原序


　　在我的书桌上，放着一叠厚厚的书稿，是由华东化工学院何燧源和金云 云两位老师编写的《环境化学》。这是近年来我所看到的一本内容丰富、结 构严谨，具有特色的环境科学方面的好课本。
　　化学是重要的基础学科，环境科学则是一门多学科交汇的综合性边缘科 学。环境化学作为环境科学的一个重要分支，兼具化学学科的通性，而且比 其他任何一门化学分支学科具有内容更为丰富的特点。环境化学研究的是化 学物质，特别是化学污染物在环境中的迁移、转化规律、污染物的各种状态 特性及其对生态环境和人类的影响。它是环境科学的基础之一。从某种意义 上讲，环境科学的众多学科都离不开环境化学这一基础，因而编写一本好的 环境化学教材，无论对学校教学或干部培训，都是极有意义和极富紧迫感的 工作。
　　《环境化学》共分十章，计 40 余万字。作者在本书中充分运用了化学学 科的有关理论，从总体上阐述了污染物质在环境中的来源、迁移、转化等基 本内容。既体现了《环境化学》的框架，又综合地运用了有关的化学专门学 科（如地球化学、生物化学、有机化学、无机化学、物理化学等）中的许多 理论，加以概括和论述。另一方面，又以不同环境介质为主体，将影响环境 质量的几种污染物在这些介质中的环境化学行为进行专题性的阐述，以使全 书主题突出。其中水体污染物化学、大气污染物化学和土壤污染物化学三大 部分，内容翔实，重点突出，符合我国当前环境科学教学和研究实际，使本 书具有较明确的现实指导意义。
在《环境化学》编写指导思想上，作者既注意了教科书的特点和需要，
尽可能从理论上对有关基本内容进行简明的阐述，又考虑到理论与实践相结 合的原则，以较大篇幅列举了一些典型污染物的治理原理和方法。作者在这 方面的探索是很有意义的。我们期望有更多的教授、学者和环境保护实际工 作者，结合我国环境保护工作十多年来的丰富实践，编写出更多适合我国国 情的高水平的有关教科书和论著，为培养我国宏大的环境科学技术人才和管 理干部，提供更多更好的精神食粮。
我们在此祝贺《环境化学》的出版，同时相信，经过进一步教学实践，
本书在内容和形式等方面更臻完美，终将成为众所周知的一份好教材。

陆福宽




再版前言


　　自本书第一版（1989 年）问世以来，环境化学学科又在很多方面取得了 新的进展，且在环境科学理论研究和环境保护实际应用方面愈发显示其独特 的作用。鉴于这种情况，我们对第一版作了较大幅度修改。在新版书中拓宽 了大气环境化学等方面内容，精简了某些污染物治理技术的过于详细的叙 述，删去了土壤化学性质、放射性监测等章节。考虑到本书已为一些兄弟院 校采纳作为有关专业教材，所以在内容深度方面基本维持原来水平，以适应 本科学生学习之需。此外，通过教学我们深感加强学生独立思考能力和培养 其基本计算能力的重要性，故在每章之后列出相当数量的思考题和计算题， 并在附录中提供了为计算所需的基本数据表和计算题全部答案。读者还可从 我们最近编写出版的“环境化学计算”一书（中国环境科学出版社 1996 年） 中查获大多数计算题的详解过程。
　　与第一版相比，除增删部分内容外，全书基本框架不变，大体上仍按环 境的三个主要圈层（水体、大气、土壤）依次进行阐述并在第 10 章中编入了 有关环境放射性的内容。
本版编写时参考和引用了许多近期文献资料，因本书体例所限，不能在
书中一一注明，仅在书后列出部分参考书目，以供读者查阅。本书习题由何 方负责编写。陆福宽先生曾为本书初稿作序，在此番修订成书过程中又蒙赵 庆祥、姚重华先生热情鼓励和支持，徐惠娟先生为本书出版作了大量工作， 李宏秀等绘制了插图，在本书出版过程中还得到王吉风、张健、金锡标、童 步清、董献芹、徐知音等同志的帮助，在此表示衷心感谢。
本书虽经修订，但限于编者水平，错误和不足仍在所不免，敬请读者批
评指正。

编者
1996 年 12 月于华东理工大学


内容简介


　　本书在第一版基础上作了较大幅度修改，并增加了习题分量。全书的基 本框架依旧，大体上仍按环境的三个主要圈层（水体、大气、土壤）依次进 行阐述。着重介绍环境化学的基本知识和原理，各主要化学污染物的环境特 性及其治理和分析的技术。在最后一章还编入了有关环境放射性的最基本内 容。
　　本书可作工科类大专院校有关专业的教材，也可供从事环境科学研究的 人员和环境保护技术人员参考。
　　

1 绪论

1.1 地球的形成及其演化


　　“四方上下曰宇，往古来今曰宙”，这是我国古代学者尸佼（公元前四 世纪）为宇宙所下的定义，与 20 世纪爱因斯坦提出的宇宙是时间和空间统一 体的观点不谋而合。可以认为，是我国学者在世界上首先提出了科学的宇宙 观。
　　作为宇宙中极小一分子的地球，有其空间和时间上的形成和演化过程。 人们对这方面的认识也有一个漫长的和递进的过程。到 18 世纪，欧洲处在剧 烈的社会变革时期，工业革命高潮正在形成，生产技术的发展刺激着自然科 学的进步，大量观测和实验材料的积累给自然观的革命奠定了坚实的基础。 恰在其时，由德国哲学家康德和法国数学家拉普拉斯先后独立提出关于地球 起源的第一个科学的天体演化理论“星云假说”。康德星云说的重要意义在 于给当时占统治地位的形而上学思维观念打开了第一个缺口。这种假说认 为：地球的形成是由星云状物质①凝聚的结果。这种星云由尘埃和气体质点
组成。原始的星云体积很大，当初曾散布在整个太阳系所占据的空间：星云
中质点分布是不均匀的，有的空间较密，有的空间较疏，在引力收缩过程中， 星云范围内的大部分物质向中心集结，逐渐形成了具有一定形体而且开始发 光的原始太阳。与此同时，环绕在原始太阳周围的稀疏质点由于互相碰撞， 向原始太阳的某一轨道面集中，而后凝聚为环绕太阳旋转的、包括地球在内 的各个行星。
星云假说虽然有其科学和合理的方面，但因这种假说单纯地建立在牛顿
力学基础上，不可避免地含有形而上学因素。随着科学技术的进步，人们的 思想认识在不断发展，迄今提出过的太阳系演化学说已有 40 多种，有代表性 的为俘获说、灾变说，星子说等。这些学说也各有其合理部分，但其中大部 分是以现有的事实为基础，又提出一些任意的假说，这样的思想方法不免带 有很大的片面性。
无疑，探索太阳系及地球起源的问题确实是有许多困难，因为这是遥远
年代前的事，没有人目睹其事。在前人思想和学识的基础上，目前人们确实 地认为，在约 46 亿年前，距太阳约 1.5 亿千米处就已存在着具有固态外壳的 地球实体。地球形成初期，由于引力收缩产生能量，使这个初生天体变得非 常炽热，当然谈不上有大气、海洋、花草鸟兽以至于人类存在。
　　在地球形成之后的漫长的地质年代，位于宇宙空间的地球逐渐冷却，内 中物质同时发生分异作用，使地球逐步分出了不同的圈层，即在地球内部形 成了三个同心排列的圈层：地核、地幔和地壳（图 1－1）。打个比方说，地 球就像一个煮熟的鸡蛋，其中的蛋黄、蛋白和蛋壳就分别相当于地球内部三 个不同的圈层。
　　

　　地球内部的三个圈层位于不同深度，具有不同物理性质。地球内部的密 度、压力和温度都随着深度的增大而增加（表 1－1）。

表 1 — 1 地球内部各圈层物理状态
圈层 深度(km) 密度(g/cm3) 压力(MPa) 温度(℃) 地壳 33 2.7 ～ 2.9 900 15 ～ 1000 地幔 2900 3.32 ～ 5.66 136800 1500 ～ 2000 地核 6371 9.71 ～ 16(?) 约 360000 大于 2000

地核处于地球中心部（即深度超过 2900km 的地层），压力达 30 多万 MPa，
温度可达 2000℃以上。它的主要成分中可能有铁和镍，所以有非常大的密 度。地幔是紧紧包在地核外面的一圈，因为它夹于地壳和地核之间，也称中 间层。地幔厚度大约有 2900km，其密度和整个地球的平均密度比较接近。在 上下地幔层之间有一个软流层，在这里集中着大量放射性物质，所产生的蜕 变热使地层呈局部熔融状态，被认为是岩浆的发源地。地壳是地球最外面的 一层，其厚度各处不一，最薄的只有 5～6km，最厚的地方有 70～80km，平均
是 33km。由地壳和地幔顶部坚硬岩石组成了厚度约 70～100km 的岩石圈。此
外，在地球上还分异出了水圈和大气圈。水圈包括地球上的海洋、江河、湖 泊、冰川等，按其体积大约占整个地球的千分之一。包围在地球最外面的一 层气体就是大气圈，厚度从地面到高空 1000～3000km。大气圈越离开地面越 稀薄，100km 高空的大气密度约是地面的百万分之一。地球上有了水和空气， 给生物的发生和发展提供了条件，于是在地球上又形成了生物圈。整个人类 的社会活动几乎都是在地球表面的生物圈内进行的。
　　地球各圈层形成之后，也并不是彼此孤立、静止不变的，而是相互制约、 相互渗透、相互影响，不断发展和变化的。原始大气中主要成分可能是 H 和
He，通过聚变反应部分转化为重元素 C、N、O，再通过化学反应生成 CH 、NH
4 3
和 H O 等。此后发生的各种演化过程（特别是长时期的光合作用），使大气
2
圈成分发生了进一步变化，逐渐形成了今天地球大气圈所具有的成分。最初 海洋中也没有这么多盐分，由于河流的搬运作用，把地面上的可溶性盐类带 入了海洋，通过年长日久的贮积，使海水中含盐量越来越多，达到了目前的 水平。地壳也是一直不断地运动着。近代的地质观测表明，地壳是由“漂浮”

