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1、环境生物化学,Beautiful natural world,生物环境、生态圈与生态系统,生物的组成与微生物的生理特征,污染物质在生物体内的转运,污染物质的毒性,返回,生物环境、生物圈与生态系统,生物环境,自然界中的生物，包括植物、动物、微生物等有生命的机体，构成了人类生存的生物环境。生物环境是自然环境要素中的重要组成部分，它为人类提供了食物来源，通过绿色植物的光合作用将CO2和H2O固定为糖类等有机物；又通过动、植物的呼吸作用将这些有机物的化学键断裂，将植物体内的储藏能量转变为人体或生物体内的储存能量；此外，通过微生物的作用可以将生物残体和排泄物分解成无机物返回自然界完成了碳循环、氮循环、硫
2、循环、磷循环等。因此，生物环境是维持人类生态系统和整个地球自然生态平衡不可缺少的环境要素。,生物圈,地球上自有生物出现以来，它的发展便进入了新的更高级阶段，这是因为生物在地球物质循环和能量交换过程中起特殊重要的作用。生物圈的概念是奥地利地质学家休斯（Eduard Suess）在1875年提出来的，但直到1926年前苏联地球化学家维尔纳茨基所做的“生物圈”的报告之后，才引起人们的注意。现代对生物圈的理解仍是当时维尔纳茨基的概念。生物圈是指地球上有生命活动的范围及其生存环境的整体。其范围的上限可达15km20km高空，其下限可达海平面以下10km11km海洋深处。陆地上的油井钻孔深达7.5km处仍
3、发现有细菌生存。但绝大部分生物通常生存于地球陆地上和海面之下各约100m厚的范围内。,生物圈的形成是生物界和水圈、大气圈及岩石（土壤圈）长期相互作用的结果。作为地球外套的生物圈，它之所以能够存在，是因为具备了下列几个条件：这里可以获得来自太阳的充足的光能。一切生命活动都需要能量，而这些能量的根本来源正是太阳能；这里有可被生物利用的大量液态水，几乎所有的生物体都含有大量的水分，没有水就没有生命；生物圈内有适宜生命活动的温度条件，在此温度变化范围内的物质存在着气态、固态、液态三种物态变化，这也是生命活动的必要前提；生物圈内提供了生命活动所需的氧气、CO2以及氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁等矿质营养元素
4、。,综上所述，在地球上有生命存在的地方均属生物圈。构成生物圈的生物，即包括人类在内的所有动物、植物和微生物,他们不断地与环境进行物质循环与能量交换。在当今环境污染问题越来越严重的情况下，人类与生物圈的相互关系问题也越来越引起人们的关注。,生态系统,生态系统的概念 生态系统的概念是英国植物群落学家坦斯莱（Tansley）在20世纪30年代首先提出，到20世纪50年代得到广泛传播，20世纪60年代后逐渐成为生态学研究的中心。,种群（Population）种群是組成同一种生物的不同个体在特定环境空間內的集群。因此，在一定地段上群落中的一个种的所有个体就是一个种群。在自然界中，种群是物種存在的基本单位
5、，是生物群落或生态系統的基本組成部分 群落（Community）在一定的自然区域内，许多不同种群生物的总和叫群落，或简单的说：不同种群的生物生活在一个环境中构成群落。如一片森林、草原、或农田中的所有不同种群生物的总和，都叫生物群落。,生态系统（Ecosystem）任何一个生物群落与周围非生物环境（水、大气、土壤等）的综合体就是生态系统。但一个种群与其周围环境也可构成简单的生态系统。生态系统可大可小，小到一滴含有微生物的天然水，大到整个生物圈，整个生物圈是最大的生态系统。生态系统是自然界一定空间的生物与环境之间相互作用，相互制约，不断演变，达到动态平衡，相对稳定的统一整体，是具有一定结构与功能的
