环境化学第五章

第五章生物圈和生物污染5.1生物圈和生态系统生物圈：（1）生物圈由不同的生态系统组成，生产者、消费者、分解者、无机组成——物质能量循环（2）地球上所有活着的有机体以及有机体相互作用的环境构成（3）生物圈存在的条件：阳光、液态水、适宜温度条件、各种营养元素（生命物质的组成）5.2环境中的微生物1、微生物的特点：（1）形体微小，结构简单，在极端的环境下生活，分布广，繁殖快。（2）具有甚大的比表面积，从环境中摄取化学物质的能力极强（3）细胞中含有各种酶催化剂，由此引起生物化学反应的速度非常快（4）致命性2、环境微生物的类别原核细胞型微生物：（最主要）细胞核无核膜，仅有原始核、核膜与核仁未分化，缺乏细胞器主要是细菌，如蓝细菌、放线菌真核细胞型微生物：（最主要）细胞核有核膜，细胞核的分化程度较高，细胞内有完整细胞器包括单细胞藻类、单细胞原生动物、真菌非细胞型微生物：如病毒，体积最微小，不具细胞结构，只能在活细胞内生长增殖3、细菌（1）分类：按外型分为：球菌、杆菌（长杆状和短杆状）、螺旋菌按营养方式分为：自养菌和异养菌自养菌：具有将无机碳化合物转化为有机物的能力，光合细菌和化能合成细菌属于此类异养菌：合成有机物能力弱，需要现成有机物作为自身机体的营养物按有机营养物质在氧化过程（即呼吸作用）中所利用的受氢体种类分为：好氧、厌氧、兼氧细菌好氧细菌：生活在有氧环境中，以氧分子作为呼吸过程中受氢体厌氧细菌：只能在无氧环境中呼吸、生长和繁殖，以有机物分子本身或等作为受氢体兼氧细菌：兼能在有氧或无氧条件下进行两种不同的呼吸过程，如乳酸菌（2）生活特性：表现在一定环境条件下摄取介质中有机食物以进行体内呼吸作用和同化作用呼吸作用：指在内酶催化下进行生物氧化反应从而产生能量的过程，所得能量可供细菌活动和生长繁殖之需，即分解代谢，结果是将“自己的”变成“非己的”同化作用：指细菌吸收化学能并将其转为自用形式的过程，即合成代谢，结果是形成有机物贮存能量，将“非己的”转为“自己的”（3）BOD曲线：表征水中细菌的需氧动力学过程生物可降解的能量吸收而合成新细胞CBOD（碳化需氧量）代表细菌降解水样中有机碳化合物所需氧量碳化阶段：有机物NBOD（硝化需氧量）表示有机氮化物被氨化细菌无机化为及随后又由硝化细菌将氧化为、的需氧总量硝化阶段：、：最终生化需氧量，指有机物在第一阶段生化反应所需要的氧量BOD曲线（4）理论需氧量ThOD理论需氧量和生化需氧量之间的关系归纳如下：生物不可降解的经细菌呼吸作用分解代谢的内源呼吸分解的细胞未通过内源呼吸分解的残留细胞注：a为分解代谢系数，b为合成细胞系数，c为内源呼吸系数，d为残留细胞系数所谓最终生化需氧量即指分解代谢与内源呼吸两部分需氧量之和5.4生物圈中的物质循环水中溶解氧DO值：指的是溶解于水中的分子态氧主要影响DO变化的因素：再曝气作用:当DO值与水中氧的溶解度差值越大时，氧从空气进入水中的量越多光合作用:此过程中产生氧气，也使水中DO值增大呼吸作用：耗用氧使DO降低有机污染物的氧化作用：当水体污染程度较低时，好氧性细菌使有机污染物发生氧化分解而逐渐消失，因此DO值降低到一定程度后不再下降。但污染比较严重，超出水体自净能力时，则水中溶解氧耗尽，从而发生厌氧性细菌的分解作用，同时水面常会出现粘稠的絮状物使与空气隔开，妨碍再曝气作用的进行，以上两种情况发生过程中或过程后，空气中氧又会通过气—水界面缓缓融入水体，使其溶解氧浓度逐渐恢复到正常浓度水平5.5化学污染物在生物圈内的迁移转化一、生物摄取、蓄积、浓集和放大1、摄取：污染物质从机体外通过各种途径进入体内的过程。人体皮肤摄取环境污染物的能力很差，具有水溶性兼脂溶性的低分子污染物较容易通过皮肤进入机体2、分布：是指污染物质被吸收后由血液转送至机体的各个部分3、排泄：是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程，特殊排泄废物方式为，通过出汗转移到皮肤或者转移到头发或指甲4、生物蓄积：污染物被摄入生物体后，随时间推移到逐渐累积或在某些组织器官中获得富集的过程，蓄积量是摄取、分布、排泄和转化各量的代数和（1）吸收排泄及代谢转化（2）生物浓集因子BCF：污染物在生物体中的累积浓度与其在环境媒体中的的比值二、生物放大：即环境中污染物最初进入低营养级生物体内，且体内浓度很低，通过逐级传递，会发生污染物的生物放大作用，即传到高营养及生物体内，其体内浓度会递增至极高水平三、生物甲基化和脱烷基化1、生物甲基化：多种重金属在生物作用下转化为毒性更强的甲基化有机物（1）反应发生的必要条件：存在甲基钴胺素（），其主要聚集在肝脏等器官之中。