在地幔之上的一些板块组成的。这些板块的互相推碰或互相靠拢以至于剧烈 碰撞，是一切地壳运动现象的根源。例如，古大陆的分裂，迄今所发生的大 陆漂移以及当前发生的火山爆发和地震活动等，全都由这些板块的运动所引 起。地壳上连绵不断的山脉和纵横交错的河流也都是地壳运动的产物，它们 都各有其发生和发展的历史。
　　生物圈也是在长时期内渐次演变的，而且与地球表面上的环境变化息息 相关。通常人们将整个地质历史划分为五个代和十余个纪，如表 1-2 所示， 最原始的生物发生在太古代晚期，在此后的漫长时期中，生物不断地由低级 向高级发展。在距今约 7000 万年的新生代，哺乳动物、鸟类和被子植物开始 繁衍昌盛，只是在新生代最晚一个阶段，即第四纪出现了人类，因此人类不 过有大约 100 万年的历史。

表 1 — 2 地质年代表
代 纪 距今年龄
（百万年） 生物发展阶段 大气演化 动物界 植物界
新生代 Kz 第四纪 Q 1 人类时代
被子植物时代




富






氧 新第三纪 N 25 哺乳动物 时代 老第三纪 E 70
中生代 Mz 白垩纪 K 135 爬行动物 时代
裸子植物 时代 侏罗纪 J 180 三迭纪 T 225



古生代 Pz 二迭纪 P 270 两栖动物 时代 陆生孢子 植物时代 石炭纪 C 350 泥盆纪 D 400 鱼类时代 志留纪 S 440 海生无脊椎 动物时代 奥陶纪 O 500
海生藻类 时代 寒武纪∈ 600
元古代 Pt 震旦纪 Z 1000 ？ 动物孕育、 萌芽、发展 的初级阶段 含氧，开始出 现臭氧 1800 太古代 Ar 4600 最低等原始生物产生 少氧 地球的初期发展阶段 6000 ？ 无氧



以上所述的地球的产生和演化过程告诉我们，整个地球有一部漫长的历
史，生物的出现和进化只是其中的一小段，而人类的历史更是短暂的“一瞬”。 地球各圈层的质量和各圈层的化学元素组成分别如表 1-3 和表 1-4 所
示。从表列数据可见，元素氧是各圈层中最普遍存在的元素。

表 1 — 3 地球各圈层的质量
圈名 估计质量(1020g) 圈名 估计质量(1020g) 1.大气圈
对流层的质量(至 11km 处)
总质量
2.土壤圈
3.水圈
河流和湖泊
地下水①

40
52
16


2
81 两极冰帽、冰山、冰河
海洋
4.岩石圈
沉积物
沉积岩
变成岩
火成岩 278
13480


3000
29000
76200
189300
注：①地下水也可归入岩石圈



表 1 — 4 地球及各圈层中元素的质量百分组成
（按元素丰度次序排列）
地球 地壳 海洋 大气（不含水汽） 生物圈 Fe 35
O 29
Si 14
Mg 14
S 2.9
Ni 2.4
Ca 2.1
Al 1.8
Na 0.3
P 0.2 O 46.6
Si 27.7
Al 8.1
Fe 5.0
Ca 3.6
Na 2.8
K 2.6
Mg 2.1
Ti 0.57
H 0.22 O 85.8
H 11
Cl 1.94
Na 1.05
Mg 0.13
S 0.09
Ca 0.041
K 0.039
Br 0.007
C 0.003 N 75.5
O 23.2
Ar 1.3
C 9.3 × 10-3
Ne 1.3 × 10-3
Kr 0.45 × 10-3
He 72 × 10-6
Xe 40 × 10-6
H 23 × 10-6
S 70 × 10-9 O 53
C 39
H 6.6
N 0.5
Ca 0.4
K 0.2
Si 0.1
P 0.1
Mg 0.1
S 0.07
1.2 有关环境的一些基本概念


1）环境和人类生存环境 对某一生物主体而言，环境原是与遗传相对的名称，指的是那些影响该
主体生存、发展和演化的外来原因和后天性的因素。在此，我们将围绕着某 一有生命主体的外部世界称之为环境。例如相对于人这一主体而言的外部世 界，就是人类的生存环境。广而言之，人类生存环境指的是围绕着人群的， 充满各种有生命和无生命物质的空间，是人类赖以生存，直接或间接影响人 类生产、生活和发展的各种外界事物和力量的总和。也可以说，人类的生存 环境包容了人类以外的自然界中的一切事物。由此看来，它是一个有序的、 广度可及至宇宙的无比巨大的系统。对于如此巨大的系统，人们是无从下手 研究的。目前环境科学所研究的环境范围主要包括自然环境，特别是其中的 生物圈部分（人类的社会环境不在其内）。因为这是人类活动的最基本范围， 人和环境间的交互作用也主要发生在这一范围之内。
2）自然环境 指的是人类生存环境中的自然条件部分。概括地讲，它指的是客观物质
世界中和人类、人类社会发生相互影响的各种自然因素的总和。其中主要因 素（环境要素）有水、大气、阳光、岩石、土壤、生物等。
3）生物圈
　　可定义为地球上所有生物体的总和，也可定义为由生活在大气圈、水圈、 岩石圈和土壤层（岩石圈的附属层）界面上的生物所构成的一个有生命的圈 层。应用后一定义便于显现出生物体与其周围非生物环境之间的相互作用。 自从生命在地球上诞生之后，生物就在这个圈层上生存、发展和演化。生物 圈也正是生物活动的最大环境。根据生物分布幅度，生物圈上界可达海平面 以上 10km，下界达海平面以下 12km。也就是说，在地球表面包裹了 22km 厚 的一层生物圈。在这个广阔的自然界里，最活跃的是生物。
生活在生物圈某区域范围内某生物物种的所有个体总和被称为种群。在
此范围内所有种群之和被称为群落。对某一确定种群来说，只能生活在变动 幅度不大的环境条件下，但不同种群的生物可能在相差悬殊的环境条件下各 自生活。例如极地动物和嗜热细菌间虽然有着共通的遗传密码和相似的蛋白 质结构，但前者生活在 0℃以下的陆地，而后者却能在 80℃的热泉水中生长、 繁殖。表 1-5 列举了对全体生物而言的生存环境的条件限度。一般说来，只 有微生物类才能在极端环境条件下生存。

表 1 — 5 地球生物的生存条件
条件 下限 上限 温度
电极电位 Eh
pH
水压
盐度 — 18 ℃(细菌类)
— 450mV(pH9.5)(反硫化细菌)
0(硫细菌等)
～ 0
重蒸馏水(异养细菌) 104 ℃(反硫化细菌， 10km 深水下)
+850mV(pH3)(铁细菌)
13 ？(织线藻属，念珠藻属)
140MPa(深海细菌)
饱和食盐水(好盐细菌等)



在考虑一个实际的环境系统时，自然环境和生物圈还是一个过于巨大的

系统。比这更小的环境系统依次是区域环境、生境、小环境、微环境和内环 境。
4）区域环境 指的是某生物群落所处的生存环境。组成生物圈的各圈层是不均匀的，
在物质的组成和分布方面有着很大差异，形成了彼此可相区别的各种各样区 域，即为区域环境。例如：湖、河、江海、沙漠、山地、平原以及热带、亚 热带、温带和寒带等，都有各自突出的自然环境景观。不同区域环境中生存 着与环境相适应的动物、植物和微生物。
5）生境 指的是生物群落中某一种群所处的生存环境。种群能有效地利用周围能
源而得以良好生长和发育的环境就是生境。如盐沼是网茅的生境，干旱的石 灰岩山坡是毛枝栎的生境，北方森林和苔原是驯鹿的生境等。
6）小环境和微环境 指的是生物个体所占据生境的一个特定范围。例如：居室是人们生活的
小环境；根系表面的土壤环境，即为根系环境；叶片表面附近的大气环境及 随温度、湿度变化所形成的小气候或微气候，就是植物的小环境。微生物形 体微小，其所处生境被称为微环境。
7）内环境
　　指的是生物体内的环境，例如植物的细胞空腔、气孔、气室都是植物的 内环境。生物体内光能的转化、光合作用的发生、呼吸作用的过程等生理功 能活动，无一不在内环境中进行。维持内环境的正常平衡就能促进生命的发 展；相反，内环境的平衡失调，将导致生物死亡。
8）人工环境
　　与上述具有多个层次的自然环境相对应的是人工环境。包括人工栽培的 植物，引种驯化的动物，农作物、人工经营管理的森林、草地、绿化园林甚 至自然保护区内的一些控制和防治等措施都是人工环境。此外，如人为形成 的污染环境、资源被开发后所形成的环境等，也都是在人为影响下所形成的 人工环境。
9）生态学
　　如前所述，以人作为主体的自然环境可分出多个环境层次。在各个层次 中又生活着各种各样的生物群落和种群，它们也“生老病死”于环境之中， 与环境间发生各式各样的关系。1868 年德国人赫克尔首先把“研究有机生物 体与环境相互关系的一门科学”命名为生态学。也有人提出，生态学可与环 境生物学同义。如是，生态学的蕴义就显得浅近和容易理解了。生态学和环 境学虽是两门不同学科，但两者有着非常密切的联系。
　　为了便于研究，常将环境作为“系统”考虑。在此我们将系统定义为： 由相互间存在着依赖和作用关系的许多组分所组成的完整实体。以一个水池 为例，试静态地观察其中以一定时间和空间相组合的各种生态组分（生命的 和非生命的），则我们所能见到的就是一个生态环境。如果要研究这个生态 环境中各组分在结构和功能间的关系，那么我们所面临的就是一个动态的生 态系统。生态系统具有一般系统的下列通性：①它由物质组成，且具有一定 的结构；②是实际环境在一定程度上一般化、抽象化和理想化了的形式；③ 它是活动的。所谓活动，指的是其中所包含的物质是流动的或不断迁移的；
④正因为系统是活动的，在其各组分间会发生功能性的或结构性的相互影

