吉大環(huán)境毒理學(xué)第二章污染物的遷移和轉(zhuǎn)化

主講：馬金才副教授E-mail:辦公室：唐敖慶樓C438吉林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院環(huán)境毒理學(xué)當(dāng)前第1頁\共有47頁\編于星期二\19點第二章污染物在環(huán)境中的遷移和轉(zhuǎn)化當(dāng)前第2頁\共有47頁\編于星期二\19點2.1概述污染物進(jìn)入環(huán)境以后，由于自身物理化學(xué)性質(zhì)和各種環(huán)境因素的影響，將會在空間位置或形態(tài)特征等方面發(fā)生一系列復(fù)雜的變化。污染物遷移和轉(zhuǎn)化（transportandtransformation）

指污染物在環(huán)境中發(fā)生的各種變化過程。也有學(xué)者稱其為污染物的環(huán)境行為（environmentalbehavior）或環(huán)境轉(zhuǎn)歸（environmentalfate）。當(dāng)前第3頁\共有47頁\編于星期二\19點環(huán)境污染物的遷移轉(zhuǎn)化舉例當(dāng)前第4頁\共有47頁\編于星期二\19點研究污染物的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律的目的和意義闡明人類在環(huán)境中接觸的污染物種類以及接觸濃度，時間，途徑，方式和條件等。評估污染物的物質(zhì)形態(tài)，毒性作用影響因素，劑量-效應(yīng)或劑量-反應(yīng)關(guān)系。當(dāng)前第5頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2環(huán)境污染物的遷移污染物的遷移是指污染物在環(huán)境中發(fā)生的空間位置的相對移動過程。污染物的遷移可導(dǎo)致環(huán)境中污染物的種類，數(shù)量和綜合毒性的強(qiáng)度發(fā)生變化，引起污染范圍的擴(kuò)大或縮小，污染物濃度的增高或降低等。當(dāng)前第6頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.環(huán)境污染物的遷移機(jī)械性遷移生物濃縮水的機(jī)械性遷移重力的機(jī)械性遷移物理-化學(xué)性遷移生物性性遷移擴(kuò)散遷移干沉積和顆粒物濕沉積風(fēng)化淋溶作用溶解揮發(fā)作用酸堿作用吸附作用氧化-還原作用絡(luò)合作用生物累積生物放大氣的機(jī)械性遷移當(dāng)前第7頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.1機(jī)械性遷移

污染物的機(jī)械性遷移現(xiàn)象處處可見：廢水，廢氣和廢渣的排放，丟棄，搬運以及各種有毒有害物質(zhì)在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用，均可使污染物發(fā)生不同程度的遷移運動。當(dāng)前第8頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.1機(jī)械性遷移2.2.1機(jī)械性遷移氣的機(jī)械性遷移水的機(jī)械性遷移重力的機(jī)械性遷移當(dāng)前第9頁\共有47頁\編于星期二\19點氣的機(jī)械性遷移擴(kuò)散遷移a.風(fēng)力擴(kuò)散：沖淡或稀釋，效果取決于風(fēng)速。污染物的整體輸送作用，是污染物向下風(fēng)擴(kuò)散。當(dāng)前第10頁\共有47頁\編于星期二\19點b.氣流擴(kuò)散：污染物在垂直方向上的遷移擴(kuò)散當(dāng)前第11頁\共有47頁\編于星期二\19點影響大氣污染物擴(kuò)散的因素大氣穩(wěn)定度地理地勢當(dāng)前第12頁\共有47頁\編于星期二\19點影響大氣污染物擴(kuò)散的因素大氣穩(wěn)定度：表示空氣中某大氣團(tuán)由于與周圍空氣存在在密度，溫度，或流速等強(qiáng)度差而產(chǎn)生的浮力使其產(chǎn)生加速度而上升或下降的程度。對流層內(nèi)，氣溫隨高度遞減，有利于污染物在垂直方向上的擴(kuò)散稀釋。近地低層大氣，有時候出現(xiàn)逆溫層，即氣溫隨高度增加，不利于污染物在垂直方向上的稀釋擴(kuò)散，造成大氣污染。當(dāng)前第13頁\共有47頁\編于星期二\19點影響大氣污染物擴(kuò)散的因素地理地勢：地面具有不同的粗糙度，當(dāng)氣流沿地表流過時，必然要同各種地形地物發(fā)生摩擦作用，使風(fēng)向風(fēng)速同時發(fā)生變化。