1 環(huán)境污染的生物效應(yīng)

篇環(huán)境污染的生物效應(yīng)2021/5/91第一章環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為本章將討論以下內(nèi)容：環(huán)境污染概述污染物在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化污染物在生物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運和生物轉(zhuǎn)化污染物在生物體內(nèi)的濃縮、積累和放大生物對污染物在環(huán)境中行為的影響2021/5/92

1環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為

1.1環(huán)境污染概述什么是環(huán)境污染（EnvironmentalPollution）？通常，環(huán)境污染主要指人類活動所引起的環(huán)境質(zhì)量下降而有害于人類及其它生物的正常生存和發(fā)展的現(xiàn)象。而自然過程引起的同類現(xiàn)象稱為自然突變或異常。環(huán)境污染的分類生物污染化學(xué)污染物理污染按污染物性質(zhì)廢氣污染廢水污染固體廢棄物污染噪聲污染輻射污染按污染物形態(tài)2021/5/93環(huán)境效應(yīng)——環(huán)境污染所導(dǎo)致的環(huán)境變化環(huán)境生物效應(yīng)：指各種環(huán)境因素變化而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)變異的結(jié)果。環(huán)境化學(xué)效應(yīng)：在多種環(huán)境條件的影響下，物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)所引起的環(huán)境效果。如：酸雨、光化學(xué)煙霧等。環(huán)境物理效應(yīng)：物理作用引起的環(huán)境效果。如熱污染、噪聲污染等。2021/5/94污染源（PollutionSource）工業(yè)污染源農(nóng)業(yè)污染源交通運輸污染源生活污染源2021/5/95污染物的自然來源（NaturalSource）:自然界向環(huán)境排放，如：活動的火山或礦床；交通工業(yè)農(nóng)業(yè)污染物的人為來源（ArtificialSource）

:來自人類活動，影響范圍廣、危害大，如工業(yè)三廢圖1-1污染源示意圖2021/5/96污染物（Pollutant）污染物指進入環(huán)境后使環(huán)境的正常組成結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和性質(zhì)發(fā)生變化，直接或間接有害于人類的生存和發(fā)展的物質(zhì)。生產(chǎn)性污染物和生活污染物一次污染物和二次污染物：二次污染物是指進人大氣的一次污染物之間相互作用或一次污染物與正常大氣組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以及在太陽輻射線的參與下引起光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的新的污染物，它常比一次污染物對環(huán)境和人體的危害更為嚴(yán)重。優(yōu)先污染物（PriorityPollutant）：指在眾多的污染物中篩選出的潛在危險大的作為優(yōu)先研究和控制對象的污染物，亦稱優(yōu)先控制污染物。主要針對下列污染物：有毒有機化學(xué)污染物、生物難降解性物質(zhì)、具有生物積累性、三致性的污染物2021/5/97小結(jié)環(huán)境污染的特點：影響范圍大作用時間長污染物濃度低、情況復(fù)雜污染容易、治理難2021/5/981.2污染物在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化

