生态系统地有毒有害物质循环

生态系统的有毒有害物质循环

地球环境主要由大气圈、水圈、土壤圈、岩石圈和生物圈构成。大气圈、水圈、土壤圈和生物圈共同组成了地球环境系统，每个圈层都离不开太阳所提供的能量，这几个圈层密切联系，相互作用，不停的进行着物质、能量交换，维持着动态的自然平衡，使地球及其生物得以生存、繁衍和发展。

生态系统的物质循环是指无机化合物和单质通过生态系统的循环运动。生态系统中的物质循环可以用库和流通两个概念来加以概括。[1]

其中，库是由存在于生态系统某些生物或非生物成分中的一定数量的某种化合物所构成的。对于某一种元素而言，存在一个或多个主要的蓄库。在库里，该元素的数量远远超过正常结合在生命系统中的数量，并且通常只能缓慢地将该元素从蓄库中放出。物质在生态系统中的循环实际上是在库与库之间彼此流通的。在单位时间或单位体积的转移量就称为流通量。

生态系统物质循环分为三种类型。

第一个是水循环。

在生态系统中，水是以液态、固态、气态这3种形式存在的。海洋、湖泊表面的水不断蒸发，变成水蒸气。水蒸气在空气中遇冷凝结又成为降雨。这些降雨一部分直接又落回江河湖海，而另一部分则落到陆地。落到陆地的这部分降雨，一些被植物吸收，另一些则渗入地下，成为地下水，地下水最终又缓慢流入海洋。而植物吸收土壤中的水分后，又通过蒸腾作用，将水分子送回大气中。动物则直接饮用河流、湖泊中的水，并从食物(植物或动物)中取得一部分水，最后通过分泌、排泄等活动把水分还回给环境。这就是生态系统中水循环的大致过程。

第二个是气体型循环。

气体型循环主要有碳元素的循环、氮元素的循环和氧元素的循环。这里，我们主要介绍一下碳元素的循环。

呼吸的重点是吸入氧气而呼出二氧化碳气体，而植物除了呼吸以外，还可以进行光合作用，“吸入”二氧化碳气体，而“呼出”氧气。空气中的二氧化碳被植物“吸入”后变为糖类，大部分用于植物生长，而少部分通过细胞呼吸被送还

给大气。动物们则是通过食物链摄食碳元素，其中也有一小部分用于呼吸，大部分用于自身的生长。最后那些没有被捕食的动植物死掉后，尸体被分解者(如真菌)分解，将当初用于自身生长的碳元素也全部以二氧化碳的形式放还给大气。以上就是碳循环的主要途径。

第三个是沉积型循环。

磷循环、硫循环，及钙、钾、钠、镁的循环都为沉积型循环。下面以磷循环为例，介绍一下沉积型循环。

沉积岩中的磷酸盐因风化、侵蚀等作用而溶于水中，进入土壤或海洋。植物可以从土壤中直接吸收磷酸根离子，用于合成自身的一些物质，然后再通过食物链将磷传递给植食动物、肉食动物，最后这些动物的尸体被分解者分解，磷又重新回到环境中，“等待”再次被植物吸收。以上是磷在陆地生态系统中的情况。以上我们提到，岩石风化后，一部分磷酸盐进入土壤，而另一部分磷酸盐则进入海洋。进入海洋生态系统的磷酸盐也相继被浮游植物、浮游动物等吸收。但这些动植物死后，尸体沉入海底，只有小部分可被分解继而“等待”植物的再次吸收，而大部分尸体还未来得及被分解就被淤泥与海沙所覆盖，最终在海底长期积存下来，于是这部分磷就暂时脱离了循环，磷循环也因而被称为不完全循环。直至下次海平面的变迁，这部分磷才能“重见天日”。

生态系统的能量流动推动着各种物质在生态群落和无机坏境中循环。这里面的物质包括组成生物体内的重要基础元素：碳、氮、硫、磷，以及以DDT为代表的能长期存在的有毒有害物质循环。其循环是整个地球环境的循环，因为物质循环具有全球性，发生在各个圈层。在南极上方发现的臭氧层空洞便可证明。

