7环境地球化学

地球化学授课教师：李净红武汉工程科技学院第七章环境地球化学1环境地球化学的基本原理2原生地球化学环境与人体健康3现代污染物环境地球化学4全球变化环境地球化学z生物地球化学循环„元素在自然动力和生命动力的作用下，经过不同层次的生态系统，沿特定途径进入生物体，又从生物体中回归至自然环境中。„把生物系统和非生物系统有机联系起来，形成相互联系的复杂整体。„生物地球化学循环中各分支循环是相联系，并存在耦合关系，不是孤立出现。体现整体性。物质循环与整体一、环境地球化学的基本理论z库和通量„库（pool）——指某一物质在生物或非生物环境中被暂时固定或贮存的数量。„通量（flux）——元素或化合物单位时间内在不同库之间交换的量。„周转率——单位时间内出入一个贮存库的营养物质流通量占库存物质总量的比例„周转时间——移动贮存库全部特定物质所需要的时间。物质循环与整体一、环境地球化学的基本理论z生态平衡„在自然生物地球化学循环中，某种物质输入和输出，各贮存库的数量应当处于大体平衡状态，使该物质在各贮存库的存量保持基本恒定，则环境生态系统各组分在较长时间内保持相对协调，结构与功能长期处于稳定状态，即生态平衡。物质循环与整体一、环境地球化学的基本理论z生物富集（biologicalconcentration）„生物通过非吞食方式，从周围环境蓄积某种元素或难降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境的浓度现象。„受物质特性、生物特性及环境因子等因素影响。„生物富集浓缩系数富集和放大原理一、环境地球化学的基本理论ebCCBCF/=BCF—生物浓缩系数；Cb为某种元素或难降解物质在机体中浓度Ce为某种元素或难降解物质在机体周围环境中的浓度z生物放大（biomagnification）„指在同一食物链上的高营养级生物，通过吞食低营养级生物蓄积某种元素或难降解物质，使其在机体内浓度随营养级数提高而增大的现象富集和放大原理一、环境地球化学的基本理论z地域分异„指由于自然地域所处的纬度和海陆位置各不相同，分别有一定的水、热组合，使得表层系统在生物学、地球化学和生态学特征上存在地域差异，从而导致地表化学元素的含量水平、贮存状态、迁移强度、循环特征及其引起的生物效应按一定方向有规律分化的现象„能量基础：太阳辐射时空分异原理一、环境地球化学的基本理论„苔原地带时空分异原理一、环境地球化学的基本理论‡气候严寒‡碎屑风化壳‡水土呈酸性、还原条件占优势‡有机残渣分解缓慢，腐殖质丰富‡可溶性营养元素缺乏‡景观标型元素：H„泰加林地带时空分异原理一、环境地球化学的基本理论‡气候寒冷湿润‡硅铝型风化壳、泥炭沼泽分布广泛‡水土呈酸性、淋溶强烈‡腐殖质丰富‡Ca和其他矿物营养元素缺乏‡可能流行Ca、Cu、Co、I、F、Se等元素缺乏的地方性生物地球化学病‡景观标型元素：H、Fe、Mn„落叶阔叶林地带时空分异原理一、环境地球化学的基本理论‡气候温暖湿润‡硅铝型风化壳、碳酸盐风化壳‡水土呈中性或弱酸性‡矿物营养元素含量适中‡可能流行I、F、Se等元素缺乏的生物地球化学地方病‡景观标型元素：Ca„草原地带时空分异原理一、环境地球化学的基本理论‡气候干燥‡含盐风化壳、碳酸盐风化壳‡水土呈中性或碱性‡有机残渣分解和矿物风化较快‡矿物营养元素含量适中‡可能流行F、B、As、I等元素硫酸盐过剩而引起的中毒性的生物地球化学地方病‡景观标型元素：Na、Cl、S„荒漠地带时空分异原理一、环境地球化学的基本理论‡气候极端干燥‡含盐风化壳、碎屑风化壳‡广泛分布戈壁、沙漠、盐碱滩‡元素以大气迁移为主‡可能流行F、B、Na等元素硫酸盐过剩而引起的中毒性的生物地球化学地方病‡景观标型元素：Ca、S、Na„湿润热带时空分异原理一、环境地球化学的基本理论‡气候高温多雨‡富Pb风化壳、富Fe、Al风化壳‡生物地球化学循环迅速，有机残渣分解和矿物风化强烈‡元素Na、K、Mg、Cl、S等易迁移元素淋溶流失‡可能流行F、I等元素缺乏而引起的生物地球化学地方病‡景观标型元素：Fe、Al、Mn、Hz人体化学组成与地球化学环境的关系„自然界的各种元素或化合物都是以空气、水和食物等形式经由呼吸道和消化道进入体内的。