3環(huán)境污染及其生態(tài)效應(yīng)

1、第三章 環(huán)境污染及其生態(tài)學(xué)效應(yīng)1 概述 1.1 環(huán)境污染 1.2 污染源 1.3 污染物與污染類型 1.4 水污染2 有機(jī)污染及其生態(tài)學(xué)效應(yīng)2.1 好氧有機(jī)物污染 2.2 合成有機(jī)物污染 2.3 石油污染 2.4 酚類污染3 無機(jī)污染及其生態(tài)學(xué)效應(yīng)3.1 重金屬污染 3.2 非金屬污染1 概述1.1 環(huán)境污染（Environmental Pollution） 當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生突變或在環(huán)境中引入生物難以忍受的物質(zhì)時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)本身不能取出這些影響，生態(tài)平衡被打破或擾亂的現(xiàn)象。 即：有害物質(zhì)在環(huán)境中擴(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化，使生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化，并對(duì)人類及其他生物產(chǎn)生不利影響。 四大危機(jī)、三大問題。

2、 環(huán)境污染問題，由來已久。 二十世紀(jì)五十年代，工業(yè)化、城市化，公害事件。1.2 污染源（Pollution Source） 是造成環(huán)境污染的污染物發(fā)生源，亦即污染物質(zhì)的來源。 泛指：產(chǎn)生污染物質(zhì)的區(qū)域、場(chǎng)所 具體來說：特定的設(shè)備、裝置 1 工業(yè)交通污染源 廢氣、廢水、廢渣、余熱、噪聲、振動(dòng)、泄漏、輻射等 2 農(nóng)業(yè)污染源 農(nóng)藥、化肥、地膜、病原微生物、水土流失等 3 生活污染源 廢氣、廢水、廢渣、日用化學(xué)品等 4 特殊污染源 核工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)等 5 二次污染 大氣飄移、水的流動(dòng) 6 自然污染源 火山、火災(zāi)、風(fēng)化、滑坡與泥石流等1.3 污染物與污染類型 污染物（Pollutant）：造成環(huán)境污染

3、的所有物質(zhì)的總稱。 1 按污染環(huán)境性質(zhì) 大氣污染 Atmosphere Pollution or Air Pollution 土壤污染 Soil Pollution 水體污染 Aquatic Pollution 2 按污染物來源 自然污染物 自然環(huán)境本身造成的 人為污染物 生產(chǎn)性、生活性 3 按污染物性質(zhì) 化學(xué)污染、物理污染、生物污染 4 按污染物形態(tài) 氣體、液體、固體 5 按污染物理化性質(zhì)變化 一次污染、二次污染 6 按污染物的性質(zhì)，從生態(tài)系統(tǒng)著眼 非降解性污染物（Non-degradable Pollutants）：在自然界不能降解或降解緩慢的污染物質(zhì)。 包括重金屬鹽類、石油化工產(chǎn)品、塑料

4、橡膠制品、部分農(nóng)藥等。 生物降解性污染物（ Bio-degradable Pollutants）：生態(tài)系統(tǒng)自身能夠分解的污染物質(zhì)。 包括食品工業(yè)廢水、生活污水、生活垃圾等1.4 水污染 水污染（Aquatic Pollution）：污染物質(zhì)進(jìn)入水體使水質(zhì)變壞、惡化，并使水的用途受到不良影響的現(xiàn)象。 結(jié)果：改變了水的化學(xué)組成、物理性質(zhì) 使水生生物種類組成、種群數(shù)量發(fā)生明顯變化1.4.1 水資源（Water Resources）圖1.1 海洋水、內(nèi)陸水比例圖1.2 內(nèi)陸水分布 據(jù)測(cè)算，全球總水量約為 13.86108 km3，淡水資源總量僅有0.35108 km3，但加上淺層地下水，人類可開發(fā)利用

5、的淡水資源僅有 0.1065108 km3。 我國水資源總量約為 0.027108 km3，居世界第六位； 但是人均占有量僅及世界的 1/4，居世界第八十八位。 再從河流總徑流量看： 全球總徑流量 4.7104 km3 人均占有 7800 m3 我國 2700 2250 占世界的 2/35 2/7 我國是世界上 13 個(gè)貧水國之一。 僅農(nóng)業(yè)每年就缺水 300108 m3，受旱農(nóng)田 1300-2000104 ha； 300 多個(gè)城市缺水，缺水量達(dá) 58108 m3 。1.4.2 水污染概況 國際水污染的典型案例萊茵河 全長 1320 km，流經(jīng)瑞士、法國、德國、荷蘭 上游，瑞士境內(nèi)，能見度 3