其影響程度與地形地物的形狀，高低和體積有關(guān)。封閉的山谷盆地，不利于大氣污染物擴(kuò)散。城市中的高大建筑物，阻礙污染物迅速擴(kuò)散。建筑物背風(fēng)區(qū)風(fēng)速下降，污染物濃度增高。北京霧霾燕山太行山北當(dāng)前第14頁\共有47頁\編于星期二\19點②干沉積和顆粒物的濕沉積干沉積指大氣污染物通過重力沉降或被地面建筑物，樹木等阻留而沉積在地面的過程，或者進(jìn)入人體或動物呼吸道并積留于此的過程。濕沉降指大氣中所含污染氣體或微粒物質(zhì)通過雨洗，洗脫作用隨降水降落并積留在地表的過程。是污染氣體在大氣中被消除的重要過程。干沉積濕沉降當(dāng)前第15頁\共有47頁\編于星期二\19點干沉積和顆粒物的濕沉積大氣顆粒物的密度和粒度越大，越容易被干沉積去除。小顆粒，一般借助濕沉積過程消除。PM2.5粒徑小，表面積大，富含重金屬和有毒有機(jī)污染物，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。當(dāng)前第16頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.1.2水的機(jī)械遷移作用水的遷移作用包括污染物在水中的自由擴(kuò)散作用和被水流搬運的作用。水中自由擴(kuò)散主要發(fā)生在水體呈靜止或緩流湖泊和地下水等環(huán)境。水流的搬運作用主要發(fā)生在水體較快的小溪和河流環(huán)境。水流能把降水淋溶的污染物搬運到江，河，湖泊和地下水中，并最終匯入大海。當(dāng)前第17頁\共有47頁\編于星期二\19點水的機(jī)械性遷移舉例：污水灌溉與地下水污染污染物當(dāng)前第18頁\共有47頁\編于星期二\19點毒大米與土壤重金屬污染息息相關(guān)當(dāng)前第19頁\共有47頁\編于星期二\19點地下水污染或是造成癌癥村現(xiàn)象的首因中國地下水污染地圖當(dāng)前第20頁\共有47頁\編于星期二\19點指污染物及其搬運在體在重力作用下的遷移運動。吸附了污染物的氣溶膠，顆粒物，懸浮物等主要以重力沉降的方式在環(huán)境中的遷移。污水設(shè)施中污染物逐漸沉積在污泥中，隨污泥的處理而遷移。機(jī)械搬運污染物的行為是污染物遷移的重要方式。如污染物以原材料，成品或包裝材料的形式被遠(yuǎn)距離運輸。2.2.1.3重力的機(jī)械遷移作用當(dāng)前第21頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.2物理-化學(xué)性遷移風(fēng)化-淋溶作用風(fēng)化淋溶作用，指的是環(huán)境中水在重力作用下運動時通過水解作用使巖石，礦物中的化學(xué)元素溶入水中的過程。風(fēng)化作用風(fēng)化后的巖石水流當(dāng)前第22頁\共有47頁\編于星期二\19點幾張關(guān)于風(fēng)化-淋溶侵蝕相關(guān)的照片當(dāng)前第23頁\共有47頁\編于星期二\19點溶解-揮發(fā)作用降水可以將各種固體廢棄物中的水溶性污染物溶解，造成土壤和水體的污染。低沸點。低分子量的有機(jī)污染物可以通過揮發(fā)散逸到大氣中。污染物的揮發(fā)程度取決于污染物的物理性質(zhì)和環(huán)境條件等。例子：大氣中SO2，NO2等酸性氣體在高空遇到水蒸氣形成酸雨（pH<5.6）,酸性降水可以使土壤中的重金屬游離出來，造成嚴(yán)重的環(huán)境健康問題。揮發(fā)性強(qiáng)的污染物可通過揮發(fā)作用快速逸散到空氣中。揮發(fā)作用的大小取決于污染物的亨利系數(shù)和環(huán)境條件等，如溫度和風(fēng)速等。當(dāng)前第24頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.2.3酸堿作用酸性環(huán)境使大多數(shù)污染物形成易溶性化合物，從而促進(jìn)污染物的遷移。而環(huán)境的pH較高時，許多污染物就可能沉淀下來，在沉積物中相對富集。孔雀石（含堿式碳酸Cu）礦石標(biāo)本Cu2(OH)2CO3+4HCl=2Cu2+CO2+2H2O當(dāng)前第25頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.2.4絡(luò)合作用當(dāng)污染物在環(huán)境中遷移時，經(jīng)常和其他離子，離子團(tuán)或有機(jī)大分子絡(luò)合。絡(luò)合分子或絡(luò)合離子具有特殊的化學(xué)性質(zhì)，因而大大改變了污染物的遷移能力和歸宿。