生物圈地球化学及其环境效益

7.1 生物圈地球化学循环 中国科学技术大学 环境地球化学概论

Motivation 土 壤 元素的生物地球化学循环对环境的影响 大气沉降 污泥污染 肥料 灌水 其它 土壤动物 土壤微生物 蔬菜 粮食作物 土 壤 蔬菜 粮食作物 家畜家禽 人体

碳的生物地球化学循环 • 工业革命改变了碳循环 + 气候变暖 balanced

碳的生物地球化学循环 • 工业革命改变碳循环的原理： 施肥效应 大气CO2 升高 碳循环 加强温室效应 温度升高

碳的生物地球化学循环 易利用的 难利用的 动物 生物残体 泥炭 煤 石油等 生物的 有机的 自养生物 （植物和细菌等） 微生物 土壤 大气圈 高压地质过程 动物 生物残体 泥炭 煤 石油等 生物的 有机的 自养生物 （植物和细菌等） 微生物 侵蚀、燃烧 同化、 光合固化 死亡、呼吸、排泄、淋洗 土壤 风化 大气圈 非生物的 水 岩石 抬升、侵蚀 无机的 沉积物 沉积变岩石

氮的生物地球化学循环 •人类活动干预的局地循环为主，但影响全球环境的氮循环 工业排放 大气氮沉降 农业施肥

氮的生物地球化学循环 氧化和还原途径众多 大气是最大的氮库： 79% N2 岩石和沉积中很少 海洋中缺乏 人类活动包括：合成氨和化肥施用 生物学传输机制 – 最主要的N2还原为氨态氮的途径：固氮菌固氮 – 氨态氮被生物转化为有机氮：同化 – 氨态氮氧化成硝态氮：硝化 – 有机氮分解为氨态氮：氨化 – 硝态氮还原为气态氮：反硝化

氮的生物地球化学循环 植被对氮循环起着重要的控制作用， 没有植被的地方氮将逐渐减少

磷的生物地球化学循环 • 地质作用为主的磷循环 人类活动改变磷循环原理 农业施肥 人类生活 水生生态系统 磷循环改变 水体富营养化

磷的生物地球化学循环 • 磷循环传输机制 • 最大储库： 海洋沉积和陆地土壤 • 主要传输机制： – 大陆抬升 – 岩石风化 • 磷循环传输机制 • 最大储库： 海洋沉积和陆地土壤 • 主要传输机制： – 大陆抬升 – 岩石风化 – 水中溶解 – 生物同化溶解磷酸盐 – 生物间传输 – 传输 – 沉降 – 侵蚀 –人类开发和农业施用

硫的生物地球化学循环 • 主要储库为岩石圈和沉积物 • 人类活动影响剧烈 • 通过陆气交换对环境施加影响 • 生物循环过程复杂 – 厌氧自养菌生长 – 化能自养菌生长（能源多样）

硫的生物地球化学循环 深海化能自养（利用H2S）

生物圈的地球化学 生物 本身 环境 生物源的岩石矿物等 生物圈的地球化学组成 植物、动物及微生物等 土壤、水、空气等 腐殖质、煤炭、石油等

生物圈的地球化学 化学成分：碳、氢、氧 三种元素在化合物(CHO)中呈适当的比例，而这个化合物正是碳水化合物的主要组成单位。世界上的生物物质大多数是世界森林的木质部分，而木质大多是碳水化合物的分子链所组成。

生物对元素的吸收和富集 生物吸收和富集元素的一般特征： 选择吸收法则,即吸收生命循环所必需的物质 植物生长必需的20种元素:C、O、H、N、P、K、Ca、 Mg、S、Fe、Zn、Cu、Mn、B、Co、V、Cl、Na、Si和Mo 动物除需要C、H、O、N和S等元素外，为了生长发育，需要的20种元素与植物不完全相同:Ca、C1、Cr、Co、Cu、F、I、Fe、Mg、Mn、Ni、P、K、Se、Si、Na、Sn、V、Mo和Zn