6、m ； 到達(dá)德、荷邊境，能見度僅 50 cm 。 混入各種有機(jī)化合物 30 余種，水生生物幾近滅絕。 美國，河流總長 42104 km ，被污染 12104 km 密西西比河，殺蟲劑、氧化物、酚、砷、汞等應(yīng)有盡有-“毒河” 伊利湖，接納污水 740104 t/d “死湖” 我國水體污染問題日益嚴(yán)重。 1985年，排放污水 342108 t，工業(yè)廢水 265108 t，處理率 2% 2000年 415 194 82% 2002年 440 207 武漢市 2002年 7 3.5 27.2% 由于大量污水未經(jīng)處理或僅經(jīng)過簡單處理就直接排放，導(dǎo)致全國 1/3 以上河流受污，90% 以上城市水域嚴(yán)重污染

7、。 全國有監(jiān)測(cè)的 1200 多條河流，850 條受污，5322 km 魚蝦絕跡； 27 條主要河流，15 條嚴(yán)重污染； 長江接納的污水更是達(dá)到其流量（31060 m3/s）的 1.2%。2 有機(jī)污染及其生態(tài)學(xué)效應(yīng)2.1 好氧有機(jī)物污染物 生物尸體、污水或有機(jī)垃圾中的營養(yǎng)物質(zhì) 有機(jī)肥料；過肥 水體富營養(yǎng)化（Eutrophication）：水流緩慢或更新期長的地表水，由于接納了大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)及淤積作用的影響，水體容積減小、氧氣條件惡化、生源物質(zhì)數(shù)量增多，從而水質(zhì)由瘦變肥，生物總量增加，但許多典型清水種類從生物區(qū)系中消失生物多樣性下降，并最終導(dǎo)致魚類及其它水生生物的大量死亡。2.2 合成有機(jī)

8、污染物 主要有兩大類：有機(jī)農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯2.2.1 有機(jī)農(nóng)藥 化學(xué)農(nóng)藥的使用，挽回了大量的糧食： 全球糧食總產(chǎn)量的 15%； 我國 7% 左右，棉花 18% 但是，寂靜的春天（Rachel Carson）正在向全球蔓延 有機(jī)磷農(nóng)藥：易降解，一般不會(huì)形成污染 有機(jī)氯農(nóng)藥：難降解，極易富集。 二十世紀(jì) 30 40 年代廣泛應(yīng)用 八十年代中前期開始禁產(chǎn)、禁用 農(nóng)藥的生態(tài)效應(yīng)： 1 對(duì)食物鏈的影響 去除食物鏈的某一環(huán)節(jié)，使前一環(huán)節(jié)生物大量繁殖，從而引發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的一系列變化。 六六六、1605 防治水稻螟蟲 殺死蜘蛛 飛虱爆發(fā) 魚藤酮?dú)⑺吏~類 2 6 周內(nèi)水生昆蟲大量增加 2 對(duì)生物種群的影響 使用毒死

9、蜱控制蚊子 浮游甲殼動(dòng)物減少、浮游植物“開花” 敵草隆的降解產(chǎn)物抑制亞硝化細(xì)菌 氟禾靈抑制大豆根瘤菌的形成 施用西瑪津 4.5 9 kg/ha 除草，土壤中無脊椎動(dòng)物數(shù)目可減少33 50%；施用農(nóng)藥較多，蚯蚓死亡率可高達(dá) 90%。2.2.2 多氯聯(lián)苯（PCB） 由 Cl- 取代苯環(huán)上的 H+ 形成聯(lián)苯，自然界不存在： 1 不燃燒，絕緣、絕熱性能好 2 與塑料的混合性能良好 3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、難降解，耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐風(fēng)化 4 微溶于水，易溶于脂肪、烴類溶劑 因此，廣泛應(yīng)用于絕緣油、熱介質(zhì)、特殊潤滑油、可塑劑、涂料及復(fù)寫紙等的制造中。 在生產(chǎn)、加工、使用、存儲(chǔ)、廢棄物燃燒過程中會(huì)揮發(fā)并積蓄在空氣