有毒有害物质具体指的是：因生产的需要需在生产过程中，或清洁、消毒、设施运作、害虫防治、化验过程中需使用到的清洁剂、消毒剂、杀虫剂、机器润滑油、化学试剂等化学品物质，这里面有重金属物质，放射性元素物质，以及各种PTS、POPs等。这些物质特点是，对于生物体危害较大，能够在环境中持久地存在，难以被分解，容易富集在生物体内。研究生态系统的有毒有害物质循环对于人类健康以及全生态系统环境都有着非常重要的意义。

那么这些有毒有害物质是如何在环境中迁移的呢？

一、污染物在大气中的迁移。

1风力扩散：由外摩擦力介入而产生的风因流经起伏不平的地形而具有湍流性质，使得由风力携带的污染物在较小范围内向各个方向扩散。风力越大，污染物沿下风向扩散的越快。

2气流扩散：稳定大气不产生气流，而大气稳定度越差，气流越剧烈，污染物在纵向的扩散越快。

3干沉降：大气污染物通过重力沉降或被地面建筑物、树木等阻留从而沉积在地面的过程，或者进入人或其他动物呼吸道（器官）并积留的过程。

4湿沉降：大气中所含污染物气体或微粒物质随降水过程（雨水、雪等）降落并积留在地表的过程。[2]

一旦这些物质在大气中扩散迁移，大气污染便由此产生。大气是自然环境四大组成要素之一，也是一切生命体维持其生存所必需的物质之一。大气及其质量优劣，对生物和人群的健康有着直接的影响。大气污染是指大气中一些物质的含量超过其正常本底值且持续的时间足都对人体、生物及材料产生不利的影响和危害，这是的大气状况就称之为大气污染。

大气的天然污染源主要有：火山喷发、森林火灾、自然风尘、沼泽释放温室气体、海洋飞沫。

大气的人为污染源可分为四类：工业企业排放源、家庭炉灶与取暖设备排放源、交通运输污染源、农业污染源。

进入到大气的污染物会转化成二次污染物。二次污染物是指污染物在大气中相互作用或与大气中正常组分发生反应，或者在太阳辐射参与下所进行的光化学反应而产生与一次污染物的理化性质化学组分完全不同的新的大气污染物，二次污染物颗粒小，其毒性比一次污染物还强。

污染物的转化是指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变其存在形态或转变为不同物质的过程。广义上讲，污染物的转化可分为物理转化、化学转化和生物化学转化。

1物理转化：包括污染物的相变、凝聚及放射性元素的蜕变等。

2化学转化：主要包括光化学转化、氧化-还原和络合水解等作用，通过化学转化，往往发生了原有化学键的断裂和新化学键的生成。

3生物化学转化：是污染物通过生物的吸收和代谢作用而发生的变化，主要

是指生物降解。

污染物的转化与迁移不同，后者只是空间位置的相对移动。不过，环境污染物的迁移和转化往往是伴随进行的，例如酸沉降，既涉及酸性气体（如SO2和NO2）的氧化反应，又涉及其转化产物的迁移过程。[2]

二、污染物在水中的迁移

1水流推移作用: 污染物在水流作用下发生的迁移运动。

2分散作用：

包括：①分子扩散：由污染物分子的随机运动引起的。

②湍流扩散：湍流流场中，污染物质点之间及污染物质点与水分子之间由于各自的不规则运动而发生相互碰撞、混合。

③弥散：是由于水体横断面上的实际流速分布不均匀引起的。

3重力沉降：吸附于水体颗粒物上的污染物可以发生物理性重力沉降或胶体颗粒沉降。

4吸附和分配：天然水体是一个巨大的分散体系，其中的分散物质包括各种溶解态的离子和分子、胶体粒子、悬浮粒子以及较大的粗粒子等。这些粒子可以吸附水中的各种污染物质，明显影响着污染物在水体中的状态和迁移转化规律。

5挥发：水体中污染物向大气迁移的重要过程，是在水-空气界面进行的物理迁移过程。[2]

污染物投入水体后，使水环境受到污染。污水排入水体后，一方面对水体产生污染，另一方面水体本身有一定的净化污水的能力，即经过水体的物理、化学与生物的作用，使污水中污染物的浓度得以降低，经过一段时间后，水体往往能恢复到受污染前的状态，并在微生物的作用下进行分解，从而使水体由不洁恢复为清洁，这一过程称为水体的自净过程。

