污染物在生物链中的生物富集

生态学污染物在生物链中的生物富集草业科学王佩羽10090305068污染物在生物链中的生物富集王佩羽草业科学10090503068摘要：在生态环境中，由于食物链的关系，一些物质如金属元素或有机物质，可以在不同的生物体内经吸收后逐级传递，不断积聚浓缩；或者某些物质在环境中的起始浓度不很高，通过食物链的逐级传递，使浓度逐步提高最后形成了生物富集或生物放大作用。对整条食物链进行系统而完整的研究，国内外学者对污染物在水生陆生食物链中的生物积累、生物放大和预测模型探讨。开展对污染物在食物链中积累、放大及相关预测模型更深入更完整的研究，已成为当前生态学和环境科学研究的重点课题和前沿领域。关键词：污染物；生物放大；生物积累；食物链人类在改造客观世界、提高生活质量的同时，对环境的破坏日益加重。随着环境质量的下降，许多动物的栖息地遭到破坏，生物多样性和生态平衡受到严重威胁。在生态环境中，由于食物链的关系，一些物质如金属元素或有机物质，可以在不同的生物体内经吸收后逐级传递，不断积聚浓缩;或者某些物质在环境中的起始浓度不很高，通过食物链的逐级传递，使浓度逐步提高，最后形成了生物富集或生物放大作用研究生物放大，特别是研究各种食物链对哪些污染物具有生物放大的潜力，对于确定环境中污染物的安全浓度等，具有重要的意义.1重金属污染重金属污染是陆地生态系统中的重金属浓度超过自然背景水平且导致生态破坏或环境质量下降的一种现象。重金属主要是指汞、镉、铅、铜、铬以及类金属砷等生物毒性显著的重金属，以及具有一定毒性的锌、钻、镍、锡等。1.1重金属在海洋食物链中的传递近年来，金属在不同海洋食物链中摄食富集的定量研究得到越来越多的关注。自然环境中生物体内金属的浓度并不一定和生物在食物链中所处的营养级有相关关系，金属在生物体内的富集还受到生物的同化，排出等过程以及其它生理生化因子的影响1］。在经典的海洋浮游生物食物链中（浮游植物--桡足类--鱼类）桡足类往往可以很有效地排出体内的金属，同时鱼类的金属同化率又很低，所以该食物链中金属的浓度随食物链水平增加而减少。目前研究发现只有甲基汞和铯会被食物链所放大。在以腹足动物为顶级捕食者的底栖食物链中，因为生物结合金属的效率很高，高同化率和低排出率导致金属浓度在生物体内得到放大。重金属在生物体内的可利用性可以通过测定同化率、排出率等参数、并结合考虑生物对该金属的消化行为，运用一个简易的动态模型来估算。已有的研究中人们多考虑金属的化学性质对食物链传递的影响。着重介绍了近年来国外对金属在不同海洋食物链（底栖和浮游）中的传递的研究成果，强调在金属的生物可利用性评估中，要充分考虑到动物的生理、生化过程的影响，同时也必须认识到不同的海洋生物有着复杂且不同的金属代谢机制2］。1.1.1不同海洋食物链中各营养级的金属蓄积关于海洋食物链上不同营养级的生物体内金属的蓄积已经有很多报道，目前可用常规的方法测定金属在不同生物体或器官中的浓度，大量的研究证实，生物体内的金属浓度差异不仅存在于种间，也存在于种内。大多数金属经过食物链传递被生物富集的规律目前尚难以准确地掌握。但是对某些金属人们已经有了较深入的了解。例如沿浮游植物--浮游动物--鱼类这一浮游生物食物链的传递过程中，Cd的浓度通常会随着营养级的升高而降低。Hg却相反。金属在生物体内的浓度同时与生物蓄积金属的特定生理方式有关。例如在深海缩甲虾体内Cd的浓度就远比食物中的含量高。一般而言，金属沿着底栖或浮游生物食物链的传递过程中，经过不同的营养级浓度会被生物放大还是稀释，不同的食物链或金属有不同的规律。