第二章 生物富集

污染生态学

Pollutionecology第二章

生物富集（Chapter2：

Bio-concentration

）主讲：环境科学与工程学院王宏镔

2013年10月12日1

二、生物富集机制内容提要

一、生物富集的概念

三、超富集植物2一、生物富集的概念■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，叫做生物富集（bio-enrichment）。■生物富集常用富集系数或浓缩系数（即生物体内污染物的浓度与其生存环境中该污染物浓度的比值）来表示。3一、生物富集的概念■生物放大（bio-magnification）是指在生态系统的同一食物链上，由于高营养级生物以低营养级生物为食，某种元素或难分解的化合物在机体中的浓度随着营养级的提高而逐步增大的现象。■生物积累（bio-accumulation）是指同一生物个体在其整个代谢活跃期中的不同阶段，机体内来自环境的元素或难分解化合物的浓缩系数不断增加的现象。4一、生物富集的概念■一般认为重金属会沿食物链积累和放大，但也有一些例外的实验结果。■Devkota和Schmidt(2000)研究了Hg、Cd和Pb在生产者（食用植物）和消费者（4种蝗虫）体内的富集，发现蝗虫体内Cd含量明显比在食用植物中高，且雌性蝗虫比雄性蝗虫富集Cd的能力强。但Pb在蝗虫体内的含量均比在食用植物中低，几种元素在蝗虫体内的富集系数呈Cd>Hg>Pb。5二、生物富集机制■影响生物富集的因素很多，生物种的特性、污染物的性质、污染物的浓度和作用时间以及环境特点是主要的、决定性因素。

6（一）生物学特性1.生物体内能与污染物结合的物质▲糖类物质；▲蛋白质和氨基酸；▲脂类；▲核酸和有机酸。7金属硫蛋白■金属硫蛋白是生物有机体在某些金属的诱导下合成的一类脱辅基硫蛋白，其特性为：①是低分子量（6000-10000D）的蛋白质；②含有高达30%半胱氨酸，故与金属离子有很强的结合力，对重金属具有很高的结合量；③S-S不能与芳香族氨基酸结合；④镉硫蛋白在250nm处吸收最强；⑤属热稳定性蛋白质；⑥局限于细胞质中；⑦作为细胞内蛋白质存在，不存在于一般体液中。8（一）生物学特性2.不同器官9（一）生物学特性2.不同器官10（一）生物学特性2.不同器官11（一）生物学特性2.不同器官12（一）生物学特性3.不同生育期13（一）生物学特性4.不同生物种14（二）污染物的性质■污染物的性质主要包括污染物的价态、形态、结构形式、分子量、溶解度或溶解性质、物理稳定性、化学稳定性、生物稳定性、在溶液中的扩散能力和在生物体内的迁移能力等。■化学稳定性和高脂溶性是生物富集的重要条件。15（二）污染物的性质16（三）污染物的浓度和作用时间17（四）环境特点■环境要素通过影响生物的生长发育和污染物的性质间接影响污染物的生物富集。18（五）富集与食物链19三、超富集植物■超富集植物（hyperaccumulator）这一术语，最先出现于Jaffré等（1976）在“Science”上发表的文章“Sebertiaacuminate:AhyperaccumulatorofnickelfromNewCaledonia”中。■Brooks等（1977）：植物干叶片组织中Ni含量超过1000mgkg-1的植物。■Reeves（1992）：在自然植物生长地上，至少一个样本地上部任何组织Ni含量至少达到1000mgkg-1（干重）的植物。20Reeves（1992）的定义澄清了以下问题（1）某种植物一些样本超过1000mgkg-1而另一些小于1000mgkg-1；（2）除叶片外（如乳汁）的植物组织含有高含量金属；（3）在人为条件下（如通过添加大量金属盐到试验土壤或营养液中），某种植物吸收高含量的金属。Reeves和Baker（2000）认为，能称为“超富集植物”的是（1）、（2）两种情况，不是第（3）种。21

最先定义超富集植物是从Ni开始，后来，其他金属的超富集特征阈值也相继给出。现在普遍认为Ni、Cu、Pb、Co和Cr为1000mg/kg，Zn和Mn为10000mg/kg，Cd和Se为100mg/kg，Hg为10mg/kg，Au为1mg/kg。这些阈值基本上是正常非超富集植物地上部相应金属含量的100倍以上（Reeves&Baker,2000;Lasat，2002）。三、超富集植物22三、超富集植物232425目前国内发现的重金属超富集植物（1）植物名超富集元素发现者蜈蚣草砷陈同斌等（2002）东南景天锌/铅杨肖娥等（2002）何冰等（2003）大叶井口边草砷韦朝阳等（2002）商陆锰薛生国等（2003）宝山堇菜镉刘威等（2003）龙葵镉魏树和等（2004）26目前国内发现的重金属超富集植物（2）植物名超富集元素发现者绿叶苋菜、紫穗槐、羽叶鬼针草铅聂俊华等（2004）土荆芥铅吴双桃等（2004）圆锥南芥铅/锌/镉汤叶涛等（2005）续断菊铅/锌祖艳群等（2005）岩生紫堇锌/镉祖艳群等（2005）井栏边草等4种砷王宏镔等（2006）滇白前铅/锌/镉肖青青等（2009）金银花镉刘周莉等（2009）27新发现的镉超富集植物——金银花28新发现的镉超富集植物——金银花29蜈蚣草30大叶井口边草31井栏边草≠大叶井口边草

（Pterismultifida）(P.creticavar.nervosa)32斜羽凤尾蕨（Pterisoshimensis）33金钗凤尾蕨（Pterisfauriei）34超富集植物的筛选方法

■采样分析法■盆栽模拟法■微量分析法■野外试纸初步诊断法35采样分析法

采样分析法是寻找超富集植物最常用的方法，通常的做法是在重金属污染区同时采集植物及其根区土壤样品，然后再测定样品中的重金属总量，从而确定是否是超富集植物。36盆栽模拟法

盆栽模拟法是通过向盆栽土壤中投加化学试剂来模拟重金属污染土壤，或将污染场地的污染土壤作为植物生长介质，然后再将筛选对象植物种植或移植到盆栽土壤中，通过测定参考植物对重金属的富集特点，来筛选超富集植物。37微量分析法

微量分析法是对植物标本馆样本取微量样品（如1片或几片植物叶标本）进行化学分析，检测植物体内重金属含量，从而判断该植物是否为超富集植物。38野外试纸初步诊断法

本方法是用化学药剂将试纸浸渍成特制测试纸，在野外采样时，将新鲜树叶紧按在潮湿的测试纸上，然后根据试纸颜色变化判断叶片中重金属含量的高低，再采集该种植物的其他部位及所生长的土壤带回实验室进一步分析、鉴定。39复习思考题1.什么叫生物富集、生物放大和生物积累？它们之间有何联系和区别？2.生物为什么能富集污