吉大环境毒理学第二章污染物的迁移和转化

主讲：马金才副教授E-mail:[e-mail]办公室：唐敖庆楼C438吉林大学环境与资源学院环境毒理学第二章污染物在环境中的迁移和转化2.1概述污染物进入环境以后，由于自身物理化学性质和各种环境因素的影响，将会在空间位置或形态特征等方面发生一系列复杂的变化。污染物迁移和转化（transportandtransformation）指污染物在环境中发生的各种变化过程。也有学者称其为污染物的环境行为（environmentalbehavior）或环境转归（environmentalfate）。环境污染物的迁移转化举例研究污染物的迁移和转化规律的目的和意义阐明人类在环境中接触的污染物种类以及接触浓度，时间，途径，方式和条件等。评估污染物的物质形态，毒性作用影响因素，剂量-效应或剂量-反应关系。2.2环境污染物的迁移污染物的迁移是指污染物在环境中发生的空间位置的相对移动过程。污染物的迁移可导致环境中污染物的种类，数量和综合毒性的强度发生变化，引起污染范围的扩大或缩小，污染物浓度的增高或降低等。2.2.环境污染物的迁移机械性迁移生物浓缩水的机械性迁移重力的机械性迁移物理-化学性迁移生物性性迁移扩散迁移干沉积和颗粒物湿沉积风化淋溶作用溶解挥发作用酸碱作用吸附作用氧化-还原作用络合作用生物累积生物放大气的机械性迁移2.2.1机械性迁移污染物的机械性迁移现象处处可见：废水，废气和废渣的排放，丢弃，搬运以及各种有毒有害物质在生产和生活中的应用，均可使污染物发生不同程度的迁移运动。2.2.1机械性迁移2.2.1机械性迁移2.2.1.1气的机械性迁移2.2.1.2水的机械性迁移2.2.1.3重力的机械性迁移2.2.1.1气的机械性迁移①扩散迁移a.风力扩散：冲淡或稀释，效果取决于风速。污染物的整体输送作用，是污染物向下风扩散。b.气流扩散：污染物在垂直方向上的迁移扩散影响大气污染物扩散的因素1.大气稳定度2.地理地势影响大气污染物扩散的因素大气稳定度：表示空气中某大气团由于与周围空气存在在密度，温度，或流速等强度差而产生的浮力使其产生加速度而上升或下降的程度。对流层内，气温随高度递减，有利于污染物在垂直方向上的扩散稀释。近地低层大气，有时候出现逆温层，即气温随高度增加，不利于污染物在垂直方向上的稀释扩散，造成大气污染。影响大气污染物扩散的因素地理地势：地面具有不同的粗糙度，当气流沿地表流过时，必然要同各种地形地物发生摩擦作用，使风向风速同时发生变化。其影响程度与地形地物的形状，高低和体积有关。封闭的山谷盆地，不利于大气污染物扩散。城市中的高大建筑物，阻碍污染物迅速扩散。建筑物背风区风速下降，污染物浓度增高。北京雾霾燕山太行山北②干沉积和颗粒物的湿沉积干沉积指大气污染物通过重力沉降或被地面建筑物，树木等阻留而沉积在地面的过程，或者进入人体或动物呼吸道并积留于此的过程。湿沉降指大气中所含污染气体或微粒物质通过雨洗，洗脱作用随降水降落并积留在地表的过程。是污染气体在大气中被消除的重要过程。干沉积湿沉降干沉积和颗粒物的湿沉积大气颗粒物的密度和粒度越大，越容易被干沉积去除。小颗粒，一般借助湿沉积过程消除。PM2.5粒径小，表面积大，富含重金属和有毒有机污染物，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。2.2.1.2水的机械迁移作用水的迁移作用包括污染物在水中的自由扩散作用和被水流搬运的作用。水中自由扩散主要发生在水体呈静止或缓流湖泊和地下水等环境。水流的搬运作用主要发生在水体较快的小溪和河流环境。水流能把降水淋溶的污染物搬运到江，河，湖泊和地下水中，并最终汇入大海。水的机械性迁移举例：污水灌溉与地下水污染污染物毒大米与土壤重金属污染息息相关地下水污染或是造成癌症村现象的首因中国地下水污染地图指污染物及其搬运在体在重力作用下的迁移运动。