通过水体自净过程，在一定时间内和一定条件下，正常水体中的生物群落和其他组成表现为相对稳定的状态，即使其中某些成分发生变化，也可以通过一段时间来调整恢复到原来的状态，保证了水体的正常生物循环。

微生物分解这其实也算是污染物在生物体内的迁移和转化了。在污水处理方面，微生物处理法一直是主流方法，俗称活性污泥法。活性污泥是微生物群体及它们所依附的有机物质和无机物质的总称，1912年由英国的克拉克和盖奇发现，

活性污泥可分为好氧活性污泥和厌氧活性污泥。通过微生物生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用以达到处理污水的目的。

溶解氧是水体自净中主要的生态元素之一。因为微生物在处理污染物时需要消耗氧气，并且水体中其他动物如鱼类的生存也需要充足的氧气。一旦溶解氧不足，就会造成鱼类死亡，而尸体的堆积则会滋生大量厌氧菌使尸体腐烂破坏水体生态平衡。

水体富营养化也是严重破坏水体生态平衡的一类污染。它主要是由于大量的氮、磷、钾等元素排入到流速缓慢、更新周期长的地表水体，使藻类等水生生物大量地生长繁殖，使有机物产生的速度远远超过消耗速度，水体中有机物积蓄。

水体富营养化的原因主要是工业废水排放不达标而排进水体以及农业过度使用化肥导致化肥流入水体造成水体富营养化。

生活污水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水都含有大量的氮、磷及其他无机盐类。天然水体接纳这些废水后，水中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加，而其他藻类的种类则逐渐减少。水体中的藻类本来以硅藻和绿藻为主，蓝藻的大量出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。藻类繁殖迅速，生长周期短。藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等气体，从两个方面使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用。因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态。

富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，水体表面生长着以蓝藻、绿藻为优势种的大量水藻，形成一层“绿色浮渣”，致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。

对于河湖水体富营养化治理，各个国家和地区采用不同的物理、化学、生物

方法对其进行预防、控制和修复，并且取得了一定的成效。现在主要的物理处理方法有底泥疏浚、引水冲洗、机械曝气等，一方面工程量巨大、运行成本高，另一方面对污染严重的河湖进行底泥疏浚，易导致底层的沉积物发生悬浮和扩散，促进了沉积物中的氮、磷营养盐及其所吸附的金属离子的释放，从而使水体环境面临受沉积物中释放的重金属离子及氮、磷营养盐二次污染的风险；化学方法有投加混凝剂和除藻剂等，虽然能在短期内取得一定效果，但也存在着治理不彻底、成本高的问题，特别是会产生二次污染，引发新的生态问题；现流行的生物和生态修复，通过微生物降解和水生植物的吸收、转移或生态浮床、滤床的过滤、吸附等措施来消减水体中的氨氮。此类方法虽避免了二次污染问题，但受自然环境影响大，要求条件苛刻，同时相对于其它处理技术而言，更有周期长、见效慢的缺点。[3]

三、污染物在土壤中的迁移

1挥发

2分配

3淋溶渗滤：是指土壤物质随水流由上部土层向下某一部位或侧向移动的过程，亦称淋溶作用，这是土壤中比较普遍存在的过程。

4植物吸收

5土壤扩散

土壤是由固体、液体和气体三相共同组成的多相体系。固相指土壤矿物质(原生矿物和次生矿物质)和土壤有机质，两者占土壤总量的90~95%。液相指土壤水分及其可溶物，两者合称为土壤溶液。气相指土壤空气。土壤中还有数量众多的细菌和微生物，一般作为土壤有机物而视为土壤固相物质。土壤矿物是土壤的主要组成物质，占土壤固体总量的90％以上。它源于岩石的风化作用，在大小和组成上复杂多变。土壤矿物按成因可分为原生矿物和次生矿物。土壤有机质概指土壤中动植物残体、微生物体及其分解和合成的物质，是土壤的固相组成部分。约占土壤固体总重量的1％－10％，土壤水分是土壤的重要组成部分，主要来自大气降水、灌溉水和地下水。这些水充当了土壤中所发生各种化学反应的介质，对于岩石风化、土壤形成、植物生长有着决定性的意义。土壤空气也是土壤的重要组分之一。土壤空气来源大气，它存在于未被水分占据的孔隙中，它对土