生物对元素的吸收和富集 植物对元素的吸收和富集 植物对气态物质特别是气态污染物的粘附和吸收 粘附污染物的数量,主要决定于植物表面积的 大小和粗糙程度

生物对元素的吸收和富集 植物对元素的吸收和富集 植物对水溶态物质的吸收:主要器官是根,但叶片也能吸收 水溶态物质到达植物根(或叶)表面的两个途径: 质体流途径,即物质比如污染物随着蒸腾拉力,在植物吸收水分时与水一起到达植物的根部; 扩散途径,即通过扩散而到达根表面土壤,重金属的扩散 FICK第二定律:浓度随时间的变化与浓度梯度的变化率成正比 X=√2DT (D:扩散系数;T:时间)

生物对元素的吸收和富集 植物对元素的吸收和富集 植物对水溶态物质的吸收:主要器官是根,但叶片也能吸收 水溶态物质进入细胞的过程 非共质体通道:细胞壁等质外空间吸收 共质体通道:透过细胞膜进入细胞的生物过程

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 生物富集系数=生物体中元素浓度/环境中该元素浓度 生物富集(又称生物浓缩)：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 生物积累:同一生物个体在生长发育的不同阶段生物集系数不断增大的现象 生物放大:同一食物链上,生物富集系从低营养级到高营养级逐渐增大的现象

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 生物富集机制 影响生物富集的因素： 生物种的特性 污染物的性质 污染物的浓度和作用时间 环境特点（主要的、决定性的因素）.

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 影响生物富集的因素： 1.生物种的特性 (1)生物体内能与污染物结合的物质： A.葡萄糖和果糖等糖类物质 醛基，具有还原性，在还原环境中，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

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 影响生物富集的因素： 1.生物种的特性 (1)生物体内能与污染物结合的物质： B.氨基酸 等电点PH=5，当两性离子正负电荷数值相等时， 溶液的PH即等电点) 金属螯合物

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 影响生物富集的因素： 1.生物种的特性 (1)生物体内能与污染物结合的物质： C.蛋白 金属硫蛋白等：低相对分子量6000-10000的蛋白：含有高达30%半胱氨 酸<含巯基-SH->与金属离子有很强的结合力 D.脂类 极性脂键，与金属离子结合形成络合物或螯合物，从而把重金属储存 在脂肪内 E.核酸 含有磷酸基和碱性基团，属两性物质，在一定的PH条件下能解离而带 电荷能与金属离子结合

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 影响生物富集的因素： 1.生物种的特性 (1)生物体内能与污染物结合的物质： 污染物和上述生物组分结合被固定在生物体各部位,降低了污染 物的活性从而加速生物的吸收，增加富集量。 (2)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，越不容易富集。 (3)与某些元素代谢有关。 比如，进入动物体内的元素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易在体内富集。

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 影响生物富集的因素： (4)不同器官：各种器官的结构和功能不同，与污染物接触时间 1.生物种的特性 (4)不同器官：各种器官的结构和功能不同，与污染物接触时间 的长短,接触面积的大小存在差异。 如:Pb(相同浓度) 鳃(吸收器官)>内脏(肝等)>骨胳(Pb3(PO4)2)>头>肌肉 (5)不同生育期 水稻：苗期a，分蘖期b，拔节期c，抽穗期d，结实期e Pb:c>b>a>d>e

生物对元素的吸收和富集 生物的富集系数及生物学半衰期 影响生物富集的因素： (6)不同生物种 1.生物种的特性 比如海洋生物砷的富集比淡水鱼及甲壳动物要高 (7)超积累植物 生物学半衰期(简称BHL) : 把有毒物质降到最初摄入量一半所需时间。

生物对元素的吸收和富集 元素生物迁移差别的鉴别因子和观察比 在化学性质相似的成对元素中，一种是微量元素，另一种是宏量元素，如Sr和Ca。对于这样的一对元素，可以比较它们在两个不同相之间的迁移情况。 例如以A相表示土壤溶液，B相表示植物体；或者A相为牛的身体， B相为其分泌的牛乳。这时， Sr2+和Ca2+往往表现出明显的生物迁移差别。这种差别程度可以用一参量，即鉴别因子(DF)来表示。 DF(A-B)=[Sr/Ca(B)]/[Sr/Ca(A)] OR(观察比)