响；⑤需要外界向系统注入能量，这样才有可能推动其中物质流动或迁移。 当前，在对自然环境有了较深刻认识并经过痛苦反省后的人们逐渐认识 到，作为自然一部分的人不应作为与自然对立的事物而存在，从而应该改变 历来以自体为中心来审视客观事物的习惯。现在已有很多人认为：从终极意 义上说，“人定胜天”是不可能的，人与自然间只能和谐相处，即只能做到 “天人合一”。而要达到这种“合一”，人类一方面要发现自身的智慧和能 力，另一方面又必须对自身的能动力和创造力有所抑制，在“自行其事”和
“自我约束”之间行一条中庸之道。

1.3 环境化学的定义、内容和研究方法


　　环境化学能独树一帜，成为环境科学领域中的一门重要分支学科大约始 于本世纪 70 年代初。在此之前，大气化学、土壤化学、海洋化学、生物化学 等早已有了长足的发展，它们也都是以环境中的化学现象为其主要研究内容 的。这些学科似乎都可归入环境化学范畴之内，但实际上这些学科的研究对 象主要在于资源利用而不在于环境。而环境化学则主要着重于研究在资源利 用过程中产生危及环境质量的诸多化学污染物的化学行为。由此看来，两方 面所涉及的学科范围是不同的，但在它们之间无疑是有着密切联系的。
　　有关环境化学的初期研究工作大多由非化学专业人员作出，他们是对生 物化学、生态学、湖泊学等进行研究的专业人员。是生物学家首先发现和研 究了施用农药后产生的种种不良的生态效果；是卫生工程技术人员发现和研 究了污水处理工厂曝气池壁覆盖的厚层泡沫；也正是湖泊研究专家最早发现 正常湖水突然萌生大量蓝绿藻并发生恶臭的现象，如此等等。由此看来，环 境化学和环境生态、工程技术等方面也有着密切的联系。
　　目前，对环境化学下一确切定义并明确划定其研究范围还是很困难的。 一般似可将其定义为研究环境中危及环境质量的化学物质，特别是化学污染 物的来源、迁移、分布、反应、转化、效应、归宿以及人类活动对这些过程 可能发生的作用和影响。从实用观点来看，环境化学的主要任务是要研究环 境质量、其变化规律和改善环境质量的技术等方面的有关化学问题。由此， 我们可将环境化学的内容归纳为三个方面：环境污染物的分析监测；从分子 级水平研究环境污染的化学机理；应用化学方法、物理化学方法和生物化学 方法等防治污染的有关技术中所涉及的化学原理。在其研究领域中有时还旁 及化学污染物对生物体产生毒性的化学机理。以上几方面内容是互相联系而 又互相沟通的，并可借以阐明环境质量的变化规律、控制污染的发生和发展， 保持生态环境的良性循环。简而言之，环境化学是研究化学物质，特别是危 及环境质量的化学污染物在环境中所发生各种化学现象的科学。图 1-2 显示 了包括环境化学在内的环境科学的学科组成及其在自然科学中的地位。由此 图可看出，环境化学是一门综合性很强的学科，它与众多的其他学科相邻、 相关、相沟通。实际上，环境系统是一个有机整体，不是哪一门学科能够包 容环境全体和单独地解决问题的，包括环境化学在内的有关环境的研究课题 都需要各门基础自然科学（还包括社会科学）的合作和密切配合才能完成。 环境化学与许多理论性和实用性的化学学科及环境学科的其他分支学科 有着最密切的联系。大多数环境化学的研究工作还是袭用那些老学科的研究 方法。但应指出，环境化学还有如下与其研究对象特性相关联的独特的研究 方法：①由于被研究对象（主要是化学污染物）在环境中微量、低浓、形态 多歧，又随时随地发生迁移和形态间的转化，所以需要以非常准确而又灵敏 的环境分析监测手段作为研究工作的先导。例如对许多结构不明的有机污染 物，经常需要用强有力的结构分析仪（如红外光谱仪、色质联用仪）予以分 析鉴定；对污染物在环境介质中的相间平衡或反应动力学机理研究常需用高 灵敏度的同位素示踪技术等。②实际的环境体系是自然体系，它所发生的一 切过程都是自发进行的，不可逆的，体系中污染物与其所处介质间也往往处 于不平衡状态，所以单用化学热力学来处理这类体系的有关问题就有可能远 离实际情况。目前正在兴起的环境化学动态学针对热力学的不足，以研究化
　　
学物质在环境流体中迁移、转化历程为目标，取得了许多有意义的成果，已 有很多专著发表。但还应指出，目前仍不能舍弃化学热力学方法，因为它是 我们研究动态问题的出发点。再则，在前人工作基础上，化学热力学具备着 充分的现成数据可资利用。③由于体系组成的复杂性，所发生的多种过程又 交互重叠，所以在研究问题时经常需要用简化手段，以单体系、单组分、单 过程作为研究问题的起点，尽可能地把影响环境质量的主要因素和次要因素 分开，以便找出最本质的东西。在此基础上，再进一步考虑环境的整体性和 相关性，使所得最后结果能与实际情况一致。④环境体系是宏大、多元的， 对化学物质造成环境污染的现象作综合的宏观研究，还需借助于物理和数学 的手段。一般是在掌握了体系的有关结构、功能和性能数据之后运用物理图 像作为模型，运用数学关系式作为模式，将化学污染物在环境中的种种宏观 行为分别作出定性和定量的表述。在此基础上，再以模拟实验（实验室模拟、 现场模拟、计算机模拟）来验证前所提出的模型和模式。综上所述，在环境 化学研究方法中需运用多方结合的手段，即多种学科结合、宏观和微观结合、 静动结合、简繁结合，“软硬”结合等。

1.4 环境污染和环境污染物

1.4.1 环境污染
　　对环境产生各种危害的问题可归结为两类。第一类是自然界各因素间相 互作用或自然界自身不断运动产生的那些危及人类生存的问题。如各种自然 灾害：火山爆发、地震、滑坡、洪水、风暴等。第二类是人类生产和生活活 动所引起的问题，对此又可归纳为四个方面：①在资源开发过程中过度地向 自然索取物质和能量（特别是化石燃料、矿物和木材等）；②在物质生产和 日常生活过程中向环境释放出废物和废能（特别是化学污染物和辐射能）；
③经济建设（如农村城市化、围湖造田、兴建水坝等）引起对环境干扰；④ 人口增殖引起单位时间和空间中人类活动频度增多。以上这些人类活动也都 将导致环境污染和自然生态的破坏。
　　近代，随着人类社会进步、生产发展和人们生活的不断提高，同时也造 成了严重的环境污染现象，如大气污染、水体污染、土壤污染、生物污染、 噪声污染、农药污染和核污染等。特别在本世纪的 50～60 年代，污染已成为 世界范围的严重社会公害，许多人因患公害病而受苦难或死亡，许多人的健 康受到环境污染的损害，环境污染已对人们生活和经济发展造成了严重危 害。在这种情况下，人们逐渐对环境污染问题有了深刻的认识，在人们的思 想上也就形成了环境污染的新概念。就目前人们的认识水平来看，所谓环境 污染，指的是“由于自然的或人为的（生产、生活）原因，往原先处于正常 状况的环境中附加了物质、能量或生物体，其数量或强度超过了环境的自净 能力（自动调节能力），使环境质量变差，并对人们的健康或环境中某些有 价值物质产生有害影响者。”对于环境污染的概念可以用图 1-3 示意，也可 用类似数学的公式表示如下：
（自然因素或人类活动的冲击破坏）-（包括自净机能在内的自然界动态
平衡恢复能力）=（环境污染造成的危害）

