第二章有机污染物的环境地球化学循环 第一节化学物质环境生物地球化学循环的基本方式和特征 、基本概念 (一)生物一非生物复合系统 地球包括岩石圈(土壤圈)水圈、大气圈及生物圈。在环境地球化学研究 中上述圈层相应划分为岩石(土壤)分室、大气分室和生物分室。生物非生物 系统则是由一系列相互作用的各个独立分室构成的。其中生物分室是这些分室的 基础与核心,包括植物、动物、微生物和人等基本成分,由初级生产者、食草者、 食肉者和分解者组成。正是由于他们的活动和作用,生物非生物系统呈现了动 态的运行机制和进化方式 生物与非生物系统最重要的在于其平衡性,这种平衡性一般只存在于稳态条 件下,因而,生物—非生物系统具有自我调节达到平衡的能力,是一个动力学的 开放系统。 (二)环境生物地球化学循环 环境生物地球化学循环一般是指化学物质(包括营养元素、有毒元素、无机 化合物、有机化合物和高分子化合物)从非生物分室到生物分室,然后又到非生 物分室循环的过程,包括化学元素或化合物在非生物分室中的行为、运行机制和 过程,以及从非生物分室到生物分室或从一种生物分室到另一种生物分室的迁移 或食物链的传递关系及其效应 二、环境生物地球化学循环的基本形式与特点 环境生物地球化学循环的形式主要有:(1)生物圈总体水平上的的循环,即 全球宏观循环,这种循环结果往往导致全球化学污染;(2)局部生态系统单元水 平上的化学物质循环,即区域或流域的亚宏观循环,这种循环后果导致区域或某
1 第二章 有机污染物的环境地球化学循环 第一节 化学物质环境生物地球化学循环的基本方式和特征 一、基本概念 （一）生物—非生物复合系统 地球包括岩石圈（土壤圈）、水圈、大气圈及生物圈。在环境地球化学研究 中上述圈层相应划分为岩石（土壤）分室、大气分室和生物分室。生物—非生物 系统则是由一系列相互作用的各个独立分室构成的。其中生物分室是这些分室的 基础与核心，包括植物、动物、微生物和人等基本成分，由初级生产者、食草者、 食肉者和分解者组成。正是由于他们的活动和作用，生物—非生物系统呈现了动 态的运行机制和进化方式。 生物与非生物系统最重要的在于其平衡性，这种平衡性一般只存在于稳态条 件下，因而，生物—非生物系统具有自我调节达到平衡的能力，是一个动力学的 开放系统。 （二）环境生物地球化学循环 环境生物地球化学循环一般是指化学物质（包括营养元素、有毒元素、无机 化合物、有机化合物和高分子化合物）从非生物分室到生物分室，然后又到非生 物分室循环的过程，包括化学元素或化合物在非生物分室中的行为、运行机制和 过程，以及从非生物分室到生物分室或从一种生物分室到另一种生物分室的迁移 或食物链的传递关系及其效应。 二、环境生物地球化学循环的基本形式与特点 环境生物地球化学循环的形式主要有：（1）生物圈总体水平上的的循环，即 全球宏观循环，这种循环结果往往导致全球化学污染；（2）局部生态系统单元水 平上的化学物质循环，即区域或流域的亚宏观循环，这种循环后果导致区域或某
个流域化学污染的发生;(3)局部范围(某个小村落、某个湖泊)内进行循环 这类循环称为局部循环。 从循环的化学物质看环境生物地球化学循环分为四类:(1薦养元素循环, 包括大量的营养物质和微量元素的循环;(2)有毒元素的循环,主要是一些金属 元素和放射性元素的循环;(3)有机污染物质的循环,主要包括化学农药、石油 烃、多氯联苯、多环芳烃和二恶英等有机污染物的循环;(4)次循环或亚循环, 如温室气体循环等。 环境生物地球化学循环系统可以是开放的系统,也可以是封闭的系统。在开 放系统內,物质可以流入或流出系统內;在封闭的系统内,即没有物质流岀循环 系统,也没有物质流入循环系统 环境生物地球化学循环涉及到储蓄库和循环库两部分根据有机储蓄库和循 环库的不同划分为三大基本类型:(1汽体型循环储蓄库为大气分室和水分室, 并可能成为生物非生物复合系统的一个组成部分;(2)沉积型循环,储蓄库为 地壳或岩石系统,存在于生物-非生物复合系统之外;(3)过渡型循环,兼有气 体型循环和沉积型循环双重特点。