吸附了污染物的气溶胶，颗粒物，悬浮物等主要以重力沉降的方式在环境中的迁移。污水设施中污染物逐渐沉积在污泥中，随污泥的处理而迁移。机械搬运污染物的行为是污染物迁移的重要方式。如污染物以原材料，成品或包装材料的形式被远距离运输。2.2.1.3重力的机械迁移作用2.2.2物理-化学性迁移2.2.2.1风化-淋溶作用风化淋溶作用，指的是环境中水在重力作用下运动时通过水解作用使岩石，矿物中的化学元素溶入水中的过程。风化作用风化后的岩石水流几张关于风化-淋溶侵蚀相关的照片2.2.2.2溶解-挥发作用降水可以将各种固体废弃物中的水溶性污染物溶解，造成土壤和水体的污染。低沸点。低分子量的有机污染物可以通过挥发散逸到大气中。污染物的挥发程度取决于污染物的物理性质和环境条件等。例子：大气中SO2，NO2等酸性气体在高空遇到水蒸气形成酸雨（pH5.6）,酸性降水可以使土壤中的重金属游离出来，造成严重的环境健康问题。挥发性强的污染物可通过挥发作用快速逸散到空气中。挥发作用的大小取决于污染物的亨利系数和环境条件等，如温度和风速等。2.2.2.3酸碱作用酸性环境使大多数污染物形成易溶性化合物，从而促进污染物的迁移。而环境的pH较高时，许多污染物就可能沉淀下来，在沉积物中相对富集。孔雀石（含碱式碳酸Cu）矿石标本Cu2(OH)2CO3+4HCl=2Cu2+CO2+2H2O2.2.2.4络合作用当污染物在环境中迁移时，经常和其他离子，离子团或有机大分子络合。络合分子或络合离子具有特殊的化学性质，因而大大改变了污染物的迁移能力和归宿。环境中的OH-，Cl-，HCO3-，CO32-及含-NH2，-OH，-COOH，-SH等功能团的有机物都可以作为配位体与金属离子络合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-吸附力强吸附力弱2.2.2.5吸附作用吸附是发生在固体或液体表面对其它物质的一种吸着现象。污染物在土壤中的吸附常常受到土壤中有机质含量，土壤颗粒大小，粘土矿物成分，pH，阳离子交换能等土壤理化性质的影响。=SurfOH指铁，铝和锰氧化物表面2.2.2.6氧化还原作用污染物在氧化-还原反应中，因为电子的得失发生价态的改变，其迁移能力随之发生变化。雄黄（含As4S4）矿石标本例子：土壤中的As污染。As一般来自土壤中含As矿物，如硫铁矿（FeS2），的氧化过程中释放出来的。含砷硫铁矿FeS2氧化还原作用举例微生物还原Se(0)(s)SeO42-(aq)底泥水微生物还原SeO32-(aq)大气EnterobactercloacaeSLD1a-1含Se(VI)或Se(IV)的培养基物理-化学性迁移风化-淋溶作用溶解-挥发作用酸碱作用络合作用吸附作用氧化还原作用辰砂（含HgS）矿石标本自然界中污染物的物理-化学迁移模式往往不是单一的。一般伴随着2个或更多的迁移过程。各种迁移过程往往是互相交织在一起的。2.2.3生物性迁移污染物通过生物体的吸附，吸收，代谢，死亡等过程而发生的迁移叫做生物性迁移biotransport.生物性迁移是污染物在环境中迁移的最复杂而又最具有重要意义的迁移方式。生态系统，食物链，营养级生态系统ecosystem生态系统，指在自然界的一定的空间内，生物与环境构成的统一整体，在这个统一整体中，生物与环境之间相互影响、相互制约，并在一定时期内处于相对稳定的动态平衡状态。食物链foodchain食物链是指各种生物通过一系列的捕食关系而彼此联系起来的序列，在生态学上被称为食物链。通过食物链贮存于有机物中的能量在生态系统中层层传导。营养级trophiclevel营养级是指生物在食物链之中所占的位置。在生态系统的食物网中，凡是以相同的方式获取相同性质食物的植物类群和动物类群可分别称作一个营养级。在食物网中从生产者植物起到顶部肉食动物止。