1.2.1污染物在環(huán)境中的遷移遷移的定義：遷移是指污染物在環(huán)境中發(fā)生的空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失的過程。污染物進入環(huán)境的途徑包括：（1）人類活動過程中無意排放（2）工業(yè)三廢（3）人類活動過程中故意應(yīng)用注：進入環(huán)境的污染物可以在各個環(huán)境要素（水、氣、土）中發(fā)生遷移并輸送到很遠的距離。污染物的長距離傳送，往往由局部性污染引發(fā)區(qū)域性污染甚至全球性污染，這也是環(huán)境污染成為當(dāng)代主要環(huán)境問題的原因之一。2021/5/99污染物在環(huán)境中的遷移方式機械遷移（1）水的機械遷移作用（2）氣的機械遷移作用（3）重力的機械遷移作用物理－化學(xué)遷移★污染物在環(huán)境中遷移的最重要的形式。（1）溶解－沉淀作用、絡(luò)合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－還原作用、水解作用（2）化學(xué)分解、光化學(xué)分解、生物化學(xué)分解生物遷移例：生物通過食物鏈對重金屬的放大積累作用2021/5/910影響遷移的因素：內(nèi)部因素污染物自身的物理化學(xué)性質(zhì)：組成該物質(zhì)的元素所具有的組成化合物的能力、形成不同的電價離子能力、水解能力、形成絡(luò)合物的能力、被膠體吸附的能力原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性、溶解度等都是影響遷移的主要理化參數(shù)。外部因素酸堿條件氧化－還原條件膠體的種類、數(shù)量絡(luò)合配位體的數(shù)量、性質(zhì)2021/5/9111.2.2污染物的形態(tài)和分布（FormandDistributionofPollutant）污染物的形態(tài)定義：指環(huán)境中污染物的外部形狀、化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式。污染物的存在形態(tài)包括：價態(tài)，如Cr（VI）、Cr（III）化合態(tài)，如有機汞和無機汞結(jié)構(gòu)態(tài)，如同分異構(gòu)體絡(luò)合態(tài)幾種重要的形態(tài)分類離子態(tài)代換態(tài)膠體有機結(jié)合態(tài)難溶態(tài)2021/5/912污染物的分布污染物的分布定義：指污染物在環(huán)境多組分間分布，不僅指在環(huán)境空間的濃度分布，而且還指污染物不同形態(tài)、不同相態(tài)之間的分配。例：汞形態(tài)的分布2021/5/9131.2.3污染物在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化（TransformationofPollutant）轉(zhuǎn)化的定義指污染物在環(huán)境中通過物理、化學(xué)或生物的作用改變形態(tài)或轉(zhuǎn)變成另一種物質(zhì)的過程。轉(zhuǎn)化的形式物理轉(zhuǎn)化：化學(xué)轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化的結(jié)果：兩種可能：污染物轉(zhuǎn)化為無毒物質(zhì)或易降解結(jié)構(gòu)污染物的毒性增強或轉(zhuǎn)化為難降解結(jié)構(gòu)2021/5/914大氣中的轉(zhuǎn)化：以光化學(xué)氧化、催化氧化反應(yīng)為主例一：光化學(xué)煙霧（PhotochemicalSmog）光化學(xué)煙霧是大氣中氮氧化物和碳氫化合物在紫外線照射下反應(yīng)生成的多種污染物的混合物。光化學(xué)煙霧最具危害的兩種物質(zhì)是臭氧(O3)和過氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（AcidRain）大氣中的轉(zhuǎn)化2021/5/915圖1－2光化學(xué)煙霧實例2021/5/916**圖1-3光化學(xué)煙霧形成過程2021/5/917自然源、電廠以及內(nèi)燃機等排放出的污染物在大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生導(dǎo)致酸沉降的化學(xué)物質(zhì)。圖1－4酸沉降形成示意圖2021/5/918水體中的轉(zhuǎn)化水體中的轉(zhuǎn)化主要通過下列途徑：氧化－還原作用天然水體本身是一個氧化－還原體系，含有多種無機、有機氧化劑和還原劑，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有機化合物等，對污染物的轉(zhuǎn)化起重要作用。水體中的氧化還原類型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中重要污染物的性質(zhì)。如：厭氧性湖泊水體中的許多氧化還原反應(yīng)均為微生物催化反應(yīng)。配合作用無機配位體：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有機配位體：生物降解作用土壤中的轉(zhuǎn)化土壤是環(huán)境中微生物最活躍的場所，故生物降解起重要作用。2021/5/919氧垂曲線（OxygenSagCurve）氧垂曲線的定義在河流受到有機物污染時，由于有機物的氧化分解作用，水體的DO發(fā)生變化。從污染源到河流下游一定距離內(nèi)，可繪制一條DO逐漸變化的曲線，稱之為氧垂曲線。根據(jù)有機物在水體中分解變化和DO的變化，可把受污河流分成幾段:清潔區(qū)：未受污染分解區(qū)腐敗區(qū)恢復(fù)區(qū)2021/5/9201.2.4污染物的生物地球化學(xué)循環(huán)生物地球化學(xué)循環(huán)的概念指生物的合成作用和礦化作用所引起的污染物周而復(fù)始的循環(huán)運動過程。注：合成作用指生物（主要是綠色植物）將吸收的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯矬w本身的有機物質(zhì)的過程。礦化作用指生物通過代謝作用（包括微生物的分解作用）將生物體的有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無機物質(zhì)或簡單的有機物。循環(huán)過程循環(huán)機理2021/5/9211.3污染物在生物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運和生物轉(zhuǎn)化