环境生物地球化学循环的三大基本类型反映了 化学物质生物环境地球化学循环的基本运动方式(周启星等,2001 基于对生物地球化学基本过程的调控程度的不同,环境生物地球化学循环 可划分为完整循环型和不完整循环型,其中完整循环型表现为强烈的调控程度, 当循环受到干扰时各分室中的化学物质的库存量和各分室间化学物质的通量产 生一些变化后,能较快重新恢复到正常状态。完整循环方式存在两个特点:(1) 非生物分室中化学物质的有效库很大;(2)具有许多负反馈控制,主要是指分室 中的库存量或分室间的通量因受到干扰而増大或减少时完整循环就以负反馈的
2 个流域化学污染的发生；（3）局部范围（某个小村落、某个湖泊）内进行循环， 这类循环称为局部循环。 从循环的化学物质看，环境生物地球化学循环分为四类：（1）营养元素循环， 包括大量的营养物质和微量元素的循环；（2）有毒元素的循环，主要是一些金属 元素和放射性元素的循环；（3）有机污染物质的循环，主要包括化学农药、石油 烃、多氯联苯、多环芳烃和二恶英等有机污染物的循环；（4）次循环或亚循环， 如温室气体循环等。 环境生物地球化学循环系统可以是开放的系统，也可以是封闭的系统。在开 放系统内，物质可以流入或流出系统内；在封闭的系统内，即没有物质流出循环 系统，也没有物质流入循环系统。 环境生物地球化学循环涉及到储蓄库和循环库两部分，根据有机储蓄库和循 环库的不同划分为三大基本类型：（1）气体型循环，储蓄库为大气分室和水分室， 并可能成为生物—非生物复合系统的一个组成部分；（2）沉积型循环，储蓄库为 地壳或岩石系统，存在于生物－非生物复合系统之外；（3）过渡型循环，兼有气 体型循环和沉积型循环双重特点。环境生物地球化学循环的三大基本类型反映了 化学物质生物环境地球化学循环的基本运动方式（周启星等，2001）。 基于对生物地球化学基本过程的调控程度的不同，环境生物地球化学循环 可划分为完整循环型和不完整循环型，其中完整循环型表现为强烈的调控程度， 当循环受到干扰时，各分室中的化学物质的库存量和各分室间化学物质的通量产 生一些变化后，能较快重新恢复到正常状态。完整循环方式存在两个特点：（1） 非生物分室中化学物质的有效库很大；（2）具有许多负反馈控制，主要是指分室 中的库存量或分室间的通量因受到干扰而增大或减少时，完整循环就以负反馈的
方式进行调控,从而使循环恢复到初始的条件。 现代人类活动大大加快了许多化学物质的迁移活动,以至于使循环更加趋 于不完整。不完整循环是现代环境生物地球化学循环的主要方式。致使生物圈各 分室中或生物_非生物复合系统中许多化学物质在分布上更加不均匀(通过粘土 矿物和有机物质的强烈吸附,或通过生物累积和放大作用),在形态上更加多变 (通过各种生态化学或生物化学反应 三、生物环境地球化学循环的过程描述 生物环境地球化学循环通常用库″、“分室″和“通量”″等描述 (一)库和分室 1.库(M) 库是指某些物理、化学或生物特性所限定的物质的数量。“生物地球化学库” 是一个动态的概念,它是由生物非生物系统各种组分中一定数量的特定的化学 物质组成,其组分可以是生物组分,也可以是非生物组分。例如,如果把水体中 的磷作为一个库,那末浮游植物中的磷为第二个库,通过物质从一个库到另一个 库的迁移过程把库与库之间相互联系起来 2.分室 分室可以由若干个规模更小的库组成,即库的组合可以构成分室。例如生物 分室由有机质、磷、氮等库组成。 (二)通量与通量密度 化学物质从一个分室到另一个分室迁移的速度,可以用“通量”和“通量密 度”表示。 通量:单位时间内化学物质从生物—非生物系统的一个分室(或库)迁移到 另一个分室(库)的数量,用F表示