　　这里所说的自然原因即是指火山爆发、森林火灾、地震，有机物的腐烂 等。以火山爆发为例，活动性火山喷发出的气体中含有大量硫化氢、二氧化 硫、三氧化硫、硫酸盐等，严重污染了当地的区域环境；从一次大规模的火 山爆发中喷出的气溶胶（火山灰）有可能将其影响波及全球。首先，大量火
　　
山灰将遮蔽日光，使太阳光（能）反射，转回到宇宙空间，从而影响了那些 必需要阳光的地球生物类的生长。另一方面，火山灰在地球表层形成一层薄 膜，使地面上的各种形式能量无法散发，这如同二氧化碳造成的温室效应所 起的作用一样。再则，大气中到处散满了火山灰，成为水滴的凝结核心，使 雨云易于集结，造成某些地区降雨量“前所未有”地增多；由于地球表层进 行循环的水量是大体恒定的，局部地区大雨经久，则必然造成另一些地区发 生严重的干旱；有的地方大雨，有的地方大旱，这又扰乱了地球表层热能分 布平衡状态，造成局部地区热流，另一些地区则产生寒潮。以上这些现象结 合起来，就会严重影响人们正常生活，破坏农业生产，导致严重歉收。许多 环境污染问题如同上述火山爆发情况一样，对于环境的质量能起“牵一发而 动全身”的作用。
　　环境污染概念中所说的人为原因主要是指人类的生产活动，包括矿石开 采和冶炼，化石燃料燃烧、人工合成新物质（如农药、化学药品）等；有关 这方面的问题，将在后面的有关章节中陆续予以阐述。
1.4.2 环境污染物
　　由于环境发生污染，当然就要影响环境的质量。自然环境的质量包括物 理的、化学的和生物的三个方面。这三方面质量相应地受到三种环境污染因 素的影响，即化学污染物，物理污染因素和生物污染体。化学污染物是环境 化学主要研究对象。物理污染因素主要是一些能量性因素，如放射性、噪声、 振动、热能、电磁波等。生物污染体包括细圈、病毒、水体中反常生长的藻 类等。下面我们将对化学污染物及其危害作一提要性介绍。
水体中的主要化学污染物质有如下几类：①有害金属，如 As、Cd、Cr、
Cu、Hg、Pb、Zn 等；②有害阴离子，如 CN-、F-、Cl-、Br-、S2-、SO 2-等；
4
③营养物质，如 NH +、NO -、NO -、PO 3- 等；④有机物，如酚、醛、农药、
4 3 2 4
表面活性剂、多氯联苯、脂肪酸、有机卤化物等。1978 年美国环境保护局
（EPA）曾提出水体中 129 种应予优先考虑的污染物，其中有机污染物占 114 种；⑤放射性物质，如 3H、32P、90Sr、131I、144Ce、232Th、238U 等核素。
大气中的主要化学污染物来自于化石燃料的燃烧。燃烧的直接产物 CO
2
和 H O 是无害的。污染物产生于这样一些过程：①燃料中含硫，燃烧后产生
2

污染气体 SO ；②燃烧过程中，大气中 N
2 2

参与反应生成 NO，再经过复杂过程

产生各种氮氧化物（以 NO
x

表示）：③燃料粉末或石油细粒未及燃烧而散逸；

④燃烧不完全，产生 CO 等中间产物；⑤燃料使用过程中加入添加剂，如汽油 中加入铅有机物，作为内燃机汽缸的抗震剂，经燃烧后，铅化合物进入大气。
土壤中的主要化学污染物是农药，肥料、重金属等。 化学工业在最近数十年来有了长足的发展，为人类文明和社会经济繁荣
作出了贡献。目前已知化学物质总数近 1000 万种，且这个数字还在不断增 大，其中 6～7 万种是人们日常使用的，而约 7000 种是工业上大量生产的。 到目前为止，在环境中已发现近 10 万不同种类的化合物。其中有很多对于各 种生物具有一定的危害性，或是立即发生作用，或是通过长期作用而在植物、 动物和人的生活中引起这样或那样不良的影响。进入环境的化学污染物数量 也是惊人的，例如仅由于烧煤，世界范围内每年约有 3000 吨汞进入大气。
上述环境污染概念中所说的附加物质一般都是指有害的化学物质，所以

称为污染物。但另有一些天然或人为产生的附加物质是无害于环境或生物体 的。这些物质称为沾染物，例如燃烧或呼吸过程产生的 CO ，从蓄电池中漏
2

出的少量 H
2

等。在污染物和沾染物之间并没有严格的界限，例如所谓 CO“无
2

毒无害”，是有一定前提的，目前大气中 CO
2

平均浓度约 360×10-6（V/V），

预计到下世纪浓度水平会翻倍。由于它的温室效应，会使地球温度升高 1.5～
4.5℃，由此会引起一系列的全球性环境问题（详见 7.7）。另一方面，如果

潜艇或宇宙飞船座舱空气中 CO
2
此“中毒”死亡。

浓度提高到 20％，那么其中工作人员也会因

1.4.3 污染物的环境行为及其危害
化学污染物的环境行为十分多端，但可归结为以下两个方面：①进入环 境的化学物质通过溶解、挥发、迁移、扩散、吸附、沉降等物理过程或物理 化学过程，分配散布在各环境圈层（水体、大气、土壤）之中。与此同时， 又与各种环境因子（主要是水、空气、光辐照，微生物和别的化学物质等） 交互作用，并发生各种化学的、生物的变化过程。经历了这些过程的化学物 质，就发生了形态和行为的变化。②这些化学物质在环境中形迹所到之处， 也留下了它们的印记，使环境质量发生一定程度的变化，同时引起非常错综 复杂的环境生态效应。对以上叙述可用如下图式表示。















　　表 1-6 列举了化学污染物环境行为的几个方面，显示了它们的物理化学 性质与其环境行为之间的关系。需要作说明的是表中的分配系数的概念。化 学污染物的分配系数一般在正辛醇-水体系中予以测定，因为正辛醇分子中含 有一个亲水基团 OH 和一个含有 8 个碳原子的直链烷烃疏水基团，结构规则， 性质稳定，不易挥发，因此用正辛醇-水系统能较好地模拟生物系统。
　　
表 1 — 6 化学污染物的性质与其环境行为之间的关系


物理化学性质 环境中显示的行为 迁移性 分解性 累积性 毒性 大气 水 大气
水 土壤 土壤 光分解 土壤中 水中细菌 非生物 生物 分子量 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ + 波谱（分子结构） △ + + + + + 熔点 ○ ○ ○ ○ ○ ○ + 沸点 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ + 蒸汽压 ○ ○ + + + + 水溶性 ○ ○ △ + + ○ + + + 吸附/脱附 △ △ + △ △ 分配系数（辛醇/水） + △ ○ + 挥发性 △ △ + + + 生成络合物能力 + △ + + + 密度 △ △ + + + 粒度和形状 + ○ △ + + + △ 水解 + △ △ △ + + + 离解常数 + △ + + ○ 存在稳定性 △ △ △ + + + + 粘度 + △ ○ 表面张力 + + + + 脂溶性 △ + 膜透过性 △ △



现以进入环境水体的化学污染物为例，简要叙说其各种环境行为，其中
属于化学性的行为也就是它们的环境化学行为。与这些行为相关的物理、化 学和生物过程，有的是可逆的，有的是不可逆的，有的是快速进行的，有的 是存在着动力学方面阻碍的。这些过程又都与污染物在环境中的最终归宿相 关。
1.4.3.1 扩散迁移
　　进入水体的污染物，在水体中随着平流和对流而发生扩散迁移。天然水 道中，各个水质点运动的方向和速度不断变化着，平流的流速就很不均匀， 但可以用平均流速来表示。污染物在水体的上层和下层之间的扩散主要与平 流的平均流速有关。对流扩散与湍流、浪涌、内生波流等现象相关，情况非 常复杂而且是统计性的，建立污染物对流扩散模型要牵涉到很多水力学参 数，但最基本的考虑问题出发点是将其看成分子扩散，以费克扩散定律为基 础，舍去大多数较次要的水力学参数，从而建立对流的扩散方程和模型。
1.4.3.2 颗粒物吸附和迁移 天然水体中存在着大量颗粒悬浮物，它们对疏水性的有机污染物分子具
有一定的吸附捕集能力，对于离子性的物质（金属离子、有机酸和有机碱的

离解离子）则具有离子交换捕集的能力。吸附了污染物的大小颗粒在水体中 的迁移情况，很大程度地决定了这些污染物的归宿。例如某些重金属在水底 沉积物中高度富集就是这种吸附和迁移过程的结果。
1.4.3.3 挥发迁移 挥发迁移是在水和空气界面间进行的物质的物理迁移过程。一般情况
下，相应于宏大环境体系的污染物浓度是很低的，而且发生在界面间的挥发 过程所遇到的动力学阻碍还是较大的，所以在发生水体污染时，水体上方空 气中污染物浓度一般小到可忽视程度。水体中污染物通过挥发而发生迁移 时，其阻力来自界面两侧的水相和空气相，而迁移速率取决于水体和空气的 湍流程度、该污染物溶解于水中的亨利常数及在接近界面区域的分子运动速 度等。
1.4.3.4 电离 很多无机或有机的污染物分子能在水中发生电离，且电离过程发生很
快，常常使体系处于可逆而又平衡的状态。例如某酸类污染物 HA 在达到电离 平衡时，其中未电离部分 HA 所占的数量比例为
α =1/（1+K /［H+］）=［H+］/（[H+]+K ） （1-1）
0 a a
已电离部分所占的比例为
（1-α ）=K /（［H+］+K ） （1-2）
0 a a

以上两表达式中，K
a
值决定。
1.4.3.5 水解

是电离常数。除 K
a

外，电离程度主要由水体的 PH


FeCl

盐类电离之后产生酸根离子和金属离子，它们都可能进一步水解。例如
溶入水中后，经电离、水合生成 Fe3+水合离子，后者可在水中进一步水
3

解，引起一系列质子迁移反应，从而使水显示酸性。反应如下： Fe（H O） 3++H O Fe（H O） OH2++H+
2 6 2 2 5
Fe（H O） （OH） ++2H+
2 4 2