同时，食物链之间错综复杂的关系如何影响金属向高营养级的输送至今仍不清楚，由于不同生物对金属的代谢机制不同，食物链关系越错综复杂，金属生物可利用性的变化也越大，目前这方面的研究才刚刚起步，对于不同金属在不同海洋食物链或在不同海洋生态系中的传递差异了解还甚少。1.1.2浮游植物到浮游动物再到鱼类的金属传递多年中，科研人员深入研究了海洋中浮游动物，主要为桡足类，对浮游植物的金属同化率早期的实验结果得出，桡足类对金属的同化率和金属在浮游植物细胞质中的含量有直接的关系，意味着桡足类的肠道通过时间会比较短，虽然这一假说得到了一些实验数据的支持，但它仍有一定的局限性，其中最大的一个不足是仍将桡足类的消化过程考虑成一个简单的物理过程，而忽略了金属在肠道中发生的化学过程。最近关于桡足类对硅藻细胞壁碎屑自身粪便颗粒以及活体浮游植物中的金属同化率研究证明桡足类的摄食机制远较液相摄食假说复杂。研究结果也发现食物种类、质量对金属同化率的影响很小。在一定范围内，随着GPT的增长，金属的同化率是升高的，直到一个最大的域值，超过这个域值后，同化率将成为一个定值。近期也有报道说，金属可以和金属硫蛋白结合，但是这种结合是否会影响金属同化率尚不清楚。此外，对各种生理以及生化条件对桡足类金属同化率的影响机制也不是十分清晰。一般认为，必需金属的同化率比非必需金属的同化率来得高，但金属同化率又受到其它环境因素的影响，根据目前的了解一般金属的颗粒活性越强其同化率就越低，不同桡足类生物之间的金属同化率没有明显差异。但令人费解的是，金属的周转率并不受食物水平的影响，显然，金属在桡足类具有高排出率的机制尚有待进一步研究。1.1.3浮游植物到滤食性双壳类再到腹足类动物的金属传递放射性示踪脉冲给食技术已经成为研究海洋双壳类对食物相金属的同化率的常用手段，近年来对贝类的同化率做了大量的研究，结果表明软体动物对不同食物的同化率有很大差异，与绿藻结合的金属同化率通常最低［31主要原因是藻的细胞壁太厚，不易消化。和食物质量的影响相比，金属本身的理化性质对同化率的影响更大。在海洋底栖食物链中，腹足动物和棘皮动物常处最高营养级。已有的研究发现，它们对金属的同化率很高1金属和金属硫蛋白（易被生物利用）以及矿化解毒颗粒（难以被生物利用）的结合是腹足动物高金属同化率的可能原因。自然条件下腹足动物体内就含有很高的金属硫蛋白。肠道内也有很多含金属配位基的解毒颗粒，因而造成金属的高同化率。与此同时，金属的排出速率又是异常地低，一些金属在腹足类的生物半衰期可达到数年。已有的研究表明，腹足类可能为金属排出速率最低的一类生物。海洋无脊椎动物富集金属的复杂机制以及金属的结合形态对其在食物链中的传递的控制作用都尚待进一步研究）更重要的是，虽然这个领域已有一些指导性的原理，还需要着重探讨物理化学性质对金属生物可利用性的影响。在决定金属传递因子的参数中，动物的摄食率难以被准确测定，现在只能给出一个摄食率高值和低值的大概区间，而摄食率本身受食物量、组成成分和摄食选择性的影响。因此传递因子数值随之变化，因此水生动物的摄食生理，例如对食物的选择性是否影响金属在食物链中的传递尚待进一步研究。未来的研究重点之一仍是生物的生理生化过程对金属的生物可利用性的调控。1.2重金属污染对鸟类的影响重金属主要由消化道和呼吸道进入生物体内，少量可通过皮肤和粘膜吸收。食物链中的低等级生物从环境中摄取的重金属，可通过生物富集和放大作用，在较高等级生物体内成千万倍地富集起来，造成慢性中毒［41汞汞是一种能够引发生物机体不可逆损伤的重金属。