即在食物链上凡属同一级环节上的所有生物种就是一个营养级。食物链营养级举例2.2.3.1生物浓缩bioconcentration生物浓缩：指生物体从环境中蓄积某种污染物，出现在生物体中浓度超过环境中浓度的现象。生物浓缩的程度用生物富集系数bioconcentrationfactor,BCFBCF=生物体内污染物的浓度/环境中该污染物的浓度生物浓缩的研究对于阐明污染物在环境中的生物迁移规律，评价和预测污染物进入环境后的危害，以及确定污染物的环境容量和制定环境标准有重要意义。2.2.3.2生物积累bioaccumulation生物积累：指生物个体随其生长发育的不同阶段从环境中蓄积某种污染物，而使生物浓缩系数不断增大的现象。生物累积的程度可用生物累积系数bioaccumulationfactor,BAF表示。BAF=某一生物个体生长发育较后阶段体内蓄积污染物的浓度/同一生物生长发育较前阶段体内蓄积该污染物的浓度生物累积某种污染物的浓度水平取决于该生物摄取和消除该污染物的速率之比，如果摄入量大于消除量，就会发生生物积累。2.2.3.3生物放大biomagnification生物放大：指在生态系统的同一食物链上，某种污染物在生物体内的浓度随着营养级的提高而逐步增大的现象。生物放大的结果使食物链上高营养级生物体内污染物的浓度显著的超过环境中该污染物的浓度。生物放大的程度可以用生物放大系数biomagnificationfactor,BMF表示。BMF=较高营养级生物体内污染物的浓度/较低营养级生物体内污染物的浓度生物放大举例经过食物链各个营养级，水中的DDT浓度被放大10,000,000倍！2.3环境污染物的转化污染物的转化transformationofpollutants：指污染物在环境中通过物理的，化学的，或生物的作用改变形态或者转变成另一物质的过程。一次污染物primarypollutants：指有污染源直接排入环境的污染物。二次污染物secondarypollutants：指一次污染物在环境中发生各种反应而转化形成的污染物。2.3环境污染物的转化物理转化作用化学转化作用生物转化和生物降解作用环境污染物的转化2.2.3环境污染物的转化污染物在环境中通过物理的，化学的，或生物的的作用改变形态或者转变成另一物质的过程叫做污染物的转化transformationofpollutants.2.2.3.1物理转化作用物理转化指污染物通过蒸发，渗透，凝聚，吸附，以及放射性元素的蜕变等一种或几种过程实现的转化。如某些有机或无机污染物通过蒸发作用由液态转化为气态，而散逸到空气中。如土壤，泥沙，木炭等物质吸附某些污染物时，既有污染物在分子微观形态上的改变，又有污染物在空间位置的变化。如放射性元素蜕变235U→207Pb+7α+4β-2.2.3.2化学转化作用化学转化指污染物通过各种化学反应过程发生的转化，如氧化-还原，水解反应，络合反应，光化学反应等。在大气中，污染物的转化以光化学氧化和催化氧化为主。HCs，NOx，SO2,通过光化学氧化作用生成O3和过氧乙酰硝酸酯（PAN）。PAN没有天然源，只有人为源，在光的参与下，乙醛与OH自由基通过O2生成过氧乙酰基，再与NO2反应而得，因此，大气中测得PAN即可作为发生光化学烟雾的依据。在水体中，污染物转化是氧化-还原和络合水解反应，如As的氧化还原和甲基化，铬的氧化还原。在土壤中，一些农药的水解反应由于土壤颗粒的吸附催化而被加速。在土壤中某些金属离子的价态也会发生一系列变化。土壤和水体酸化促进金属和有机质的离子化。2.2.3.3生物转化和生物降解作用生物转化biotransformation指污染物在有关酶系统的催化作用下，经各种生物化学反应改变其化学结构和理化性质。生物转化的结果，可使大部分有机污染物的毒性降低，或形成更容易降解的分子结构，也可使一部分污染物毒性增强，或形成更难于降解的分子结构