3 方式进行调控，从而使循环恢复到初始的条件。 现代人类活动大大加快了许多化学物质的迁移活动，以至于使循环更加趋 于不完整。不完整循环是现代环境生物地球化学循环的主要方式。致使生物圈各 分室中或生物—非生物复合系统中许多化学物质在分布上更加不均匀（通过粘土 矿物和有机物质的强烈吸附，或通过生物累积和放大作用），在形态上更加多变 （通过各种生态化学或生物化学反应）。 三、生物环境地球化学循环的过程描述 生物环境地球化学循环通常用“库”、“分室”和“通量”等描述。 （一）库和分室 1． 库（M） 库是指某些物理、化学或生物特性所限定的物质的数量。“生物地球化学库” 是一个动态的概念，它是由生物—非生物系统各种组分中一定数量的特定的化学 物质组成，其组分可以是生物组分，也可以是非生物组分。例如，如果把水体中 的磷作为一个库，那末浮游植物中的磷为第二个库，通过物质从一个库到另一个 库的迁移过程把库与库之间相互联系起来。 2． 分室 分室可以由若干个规模更小的库组成，即库的组合可以构成分室。例如生物 分室由有机质、磷、氮等库组成。 （二）通量与通量密度 化学物质从一个分室到另一个分室迁移的速度，可以用“通量”和“通量密 度”表示。 通量：单位时间内化学物质从生物—非生物系统的一个分室（或库）迁移到 另一个分室（库）的数量，用 F 表示
通量密度:单位时间、单位面积或体积内化学物质流过系统两分室之间的数 量。用Q表示。 (三)源与汇 对于生物非生物系统的一个分室,输入的物质通量(F)或通量密度(Q) 即为源,输出的物质通量(S)即为汇。 输出的物质通量与该库的浓度有一定的关系:S=kM 在生物-非生物系统中,汇通量存在高阶过程 s=kM9(q大于1 (四)周转速率和周转时间 周转速率可表示为 TR= 输出或输入库中的通量 该库中化学物质的量 周转时间(τ)为某分室中化学物质的库存量(M)与输出通量之比,表示 为τ=M/S (五)停留时间与平均寿命 单个原子或分子在某一分室中所花费的时间 (六)反应时间 反应时间是指系统突然发生变化后重新调整到平衡所需的时间。 (七)迁移过程 主要包括:(1)平流、湍流与分子扩散;(2)大气一海洋的气体迁移;(3) 颗粒的迁移;(4)沉积_水交换(包括固体物质的沉积作用、可溶性化学物质或 水进入沉积层、由压力梯度引起的孔隙水或可溶性化学物质的向上迁移、孔隙水 中分子扩散作用、由生物干扰和水的湍流引起的界面水与沉积物的混合作用。 第二节有机污染物在环境介质中迁移、转化原理 污染物在环境中所发生的空间位移及其所引起的富集、分散和消失的过程称
4 通量密度：单位时间、单位面积或体积内化学物质流过系统两分室之间的数 量。用 Q 表示。 （三）源与汇 对于生物—非生物系统的一个分室，输入的物质通量（F）或通量密度（Q） 即为源，输出的物质通量（S）即为汇。 输出的物质通量与该库的浓度有一定的关系：S=kM。 在生物－非生物系统中，汇通量存在高阶过程： S=kMφ （φ 大于 1）。 （四）周转速率和周转时间 周转速率可表示为: 该库中化学物质的量 输出或输入库中的通量 TR = 周转时间（τ ）为某分室中化学物质的库存量（M）与输出通量之比，表示 为:τ =M/S。 (五)停留时间与平均寿命 单个原子或分子在某一分室中所花费的时间。 （六）反应时间 反应时间是指系统突然发生变化后重新调整到平衡所需的时间。 （七）迁移过程 主要包括：（1）平流、湍流与分子扩散；（2）大气—海洋的气体迁移；（3） 颗粒的迁移；（4）沉积—水交换（包括固体物质的沉积作用、可溶性化学物质或 水进入沉积层、由压力梯度引起的孔隙水或可溶性化学物质的向上迁移、孔隙水 中分子扩散作用、由生物干扰和水的湍流引起的界面水与沉积物的混合作用。 第二节 有机污染物在环境介质中迁移、转化原理 污染物在环境中所发生的空间位移及其所引起的富集、分散和消失的过程称