1.3.1生物轉(zhuǎn)運生物轉(zhuǎn)運（Bio－transportorBiotransport）的概念生物轉(zhuǎn)運：是指環(huán)境污染物經(jīng)各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分布和排泄等過程的總稱。這些過程都需要通過細胞的膜結(jié)構(gòu)。細胞膜（生物膜）有多種：細胞質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、線粒體膜、核膜等；它們基本的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)、功能有共同的特征。一般細胞膜由蛋白質(zhì)分子和脂質(zhì)分子（主要是磷脂類）組成2021/5/922細胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)圖2021/5/923污染物透過細胞膜的方式

特點方式濃度梯度有無載體是否耗能其它特點簡單擴散高濃度低濃度（順）無否脂溶性有機化合物的主要轉(zhuǎn)運方式濾過過程通過膜上的親水性孔道主動轉(zhuǎn)運低濃度高濃度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化擴散高濃度低濃度（順）有否胞飲作用內(nèi)吞物質(zhì)為液體吞噬作用內(nèi)吞物質(zhì)為固體物質(zhì)表1－1污染物透過細胞膜的方式2021/5/924污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內(nèi)細胞膜進入血液循環(huán)的過程。動物吸收的主要途徑有：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚（1）呼吸系統(tǒng)吸收特點:吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠等形式的污染物。吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡數(shù)量多，表面積大，遍布毛細血管，便于污染物經(jīng)肺迅速吸收進入血管。（2）消化管吸收特點：吸收對象主要為飲水和由大氣、水、土壤進入食物鏈中的污染物。吸收方式多以簡單擴散方式通過細胞膜而被吸收。主要部位如胃和小腸。（3）皮膚吸收：如有機磷農(nóng)藥可透過完整皮膚引起中毒。2021/5/925植物吸收的主要途徑：（1）根部吸收以及隨后隨蒸騰流而輸送到植物各部分；（2）通過植物葉片上的氣孔從周圍空氣中吸收污染物，是植物對大氣污染物吸收的主要方式；（3）有機化合物的蒸汽經(jīng)過植物地上部分表皮滲透而攝入體內(nèi)污染物的體內(nèi)分布指環(huán)境污染物隨血液或其它體液的流動，分散到全身各組織細胞的過程。污染物的排泄指進入機體的環(huán)境污染物及其代謝產(chǎn)物被機體清除的過程。排泄的主要途徑是通過腎臟進入尿液和通過肝臟的膽汁進入糞便，有的環(huán)境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體外。2021/5/9263.2污染物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化（Biotransformation）的概念生物轉(zhuǎn)化指外源化合物進入生物機體后在有關(guān)酶系統(tǒng)的催化作用下的代謝變化過程。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）指除了營養(yǎng)元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質(zhì)以外，存在于環(huán)境之中，可與機體接觸并進入機體引起機體發(fā)生生物學(xué)變化的物質(zhì)。又叫外來化合物或外源性生物活性物質(zhì)。例如：藥物、日用化學(xué)品、食品添加劑、環(huán)境污染物等。生物外源性物質(zhì)是指那些人工合成的，具有不被現(xiàn)有降解酶系所識別和作用的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵序列的化合物，簡而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯聯(lián)苯、染料、塑料、合成橡膠等。注2：內(nèi)源性化合物指生物機體正常的生理活動產(chǎn)生的物質(zhì)。注3：酶（Enzyme）是由活細胞產(chǎn)生的，能在體內(nèi)和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)和核酸。注4：生物轉(zhuǎn)化的主要場所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。2021/5/927生物轉(zhuǎn)化的過程相I過程（反應(yīng)）外源性化合物在有關(guān)酶系統(tǒng)的催化下經(jīng)由氧化、還原或水解反應(yīng)改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)，形成某些活性基團（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或進一步使這些活性基團暴露。相II過程（反應(yīng)）相I過程產(chǎn)生的一級代謝物在另外的酶系統(tǒng)催化下通過上述活性基團與細胞內(nèi)的某些化合物結(jié)合，生成結(jié)合產(chǎn)物（二級代謝物）或帶有某些基團的外源性化合物與細胞內(nèi)物質(zhì)結(jié)合反應(yīng)。2021/5/928排出體外外源性化合物一級代謝物