壤微生物活动、营养物质的转化以及植物的生长发育都有重大的作用。总体来看，土壤空气和大气的主要成分都是氮气、氧气和二氧化碳。土壤中生活着一个生物群体，它们不但积极参与岩石的风化作用，并且是成土作用的主要因素。土壤生物是土壤的重要组成成分。土壤动植物残体及土壤腐殖质在微生物作用下可分解成简单的有机化合物，直至最终被彻底分解成无机化合物，如CO2、CO、H2O、NO2、NH3、N2、H2S、CH4等。

土壤污染物主要是一些重金属和农药，还有土壤酸化。

土壤中重金属的形态分级：交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态、残渣态。

重金属污染土壤的净化：生物修复途径是可行的

生物修复实例：利用蚯蚓处理具有良好的除去重金属的效果。经蚯蚓的作用使基质中重金属浓度明显下降，而且随着蚯蚓的繁殖，其净化量越大。也仅仅是转化而已（变成生物体，即生物的富集作用）。现在国际上研究报道较多的有植物超量吸收（例如印度芥菜具有较强的吸收镉的能力）。此外报道的有对锌、铝等重金属的超量吸收。

降解是土壤中农药净化的主要途径，是以土壤微生物与酶为主对农药的分解作用。该过程受含水量的影响，含水量增加，农药在土壤中的分解能加速。根据分解作用的性质，农药在土壤中的降解过程主要包括：脱氯作用、脱烷基作用、氧化还原作用和水解作用。

导致土壤酸化的因素一个是酸雨的淋洗（由于雨水淋洗土壤盐基的作用，土壤总是或多或少呈盐基不饱和状态）另一个是酸性污水或不合理施肥（施肥量大，特别是酸性肥料或偏施氮肥）。控制对策：源头控制（产业结构调整、清洁生产）；有机农业和生态农业实施；肥料工艺（包膜肥料）。

四生物相中污染物的迁移：

1吸收、分布、排泄和生物转化。

2生物积累：生物通过吸附、吸收和吞食作用，从周围环境中摄入污染物并滞留体内，当摄入量超过消除量，污染物在体内的浓度会高于水体浓度。包括生物富集和生物放大。

3植物提取、植物转运、植物固定、植物挥发以及根际效应。

大多数污染物都能通过生物积累汇聚在生物体内，一定的积累量后会造成生物体功能的损害，威胁生物健康。

有人研究牡蛎在50微克/升的氯化汞溶液中对汞的积累，观察到第7天,牡蛎（按鲜重每公斤计）体内汞的含量达25毫克,浓缩系数为500；第14天达35毫克，浓缩系数为700；第19天达40毫克，浓缩系数为800；到第42天增加到60毫克，浓缩系数增为1200。此例说明，在代谢活跃期内的生物积累过程中，浓缩系数是不断增加的。鱼体中农药残毒的积累同鱼的年龄和脂肪含量有关，农药的残留量随着鱼体的长大而增加。在许多情况下，生物个体的大小同积累量的关系，比该生物所处的营养等级的高低，更为重要。

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。因此，对生物积累的研究，具有重要的理论和实践意义。至于生物积累的机理，尚有待深入研究。

综上所述，有毒有害物质在地球环境中的迁移转化方式我们已经探索出很多，这对我们人类健康以及全生态系统环境都有着非常重要的意义。比如利用微生物处理污水，利用生物积累量作为检测环境指标等。然而，在源头控制污染物的产生，实现清洁生产，我认为是控制污染的源头。在未来随着科技的发展我们一定能研制出更好的处理污染物方式方法。

1 李宏《物质循环》，辽海出版社，2011-03-01

2 陈景文《环境化学》，大连理工大学出版社，2009-08-01

3 全新丽《污水三级处理除磷是解决水体富营养化的根本办法》，中国水网，2004-5-24