只要有甲基钴胺素存在，单纯的非酶化学反应也能按此过程进行其简式为（2）生物甲基化可在地表水、沉积物、土壤、鱼体肠管黏液等介质中由好氧或厌氧细菌参与下进行，其效率取决于基体的代谢状态及有效汞离子浓度（3）汞的生物甲基化：在低pH较高的pH下慢6000倍（挥发性毒性小于甲基汞）低pH2、生物脱烷基化：甲基汞在生物酶作用下会发生Hg—C键水解，结果产生甲烷和汞离子，后者进一步还原为元素汞形态，其中发生的反应如下：具有高度挥发性，生成后很可能就从反应体系中逸出脱甲基作用可能比甲基化作用慢得多，但仍有助于抵消水体中甲基汞的生成作用四、生物降解：1、降解和需氧污染物：（1）生物降解的主体：细菌（2）降解过程：含碳有机物通过各种环境因素作用，可能由大分子转化为小分子或由结构复杂的分子转化为简单分子，乃至彻底地转为无机物分子（3）降解依环境因素的不同划分为：生物降解——靠生物机体的作用；光化学降解——需要有光能介入的非代谢性讲解；化学降解——靠化学物质起化学作用而发生降解三类降解机理的相对重要性固然与有机物本性有关，但与其所在介质（水体、大气或是土壤等）的性质也有密切关系（4）需氧污染物：存在于水体中的有机物在发生生物降解过程中需要耗用水体中的溶解氧（需将氧分子作为有机物脱氢氧化过程中的受氢体），此类污染物即为需氧污染物2、对生物可降解性的影响因素：有机物的分子结构：（1）对烃类化合物，一般式链烃比环烃易分解，直链烃比支链烃易分解，不饱和烃比饱和烃易分解（2）分子主链上的碳原子被其他元素原子取代后，生物氧化的阻抗一般会有所增强，其中氧原子取代的影响最显著，其次是硫和氮（3）碳原子上的氢被烷基或芳基取代的个数越多，取代物的生物阻抗越强（4）官能团性质和数量多少对有机物可生化性影响很大（5）某些结构坚实的高分子化合物，由于微生物及其酶不能扩散到化合物内部，袭击其中最敏感的反应键，因此使生物可降解性降低细菌的种类和性质：有的细菌能降解几十种有机物并能利用其中任何一种作为碳源和能源进行代谢，但有的细菌却只能利用单一的有机物环境条件：如温度、ph值、盐度、溶解氧浓度等等3、降解反应的机理：碳氢化合物的氧化反应（1）烷烃类化合物：降解过程为：（2）烯烃类化合物：微生物对烯烃类化合物的氧化能力要比芳烃和烷烃强，氧化过程包含三种基本反应：烯烃分子上双键端或饱和端碳原子被氧化；双键发生环氧化；生成二元醇降解过程为：（3）环烷烃类化合物五、水体对有机污染物的自净作用自净作用：水体一旦受到污染，其本身有一定的自净能力，即通过其内部进行的一系列物理、化学和生物过程，使它能够部分地或逐渐地恢复到原来状态，包括物理、化学、生物净化有机污染物释入水体后，引起两种效应：1、生态学效应：生物在种类和数量上的变化2、溶解氧效应：指有机物经生物降解后使水体中溶解氧浓度降低水体的生态学状况表示多污带中污带寡污带优势生物异样性微生物藻类少藻、少菌R与P的关系RPPRPR说明：（1）利用光合作用速率P(即水体中自养生物通过光合作用合成有机物的速度)和呼吸作用速率R（即生物通过呼吸作用消耗有机物的速度）的比值表示水体生态学状况（2）水质良好的正常水体P和R保持平衡水体发生富营养化或受到污染物污染后，分别引起PR或PR（3）自净的具体过程：释入水体的是含营养物质类的有机物，则将为异养性微生物提供能促进其生长和繁殖的食料，于是就会导致R增大。在随河水顺流而下的过程中，水中有机物因受微生物降解，逐渐达到无机化，从而在河流下游地区为藻类等提供了富足的无机营养物料，结果就使下游地区P和R值又一次趋于平衡氧垂曲线：耗氧曲线、再充气曲线和氧垂曲线说明：（1）氧垂曲线：是耗氧曲线和再充气曲线的加和（2）耗氧作用曲线上每一点的纵坐标表示氧化有机物负荷所需氧的浓度，在t=0时有最大值，到达曲线右侧底端时降低到0，曲线整体表示了水体中有机污染物浓度水平随时间的变化情况。同时，该曲线每一点上的斜率代表着该处水样的耗氧速率（3）再充气曲线随时间推移由零而趋向饱和。当耗氧作用减弱时，再充气作用逐渐上升，在某一时间点（临界点）上两者速率相等（二者的斜率相等），且都与氧不足值呈比例，此后再充气速率将超过耗氧速率，因此在临界点上具有最大氧不足量（4）氧垂曲线的微分方程：式中：D——即时的氧不足值L——即时的值，相当于当时的有机物浓度——耗氧反应速率常数和再充气速率常数t——河水从t=0开始流动所经过的时间对作为时间变量的值来说，有由以上两微分方程，可得数学解如下：——初始值，相当于有机物出浓度——初始的氧不足值（5）氧垂曲线反应：废水排入河流后DO的变化情况，表示河流的自净过程；最缺氧点（临界点）正常鱼类无法生存河流发臭