有毒物質(zhì)的遷移和轉(zhuǎn)化
一、概述
某種物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)后,使環(huán)境正常組成和性質(zhì)發(fā)生變化,在一定時間內(nèi)直接或間接地有害于人或生物時,就稱為有毒物質(zhì) (toxic substance)或者稱為污染物(pollutant)。有的是自然釋放的,有的是人類活動產(chǎn)生的。有毒物質(zhì)包括有機(jī)的和無機(jī)的兩類。無機(jī)有毒物質(zhì)主要指重金屬、氟化物和氰化物等;有機(jī)有毒物主要有酚類、有機(jī)氯農(nóng)藥等。
污染物分為: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環(huán)境的,其物理、化學(xué)性狀未發(fā)生變化的污染物,又稱原發(fā)性污染物。二次污染物(secondary pollutant)是由一次污染物轉(zhuǎn)化而成的。排入環(huán)境中的一次污染物在外界因素作用下發(fā)生變化,或與環(huán)境中其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成新的物理、化學(xué)性狀的污染物,又稱繼發(fā)性污染物。
有毒物質(zhì)種類繁多,它們進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的途徑是多種多樣的。
據(jù)估計,人類已將7萬多種化學(xué)產(chǎn)品投放市場,其中許多是有毒物質(zhì)。這些物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境中經(jīng)歷著遷移和轉(zhuǎn)化的過程。遷移(transport)是重要的物理過程,包括分散、混合、稀釋和沉降等;轉(zhuǎn)化(transformation)主要是通過氧化、還原、分解和組合等作用,會發(fā)生物理的、化學(xué)的和生物化學(xué)的變化。有的物質(zhì)毒性可能降低,而另一些則可能變?yōu)閯《疚镔|(zhì)。不過大部分物質(zhì)能為環(huán)境吸收或分解,使之變?yōu)闊o害物質(zhì),即被環(huán)境所精華(purification)。
二、汞的遷移和轉(zhuǎn)化
汞、鎘、砷、鉻、銅等重金屬污染已成為人類面臨的嚴(yán)重環(huán)境問題之一。日本的水俁病和瑞典野鴨突然滅跡就是汞污染造成的國際驚人事件。因而汞被認(rèn)為是有毒物質(zhì)污染環(huán)境的“元兇”。
汞循環(huán)(mercury cycle)是重金屬在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)的典型代表。地殼中汞經(jīng)過兩條途徑進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)。一是通過火山爆發(fā)、巖石風(fēng)化、巖熔等自然運(yùn)動;一是經(jīng)人類活動,如開采、冶煉、農(nóng)藥噴灑等。
汞在土壤中的行為表現(xiàn)在土壤對汞的固定和釋放作用上。由于土壤對汞有固定作用,起到固定和貯存的作用。所以,土壤是汞的一個巨大的天然儲存庫。
在一定的條件下,土壤中固定態(tài)的汞又可釋放出來,轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诒蛔魑镂盏目山o態(tài)汞。土壤中汞的固定和釋放以及植物吸收汞的過程可概括如下:
固定態(tài)汞?可給態(tài)汞→植物吸收的汞
汞在水域中存在的形態(tài)與水中氧化還原特性密切相關(guān)。汞在水體中可能存在的化學(xué)價態(tài)有零價的元素汞(Hg0)、一價的汞(Hg+)和二價的汞(Hg2+),主要是元素汞和二價汞。在一般情況下,水體中的汞主要是金屬汞和氯化汞。
水體中的無機(jī)汞可隨著水的流動而運(yùn)動,或沉降于水底并吸附在底泥中。在微生物的作用下,無機(jī)汞能轉(zhuǎn)化為有機(jī)汞,主要轉(zhuǎn)化為一甲基汞和二甲基汞。這就是汞的生物甲基化作用(biological demethylation of mercury)。汞的甲基化作用可在厭氧條件下發(fā)生,也可在有氧條件下發(fā)生。在厭氧條件下,主要轉(zhuǎn)化為二甲基汞。二甲基汞具有揮發(fā)性,易于逸散到大氣中,進(jìn)入大氣分解成甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)和汞,其中元素汞又沉降到土壤或水域中。在弱酸性的水環(huán)境中,二甲基汞還可轉(zhuǎn)化為一甲基汞。在有氧條件下,主要轉(zhuǎn)化為一甲基汞。一甲基汞是水溶性物質(zhì),易于被生物吸收而進(jìn)入食物鏈。
當(dāng)汞被排入水中后,部分被浮游植物硅藻等吸收,而硅藻又被輪蟲等浮游動物所取食,浮游動物又被魚捕食。這樣,汞一次又一次地被富集。在頂位魚體內(nèi)的汞含量可高達(dá)50~60mg/kg,比原來水體中的濃度高萬倍以上,比低位魚體內(nèi)汞含量亦高900多倍,這就是生物放大現(xiàn)象(biomagnification)。
土壤中汞經(jīng)淋溶作用可以進(jìn)入水體,水體中的汞也可通過灌溉進(jìn)入土壤。土壤中汞化合物可被植物吸收后進(jìn)入食物鏈。金屬汞進(jìn)入動物體內(nèi)可以被甲基化。汞進(jìn)入生物體內(nèi)經(jīng)由排泄系統(tǒng)或生物分解,返回到非生物系統(tǒng)中。非生物系統(tǒng)中,有一部分汞進(jìn)入循環(huán),有一部分進(jìn)入沉積層。
汞在整個生態(tài)系統(tǒng)中的主要循環(huán)系統(tǒng)有:大氣→土壤→植物→人畜;廢水→水生植物→水生動物→人畜;水→土壤→植物→人畜。人畜機(jī)體中的汞在殘體腐爛、分解后,又重新回到非生物系統(tǒng)。這些主要的循環(huán)途徑彼此不是分隔的,而是彼此相聯(lián),相互影響的。
重金屬的基本化學(xué)特性決定了重金屬在環(huán)境中的存在形式。重金屬的基本化學(xué)特性主要是形成有機(jī)配位體和絡(luò)合物,形成有機(jī)金屬化合物和參與氧氣還原反應(yīng)。汞作為一種重金屬元素在環(huán)境中存在的形態(tài)和轉(zhuǎn)化,是生物地化循環(huán)研究的一個重要課題。
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——摘自科學(xué)出版社·蔡曉明編著·《生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)》·第二篇 生態(tài)系統(tǒng)功能·第九章 第四節(jié)