5．5．7　有毒有害物质的循环

1．概述

进入生态系统后，使环境正常组成和性质发生变化，在一定时间内直接或间接地对人或生物造成危害的物质就称为有毒物质（toxic substance）或者称为污染物（pollutant）。有毒物质包括无机和有机两大类，无机有毒物质主要指重金属、氟化物和氰化物等；有机有毒物质主要有酚类、有机氯农药等。

有毒物质循环和其他物质循环一样，在食物链营养级上进行循环流动。有毒物质循环是指那些对有机体有毒的物质进入生态系统后，通过食物链富集或被分解的过程。据估计，人类已将7万多种化学产品投放市场，其中许多是有毒物质。这些物质经过多种途径进入环境后，经历一系列的迁移（transport）和转化（transformation）的过程。有毒物质循环有以下特点。①有毒物质进入生态系统的途径是多种多样的。②大多数有毒物质在生物体内具有浓缩现象。这些有毒物质在代谢过程中不能被排除，而被生物体同化，并长期停留在生物体内，造成有机体中毒、死亡。③有毒物质进入环境后，会经历一些迁移和转化的过程，从而使一些有毒物质毒性降低，而另一些物质的毒性则会增加（如汞的甲基化等）。不过大部分物质能被环境吸收或分解，使之变为无害物质，即被环境所净化。因此，有毒物质的生态系统循环与人类的关系最为密切，但又最为复杂。有毒物质循环的途径、在环境中滞留的时间、在有机体内浓缩的数量和速率、作用机制，以及对有机体的影响等问题是十分重要的研究内容。

在生态系统中，有毒有害物质的循环途径因毒物的性质而异，下面以农药和汞为例，分别介绍有机毒物和重金属元素在生态系统中的循环特点。

2．农药的迁移和转化

农药是环境中最重要的污染物之一。全世界常用农药种类有420种，主要是有机氯、有机磷和氨基甲酸酯化合物。全球每年向环境中投入的农药总量超过1．8×10⁶ t。虽然农药为世界农业生产作出了重大贡献，但农药对环境产生的负面影响也是十分明显的。由于连年大量使用，已经造成大气、水体、土壤的污染。同时，农药还可以从环境进入动、植物体内，通过食物链危害牲畜和人体健康，农药对环境的污染问题引起了人们的普遍关注。

农药在生态系统中的循环过程包括迁移、扩散、降解和生物富集等重要过程；它们进入环境之后，发生一系列的化学、光化学和生物化学的降解作用，使残留量减少。在使用化学农药时，能黏附在作物上的只占约10%，其余约90%则通过各种方式扩散出去，或落于土壤或飞散于大气，或溶解、悬浮于水体，流入湖、河。从而使它们在水体、土壤和生物中进行迁移、转化。不同类型的农药由于其降解速度和难易程度不同，它们在环境中的持久性也不同。一般用半衰期和残留期两个概念来说明农药在环境中的持续性。土壤环境中的半衰期指施入土壤中的农药因降解等原因使其浓度减少一半所需要的时间；残留期指土壤中的农药因降解等原因含量减少75%～100%所需要的时间。

农药的生物富集作用是农药在生态系统循环中的重要环节。农药的生物富集是在生态系统的食物链关系中形成的。一些农药在进入环境后，其残留化合物的化学性质稳定，脂溶性强，或与酶、蛋白质有较高的亲和力，不易被生物消化与分解而排出体外，故积累在生物体的一定部位，并沿食物链转移而逐级积累浓缩。食物链越复杂，逐级积累的浓度就越高。

下面以DDT为例说明农药在环境中的富集过程。DDT是一种人工合成的有机氯杀虫剂，是一种易溶于脂肪，难分解而残留性强，易扩散的一种化学物质。而今即使在远离使用地点的南极企鹅和北极一些无脊椎动物体内也发现了它，证明DDT已进入了全球性的生物地球化学循环。水环境中的DDT通过浮游生物、小鱼、大鱼、水鸟等捕食生物形成食物链。DDT在逐个生物体中积累，最终在水鸟体内的含量比水体中高出许多倍（图5-8）。