環(huán)境中的OH-，Cl-，HCO3-，CO32-及含-NH2，-OH，-COOH，-SH等功能團(tuán)的有機(jī)物都可以作為配位體與金屬離子絡(luò)合Cd2++CN-CdCN+Zn2++NH3ZnNH32+Hg2++2OH-Hg(OH)2Hg(OH)2+ClHg(OH)ClHg2++Cl-HgCl+Hg2++2Cl-HgCl2Hg2++3Cl-HgCl3-Hg2++4Cl-HgCl42-吸附力強(qiáng)吸附力弱當(dāng)前第26頁\共有47頁\編于星期二\19點吸附作用吸附是發(fā)生在固體或液體表面對其它物質(zhì)的一種吸著現(xiàn)象。污染物在土壤中的吸附常常受到土壤中有機(jī)質(zhì)含量，土壤顆粒大小，粘土礦物成分，pH，陽離子交換能等土壤理化性質(zhì)的影響。=SurfOH指鐵，鋁和錳氧化物表面當(dāng)前第27頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.2.6氧化還原作用污染物在氧化-還原反應(yīng)中，因為電子的得失發(fā)生價態(tài)的改變，其遷移能力隨之發(fā)生變化。雄黃（含As4S4）礦石標(biāo)本例子：土壤中的As污染。As一般來自土壤中含As礦物，如硫鐵礦（FeS2），的氧化過程中釋放出來的。含砷硫鐵礦FeS2當(dāng)前第28頁\共有47頁\編于星期二\19點氧化還原作用舉例微生物還原Se(0)(s)SeO42-(aq)底泥水微生物還原SeO32-(aq)大氣EnterobactercloacaeSLD1a-1含Se(VI)或Se(IV)的培養(yǎng)基當(dāng)前第29頁\共有47頁\編于星期二\19點物理-化學(xué)性遷移風(fēng)化-淋溶作用溶解-揮發(fā)作用酸堿作用絡(luò)合作用吸附作用氧化還原作用辰砂（含HgS）礦石標(biāo)本自然界中污染物的物理-化學(xué)遷移模式往往不是單一的。一般伴隨著2個或更多的遷移過程。各種遷移過程往往是互相交織在一起的。當(dāng)前第30頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.3生物性遷移污染物通過生物體的吸附，吸收，代謝，死亡等過程而發(fā)生的遷移叫做生物性遷移biotransport.生物性遷移是污染物在環(huán)境中遷移的最復(fù)雜而又最具有重要意義的遷移方式。當(dāng)前第31頁\共有47頁\編于星期二\19點生態(tài)系統(tǒng)，食物鏈，營養(yǎng)級生態(tài)系統(tǒng)ecosystem生態(tài)系統(tǒng)，指在自然界的一定的空間內(nèi)，生物與環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體，在這個統(tǒng)一整體中，生物與環(huán)境之間相互影響、相互制約，并在一定時期內(nèi)處于相對穩(wěn)定的動態(tài)平衡狀態(tài)。食物鏈foodchain食物鏈?zhǔn)侵父鞣N生物通過一系列的捕食關(guān)系而彼此聯(lián)系起來的序列，在生態(tài)學(xué)上被稱為食物鏈。通過食物鏈貯存于有機(jī)物中的能量在生態(tài)系統(tǒng)中層層傳導(dǎo)。營養(yǎng)級trophiclevel營養(yǎng)級是指生物在食物鏈之中所占的位置。在生態(tài)系統(tǒng)的食物網(wǎng)中，凡是以相同的方式獲取相同性質(zhì)食物的植物類群和動物類群可分別稱作一個營養(yǎng)級。在食物網(wǎng)中從生產(chǎn)者植物起到頂部肉食動物止。即在食物鏈上凡屬同一級環(huán)節(jié)上的所有生物種就是一個營養(yǎng)級。當(dāng)前第32頁\共有47頁\編于星期二\19點食物鏈營養(yǎng)級舉例當(dāng)前第33頁\共有47頁\編于星期二\19點生物濃縮bioconcentration生物濃縮：指生物體從環(huán)境中蓄積某種污染物，出現(xiàn)在生物體中濃度超過環(huán)境中濃度的現(xiàn)象。生物濃縮的程度用生物富集系數(shù)bioconcentrationfactor,BCFBCF=生物體內(nèi)污染物的濃度/環(huán)境中該污染物的濃度生物濃縮的研究對于闡明污染物在環(huán)境中的生物遷移規(guī)律，評價和預(yù)測污染物進(jìn)入環(huán)境后的危害，以及確定污染物的環(huán)境容量和制定環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)有重要意義。當(dāng)前第34頁\共有47頁\編于星期二\19點生物積累bioaccumulation生物積累：指生物個體隨其生長發(fā)育的不同階段從環(huán)境中蓄積某種污染物，而使生物濃縮系數(shù)不斷增大的現(xiàn)象。