結(jié)合產(chǎn)物（二級代謝物）毒害作用過程I（相I反應(yīng)）圖1－5生物轉(zhuǎn)化過程示意圖過程II（相II反應(yīng)）2021/5/9292021/5/930相I反應(yīng)的主要類型：氧化反應(yīng)：微粒體混合功能氧化酶參與的反應(yīng)，例如脂肪族羥化非微粒體反應(yīng)還原反應(yīng)：微粒體還原非微粒體還原水解反應(yīng)相II反應(yīng)的主要類型：2021/5/931微生物對生物外源性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化作用微生物對生物外源性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化主要有以下幾種形式：脫鹵（主要是脫氯），如DDT的脫氯還原，將生物外源性物質(zhì)上的取代基，特別是硝基，進行還原；水合反應(yīng)，如對有機氰的水合反應(yīng)，形成無毒的含氮有機化合物圖DDT的微生物轉(zhuǎn)化TNT的微生物轉(zhuǎn)化2021/5/932影響生物轉(zhuǎn)化的因素物種差異和個體差異由各自的遺傳因素決定，主要表現(xiàn)在體內(nèi)酶的種類和活力不同上。飲食營養(yǎng)狀況蛋白質(zhì)、無機鹽、維生素等營養(yǎng)缺乏時會不同方式地影響生物轉(zhuǎn)化作用。生理因素年齡因素性別因素激素和晝夜規(guī)律：機體在每日不同時間的生物轉(zhuǎn)化能力有高低差異，與內(nèi)分泌功能的晝夜規(guī)律有關(guān)。代謝酶的抑制和誘導(dǎo)2021/5/933小結(jié)任何一種外源性化合物的生物轉(zhuǎn)化方式不是簡單的，它們可同時進行不同的氧化還原或水解反應(yīng)，此后又可繼續(xù)進行不同類型的結(jié)合反應(yīng)。生物轉(zhuǎn)化的結(jié)果有兩方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诒黄渌⑸锼到獾幕衔?。增毒作用（活化）：使其毒性增?021/5/9341.4環(huán)境污染物在生物體內(nèi)的濃縮、積累和放大基本概念：生物濃縮（Bioconcentration）指生物機體或處于同一營養(yǎng)級上的許多生物種群，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過環(huán)境中的濃度的現(xiàn)象，又稱生物學(xué)濃縮、生物學(xué)富集。生物濃縮系數(shù)KBCF