Fe（OH） （H O）

+3H+

3 2 3（S）
Fe（OH） （H O） -+4H+
4 2 2
1.4.3.6 化学氧化和光化学氧化
　　在水体中的有机污染物分子可能受到自由基、臭氧或激发态氧分子的氧 化；也可能在太阳辐照作用下，接收电磁波光子，使其分子从基态转化到激 发态，从而发生光化氧化。此时，激发态分子或是与水中氧化剂直接反应， 或是发生分子开裂，形成了自由基，再发生进一步反应。光化氧化的速率取 决于太阳辐射的通量、污染物分子对特定波长谱线的吸收截面和过程的量子 效率。
1.4.3.7 生物浓集 与周围环境交换物质和摄取营养，是所有生物体的本质性机能。但在此
过程中，同时也就将污染物引入体内，并可能富集积贮在某些脏器之中。经 过较长一段时间的连续摄取，生物体内污染物浓度大于环境媒体中的浓度， 并达到平衡的过程就称为生物浓集。生物浓集因子 BF 为进入环境的污染物在

生物体中累积浓度 c
b

与在环境媒体中的浓度 C
e

在平衡状态下的比值，即

BF ? cb
c e


(1 ? 3)

经生物浓集的污染物还可能通过食物链进一步发生生物放大作用，对居 于食物链末端生物的正常机体功能构成威胁。例如 DDT 是一种人工合成的有 机氯杀虫剂，几乎不溶于水，但有极强的脂溶性。它可以通过食物链高度浓 集于生物的体内，使居于食物链末端人体的累积浓度比最初环境浓度高出数 百万倍，对机体构成很大危害，如图 1-4 所示。

























1.4.3.8 微生物降解 各种自然水体中所含的有机物在由微生物参与的分解过程中，逐步降解

而又转化为 CO
2

和 H O，这是一种生物化学的过程。因为细菌等微生物生长繁
2

殖需要碳、氢、氧、氮各种成分和能量，所以通过分解作为营养来源的各种 有机物，可从中取得构成本身细胞的材料和活动所需的能量；另一方面，受 有机物污染的水体也通过这一过程而获得净化（这称为水体的自净作用）。 在有氧条件下，微生物分解水体中有机物时需要消耗水中溶解氧。在缺 氧条件下，有机物又会发生腐败发酵而恶化水质；同时水中有机物数量增多 还会引起细菌繁生，容易引起病菌传播等危险性的卫生问题。所以，就水体
来说，有机物是一类严重的污染物质。
1.4.3.9 危害性 化学污染物的危害指的是它们对人、生物或其他有价值物质所产生的现
实的或潜在的危险。其主要方面可列举如下： 可燃性，如低闪点液态烃类等； 腐蚀性，如强酸，强碱等； 氧化反应性，如硝酸盐，铬酸盐等； 耗氧性，如水体中有机物等； 富营养化，如水体中含氮、磷的化合物； 破坏生态平衡，如农药等； 致癌、致畸、致突变性，如有机卤化物，多环芳烃等； 毒性，如氰化物、砷化物等。

　　对人体健康来说，环境污染物所引起的直接的而又至关重要的危害是它 们的毒性。某些化学污染物质对人体或生物有明显的急性毒害作用，如三氧 化二砷、氰化钾等被称为毒物；还有一些化学污染物在一定条件下才显示毒 性者被称为毒剂。这些条件包括剂量、形态、进入生物体的途径和个体抗毒 能力等。如一般铁的化合物是无毒的，但作为多种维生素添加剂的 Fe（SO ）
4
，对小儿的死亡剂量为 4～10g。Cr（Ⅲ）是人体必须元素，但高价的 Cr（Ⅵ）
3
有很强毒性；与此情况相反，高价的 As（Ⅴ）毒性小于低价的 As（Ⅲ）；同 是三价砷，其氧化物 As O （砒霜）是剧毒的，其硫化物 As S （古代术士炼
2 3 2 3
丹的主要原料）却是低毒的；至于元素砷，现代瑞士山区居民还把它作为强 身剂服用。以蒸气形态进入人体呼吸道的汞是剧毒的，按我国车间空气标准， 汞浓度不超过 0.01mg/m3。与此相反，进入人体消化道的液态汞可通过粪便 很快地全部排出体外，因而是低毒或无毒的。

习题

一、思考题
　　1.怎样理解我们对环境化学学科所下的定义？从实用观点看，它的主要 任务和内容有哪些？其研究方法有何特点？
　　2.用你自己的语言来定义：生物圈、生态学、自然环境、区域环境、生 境、小环境、微环境、内环境、环境污染等概念，并与书中所作的定义相比 较。
　　3.地球从太古代到元古代经历了约 30 亿年之久，从元古代至今仅约 6 亿年，为什么生物在前一漫长时期内进化反而缓慢？
　　4.以一个天然水池为生态系统实例，通过观察列举其中生物和非生物的 各种组分，描述这些组分间是如何互相依赖、互相作用的。
　　5.考虑到当前环境污染问题日益严重，是否应该在今后实施极端严厉的 环境控制政策？为什么？
6.什么是污染物，什么是沾染物，两者间有何区别？
7.什么是毒物，什么是毒剂，两者间有何区别？
　　8.查阅有关资料，了解致癌性、致畸性、致突变性的含义各是什么，为 什么人们特别重视具有这些性质的化学污染物？
9.消化道中大肠杆菌对人是无害的，但进入水体后，为何说水被污染了？
　　10.空气中乙烯浓度为 1ppb 时，对兰花的干萼有损害作用，但对极大多 数其他生物无害，也不触发人的嗅觉，当浓度达到 0.1％时，对水果有催熟 作用；含 2.7％乙烯的混合空气有爆炸性。此外，处于天然成熟过程的水果 能释出乙烯；内燃机排气中也含乙烯。综合以上情况，是否可以断言乙烯是 一种空气污染物？根据是什么？
11.二氧化碳在人体中是一种正常的代谢产物。如果因控制失当使潜艇座

舱空气中 CO
2

浓度达到 20％，则会引起工作人员中毒身亡的后果。试问这种

“毒性”缘何而起？另外，对植物来说，是否可认为超常高浓度的氧气是一 种污染物乃至是一种毒剂？
12.在测量病孩体温时不慎将口腔温度表咬碎，此时应采取什么紧急措
施？
13.引起水体、大气、土壤污染的主要化学物质各有哪些？
　　14.化学物质进入环境后，与之相遇并发生作用的最主要环境因素有哪 些？所发生的主要作用又有哪些？
　　15.研究化学污染物的生物可降解性有何重要意义？人工合成有机物通 常不易生物降解，为什么？某化学污染物在大气中难以发生生物降解，那么 在土壤或水环境介质中是否较易发生生物降解，为什么？
二、计算题
　　1.将表 1-4 中生物圈内各元素的质量组成百分数换算成原子组成百分 数。
　　
2.Freon-12 （ CCl F
2 2

）正常沸点 T =243.4K ，摩尔蒸发热△
b

H =19.97kJ/mol，求其在大气臭氧层（假定其温度为 233.0K）内的蒸气压。
v


已知蒸气压随温度变化的关系式为

d ln P
?

△H
v , 并假定△H


值不随温度变

dT RT 2 v

化。
3.甲硫醇（CH SH）在 t =-34.8℃时的蒸气压 p =13.33kPa，t =-7.9℃时
3 1 1 2
的 p =53.32kPa。求它的正常沸点 T 值。
2 b
4.求温度为 25℃时氯仿的饱和蒸气压。已知蒸气压计算公式 p=133.3×
10（A-B/T）（Pa），式中 A、B 是由化合物本身性质决定的常数，包括氯仿在 内的各种化合物的 A、B 值可从参考资料 2 中查获。
T1.5

5.已知气体粘度计算公式μg =


mT ? b

×10- 6 （g / cm. s），其中T为绝对

温度，m 和 b 为常数。又已知 CO
2
℃时的粘度。

的 m 和 b 值分别为 0.065 和 14.7，求其在 0

　　6.已知 25℃时 KCl 在水中的扩散系数为 1.994×10-5cm2/s，求其在 4℃ 时的扩散系数。按扩散系数与介质的绝对温度成正比，又与介质的粘度成反 比。解题所需水的粘度数据可从有关化学手册查获。
7.25℃，pH=8.4 的水溶液中，总氰浓度 c =10-3mol/L，求其中［HCN］
T
和［CN-］浓度各为多少？
　　8.氯仿的水解反应速率常数 Kh=7.13×10-10min-1，求其以年为单位的半 减期。已知氯仿水解属于一级反应。
　　
9.已知 4，4＇-二氯联苯的正辛醇/水分配系数 P


oct

=380000，求其在鱼

体中的生物浓集因子 BF。给出两参数之间的关联式为 lgBF=0.76lgP
0.23。

-
oct

10.将生物半致死浓度 LC
50

的概念移用到细菌，则表示处于污染物浓度

为 LC
50

的水介质中的细菌，其生化反应速率将降低至正常情况下的 50％。现

已知异养好氧细菌的 P


oct

参数与 LC

（mg/L）之间的关联式为 lgLC
50

=5.12-
50

0.76lgP


oct

，计算以下两种化合物的 LC
50

值并比较它们对细菌的毒性：①二

氯甲烷②氯苯。已知它们的 lgP


oct

数值分别为 1.26 和 2.84。

2 自然环境中的能量流动和物质循环

2.1 自然环境中的能流和物流

2.1.1 生态系统及其中的能流和物流
　　按照现代生态学的观点，生态系统就是生命系统和环境系统在特定空间 的组合。在生态系统中，各种生物彼此间以及生物与非生物的环境因素之间 相互作用，且不断发生物质和能量的流动。目前人类所生活的生物圈内有无 数大小不同的生态系统。在一个复杂的大生态系统中又包含着无数个小的生 态系统。各种各样的生态系统组成了统一的整体，这就是目前人类生活的自 然环境。大而言之，整个生物圈是一个生态系统；小而言之，一滴天然水珠 也是一个生态系统。
世界是物质的，物质又是恒久运动的，图 2-1 所示的正是这样的一幅图 景。自然环境中的物质迁移或循环，又是以能量流动为推动力的（在地球范 围内，极大多数形式的能量来自太阳）。正由于能量的不停流动，物质在自 然环境中的不息循环，才构成了循环不已的自然史和生生不息的生物史。能 量流动和物质循环过程又分别遵循着两条最重要的自然法则，即能量守恒定 律和物质不灭定律。




























