生态系统的物质循环——有毒物质的迁移和转化

发布时间:2021/7/5,浏览人次:4783

有毒物质的迁移和转化

 

一、概述

   某种物质进入生态系统后,使环境正常组成和性质发生变化,在一定时间内直接或间接地有害于人或生物时,就称为有毒物质 toxic substance)或者称为污染物(pollutant)。有的是自然释放的,有的是人类活动产生的。有毒物质包括有机的和无机的两类。无机有毒物质主要指重金属、氟化物和氰化物等;有机有毒物主要有酚类、有机氯农药等。

   污染物分为:一次污染物和二次污染物。一次污染物(primary pollutant)是由污染源直接排入环境的,其物理、化学性状未发生变化的污染物,又称原发性污染物。二次污染物(secondary pollutant)是由一次污染物转化而成的。排入环境中的一次污染物在外界因素作用下发生变化,或与环境中其他物质发生反应形成新的物理、化学性状的污染物,又称继发性污染物。

   有毒物质种类繁多,它们进入生态系统的途径是多种多样的。

   据估计,人类已将7万多种化学产品投放市场,其中许多是有毒物质。这些物质进入环境中经历着迁移和转化的过程。迁移(transport)是重要的物理过程,包括分散、混合、稀释和沉降等;转化(transformation)主要是通过氧化、还原、分解和组合等作用,会发生物理的、化学的和生物化学的变化。有的物质毒性可能降低,而另一些则可能变为剧毒物质。不过大部分物质能为环境吸收或分解,使之变为无害物质,即被环境所精华(purification)。

 

二、汞的迁移和转化

   汞、镉、砷、铬、铜等重金属污染已成为人类面临的严重环境问题之一。日本的水俣病和瑞典野鸭突然灭迹就是汞污染造成的国际惊人事件。因而汞被认为是有毒物质污染环境的“元凶”。

   汞循环(mercury cycle)是重金属在生态系统中循环的典型代表。地壳中汞经过两条途径进入生态系统。一是通过火山爆发、岩石风化、岩熔等自然运动;一是经人类活动,如开采、冶炼、农药喷洒等。

   汞在土壤中的行为表现在土壤对汞的固定和释放作用上。由于土壤对汞有固定作用,起到固定和贮存的作用。所以,土壤是汞的一个巨大的天然储存库。

   在一定的条件下,土壤中固定态的汞又可释放出来,转变为易于被作物吸收的可给态汞。土壤中汞的固定和释放以及植物吸收汞的过程可概括如下:

   固定态汞可给态汞植物吸收的汞

   汞在水域中存在的形态与水中氧化还原特性密切相关。汞在水体中可能存在的化学价态有零价的元素汞(Hg0)、一价的汞(Hg+)和二价的汞(Hg2+),主要是元素汞和二价汞。在一般情况下,水体中的汞主要是金属汞和氯化汞。

   水体中的无机汞可随着水的流动而运动,或沉降于水底并吸附在底泥中。在微生物的作用下,无机汞能转化为有机汞,主要转化为一甲基汞和二甲基汞。这就是汞的生物甲基化作用(biological demethylation of mercury)。汞的甲基化作用可在厌氧条件下发生,也可在有氧条件下发生。在厌氧条件下,主要转化为二甲基汞。二甲基汞具有挥发性,易于逸散到大气中,进入大气分解成甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)和汞,其中元素汞又沉降到土壤或水域中。在弱酸性的水环境中,二甲基汞还可转化为一甲基汞。在有氧条件下,主要转化为一甲基汞。一甲基汞是水溶性物质,易于被生物吸收而进入食物链。

   当汞被排入水中后,部分被浮游植物硅藻等吸收,而硅藻又被轮虫等浮游动物所取食,浮游动物又被鱼捕食。这样,汞一次又一次地被富集。在顶位鱼体内的汞含量可高达50~60mg/kg,比原来水体中的浓度高万倍以上,比低位鱼体内汞含量亦高900多倍,这就是生物放大现象(biomagnification)。

   土壤中汞经淋溶作用可以进入水体,水体中的汞也可通过灌溉进入土壤。土壤中汞化合物可被植物吸收后进入食物链。金属汞进入动物体内可以被甲基化。汞进入生物体内经由排泄系统或生物分解,返回到非生物系统中。非生物系统中,有一部分汞进入循环,有一部分进入沉积层。

   汞在整个生态系统中的主要循环系统有:大气→土壤→植物→人畜;废水→水生植物→水生动物→人畜;水→土壤→植物→人畜。人畜机体中的汞在残体腐烂、分解后,又重新回到非生物系统。这些主要的循环途径彼此不是分隔的,而是彼此相联,相互影响的。

   重金属的基本化学特性决定了重金属在环境中的存在形式。重金属的基本化学特性主要是形成有机配位体和络合物,形成有机金属化合物和参与氧气还原反应。汞作为一种重金属元素在环境中存在的形态和转化,是生物地化循环研究的一个重要课题。


自然界汞的迁移和转化.jpg

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——摘自科学出版社·蔡晓明编著·《生态系统生态学》·第二篇 生态系统功能·第九章 第四节

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