污染物的迁移。污染物在环境中的迁移主要有杋械迁移、物理化学迂移和生物迁 移三种方式。物理化学迁移是最主要的迁移方式,它可以通过溶解沉淀、氧化 还原、水解、配位和螯合、吸附_解吸等理化作用实现污染物的迁移。有机污 染物还可以通过化学分解、光化学分解和生物分解等作用实现迁移。污染物可通 过生物体的吸收、代谢、生长、死亡等过程迁移。某些污染物可通过食物链传递 产生放大积累作用,这是生物迁移的一种重要作用。 污染物的转化是指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变存在形 态或转变为另一种物质的过程。污染物可以通过蒸发、渗透、凝聚、吸附和放射 性元素蜕变等物理过程实现转化河以通过光化学氧化、氧化还原和配位络合、 水解等化学作用实现转化;也可以通过生物的吸收、代谢等生物作用实现转化。 大气中污染物的迁移与转化 (一)大气中污染物的迁移 污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来的污染物由于空气的运动使 其传输和分散的过程。迁移过程可使污染物的浓度降低。大气圈的空气运动主要 是由温度差异引起的 1.大气温度层结 由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对辐射吸收程度上的 差异,使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不对称分布。 人们通常把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布称为大气温度层结和大气 密度层结(图2-2-1、2-2-2)根据大气的温度层结、密度层结和运动规 律,可将大气划分为对流层、平流层、中间层和热层,更远的地方称为逸散层 2.影响大气污染物迁移的因素 影响大气污染物迁移的因素主要有空气的机械运动、由于天气形势和地理地
5 污染物的迁移。污染物在环境中的迁移主要有机械迁移、物理化学迁移和生物迁 移三种方式。物理化学迁移是最主要的迁移方式，它可以通过溶解—沉淀、氧化 —还原、水解、配位和螯合、吸附—解吸等理化作用实现污染物的迁移。有机污 染物还可以通过化学分解、光化学分解和生物分解等作用实现迁移。污染物可通 过生物体的吸收、代谢、生长、死亡等过程迁移。某些污染物可通过食物链传递 产生放大积累作用，这是生物迁移的一种重要作用。 污染物的转化是指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变存在形 态或转变为另一种物质的过程。污染物可以通过蒸发、渗透、凝聚、吸附和放射 性元素蜕变等物理过程实现转化；可以通过光化学氧化、氧化—还原和配位络合、 水解等化学作用实现转化；也可以通过生物的吸收、代谢等生物作用实现转化。 一、 大气中污染物的迁移与转化 （一）大气中污染物的迁移 污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来的污染物由于空气的运动使 其传输和分散的过程。迁移过程可使污染物的浓度降低。大气圈的空气运动主要 是由温度差异引起的。 1．大气温度层结 由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对辐射吸收程度上的 差异，使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不对称分布。 人们通常把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结和大气 密度层结（图 2－2－1、2－2－2）。根据大气的温度层结、密度层结和运动规 律，可将大气划分为对流层、平流层、中间层和热层，更远的地方称为逸散层。 2．影响大气污染物迁移的因素 影响大气污染物迁移的因素主要有空气的机械运动、由于天气形势和地理地