　　图 2-1 所示的是生物和环境（非生物界）之间一种宏观的循环体系，也 就是自然界中由无机物合成有机物，而后又降解转化为无机。物的基本过程。 在图中，被称为生产者或自养生物的绿色植物，吸收太阳的光能，通过光合 作用将二氧化碳和水等无机物合成为有机物，并将太阳能转化为化学能贮存 于该有机物中。被称为消费者或异养生物的草食动物，以植物为食，取得养 分而得以生活和生长；还有所谓的二次消费者即肉食动物，以草食动物为食， 借以维持生命。动物的排泄物和尸体、植物的枯枝落叶和残骸等，在被称为 还原者的低等动物和细菌微生物等作用下，腐败分解而又重新转化为无机
　　
物。这样就构成了一个循环体系，也可将它看作是一个有代表性的生态系统。 在这里，推动循环的动力是太阳能。
2.1.2 太阳能在地球上的流动
　　人类利用能量的形式经历了由低级到高级的历史过程：风力、水力→木 材→煤→石油→天然气→原子裂变能→原子聚变能。其中风力和水力是太阳 能的变形；木材、煤、石油、天然气可看作是太阳能的历史“遗产”；至于 裂变物质和聚变物质，前者是在地球诞生日起与地球共存的矿物质，后者则
是人工生产物质（如 3H）。当前，可以说太阳能是地球上大多数形式能量的 源泉。
　　太阳到地球的距离为 1.5×108km，从地球看太阳犹如盘子般大，而从太 阳看地球，则像运动场上百米跑道一端看另一端地面上一枚分币那么大。相 距如此之遥，能达到地球的太阳能仅是太阳总能量的 25 亿分之一，但这仍相
当于太阳每年向地球提供 90×1012 吨优质煤。 按热力学第二定律，若无外界能量输入，则作为封闭体系的地球上的一
切事物将随时间的推延而增大其无序性，地球上的一切将变得毫无生气。幸 亏由于太阳辐射不断向地球注入能量，才不致于发生这种情况。
　　如图 2-2 所示，到达近地面的太阳能总量的约 19％被大气层中臭氧、水 汽、二氧化碳所吸收；约 34％被地面反射折回空间而被云层吸收；仅有约 47
％辐射能到达地球表面后为地表吸收，而其中约半数又消耗在使地球表面水
蒸发；能用于发生光合作用的太阳辐射能约仅占总能量的 0.1％。

　　用于蒸发水分的太阳能又以动能和势能的形态重现。地面水经蒸发化为 雨雪、再流入河海是太阳能转化为动能的表现；冰川的形成则是太阳能转为 势能的表现。
　　由于纬度不同的地面受太阳光直射或斜射的情况不同，致使各地区吸收 辐射的程度有所差异。这种地区间的不平衡又可通过风流和水流来抵消，以 使太阳能的吸收在全球范围内达到平衡，从而使地球平均温度大致保持恒 定。
2.1.3 物质的地球化学循环
　　地球上物质的大多数循环过程是在生物和人类出现之前就发生了的。例 如河流将悬浮物和溶解物从陆地搬运入海；地球板块运动引起海洋沉积物拔
　　
升并形成新的陆地过程；大气组分的循环和渐次演化过程等。这些过程都可 归入地球化学循环。在地球化学循环中，虽然多种元素和它们的各类化合物 往往同时参与同一循环，但为研究方便，常将某一元素或某一特定化合物在 地球表面的迁移用一个特定的地球化学循环来描述。此外，由于迁移是连续 的，物质又是守恒的（很少与地幔或外层空间交换物质），所以物质在地球 圈层之间的迁移是循环往复、不见始终的。物质的地球化学循环模型如图 2-3 所示。


















　　图中方框代表储层，箭头所向代表物质迁移径路。物质从某储层流出时， 该储层被称为源；物质自外流入储层时，该储层又被称为汇。为了定量描述 一个循环，还需要在方框内标出储层中物质总量（即贮存量），并在箭头处 标出两储层间的通量。通量表示为在一定时期内（一般为一年）沿特定径路 传质的数量。若某储层中物质浓度保持恒定，这表示在流入量和输出量之间 保持平衡，达到了恒定状态。以此我们可定义恒定状态时该物质在该储层中 的滞留时间为
　　
M i
τi ?
i


(2 ? 1)

式中 M ——储层中物质 i 的总质量；
i
R ——储层中物质 i 的流入速率（或输出速率，写作 P ）
i i
R ? dM i

i dτ
?



dM i ?

? 或Pi

? ? dτ ?

当体系处于恒定状态时，
Pi ? R i ? 0
即物质 i 在储层中的流入速率恒定地等于输出速率。



(2 ? 2)

　　现以铜为例，说明其地球化学循环过程的详情。铜在各环境储层中的数 量分布如下：
　　
储层 质量（ g ） 大气（ 1 ） 2.9 × 108 海洋（ 2 ） 3.5 × 1014 岩石（ 3 ） 1.3 × 1021 沉积物（ 4 ） 6.9 × 1019 土壤和植物（ 5 ） 6.0 × 1015



　　铜可能在其中任何两个储层间发生质量迁移，这样的径路有 20 种，但只 有如下九种是主要的：
源 汇 径路 流入速率（ 109g/a ）
大气 海洋 1 → 2 13 大气 土壤和植物 1 → 5 6 海洋 大气 2 → 1 3.3
海洋 沉积物 2 → 4 833
岩石 大气 3 → 1 9.3
岩石 土壤和植物 3 → 5 824 沉积物 岩石 4 → 3 833 土壤和植物 大气 5 → 1 10 土壤和植物 海洋 5 → 2 820



按照质量守恒有：


R12 + R15 ??R 21 + R 31 + R 51

R 21 + R 24

??R 12 + R 52

R 51 + R 52 ??R15 + R 35
基于以上数据和守恒式，可以计算铜在各储层中的滞留时间：大气中为
6 天，海水中为 420 年，土壤和植物中为 7000 年，海底沉积物中为 107 年， 岩石中为 109 年。
2.1.4 物质的生物地球化学循环
　　将物质的地球化学循环和物质在生态系统中的循环加以综合考虑，就是 物质在生物圈范围内的循环。这种循环中除地质系统、化学系统外，还包含 着生物系统，所以称为生物地球化学循环。稳定有序的生物地球化学循环是 生态系统存在和发展的必要条件之一。在自然条件下，这一状态是通过漫长 的、互相协同的生物进化和环境演化得以达成的。由于人类各种不适当活动 结果的长期累积，目前这种循环已偏离了原有的稳定性和有序性，从而导致 了各种不良的环境后果。
　　生命体的最小结构单位是细胞，组成细胞的成分都是原生质，可以说原 生质是生命活动的物质基础。原生质的主要组成元素如下：
含量最多元素：碳、氢、氧、氮等约占总质量的 98％； 含量少的元素：磷、硫、氯、钠、钾、镁、钙、铁等； 含微量的元素：铜、锰、锌、硼、钼、碘等。

　　运用现代分析技术获知这样一个事实，即包括上述元素在内的自然存在 的所有元素（共 90 余种）都或多或少地存在于有机生物体之中，这是生物界 和非生物界统一性的表现，也恰恰说明了物质是在生物界和非生物界之间流 动和循环的。
　　从化学元素组成和分子化学的观点来看有机生物体，人们可以发现，所 有有生命的系统都由相对简单的无机分子（在生物体体液中常呈电离状态） 和含碳的有机化合物所组成；非生物系统所遵循的所有物理的和化学的定律 同样也适用于生物系统。
　　组成原生质的上述各化学元素在生物圈中的循环过程，对于人类和各种 生物体的生存、生长、繁衍来说是至关重要的。以下将分节阐述水和元素碳、 氧、氮、硫和磷的生物地球化学循环。
　　
2.2 水的循环


　　地球上的天然水约 1.4×1021kg，并具有与地球几乎相同的年龄（约 46 亿年）。这么多的水又这样长久存在而不消散，这与水的性质、大气的化学 组成，地球的质量及地球在太阳系中的位置（与太阳间距离适中）等因素有 关。
　　在地球表面，海水约占 97％、冰川水约 2％，淡水略小于 1％，而大气 中水分远小于 1％。地球表面水在各储层中的滞留时间如表 2－1 所示。