汞污染已造成日本的水俣病、伊拉克的氯化甲基汞污染粮食和瑞典野鸭大量死亡等事件。因此，汞被认为是重金属污染的“主犯”。汞的污染源主要有：氯碱生产、油漆颜料、电气仪表制造、矿石的开采和冶炼等行业排放的工业三废，各种燃烧源排放的含汞废气及城市含汞污水。有机汞毒性较大，其中以甲基汞为最。汞在鸟类体内的分布具有较强的选择性，主要蓄积于肝脏和肾脏。卵中的含量超过1.5-18mg/kg就足以导致卵重下降、畸形、孵化率降低、生长率以及雏鸟成活率的降低。环颈雉肝脏中的汞达到3-13mg/kg时孵化率显著降低。甲基汞还会导致绿头鸭的雏鸟警戒反应减少。铅铅是污染物中毒性很大的一种重金属元素。铅（45）中毒的来源广泛，主要有：油漆、涂料、蓄电池、做屋顶的铅薄膜、钓鱼用的重铅、子弹头、润滑油、铅矿废物、煤燃烧产生的工业废气、汽车尾气等。铅在动物体内具有蓄积作应，90%沉积在骨骼中，当重新进入血液时可引起铅中毒，导致神经系统、造血器官和肾脏等发生病变。铅在麻雀的死亡和疾病个体中的含量要比健康个体中的高。铅可以对免疫系统细胞产生损伤，引起免疫功能的损害。铅中毒还可直接作用于鸡红细胞，引起细胞核浓缩。镉镉污染已成为危害生态环境和人畜健康最严重的公害之一。1972年世界粮农组织与世界卫生组织联合专家委员会指出镉是仅次于黄曲霉毒素和砷的食品污染物。1984年联合国环境规划署将镉列为全球范围内12种危害物质中的首位。镉的主要来源是采矿、冶炼、废物焚烧等排放的废弃物。肾脏是镉的主要靶器官，蓄积最多，其次是肝脏、肺和肌肉。镉能显著降低禽类的生殖和生长性能，造成贫血、生长受阻、产卵量下降、蛋壳品质降低、孵化率下降和死亡率增加等。野生小蓝鹭生长率和出飞率的降低与体内Cd、Pb的积累相关。氯化镉中毒，可造成鸭严重贫血，抑制生长，引起肝、胆、胃、甲状腺病变。近年，我国江西等地先后报道了鸡、鸭镉中毒的自然病例。砷砷是一种半金属元素，兼有金属与非金属的性质。砷在自然界分布范围很广，在含砷金属矿的开采、冶炼，以及用砷作原材料生产玻璃、颜料、药物、纸张以及燃煤的过程中所产生的三废都含有砷及其化合物。据估计， 全球每年自然释放到环境中的砷约5000t，而人为污染所导致的砷释放则超过23600t。1.2.5鸟类在重金属污染监测中的作用生物监测是环境预警的有效途径，可以直观地了解环境变化对生物造成影响的程度。利用食物链上不同营养级的许多生物作为指示生物，可以对湿地及其他生态系统进行监测和评估。由于顶级捕食动物体内的重金属水平可以揭示这些污染物在生态系统中转移的过程，因此对处于较高营养级的顶级捕食者体内重金属富集特征研究日益受到重视。鸟类作为食物链中的高级消费者，国内外许多学者将其作为环境的指示生物，用于环境污染物的生物监测。20世纪70年代，海鸟体内重金属聚积与栖息地的研究曾一度成为环境研究的热点，近年来对鸟类监测的研究更向细化发展，研究的时间跨度和地理尺度更大，研究的种类及包含的营养级更丰富。中国在这些方面尚有所欠缺。2持久性有机污染物在食物链中积累与放大随着社会和经济的发展，人类在工业和农业活动中广泛使用多种化学物质，例如农业上曾经用来防治病害的有机氯杀虫剂DDT,X业上用作电器设施以及油漆和塑料中热交换介质的PCBs等.虽然这些有机物促进了病害防治及工业发展，但是伴随而来的环境污染也越来越严重.因为这些化学物质进入生态系统后，其本身或分解产物将残留于环境的各种媒介及生物体内。2.1研究进展研究持久性有机污染物在食物链中的积累与放大是进行环境风险评估和有效污染控制的生态学基础.