6、单位。,生态系统是自然界的划分单位，大系统又可分为若干亚系统或子系统，具有明显的层次性。例如，生态系统可分为农业生态系统和城市生态系统。农业生态系统又可分为农田生态系统、森林生态系统、草原生态系统等。农田生态系统又可分为植物生态系统和土壤生态系统。土壤生态系统又可分为土壤动物生态系统、土壤微生物生态系统、土壤植物根区微环境生态系统等。,生态系统的组成生态系统是由生物群落和非生物环境-阳光、空气、水、土壤、矿物养分等所组成的。生态系统中的生物部分，根据其在系统中物质与能量迁移转化中的作用不同，又可分为三个机能群：（1）第一性生产者：主要指绿色植物。即含有叶绿素能利用太阳辐射和光能合成有机体的植物
7、，包括某些海藻类在内。没有第一性生产者有机体，任何生态系统都不会有能流和物流组成食物链。因此，第一性生产者是生态系统的基石。,（2）消费者：即以生物有机体为食的各类异养性生物，主要包括各类动物（草食动物和肉食动物），人类也是消费者。按照消费者在食物链中所处的位置，又可分为：一级消费者（草食动物）、二级消费者（以草食动物为食的肉食动物）和三级消费者（以二级消费者为食的肉食动物）。人类为最高级的消费者。（3）分解者：主要指依靠分解有机质维持生命的微生物群。他们是使自然生态系统中各种物质与元素得以周而复始的循环利用的重要途径。,在正常情况下，生态系统中各组成之间保持着一种相对的平衡状态，即生态平衡，
8、系统中的能量与物质流较长时期的保持稳定。当然，这种平衡是相对的、暂时的、不稳定的动态平衡。为了保持生态平衡，必须遵守系统的能流与物流的输入与输出的等量原则（输入与输出平衡）。生态结构越复杂，生态平衡越稳定，抵抗外源物的干扰（如污染物的输入）能力越强。,食物链（网）与营养级（1）食物链 生态系统中，由食物关系把多种生物连接起来，一种生物以另一种生物为食；另一种生物再以第三者生物为食彼此形成了一个事物关系联接起来的链锁关系称为食物链。例如：一个小池塘中水生生物之间构成的生态系统和食物链，以及其中能量和物质的流动情况见图1。,图1 水生生物的生态系统及其食物链关系示意图,在这个生态系统中，浮游植物（
9、藻类）-生产者借含叶绿素的细胞利用太阳能将水和空气中的CO2转变成有机物，进而为浮游动物食用，小鱼再食用浮游动物，大鱼再食小鱼，构成食物链。按照生物间的相互关系，一般可把食物链分成四类：捕食性食物链（Predatory food chain）：这种食物链有成为放牧式食物链，它是以植物为基础，其构成形式是：植物-草食动物-肉食动物，后者可以捕食前者。如在草原上，青草植食昆虫青蛙蛇。“螳螂捕蝉，黄雀在后”,碎食性食物链（Detritus food chain）：这种食物链是以碎食食物为基础，即由高等植物叶子的碎片经细菌和真菌的作用，再加入微小的藻类构成。其构成形式是：碎食物碎食物消费者小肉食性动物
10、大肉食性动物。如在某些湖泊或沿海，树叶碎片及小的藻类虾（蟹）鱼食鱼的鸟类。寄生性食物链（Parasite food chain）：这种食物链是以大动物为基础，由小动物寄生到大动物身上构成。如哺乳动物或鸟类跳蚤原生动物细菌过滤性病毒。,腐生性食物链（Sparophagus food chain）：这种食物链是以腐烂的动植物尸体被土壤或水中的微生物分解利用，构成了这种食物链。（2）食物网 在一个生态系统中，食物关系往往很复杂，各种食物链相互交错形成食物网。能量流和食物流就是通过食物链或食物网进行的。由图2所示。,图2 食物网与营养级示意图,（3）营养级 食物链的各环节，相同地位，其同样作用的一群生