表 2 — 1 水在环境中的平均滞留时间
区域 平均滞留时间 区域 平均滞留时间 大气
海洋
浅层
最深层
世界范围平均 9 ～ 10 天


100 ～ 150 年
30000 ～ 40000 年
3000 年 大陆
河川
湖泊
冰冠和冰川
深地下水
浅地下水

2 ～ 3 周
10 ～ 100 年
10000 ～ 15000 年
几千年
几百年



　　图 2-4 所示为水在地球表层的循环，其驱动力是太阳能。构成循环的主 要过程有蒸发、蒸腾、降雨和径流，多数属于相变过程。地球表面水经吸收 太阳辐射热而蒸发，进入大气的水中有 83％来自海洋，但通过雨雪而返回海 洋的水量仅为 70％左右；陆地水的情况正好与海水相反，也就是说，有一部 分海水是通过河川归流入海而得到补足的。在河川水归海的过程中还有一部 分渗入土壤或岩层，为植物吸收或转入地下水，缓慢流动后才归流海洋。生 物圈含水总量少得几乎不能与其他圈层相比，但组成生物体的主要成分还是 水。例如活细胞中含水分约 60％～90％，其他生物体含水量大约是：脊椎动 物为 66％、哺乳动物平均为 85％、木材为 60％、干的种子为 10％。氧、碳、 氢依次是生物圈中丰度最大的三元素，且氧和氢的比例接近于水中该两元素
之比。如此看来，生物体中含有如此多量的水是可以理解的了。 水在生物圈内的循环，在许多方面具有重大意义。首先，一切有机体内

含有大量水分，没有水就不可能有生命。还可以认为，地球表层是由太阳和 大海造就的一个超级规模的蒸馏水制造装置，由此制得了淡水，供大多数生 物需用。生命有机体中水的主要功能是作为输送和流通体内物质（如食物、 氧气、排泄物）的溶剂。此外，水有很大热容值，能帮助高等动物身体维持 平均体温。水还是参与光合作用和呼吸作用的重要物质。
流动于大气中的水分有调节气温的巨大能力。大气中一般含 1％～3％
（体积）水蒸气，这部分水分子能强烈吸收红外线，由此影响地球热平衡； 大气中水分形成云层后还有反射太阳光而降温的作用；到了晚间，覆盖在地 球表层的水蒸气又起了“被褥”的作用，使地面在白天所吸收到的热量不致 于大量散发到空间中去。
　　由于水具有溶解许多物质及具有流动的特性，因此通过其本身循环能载 带和推动其他物质循环。岩石中的很多组分受水体侵蚀后随水流归入大海是 最显而易见的例子；再如，海水中所溶解的盐分能以喷沫形式转入大气，从 而使近海地区降雨中含有相当数量盐分也是一例。
　　
2.3 碳的循环


2.3.1 碳在自然环境中的循环 碳在各圈层中的浓度如下（括号内数字为元素的丰度次序）： 地球整体：350mg/kg（14）
地壳：200mg/kg（17）
海洋：无机碳 28mg/kg（10）；有机碳 2mg/kg（15）
大气：CO 360×10-6（V/V）（4）；CH 1.7×10-6（V/V）（7）
2 4
　　环境中碳（特别是含碳有机物）的存在形态非常多歧，这与碳元素的如 下性质相关：①碳元素具有四个共价性较强的价键，可通过各种各样的结合 方式联结大量基团；②C—C 键具有很大强度，可形成非常长的长链结构；③ 碳原子有形成双键和多重键的能力，更加增大了生成多种有机分子的可能 性。
地球上的碳主要集中在岩石之中，石灰岩中的碳（约占岩石层中总碳的
3/4）主要以石灰石（CaCO ）和白云石（CaCO ·MgCO ）形态存在；沉积性
3 3 3
页岩中的碳（约占岩石层中总碳的 1/4）主要以分散性有机物形态存在。散 布在其他圈层（水体、大气、陆生生物、土壤腐植质、化石燃料、海生生物 等）中的碳大约只占地球上总碳的 0.1％。
大气中碳的主要存在形态有二氧化碳、一氧化碳、甲烷等。在地球形成
初期，作为大气组分之一的甲烷，随同氢、氨和水蒸气，通过发生在大气中 的辐射或放电作用，导致了氨基酸等生命原始物质的形成。二氧化碳则逐渐 被海水吸收，并以碳酸钙形式沉积海底，达成了目前二氧化碳在大气-海水- 沉积物之间的平衡状态。
天然水系中碳的主要存在形态有组成平衡碳酸系统的各种组分：CO
2
、H CO 、HCO -、CO 2-。在水质测定中，这些形态的浓度之和构成了水
（aq） 2 3 3 3
样的总无机碳（TIC）参数。存在于水体中的有机碳组分可划分为溶解性有机 碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）两类。一般以含碳组分能否通过 0.45μm 滤 膜作为区分此二者的判据。水体中 DOC 来源主要是浮游生物排泄物中可溶成 分和生物尸体细胞经胞溶作用产生的溶出物。水中 DOC 可进一步作为异养微 生物的营养物料，在海水中还有部分可转化为高分子腐植质。严格说来，在 作水样中总有机碳（TOC）项目测定前，应先过滤除去 POC 组分，随之测得的 结果实际上就是 DOC。组成水样 POC 的有难分解和易分解的两部分。前者为 生物尸体的骨骼碎屑，后者如生物粪便物等为是。
自然环境中碳循环景象如图 2-5 所示。


　　碳是构成生物体的主要元素，所以碳循环，特别是二氧化碳的循环对生 物体有极大意义。环境中二氧化碳的行为至少与下列一些环境过程密切相 关：①大气和海洋的起源和演化；②地球表层岩石的形成和变异；③生命诞 生；④地球表层热量的收支状况；⑤水体中碳酸平衡；⑥绿色植物等自养者 的光合作用和生产力；⑦有机物氧化，包括呼吸作用，燃料燃烧、机体腐烂 分解等。对这些过程中于当今环境有现实意义者，将在以后有关章节详加阐 述。
2.3.2 生物体中的含碳有机化合物
　　前已述及，原生质是所有细胞的组成成分，也列举了原生质的化学元素 组成。从化学物质组成来看，生命有机体的原生质由下列化合物组成：
? ?一般组分：碳水化合物、脂类、蛋白质、核酸
?有机物?

有机体组分?
?

?功能性组分：维生素、酶、激素

?无机物：水、无机盐
　　以上所列举的各种化合物在细胞中的含量不同。一般情况下，这些化合 物占细胞鲜重的比例是：水大约占 60％～90％，无机盐约 1％～1.5％、蛋白
质 7％～10％、脂类 1％～2％，碳水化合物和其他有机物 1％～1.5％。这些 化合物在细胞中存在的形式和所具有的功能也各不相同。
　　如图 2-6 所示，组成生物体的有机分子实际上是通过小分子缩合反应交 联而成的。在大量小分子存在下，就有可能合成诸如淀粉、纤维素、蛋白质、 核酸等大分子物质。与此相反的过程是水解，即在水和催化剂存在条件下， 这些大分子裂解成为各种小分子的过程。
　　

现将生物体中几种主要的含碳有机化合物分述如下。
2.3.2.1 碳水化合物

这里所说的碳水化合物即糖类，可用 C （H O）

表示这类化合物的分子

x 2 y
通式。糖类可分为单糖、二糖和多糖三大类。从化学结构看，碳水化合物是 多羟基醛或多羟基酮；或者是通过水解能生成多羟基醛（或酮）的化合物。 多羟基醛又称醛糖，多羟基酮又称酮糖，糖类广泛地分布在动植物的体内。 单糖 一般是能溶于水的无色结晶，是一类不能进一步水解成更简单的 多羟基醛（或酮）的碳水化合物。按照其分子中含碳原子的数目又可分为三 碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖和七碳糖。在动植物的细胞中，最重要的单 糖是五碳糖和六碳糖。核糖和脱氧核糖是五碳糖，它们都是组成核酸的必要

物质。葡萄糖和果糖是六碳糖，它们的分子式是 C H
6

O 。葡萄糖是植物光合
12 6

作用的产物，也是机体内的重要能量物质。
　　二糖 一般也是易溶于水的晶体。在植物细胞中最重要的二糖是蔗糖和 麦芽糖；在动物细胞中最重要的二糖是乳糖。
多糖 在植物细胞里，最重要的多糖是淀粉、纤维素和半纤维素，动物
细胞中最重要的多糖是糖元。淀粉的分子量范围在 20000～1000000，是植物 细胞中储藏能量的物质，在各类粮食中富含淀粉。纤维素是地球上最丰富的 一种有机化合物，分子量范围在 300000～500000。植物的细胞壁几乎全部由 纤维素组成，借以支撑植物本体。由于它具有复杂的分子结构和不可溶解的 性质，所以不能直接作为生物的食料。半纤维素的基本构成单元有六碳糖和 五碳糖，大多数天然木材中除含纤维素外，还含相当多半纤维素。糖元的分 子量更大于淀粉，有更多支链，它在肝脏和肌肉中含量较多，是动物细胞中 储能物质。
　　二糖和多糖的最重要的相关性质是它们能通过生物酶作用水解为单糖。 如图 2－7 所示，所有二糖和多糖都能水解产生葡萄糖。
　　