生物累積的程度可用生物累積系數(shù)bioaccumulationfactor,BAF表示。BAF=某一生物個體生長發(fā)育較后階段體內(nèi)蓄積污染物的濃度/同一生物生長發(fā)育較前階段體內(nèi)蓄積該污染物的濃度生物累積某種污染物的濃度水平取決于該生物攝取和消除該污染物的速率之比，如果攝入量大于消除量，就會發(fā)生生物積累。當(dāng)前第35頁\共有47頁\編于星期二\19點生物放大biomagnification生物放大：指在生態(tài)系統(tǒng)的同一食物鏈上，某種污染物在生物體內(nèi)的濃度隨著營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現(xiàn)象。生物放大的結(jié)果使食物鏈上高營養(yǎng)級生物體內(nèi)污染物的濃度顯著的超過環(huán)境中該污染物的濃度。生物放大的程度可以用生物放大系數(shù)biomagnificationfactor,BMF表示。BMF=較高營養(yǎng)級生物體內(nèi)污染物的濃度/較低營養(yǎng)級生物體內(nèi)污染物的濃度當(dāng)前第36頁\共有47頁\編于星期二\19點生物放大舉例經(jīng)過食物鏈各個營養(yǎng)級，水中的DDT濃度被放大10,000,000倍！當(dāng)前第37頁\共有47頁\編于星期二\19點2.3環(huán)境污染物的轉(zhuǎn)化污染物的轉(zhuǎn)化transformationofpollutants：指污染物在環(huán)境中通過物理的，化學(xué)的，或生物的作用改變形態(tài)或者轉(zhuǎn)變成另一物質(zhì)的過程。一次污染物primarypollutants：指有污染源直接排入環(huán)境的污染物。二次污染物secondarypollutants：指一次污染物在環(huán)境中發(fā)生各種反應(yīng)而轉(zhuǎn)化形成的污染物。當(dāng)前第38頁\共有47頁\編于星期二\19點2.3環(huán)境污染物的轉(zhuǎn)化物理轉(zhuǎn)化作用化學(xué)轉(zhuǎn)化作用生物轉(zhuǎn)化和生物降解作用環(huán)境污染物的轉(zhuǎn)化當(dāng)前第39頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.3環(huán)境污染物的轉(zhuǎn)化污染物在環(huán)境中通過物理的，化學(xué)的，或生物的的作用改變形態(tài)或者轉(zhuǎn)變成另一物質(zhì)的過程叫做污染物的轉(zhuǎn)化transformationofpollutants.當(dāng)前第40頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.3.1物理轉(zhuǎn)化作用物理轉(zhuǎn)化指污染物通過蒸發(fā)，滲透，凝聚，吸附，以及放射性元素的蛻變等一種或幾種過程實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。如某些有機(jī)或無機(jī)污染物通過蒸發(fā)作用由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，而散逸到空氣中。如土壤，泥沙，木炭等物質(zhì)吸附某些污染物時，既有污染物在分子微觀形態(tài)上的改變，又有污染物在空間位置的變化。如放射性元素蛻變235U→207Pb+7α+4β-當(dāng)前第41頁\共有47頁\編于星期二\19點2.2.3.2化學(xué)轉(zhuǎn)化作用化學(xué)轉(zhuǎn)化指污染物通過各種化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)生的轉(zhuǎn)化，如氧化-還原，水解反應(yīng)，絡(luò)合反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)等。在大氣中，污染物的轉(zhuǎn)化以光化學(xué)氧化和催化氧化為主。HCs，NOx，SO2,通過光化學(xué)氧化作用生成O3和過氧乙酰硝酸酯（PAN）。PAN沒有天然源，只有人為源，在光的參與下，乙醛與OH自由基通過O2生成過氧乙酰基，再與NO2反應(yīng)而得，因此，大氣中測得PAN即可作為發(fā)生光化學(xué)煙霧的依據(jù)。在水體中，污染物轉(zhuǎn)化是氧化-還原和絡(luò)合水解反應(yīng)，如As的氧化還原和甲基化，鉻的氧化還原。在土壤中，一些農(nóng)藥的水解反應(yīng)由于土壤顆粒的吸附催化而被加速。在土壤中某些金屬離子的價態(tài)也會發(fā)生