图5-8　DDT在食物链中浓缩

（单位：mg/L）

在陆地生态系统中，农药还会通过植物的吸收作用转移至植物体内。草原喷洒了低浓度有机氯杀虫剂BHC两年后，土壤中含量为0．98mg/kg，但牧草茎叶中含量为5．98mg/kg，浓缩了5倍多；牛吃了该牧草，牛肉含量为13．36mg/kg，浓缩了13倍；牛奶中含有9．82mg/kg，浓缩了9倍；而奶油中含有65．1mg/kg，浓缩了65倍多；对食用奶油的人进行分析，检出的BHC为171mg/kg。

3．重金属元素循环

重金属污染物在环境中不能被微生物降解，但其各种形态之间可发生相互转化，在环境中还会发生分散和富集的过程。从重金属的毒性及其对生物的危害方面看，重金属污染有下列特点：①在环境中只要有微量重金属即可产生毒性效应，一般重金属产生毒性的范围，在水体中为1～10mg/L，毒性较强的金属如汞、镉产生毒性的浓度范围在0．001～0．01mg/L；②环境中的某些重金属可在微生物作用下转化为毒性更强的重金属化合物，如汞的甲基化；③生物从环境中摄取的重金属可以经过食物链的生物放大作用，逐级在较高级的生物体内成千上万倍地富集起来，然后通过食物进入人体，在人体的某些器官中累积造成慢性中毒。所以，重金属污染已成为人类面临的严重环境问题之一。

下面以汞为例介绍重金属元素的循环。汞循环（mercury cycle）是重金属元素在生态系统中循环的典型代表。汞通过火山爆发、岩石风化、岩熔等自然运动和人类活动，如开采、冶炼、农药使用等途径进入生态系统。目前，世界上大约有80多种工业把汞作为原料之一或作为辅助原料，每年通过工业释放至环境中的汞约1．5万～3万t，超过火山喷发和岩石风化等天然释放量的4．5～9倍。

环境中的汞有三种价态：单质汞（Hg）、一价汞（Hg^＋）和二价汞（Hg^2＋），其中主要是单质汞和二价汞。汞在土壤中的行为主要是土壤对汞的固定和释放作用。由于土壤对汞有强的固定作用，大部分汞被固定在土壤中，因此，环境中的可溶性汞含量很低。从各污染源排放的汞也是富集在排污口附近的底泥和土壤中。部分可溶性汞经植物吸收后进入食物链或进入水体。进入食物链的汞经由排泄系统或生物分解，返回到非生物环境，参与再循环。

进入水体的汞可随水的流动而运动，或沉降于水底并吸附在底泥中。在微生物的作用下，金属汞和二价离子汞等无机汞会转化成甲基汞和二甲基汞，这种转化称为汞的生物甲基化作用（biological methylation of mercury）。汞的甲基化可在厌氧条件下发生，也可在有氧条件下发生。在厌氧条件下，主要转化为二甲基汞。二甲基汞具有挥发性，易于逸散到大气中。进入大气分解成甲烷、乙烷和汞，其中元素汞又沉降到土壤或水域中。在有氧条件下，主要转化为一甲基汞。一甲基汞是水溶性的，易于被生物吸收而进入食物链。甲基汞易被人体吸收，而且毒性大。因为甲基汞易溶于脂类中，其毒性比无机汞高100倍；汞在生物体内不易分解，由于其分子结构中所形成的碳-汞键（C-Hg）不易切断。

汞循环的另一重要途径是生物富集作用。研究证明，水域中藻类对汞和甲基汞的浓缩系数高达5000～10000倍。在顶位鱼体内汞的含量可高达50～60mg/kg，比原来水体中的浓度高万倍以上，比低位鱼体内汞含量亦高900多倍。在日本水俣病事件中，螃蟹体内含有24 mg/kg汞，受害人体肾中含汞14mg/kg，而鱼的正常允许水平为0．5mg/kg以下。