1、关于关于生物富集生物富集的一个实例与一的一个实例与一个实验个实验 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610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。由由多氯联苯多氯联苯(PCB)引发的米糠油事件引发的米糠油事件DDT在食物链中的富集在食物链中的富集浮游生物浮游生物DDT：0.04mg/kg 小鱼小鱼DDT：0.5mg/kg 大鱼大鱼DDT：2mg/kg 海鸟海
2、鸟DDT：2.5mg/kgDDT：310-6mg/m3 大气大气思考思考：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？研究（污染物）的生物积累的意义是什么？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（生物富集（bioenrichment）：）：定义：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-c
3、oncentration）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大的效应。2.1.2 2.1.2 生物富集系数生物富集系数（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
4、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物体内污染物的浓度/生存环境中该污染生存环境中该污染物浓度物浓度 2.1.22.1.2生物富集系数生物富集系数（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：有机物在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
5、。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（生物积累（bio-accumulation）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
6、积累）。生物积累的程度同样用浓缩系数表示。2.1.3 生物积累（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。2.1.4 生物放大生物放大(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
7、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0.001-0.002mg/L，小鱼体内可达0.2-0.5mg/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。生物积累生物积累vs生物放大生物放大 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。2.2 生物富集机制生物富集机制2.2.1 生物体内能与污
8、染物结合的物质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。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
9、醛基 葡萄糖葡萄糖（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位点。一般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pH5。氨基酸氨基酸 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：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
10、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。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。（3）脂类）脂类 脂类含有极
11、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 4）核酸）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。2.3 影响生物富集的因素生物学特性生物学特性污染物性质污染物性质环境因素环境因素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
12、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。（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。主要表现为：主要表现为：污染物和生物体中某些成分结合结合(络合、螯合络合、螯合)，不能再参加代谢活动，使污染物失去毒性，从而
13、可以在生物体内富集；体内污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、氧化、还原、水解、脱烃、脱卤、苯环轻基化和异构化过程脱烃、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。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。水稻对水稻对Pd的吸收为：的吸收为：根根叶叶茎茎谷壳谷壳米米（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
14、。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。（6）不同生物种 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)黑藻水龙喜旱莲子草大藻心叶水车前水车前。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。（7）超富集植物与植
15、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。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）圆锥南芥（Cd）长绒毛委陵菜（Zn）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
16、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。结果：表层土壤铅含量从2300 下降到420 mg/kg;1530 cm 中土层铅含量从1280下降到992mg/kg;3045 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。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
17、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：（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。（2）五氯或六氯代PCB同样可以单氧化为单酚，但速度慢，易富集。（3）七氯以上的高氯代PCB几乎不被代谢，能高度富集。（4）氯数目相同的PCB，相邻位置未被置换或邻位为氯置换的，比没有这两种情况的易被代谢而不易被富集。2.3.2 污染物性质 氯化碳氢化合物（以总DDT表示）具有很高的理化和生物稳定性。特别是DD
18、T属脂溶性物质，在水中溶解度很低（0.02mg/kg），但能大量溶解在脂类化合物中（浓度可达1.0105mg/kg)。因此这类污染物与生物接触时，能迅速被吸收，并贮存在脂肪中，很难被分解，也不易排出体外。有机氯农药、多氯联苯、甲基汞等有类似性质。有机磷农药，酚类污染物质相反，具有较高水溶性，易被生物降解。因此大多数酚类污染物都不能再生物体内富集，主要残留在水中。（2）污染物渗透能力 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。（3）污染物可给态 基质溶液中，污染物可给态(可溶性)数
19、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。（5）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。镉的富集系数在水中浓度为0.005mg/L时达到最大值，然后急速下降。这说明，水中镉浓度在1mg/L以下，植物能有效
20、吸收镉，镉浓度增到1mg/L后，植物的富集系数很快下降，这与镉的毒害作用等问题有关。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。ktcF 美国科学院于1971年提出剂量积累公式：式中：k为系数；t为作用时间；c为环境中污染物浓度。ktcF;集量为生物体内污染物的富F2.3.3 环境特点（1）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
21、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。2.3.3 环境特点（2）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。（3）鱼体内富集的甲基汞多少与湖底有机质含量有关，有机质含量越高，则湖底甲基汞占总汞量越高而鱼体内含汞量越低。2.4 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。无论在哪个水平上的研究，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
22、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。2.4.12.4.1模拟研究模拟研究 模拟研究的方法是在一个容器内，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（25cm30cm50cm）,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：高粱高粱毛虫毛虫硅藻硅
23、藻浮游生物浮游生物孑孓孑孓食蚊食蚊鱼鱼 高粱高粱毛虫毛虫绿藻绿藻瓶螺瓶螺实验设计实验设计 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。把5.0mg的14C-DDT（1%丙酮溶液）涂在高粱叶上，一个月后测定结果：2.4.2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