11、物成为一个营养级。生产者有机体为第一营养级，一级消费者为第二营养级，二级消费者为第三营养级，依次为第四、第五营养级，通常为45级，一般不超过7级。人类处于最高营养级。,低位营养级生物是高位营养级生物的营养及能量的供应者，而地球上的一切能量来源是太阳能。但是，低位营养级的能量仅有 1020能被高一级营养级生物利用。如以10的利用率计，那么热值为1000卡的青草，被牛食用吸收利用后，最多能产生热值100卡的牛肉。林德曼能量流动的“十分之一定律”。因此，在数量上第一营养者就必须大大超过第二营养者，逐级递减，就形成了生物数目金字塔，或生物量金字塔，生产率金字塔等。而在生态学中有一种表示食物链各层次能量
12、递减的方法，称为能量塔图（见图6-3，图6-4）。,图3 生物量金字塔,图4 能量金字塔,生态系统能量流动的特点：第一、能量流动不是循环的而是单向的：从生产者初级消费者次级消费者三级消费者第二、能量流动是逐级递减的：传递率为1020,了解上述关系和规律的实际意义是：农业是基础，而种植业又是农业的基础，是发展养殖业和畜牧业的基础。须知草原的载畜量是有一定限度的，过度放牧必将引起草原生态的破坏，如草原退化、土地沙漠化。因此，农业结构应符合生态学原理。人类处于食物链的最高营养级，处于生物量金字塔的顶点。因此，世界人口的总数量受食物供应的限制。人口过剩、食物短缺、人类生态系统的平衡被破坏。,利用食物链
13、的限度关系，充分利用能量。例如，青草内的碳水化合物在土壤中的作用不是十分重要的，应先做饲料，再用畜、禽类的粪便制作沼气，沼渣、水做肥料，则可以有效的利用能量。如把青草直接作肥料是生物质能的一大浪费。人类的食物结构应以植物为主食比以动物为主食经济有利；以草食动物为食比以肉食动物为食经济有利。即人类的食物链越短，则能量的利用率越高。从生态系统能量流动的研究可知，人们虽然不能改变能量流动的客观规律，但可设法调整能量流动方向，使能量流向对人类最有益的部分。例如，在森林中，最好使能量多储存在木材中；在草原牧场上，则最好使能量多流向到牛、羊等牲畜体内，获得更多的毛、肉、皮、奶等畜产品。,生物污染 大气、水
14、环境以及土壤环境中的各种各样污染物质，包括施入土壤中的农药等，可以通过表面附着、根部的吸附、叶片气孔的吸收，以及表面的渗透等进入生产者有机体内，并通过食物链最终影响到人体健康。我们把污染环境的某些物质在生物体内累积，其数量超过正常含量，足以影响人体健康或动植物的正常发育的现象称之为生物污染。关于生物污染的量的指标问题现通常以食品卫生标准作为评价的依据。,生物浓缩作用与生物放大作用 生物浓缩作用 生物浓缩作用，也称生物富集作用。生物通过非吞食方式（如植物根部的吸收、气孔的呼吸作用而吸收）在从外界摄取营养物质的同时，使某些污染物或元素在生物体内的浓度大大超过周围环境浓度的现象，称为生物浓缩或生物富
15、集。常用浓缩系数BCF（Bioconcentration factors）来表示生物浓缩率：生物浓缩系数=CB/CE 式中，CB某物质或元素在生物体内的浓度；CE某物质或元素在周围环境中的浓度。,生物放大作用 在生态系统中，生物往往通过食物链和呼吸两个途径在体内浓缩污染物质。一种污染物的浓度在同一食物链上往往随着营养级的提高而逐步增大，甚至可提高数百倍至数万倍，从而对人体构成危害，此种作用又称为生物放大作用。生物放大的程度也可用生物浓缩系数表示。生物富集和生物放大的结果，都可造成生物积累。例如：,表1 某些污染物的生物浓缩作用,当然，生物放大并不是在所有条件下都能发生。据文献报道，有些物质只能