研究表明，人体的各种化学元素和平均含量与地壳中相应各种化学元素的含量相适应，显示了明显的相关性。因此，化学元素的相适应证明，人和地球化学环境有着密切的联系。元素与人体健康二、地球化学与人类健康人体血液和地壳中元素含量的相关性元素与人体健康二、地球化学与人类健康宏量元素Wt／％微量元素Wt／10-6O氧65.9F氟37C碳18.0Zn锌33H氢10.0Cu铜1.0N氮3.0V钒0.3Ca钙2.0Cr铬0.2P磷1.0Se铯0.2K钾0.35Mn锰0.2S硫0.25I碘0.2Na钠0.15Mo钼0.1Cl氯0.15Ni镍0.1Mg镁0.05Co钴0.05Fe铁0.004总计99.9540.05%人体化学元素组成z人体化学组成与地球化学环境的关系„人体中有60余种元素，其中人体的99.954％是由氢、氧、氮、碳、磷、硫、氯、钾、钠、钙、镁和铁等宏量元素(含量0.01％)组成，其余不到0.05％的部分主要是由氟、锌、碘、铜、钒、锰、镍、钴、硒、铬和钼等微量元素(含量0.01％)组成。„尽管人体中以氧、碳、氢、氮等宏量元素为主，并成为人体各种软组织、体液和血液内的主要组成元素，但那些在人体中所占比例虽不到0.05％的微量元素，对人体健康却有着不可忽视的作用。元素与人体健康二、地球化学与人类健康z人体化学组成与地球化学环境的关系„人体与环境之间最本质的联系是能量的传递和物质的交换，人与地壳物质保持的平衡是通过人体的新陈代谢与周围环境进行物质交换实现的。„如果由于某种自然的或人为的原因，使环境中新出现或增加了某种化学物质，或减少了某种化学物质(环境变化)，超过了人体生理功能所能承受的适应能力，人和地球化学环境的平衡关系就会遭到破坏，人体健康就要受到影响，甚至发生疾病或死亡。元素与人体健康二、地球化学与人类健康z人体化学组成与地球化学环境的关系„人体各种生理功能在某种程度上对环境的变化是适应的，并能使人体与环境达到统一，但这些功能有一定的限度。如当某些元素在自然界含量过高或偏低时就会造成一些地方病；当有毒物质通过呼吸、饮水、食物等直接或间接地进入人体就会造成疾病，影响遗传甚至危及生命。元素与人体健康二、地球化学与人类健康z生物地球化学性疾病的概念„亦称“地方病”(endemicdisease)：由于地理地质原因，使地壳表面的元素分布不均衡，致使有的地区土壤、植物、煤和水中某些元素含量过高或过少，导致该地区人群中发生某特异性疾病，称为生物地球化学性疾病。„指局限在某些地方（或地域）发生的疾病。„按其原因可分为:自然疫源性疾病（如鼠疫）、生物地球化学性疾病（如地方性甲状腺肿）、生产生活方式有关的疾病（如布氏杆菌病）等三人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康z常见与元素有关的疾病„元素对人类健康的影响反映了人体内、外环境之间的平衡。„当人体摄入某些元素过量或不足，均会出现各种地方性症候和地方性疾病。这类疾病几乎涉及到机体全身，它们涉及到心血管组织、脑血管系统、内分泌系统、生殖系统、消化系统、骨齿系统、神经系统、细胞组织、结缔组织和其它方面。人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素心血管系统疾病(一)(1)心血管病(2)动脉粥样硬化(3)冠心病(4)心衰猝死(5)新生婴儿猝死(6)糖尿病(7)心肌病CdCoCa、Mg、SeCrCa、Mg、Se、Cr、MoMgMgCr脑血管系统疾病(二)(1)脑溢血(2)高血压(3)脑神经紊乱SiO2SiO2Cu内分泌系统疾病(三)(1)地方性甲状腺肿(2)脑垂体分泌缺乏症(3)内分泌紊乱(女)IIZnZn、Mg、Mn、Ca人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素骨齿系统疾病(六)(1)龋齿(2)氟骨症(3)膝外翻综合症(4)骨质松脆、牙发育不良(5)佝偻病(6)趴病(7)大骨节病(8)软骨代谢障碍(9)骨质松脆症FF、MoSrBa腐殖酸F、VCaMeMg、CaSeS、Mn、SeCu、Sr生殖系统疾病(四)(1)性发育不全、侏儒症(2)生长发育不良(3)受精率低下(4)不育不孕(5)不孕症MgSO4U、RaZnMnIZn、Mn消化系统疾病(五)(1)地方性肠炎(2)地方性胃肠炎(3)胃肠炎BMgSO4CdMg、Zn人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素细胞癌变(七)(1)前列腺癌(2)乳房、结肠、卵巢、膀胱癌(3)肝癌(4)眼癌(5)皮肤癌(6)骨癌(?)