（BioconcentrationFactor）KBCF＝物質(zhì)在生物體內(nèi)的濃度/物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的濃度生物積累（Bioaccumulation）指生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、吸附、吞食等各種過程，從周圍環(huán)境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發(fā)育，濃縮系數(shù)不斷增大的現(xiàn)象，又稱生物學(xué)積累。2021/5/935生物放大（Biomagnification）指在生態(tài)系統(tǒng)中，由于高營養(yǎng)級生物以低營養(yǎng)級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現(xiàn)象，又稱生物學(xué)放大。思考：許多生物外源性物質(zhì)在環(huán)境中的含量很低，通常在ppb級，為什么這么低的濃度還會引起嚴(yán)重的問題？這正是由于生物放大作用造成的，這樣的生物外源性物質(zhì)必須滿足以下兩個條件：一、難以生物降解；二、具有親脂性。思考：三個概念的有何區(qū)別？有何意義？生物濃縮：C體內(nèi)>C環(huán)境生物積累：t（生長期），KBCF生物放大：營養(yǎng)級，KBCF2021/5/936生物濃縮系數(shù)的測定平衡濃縮系數(shù)：物質(zhì)交換達到動態(tài)平衡時的濃縮系數(shù)。測定方法：優(yōu)缺點實驗室飼養(yǎng)法：條件易于控制，但數(shù)值不夠準(zhǔn)確野外調(diào)查法：數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，但技術(shù)難度大，可能時間周期長動力學(xué)方法：節(jié)省試驗時間，更適合大個體生物影響因素生理因素：如生物的生長、發(fā)育、大小、年齡環(huán)境因素：如污染物的濃度、化學(xué)形態(tài)、環(huán)境溫度、pH值、光照條件及季節(jié)2021/5/937表1－2汞在水生物中的富集生物類型汞濃度（ppm）濃縮系數(shù)食肉娃魚1-210000-20000小魚0.1-0.31000-3000低等動物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.00012021/5/938生物濃縮機理和濃縮模型2021/5/939qvCBiVBCBVTCTK2CTqvCBo血液組織圖1－6生物體某一組織生物濃縮的機理模型由此可知：生物組織中化合物的濃度不僅與該化合物在該組織中的代謝速率有關(guān)，還與進出組織的血液中的化合物濃度差成正比。2021/5/940影響生物濃縮的因素生物種的生物學(xué)特征不同組織器官的影響不同生育期與性別的關(guān)系污染物的性質(zhì)污染物濃度和作用時間環(huán)境條件2021/5/9411.5生物對污染物在環(huán)境中行為的影響

1.5.1生物污染（BiologicalPollution）

環(huán)境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙門氏菌、霍亂弧菌、腸道病毒等水體的富營養(yǎng)化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等營養(yǎng)元素物質(zhì)進入水體，使水中藻類等浮游生物旺盛增殖，從而破壞水體的生態(tài)平衡的現(xiàn)象。不良后果：微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的污染硫化氫酸性礦水硝酸和亞硝酸微生物毒素指微生物在其生長、代謝過程中所產(chǎn)生的毒素，可污染食品和環(huán)境，危害人類健康。如黃曲霉毒素、葡萄球菌腸毒素、藻類毒素等。2021/5/942酸性礦水反應(yīng)式？？成因由黃鐵礦（FeS2）氧化所產(chǎn)生的硫酸引起，微生物與形成酸性礦水的整個過程密切相關(guān)。當(dāng)pH<3.5時，鐵細菌即氧化亞鐵硫桿菌可催化鐵的氧化，其它如氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鐵桿菌都與酸性礦水的形成密切相關(guān)。危害酸性礦水中最有破壞性的組分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影響。防治利用碳酸鈣礦石中和過量酸性礦水，但Fe(III)往往同時存在，反應(yīng)后，pH上升，F(xiàn)e(OH)3立即覆蓋在碳酸鈣礦石的表面成為不透水層，這種保護效應(yīng)阻止了碳酸鈣對酸的進一步中和。2021/5/9431.5.2金屬的生物轉(zhuǎn)化金屬的毒性影響因素：金屬的濃度、金屬的存在狀態(tài)例如，六價鉻比三價鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機錫比無機錫毒，有機錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。金屬的微生物轉(zhuǎn)化微生物對金屬的毒性轉(zhuǎn)化，主要是氧化還原和甲基化作用。2021/5/944汞的轉(zhuǎn)化汞的存在形式無機汞：零價的金屬汞與一價汞鹽幾乎不溶;二價汞鹽除了硫化汞、碘化汞外幾乎均可溶解有機汞：汞易和有機基團形成化合物，通常是以共價鍵連接在碳原子上形成有機汞。汞化合物的毒性難溶的汞——生物吸收困難，毒性很小易溶的汞——容易吸收，毒性很強（其中甲基汞的毒性最強）毒性體現(xiàn)：生物的神經(jīng)系統(tǒng)受到傷害，神經(jīng)麻痹以致引起死亡。實例：日本的水俁灣甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。這類汞中毒一般都不是通過直接飲用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物鏈積累并由水中的魚類向上傳遞給人而