16、沿食物链传递，不能沿食物链放大。这是因为影响生物放大的因素是多方面的。如食物链、食物网本身的复杂性，同一种生物可能隶属于不同食物链不同的营养级，因而有不同的食物来源，这就扰乱了生物放大。不同生物或同一生物在不同的条件下，对污染物的吸收、降解、排泄、积累等均有可能不同，也会影响生物放大状况。,生物积累 所谓生物积累，就是生物从周围环境（水、土壤、大气）和食物链蓄积某种物质或元素，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。生物放大或生物富集都属于生物积累。生物积累的程度也用生物浓缩系数表示。,生物转化 生物转化是指污染物进入生物体后，在有关体内酶或分泌到体外的酶的催化作用下的代谢变化过程。其中包
17、括生物降解和生物活化两种转化过程。生物降解 在生物体内酶或分泌酶的作用下将有机物分解为简单有机物或无机物，转变为低毒或无毒物的过程。多数污染物经生物转化后，水溶性提高，毒性也相对减弱或消失，有的分解中间产物与生物体内的物质相结合，生成易排泄物而迅速排出体外。,污染物质在环境中的三大转化类型,生物转化化学转化光化学转化,生物活化 有的污染物在生物体内的代谢转化过程中转变为比母体毒性更大的生物活性物质，这种现象称为生物活化。例如，汞的甲基化就是典型的实例,生成的二甲基汞的毒性比 Hg2+大的多。Hg2+CH3-Hg-CH3（二甲基汞）,生物的组成与微生物的生理特征,主要内容,细胞是生物的基本结构单
18、元 生物的物质组成与元素组成 微生物的生理特征,细胞是生物的基本结构单元,细胞是一切生物体构造和功能的共同基础。细胞是生命的最小单位。最简单的生物是单细胞生物，如细菌、真菌及某些单细胞藻类和原生动物。细菌（包括球菌、杆菌、螺旋菌）的基本构造包括细胞壁、细胞质膜、细胞质和原始核，核膜与核仁未分化。细胞质膜是半透性生物膜，具有选择性吸收作用，控制着体内外物质的交换。细胞质即原生质，主要由蛋白质和核酸组成。细胞质中有酶系统（即生物催化剂），依靠酶的作用，细菌不断的进行着新陈代谢活动。,真菌是类似植物，但缺乏叶绿素的生物，有单细胞和多细胞两种，前者细胞呈圆形或椭圆形，后者细胞为丝状，分支交织成团，统称
19、霉菌。真菌的细胞大，具有明显的细胞核，而细菌的细胞小，无明显的细胞核。在废水处理中常见的真菌有酵母菌和霉菌，其数量没有细菌和原生动物多。但在生物滤池中真菌起着重要的作用。藻类是一大类低等植物的统称，构造简单没有根、茎、叶的分化，分单细胞、多细胞两种。藻类体内有叶绿素或其它辅助色素，能进行光合作用。在废水处理中常见的藻类有蓝藻、绿藻、硅藻三大类。,原生动物是动物中最原始的、最低等的单细胞动物，个体小，但却是一个完整的生命体，它具有动物所必须有的营养、呼吸、排泄及生殖等机能。原生动物是活性污泥和生物滤池中生物膜的重要组成部分。在废水生化处理中，原生动物虽不如细菌那样重要，但具有吞噬有机颗粒和游离细
20、菌的能力，如最常见的纤毛类原生动物钟虫以废水中细菌及有机颗粒为食，是污水生物处理系统中的指示性微生物。在生化法处理废水中，除了有单细胞的原生动物在起作用外，还有多细胞的后生动物，主要有轮虫和线虫。,生物的物质组成和元素组成,生物的物质组成 生物是由细胞构成的，而细胞是由许许多多无生命的化学物质（如糖类、蛋白质、脂肪、核酸、酶、维生素、激素、水、无机盐等）组成的相互影响的复杂系统。这是无生命与有生命的分界线。因此，生物的物质组成可分为无机物和有机物两大类。不同的生物其物质组成的种类大致相同，但是，不同生物的各种组成之间的含量比例，以及不同细胞间各组成之间的含量是千差万别的。,生物的元素组成 各种
21、各样的生物体内的元素组成虽然有差别，但是有许多元素组成是相同的。生物体内的元素组成主要有：C、H、O、N、S、P、Cl、Na、K、Mg、Fe以及Cu、Zn、Co、I、F、Se、Si、B、Mn、Cr、Sn、V、钕、Ni、Mo等。但是，据分析，生物体内所含元素种类多达6070种以上，其含量与地壳中这些元素的平均含量相近，说明人类及其它动物是从生长在土壤环境中的植物中摄取这些化学元素的。当然，这并不是说以上这些元素都是生物体生长发育的必需元素。现在已知的植物生长发育的必需营养元素只有17种（C、H、O、N、P、K、Ca、Mg、S、Fe、B、Mn、Cu、Zn、Mo、Co、Cl等）。,此外，生物体内各元