喉癌(8)咽喉癌(9)直肠癌(10)结肠癌(11)食管癌(12)胃癌(13)白血症(14)肺癌Cd亚硝胺AsAs、Se、AgBe、Cd、SeNi、As、CdNiNi、CdCd、ZnZnPb、AsCr6+、Pb、Sn、Si、As、Se、SbSe、ISe、MoMoCuCuZn疾病类别疾病名称摄入过量元素摄入不足元素其它(1)营养性贫血(2)高铁血红蛋白症(3)糖尿病(4)地方性肌萎缩(5)结石症(6)缺铁性贫血(7)溶血性贫血(8)暗视盲(味、嗅觉异常)N02F、CaPbFe、CuCrMgFeZn、V神经系统疾病(八)(1)中枢神经发育不全、脑发育落后、智力低下(2)神经性疾病(3)神经性传导障碍(4)抑郁症(5)狂躁症(6)神经中毒(水俣病)(7)Wilson症IPbFRbHg、Se、As、Tl、CuI、ZnLi结缔组织(九)(1)脱毛症、指甲脱落(2)扁甲(营养性)(3)毛发、皮肤异常Tl、SeICa、MeIz氟的生物地球化学与地方性氟病„地方性氟病是一种世界性地方病，遍及五大洲。我国主要主要流行于贵洲、陕西、甘肃、山西、山东、河北、吉林、黑龙江等省。这种病的主要表现是氟中毒引起的斑釉牙、氟骨症和氟摄入不足引起的龋齿。人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康世界地方性氟病与龋齿分布示意图1-地方性氟病；2-龋齿z氟的生物地球化学与地方性氟病„地方性氟病是一种世界性地方病，遍及五大洲。我国主要主要流行于贵洲、陕西、甘肃、山西、山东、河北、吉林、黑龙江等省。这种病的主要表现是氟中毒引起的斑釉牙、氟骨症和氟摄入不足引起的龋齿。„世界范围内，地方性氟中毒的分布表现为地带性和非地带性的。„地带性氟中毒的分布与自然地理纬度有关，其主要分布于干旱及半干旱带，年降水量为200～400mm左右，或更少。这种地带主要位于赤道南北的15o～35o之间，它包括了中国、原苏联、和蒙古境内的干旱、人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康z氟的生物地球化学与地方性氟病„地带性氟中毒的分布与自然地理纬度有关，其主要分布于干旱及半干旱带，年降水量为200～400mm左右，或更少。这种地带主要位于赤道南北的15o～35o之间，它包括了中国、原苏联、和蒙古境内的干旱、半干旱区。人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康z氟的生物地球化学与地方性氟病„非地带性的氟中毒有以下几种情况人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康‡与火山有关的氟病区，如冰岛、意大利、日本等国；‡与含氟岩石或含氟矿床有关的氟病区，如埃及、突尼斯、阿尔及利亚、摩洛哥等国，‡与磷酸盐矿床（Ca5[PO4]3F）有关的氟病区；‡与冰晶石（Na3AlF6）矿床有关的氟病区；‡与一些著名温泉有关的氟病区，如我国北京的小汤山温泉、怀来盆地温泉区。人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康中国地方性氟中毒分布图„人体内的氟及氟的来源人类疾病与地球化学关系二、地球化学与人类健康‡氟是一种重要的生命必需微量元素。在人的骨骼、肌肉、血液和脏器中都有它的存在。正常人体的含氟量为1390mg。一个70kg重的成年人，日摄入氟是为3.8mg，其中1.4mg是通过饮水摄入的。‡氟的来源主要有两种，一是矿物、岩石被风化；二是火山喷发。氟极易为水迁