2.3.2.2 脂类 对脂类难以下一个确切的定义，简单说来，它们是动植物组织中能溶解
于低极性溶剂（氯仿、四氯化碳、乙醚、苯等）的组分。在很多脂类物质中， 除碳、氢、氧三种元素外，还含氮、磷等元素。脂类主要包括脂肪、类脂和 固醇。
脂肪 是生物体内储能物质。动物和人体内脂肪还有减少身体热量散
失、维持体温的作用。脂肪在室温下呈固态，纯脂肪是无色、无嗅、无味的 物质，大多是丙三醇和脂肪酸相结合的酯类物质。
类脂 包括磷脂和糖脂。磷脂由甘油、脂肪酸、磷酸和一种含氮化合物
总合衍生而成，是构成生物膜（细胞膜、内质网膜、线粒体膜等）的主要成 分。糖脂的组成与磷脂相似，它是动物细胞膜重要成分。
固醇 主要包括胆固醇、性激素、肾上腺皮质激素和维生素 D 等，这些
物质对于生物体维持正常的新陈代谢起着积极的作用。 脂类的重要化学性质有水解作用和加成作用。由于这类化合物分子中多
含有不饱和双键，所以在水溶液中可能发生卤素加成作用。但因脂类大多难
溶于水，所以在一般化学反应条件下，加成反应的速度很慢。 某些脂类的形成过程和它们的结构如下：
















2.3.2.3 蛋白质
蛋白质存在于所有机体之中，在细胞中的含量仅次于水，约占细胞干重
的 50％以上。蛋白质的种类多、结构复杂，但每种蛋白质都含有碳、氢、氧、 氮四种元素，许多蛋白质还常常含有少量的硫，有的还含有磷、铁等元素。 蛋白质的元素百分组成如下：C（51～55），H（6.5～7.3），O（20～24），

N（15～18），S（0.0～2.5），P（0.0～1.0）。 蛋白质由几千甚至几十万个原子组成，分子量从几万一直到几百万以
上。氨基酸是蛋白质的基本组成单位，约有 20 多种。实际上，每个蛋白质分 子就是由不同种类的、上百成千的氨基酸按照一定的排列次序连接而成的长 链高分子化合物。每种氨基酸分子至少都含有一个氨基和一个羧基，当形成 蛋白质分子时，一个氨基酸分子的羧基和另一个氨基酸分子的氨基相连接， 发生缩合作用而脱去一个水分子。从而形成了联结两个小分子的肽键。由甘 氨酸和半胱氨酸通过肽键联结生成高分子蛋白质的过程如下所示。
























蛋白质分子结构的多样性，决定了蛋白质分子具有多种重要功能。作为结构
材料，由蛋白质分子组成许多非骨骼性的机体物质（肌肉、皮肤、毛发等）； 作为催化剂，蛋白质分子可起生物酶的作用；作为激素，能在生物体内起调 节代谢过程的作用；作为抗生物质，又能抵御外来有毒物质和病菌的侵入。
2.3.2.4 酶和辅酶
　　酶是存在于活细胞中的，分子中含有金属原子（锌、镁、锰、铁、钼、 铜之类）且分子量可达 10000～50000 的蛋白质或其衍生物。酶在活细胞中通 过与基质形成不稳定中间化合物来降低系统活化能，所以是一类能加速代谢 反应的生物催化剂。这种催化作用具有效率高、速度快、专一性强等特点， 往往在一个细胞中可能同时发生由不同酶控制的数千种催化反应。
酶（E）与基质（S）的反应过程如下式所示：

首先，酶在其活性部位与基质相结合，生成 ES 复合物。复合物可进一步分解， 得到新产物 P 和复原的 E。ES 也可能反向分解，回复为 E 和 S。在以上各过 程中酶的化学结构始终不变，显示出它的催化剂本性。
　　控制酶反应速度的因素有基质浓度、温度、pH 值和离子强度等。在有作 为抑制剂的毒物存在的情况下，可能使酶失去活性。
　　在低基质浓度条件下，酶促反应的速率 V 正比于浓度［S］（一级反应）； 在高基质浓度范围内，V 保持恒值（零级反应）。V 和［S］间关系符合米凯 利斯-门顿（Michaelis-Menten）方程。
　　
Vmax [S]

V ?
m

? [S] (2 ? 3)

式中 Km 称米氏常数或半饱和常数，相当于 V=V


max

/2 时的基质浓度。方程（2

－3）可直观地以图（2－8a）表示，也可转为下式并改用图（2－8b）表示。

1 ? K m
V V

1 1
· ?
[S] V


(2 ? 3' )

max max






















温度也是影响生物化学反应的重要因素。一般说来，在限定的温度范围
内，温度每升高 10℃，反应速率约增加 2～4 倍。即两者关系遵循范特霍夫 经验规则。影响速率另一重要因素是 pH 值。有些酶在低 pH 值能发挥最大效 能，而另一些酶则需要高 pH 值，但大多数酶在中性溶液中最有效。此外，某 一种酶能起有效作用的 pH 范围是非常狭窄的。
酶的分子一般是由单独存在时不具有活性的两部分所组成：①不耐热的
蛋白质部分，称为载体或酶蛋白；②称为辅酶的非蛋白质部分。辅酶具有较 小分子量，热稳定性和膜透过性。酶和辅酶只有同时存在、同时作用时，才 能显示催化活性。
酶的种类非常繁多，但按作用部位可将酶分为外酶和内酶两类，它们分
别在细胞外和细胞内起作用。按作用特性，又可粗分为能催化水解反应的水 解酶和非水解性的碳链裂解酶（或呼吸酶）两大类，如表 2－2 所列。一般说 来前者属于外酶而后者属于内酶。

表 2 － 2 酶的类别
水解酶 碳链裂解酶或呼吸酶 1.糖酶类
a.糖苷酶：
庶糖酶
麦芽糖酶
乳糖酶
b.淀粉酶
c.纤维素酶 2.酯酶类
a.脂肪酶
b.磷酸酯酶
3.蛋白酶类
a.蛋白酶
b.肽酶
4.酰胺酶类
5.脱氨基酶类 1.氧化还原酶类
a.脱氢酶
b.氧化酶
2.基团转移酶类
3.裂解酶类
4.异构酶类
5.连接酶类



已知的辅酶约有 12 种，其中最主要的是以下几种：
（1）NAD 烟酰胺腺嘌呤二核甙酸的略名，以前称二磷酸吡啶核甙酸
（DPN），也称辅酶Ⅰ。它是一种载氢体，常与脱氢酶、还原酶、过氧化物酶 配合反应。NADH 是它的还原形态，二者间通过氢传递过程而发生转化的反应 如下：


　　（2）NADP 烟酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸的略名，以前称三磷酸吡啶核甙 酸（TPN），也称辅酶Ⅱ。它的结构和功能与 NAD 相似，只是在分子上含有三 个磷原子而不是两个。还原形态是 NADPH。
（3）辅酶 A 这是一种泛酸（B 族维生素的一种）的衍生物，简写为 CoA
或 CoASH。在脂肪酸的代谢和合成中，它能作为乙酰基载体参与三羧酸循环 过程。
（4）黄素蛋白 包括黄素单核甙酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核甙酸（FAD），
它们在将代谢物中的氢（或电子）传递给氧的过程中起着重要作用。

（5）辅酶 M 和辅酶 F


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属甲烷菌专有。在甲烷发酵过程中，两者分别

起甲基载体和电子载体的作用。
2.3.2.5 核酸 核酸最初是从细胞核中提取出来的，呈酸性，由此而得名。核酸由 C、H、
O、N、P 等元素组成，是细胞中的另一类高分子化合物，分子量可达十万至
几百万。核酸的基本组成单位是核苷酸。一个核苷酸分子由一分子含氮的芳 香族碱基，一分子五碳糖和几分子磷酸所组成。每个核酸分子是由几百个到 几千个核苷酸互相连接而成的长链分子。
　　三磷酸腺苷（ATP）和二磷酸腺苷（ADP）组成了细胞中主要的能量转移 系统，它们都是核苷酸单体，结构如图 2－9 所示。通过水解，ATP 脱去一个 磷酸分子就形成 ADP，同时放出能量。


相反的过程是 ADP 获得能量发生磷酸化反应，即与磷酸基结合成 ATP。 所得到的能量就以 ATP 形式贮存起来。ADP－ATP 之间相互转换的反应如下：
　　
　　核酸可分为两大类：一类是含脱氧核糖的称为脱氧核糖核酸，简称 DNA； 另一类是含核糖的，称为核糖核酸，简称 RNA。DNA 主要存在于细胞核内，是 细胞中的遗传物质。此外，在线粒体和叶绿体中，也含少量 DNA。RNA 主要存 在于细胞质中。核酸对生物体的遗传性、变异性及蛋白质的生物合成具有极 其重要的作用。
　　对于细胞作分子级的结构研究，按其深刻程度，可有三个层次。以上所 述的基本上还只是第一层次，即弄清单体（单糖、氨基酸、核苷酸）是如何 形成聚合链的。第二个认识层次是深入了解聚合链是如何进一步通过卷合或 叠合成为更加复杂结构分子的（例如蛋白质中某些氨基酸组分中 S—S 原子间 的键合情况）。第三个认识层次应能描述某些聚合物是如何再度集聚成三度 空间结构分子的，这种集聚后的分子应具有螺旋式的结构。
2.3.3 光合作用
2.3.3.1 进行光合作用的生产者 光合作用是生物圈内所发生的碳循环中的一个重要过程，对于生物体有
着特别重要的意义。 生物体需要不断地从环境中获取碳源和能源。光合作用能使植物等自养
生物在接受太阳光能的同时，将取自环境中的 CO 、H O 和营养物质合成为有
2 2
机的含碳物质，从而也就将太阳能以该有机物所含的化学能形式贮存起来， 以备自身活动、生长之需。此外，在推动碳、氢、氧、硫、氮、磷等元素的 自然循环和生物循环中，光合作用也具有相当重要的意义。
地球上的绿色植物制造有机物和释放氧的规模是很大的。据估计，地球