22、素离子之间的量一般保持在正常的比例范围内。如人体体液中Na+为100，则K+为3.68、Ca2+为3.10、Mg2+为0.70、Cl-为129.00。这一比例关系与海水成分相似。这也是生命起源于海洋的例证。,微生物的生理特征,自然界中的生物种类繁多，其生理特征也有差异。这仅就微生物的生理特征作一简单介绍。微生物的营养特征 微生物的正常生长、繁殖必须保证所需要的营养。这些所需的营养物主要有水、碳源、氮源和无机盐类等。,（1）水 水是组成微生物细胞的主要成分。细菌体内平均含水8085，它的一切生化反应都是在水中进行的，在干燥条件下微生物无法生长。（2）碳源 碳是构成微生物体的重要元素。含碳有机物是
23、微生物生长所必需的重要能源。根据碳素营养的来源和能源的不同，可把微生物分为有机营养型（异养型）、无机营养型（自养型）两类。,有机营养型（异养型）微生物：在环境中异养型微生物比较重要。他只能利用有机化合物的碳素营养，同时利用有机物分解是所产生的能量以获得能源，绝大多数的细菌和一切真菌都属于这一类，淀粉、纤维素、单糖、二糖、多糖、有机酸、醇类、烃类、蛋白质、氨基酸等有机物都能作为碳素营养。较复杂的有机物则须先分解为简单有机物才能被利用。无机营养型（自养型）微生物：此类型微生物能在外来能量帮助下，以无机碳源二氧化碳为碳源，由CO2、H2O、NH3、H2S等合成有机物，而不能直接利用有机化合物中的碳素
24、营养。根据来源不同，又分为光能营养和化学能营养两类。,光能营养型微生物，如绿色细菌和藻类，他们含有光合色素，能进行光合作用。例如，绿色硫细菌能进行光合作用，同化CO2而获得碳素营养（但同时要有H2S存在）：CO2+2H2S CH2O+H2O+2S而藻类可以和高等绿色植物一样进行光合作用（包括同时有水的存在）。,化能营养型微生物，如亚硝酸细菌、铁细菌，某些不含光合色素的硫细菌等，他们能氧化一定的无机化合物，并利用氧化过程产生的化学能，还原二氧化碳，合成含碳有机物。如亚硝酸细菌可促进下列变化：2NH3+2O2 2HNO2+4H+能量 CO2+4H+能量 CH2O+H2O 自然界中化能营养微生物分布
25、比光能营养微生物分布更广泛，这对自然界中氮、硫、铁等物质的转化起重要的作用。,（3）氮源 氮是构成微生物细胞的基本物质蛋白质的主要元素。微生物按需要氮源情况的不同，可分为氨基酸自养型和氨基酸异养型两类。大多数微生物都是氨基酸自养型，它们只需无机氮化合物，如铵盐、硝酸盐等就可以生活，但也能利用简单有机含氮化合物如氨基酸、尿素等，至于蛋白质等复杂有机氮化合物也可作为氮源营养利用。,氨基酸异养型微生物，一般虽能利用无机氮化合物和简单有机氮化合物，但除此之外，还必需某些特殊的氨基酸才能生活，而这些氨基酸在他们合成蛋白质过程中不能自己合成，因此，这类微生物比较少。水中碳源过剩而氮源不足容易造成球衣细菌的
26、大量繁殖，引起污泥膨胀。因此，在污水处理中必须有适宜的碳氮比，一般碳/氮比10：1。,（4）无机盐类 微生物的正常生长、繁殖，必须有磷、硫以及极少量的钾、锰、镁、钙、铁、钴等元素和极微量的铜、锌、钼等微量元素。其中一些元素是原生质和酶的组成部分；有些元素是酶的辅基组成部分；有些元素是酶的激活剂，对微生物的生命活动有刺激作用。有些微生物还需要少量的维生素。,微生物的生长规律 微生物的生长规律可以用生长曲线表示出来。细菌的繁殖一般都以裂殖法进行，每个菌体成熟后，分裂成两个幼体细胞。环境适宜时，生长繁殖非常迅速，每隔20min30min就分裂一次。为了观察微生物生长规律，可将少量菌种接种到适宜的培养
