同种的生物对物质的富集程度是不一样的 生物富集主要决定于生物本身的特性，特别是生物体内存在的、能与污染物结合而形成稳定化合物的某类物质的活性强弱和数量多少。
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生物体内有很多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，从而消除或化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 单糖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 （（2 2）蛋白质和氨基酸）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潜位•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 氨基酸：氨基酸：1 1）、）、含有含有羧基和氨基羧基和氨基，它们都能与金属相结合，它们都能与金属相结合而形成金属螯合物。
而形成金属螯合物 2 2）、许多氨基酸还含有）、许多氨基酸还含有一一N N基、一基、一SHSH基基等，也都能与金属结合形成复杂的金属螯合环等，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，最重要的是在能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金属硫蛋白金属硫蛋白及类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• （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 2）、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 水稻对水稻对PdPd的吸收为：的吸收为：根根> >叶叶> >茎茎> >谷壳谷壳> >米米 3）、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 4）、不同生物物种• 不同生物种对污染物的吸收累积存在差异• 薛森栋等对美国华盛顿州Tocoma冶炼厂下风向枫林地•土壤上植物中的汞的含量和分布进项研究，研究菌耳和地•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• 黄会一等研究表明，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 海洋生物比淡水生物所富集的砷要多得多各种淡水鱼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的砷的富集系数3 3——3030和和1010一一4040海洋生物砷的富集系数则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比这些淡水鱼及甲壳动物要高出1010——100100倍倍 5)、超积累植物 重金属超量积累植物：植物能超量吸收和积累重金属 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 球果蔊菜（球果蔊菜（CrCr，，AsAs））• 芥菜（Pb，Cr、Cd、Ni、Zn，Cu ） 圆锥南芥（圆锥南芥（CdCd）） 长绒毛委陵菜（长绒毛委陵菜（ZnZn）） 二、污染物的性质 污染物的性质主要包括污染物的价态、形态、结构形式、相对分子量、溶解度或溶解性质、稳定性（物理、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）、化学稳定性和脂溶性是富集的重要条件 化学性质稳定的物质，其理化性质能在环境中和生物体内的迁移过程中长时间的保持稳定，难以被化学降解和生物降解，极易通过食物链而大量积累 脂溶性高的污染物与生物接触时，能迅速地被吸收，并贮存在脂肪中，很难被分解，也不易排出体外 主要物质有：DDT（氯化碳氢化合物）、有机氯农药、PCB（多氯联苯）、甲基汞等 2 2）、污染物渗透能力）、污染物渗透能力• 污染物渗透能力强弱污染物渗透能力强弱即在生物体内穿透能力的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。
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 水溶性越高，越易穿透 3 3）污染物可给态）污染物可给态 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 4）重金属不易分解，易富集，易生物放大）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 二、污染物的浓度和作用时间 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 三、环境条件• 环境条件有：pH值、风向、风速、湿度、温度、水流方向、水速等；• 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 例如:• 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• 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 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即使污染物在环境中的浓度很低，没有超标，但在生态系统中通过食物链逐级富集，可以致人死命 在研究环境污染时，除了监测水、大气、土壤污染物外，还要注意低浓度污染物的长时间作用，以及污染物在生态系统中沿食物链逐级富集的规律 第二章 生物富集 • 第一节 生物富集的概念• 第二节 生物富集的机制• 第三节 生物富集的研究方法 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。
前述的许多富集规律就是在个体水平研究的基础上得出的• 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 一、模拟研究•研究方法：• 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 实验设计实验设计 玻璃缸一只（25cm×30cm×50cm）,内装15kg石英砂作陆相，加入一定量营养液做水相陆相中栽种50株高粱苗，并放入若干毛虫水相中放养一定量的藻类、浮游生物、瓶螺、孑孓和食蚊鱼组成两条食物链：•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：• (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、调查实验研究 确定一个污染区，以污染原为中心，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1）环境调查：大气，土壤，水2）植物：环境调查的同时，采集野生和栽培植物，最好采集相同的植物便于比较3）动物：采集动物的肉和内脏等敏感部位 参考资料:•朱泮民主编，李冰冰，刘瑞芳副主编.环境生物学.黄河水利出版社.•王焕校主编.污染生态学.高等教育出版社.• • •谢谢欣赏！谢谢欣赏！ 。