本文综述了持久性有机污染物的基本特征，持久性有机污染物在食物链中的生物积累与放大的机制、影响因素以及持久性有机污染物在食物链中积累与放大的模型等的研究进展.国外学者对持久性有机污染物在水生食物链的积累与放大方面研究较多，并提出了较为完善的预测模型，而有关持久性有机污染物在陆生食物链中的生物积累与放大的研究报道较少。大部分学者并未对完整食物链进行过系统而完整的研究.与国外相比，国内学者对持久性有机污染物在水生陆生食物链中的生物积累、生物放大和预测模型探讨较少.目前持久性有机污染物对环境和人体健康危害越来越严重，开展对持久性有机污染物在食物链中积累、放大及相关预测模型更深入更完整的研究，已成为当前生态学和环境科学研究的重点课题和前沿领域［1。］。影响持久性有机污染物在食物链中积累与放大的因素比较复杂，特别是营养级是否是持久性有机污染物在食物链中积累与放大的关键因素至今尚未定论.但是，从研究结果来看，影响持久性有机污染物在食物链中积累与放大的因素很多，生物积累与放大的模型研究必须考虑这些影响因素。因此，还需要对这些影响因素进行研究持久性有机污染物在全球广泛分布，它们对全球生物的毒害作用已经引起人们的关注.加强区域性食物链中持久性有机污染物的生物积累与生物放大，有利于更好掌握持久性有机污染物的行为特征，希望通过国际合作能够尽快清楚地阐明持久性有机污染物的生态毒理风险，找出治理持久性有机污染物的有效方法，为人类健康作出贡献。3稀土元素3.1稀土元素在水生食物链中的生物富集稀土元素已广泛应用于农、牧、渔业生产，它对生态环境可能产生的影响及其长期效应已为人们所关注并开展诸方面的研究。随着渔业生产中稀土饵料的推广应用，由此对水环境和水生生物，特别是对鱼类的影响不少学者从不同角度进行了诸如对鱼类的毒性和生物富集性的相关研究。水体及其生物鱼类与人类密切相关，开展这方面的研究具有重要意义mi。稀土元素一旦进入环境于水生生态系统可被水生生物吸收而富集，且随时间BCF值有递增之势，通过水生食物链高位生物（鱼类）虽无生物放大作用，但会导致其富集度的提高。鉴于尚未证明为动植物必需元素，而鱼体对稀土元素又具有明显的富集性，所以在有关的毒理学问题尚未研究清楚之前，建议当前在应用与发展“稀土饵料”时应慎重。4多漠联苯醚的生物富集效应多漠联苯醚是一类人工合成的化学物质，由于其具有良好的阻燃性能，被广泛添加于电子电器塑料制品及纺织品等产品中。在环境中具有持久性和长距离迁移性，已经成为一种全球性污染物。很容易在生物体内富集，并可以沿食物链产生放大效应。使处于高营养级的生物受到毒害，最终危害生态系统和人类的健康。4.1研究进展研究污染物的生物富集效应对于预测污染物在生物体内的含量，建立环境标准以及评估污染物的生态风险具有重要的意义，结合近年来国内外有关多漠联苯醚的生物富集及其沿食物链(网)生物放大效应的研究文献，对多漠联苯醚的生物富集效应进行了综述。计算的生物富集因子，生物-沉积物/土壤生物富集因子和生物放大因子表明，生物对大多数多漠联苯醚具有生物富集作用，且生物对多漠联苯醚的富集能力与其生物进化等级及其营养级有关.文献计算的营养级放大因子表明，大多数多漠联苯醚单体可以在食物网上产生生物放大效应，但只有较少单体具有统计上的显著性.生物的生理生化参数化合物本身的特性以及环境条件等因素影响了多漠联苯醚在生物体内及食物链(网)上的富集与放大。参考文献：.ZhaoX；WangWX；YuKNBiomagnificationofradiocesiuminatopmarinefishpredator2001.WangWX；KeCH；YuKNModelingthe