27、基上在适宜的条件下进行培养，每隔一定时间取样进行测定，以菌体数目的对数为纵坐标，以培养时间为横坐标作图，可以得到微生物生长曲线，如图6-5所示。,图6-5 微生物生长曲线1停滞期 2对数增长期 3静止期 4内源呼吸期,从微生物生长曲线可以看出，随着时间的不同，微生物的繁殖速度也不同。细菌的生长经历以下四个时期：（1）停滞期：是细菌适应新环境的时期，菌体逐渐增大，不分裂或很少分裂，也有的不适应新的环境而死亡的，故微生物没有大增加或略有减少。（2）对数增长期：这个时期的菌体已适应了新的环境，且所需营养非常丰富，微生物的活力强，新陈代谢十分旺盛，分裂繁殖速度很快，总菌数以几何级数增加。,（3）静止期
28、：在这个时期里菌体总数达最大值。但由于培养集中食物逐渐消耗，代谢产物逐渐积累并对细菌产生抑制和毒害作用，以致使细菌开始死亡。虽然仍有新分裂的细菌产生，但总菌数基本保持不变，呈现为一个动态平衡。（4）内源呼吸期：在这个时期，培养基中的食物已经基本耗尽，代谢产物大量积累，对细菌的毒害也越来越大，造成细菌大量死亡。细菌生活所需食物只能依靠菌体内原生质的氧化（内源呼吸），以获得生命活动所需的能量，此时菌体总数不断减少。,根据微生物生长繁殖规律可以通过不断补充食物，人为地控制微生物的生长处于某个时期，如控制在对数增长期，微生物对环境中的污染物的降解速度快，净化能力强。若控制在静止期，则微生物的生长繁殖对
29、营养及氧的需求低，微生物对环境中污染物降解彻底，去除效率高。,微生物的定向变异 由于微生物的繁殖速度、菌体微小、结构简单、与外界联系非常密切等原因，环境条件能在很短时期内对菌体产生多方面的影响。菌体受到各种物理的、化学的因素的影响后，比较容易改变自己的特性，即发生所谓变异。这种变异可能是暂时的适应，也可能是长期的，并具有遗传性。,因此，利用微生物的这种特性，可以在人为的条件下培养微生物，部分地改变其性状，使之能更好的用于净化环境。例如，通过驯化，可以把氧化分解酚的能力弱的细菌，驯化培养成氧化分解能力强的菌体，提高其处理含酚废水的效果。这种驯化微生物，改变其部分性状的方法，称为定向变异。微生物的
30、定向变异在生物环境化学中具有十分重要的意义。,生物修复技术,利用微生物及其他生物将污染物现场降解转化为无害物质的工程技术，称为生物修复技术。天然微生物自然降解转化过程很慢，原因主要有自然条件下:溶解氧不足，营养盐缺乏；缺乏高效降解微生物；微生物生长缓慢等。,生物修复技术的优点,欧美发达国家从20世纪80年代中期开始研究生物修复技术用以治理大面积污染，其优点有：环境影响小，不会造成二次污染；最大限度地降低污染物浓度；应用范围有独特优势，如地下，建筑物下等；可同时处理污染的土壤和地下水；费用低。,生物修复技术的原理,土著微生物（native microorganisms）降解污染物的潜力最大；外来
31、微生物在环境中难以保持较高的代谢活性；工程菌的应用受到严格的限制；化学物品的降解是分步进行的；需要多种酶和多种微生物的参与。,外来微生物（foreign microorganisms）向污染环境接种一些降解污染物的高效菌 受到土著微生物的竞争 大量接种形成优势基因工程菌（gene engineering microorganism）降解基因能有效地降解污染物 将甲苯降解基因转移给受体菌，使之在0 C 能降解甲苯。,生物修复应用实例,1989年4.2104原油泄漏在阿拉斯加海岸，在受污染海滩添加两种亲油的微生物营养成分。结果：异养菌、石油降解菌增加12个数量级；石油污染物降解速度提高了23倍；净化过程加快了两个月。,作业,P225:2,3,