10、、水和土壤中。 據(jù)估計(jì)，海洋、土壤和大氣中存在的總量高達(dá) 2530 萬 t。 多氯聯(lián)苯的生態(tài)效應(yīng)： 1 對(duì)水生生物的作用 含氯 42% 的氯代聯(lián)苯，10-25 ug/L，影響硅藻 RNA 的合成 對(duì)牡蠣，0.001 mg/L 抑制 19% 0.01 41% 0.1 100% 2 對(duì)人體健康的影響 最早的 PCB 中毒事件是 1968 年的日本米糠油事件。 對(duì)其中的 13 個(gè)孕婦的觀察，活產(chǎn) 11 胎、死產(chǎn) 2 胎。 活產(chǎn)的 11 胎中，全部皮膚顏色異常、眼分泌物增加、個(gè)體小。2.3 石油污染 “四油三途徑”：原油、汽油、煤油、柴油 生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用 石油及其制成品對(duì)生物來說，大多有毒，但主要是

11、飽和烴類和芳香烴類。 小分子飽和烴：沸點(diǎn)低、毒性大。甲烷：-161，乙烷：-88 大分子飽和烴：沸點(diǎn)高、部分有毒性 稠環(huán)芳香烴：毒性大，致癌。萘、蒽、菲。備受關(guān)注 毒性順序：烷烴 環(huán)烷烴和烯烴 芳香烴 己烷 己烯 環(huán)己烷環(huán) 己烯苯 苯 二甲基苯 三甲基苯 形成油膜、致畸、異味2.4 酚類污染 地表水“五毒之首”：酚、氰、汞、砷、鉻。 低沸點(diǎn)的揮發(fā)性酚：單元酚苯酚、間甲酚、銀甲酚、對(duì)甲酚、二甲酚等 低沸點(diǎn)的非揮發(fā)性酚：多元酚苯二酚、聯(lián)苯三酚等 工業(yè)廢水中含苯酚較多，含量變化較大，在 180000 mg/L之間，因此，測(cè)定指標(biāo)常用揮發(fā)性酚。 對(duì)植物，由于解毒作用，毒性較小，適量無害有益，刺激生長；

12、 過量則破壞膜的透性、可食部分有異味等 對(duì)動(dòng)物，0.1 0.2 mg/L 時(shí)，魚肉有異味； 性腺吸收比肌肉快； 20 mg/L 時(shí)，胚胎致畸率 30% 左右3 無機(jī)污染物 分為兩大類：重金屬和非金屬3.1 重金屬 重金屬的范圍很廣，一般認(rèn)為比重大于 5（約 45 種）或 4（約60 種）或者原子序數(shù)大于 20 即是重金屬。 包括鋅、銅、鈷、鎳、錫、鋁、鐵等常見元素，是微量元素。 引起污染的主要是指汞、鎘、鉻、砷、鉛等劇毒元素。 其特點(diǎn)是：穩(wěn)定性、累積性； 不易降解，易發(fā)生形態(tài)轉(zhuǎn)化。 作用機(jī)理： 與 NH2、-NH、-SH 等親核基團(tuán)（提供電子）發(fā)生作用。3.1.1 汞（Hg）3.1.1.1 存

13、在形式 單質(zhì)汞：Hg+、Hg2+ 無機(jī)汞化合物：Hg2Cl2、HgCl2、HgO、HgCl3- 高 pH 時(shí)，為 Hg(OH)+、Hg(OH)2、Hg(OH)3- 有機(jī)汞化合物：CH3Hg+、(CH3)2Hg、C6H5Hg+ 3.1.1.2 轉(zhuǎn)化 絡(luò)合反應(yīng)：RHgXRHg+X X能提供電子對(duì)的原子或基團(tuán)（如：Cl-、OH-） 甲基化：厭氣菌CH3Hg+(CH3)2Hg或者HgX2Hg2+2X-厭氣菌CH3Hg+(CH3)2HgHg2+R-CH33.1.1.3 汞的循環(huán)特點(diǎn) 1 只有 Hg2+ 才能甲基化，需要微生物參與，是生物化學(xué)反應(yīng)。甲基化Hg2+Hg+ 2 pH值對(duì)甲基化過程有重要影響，最

14、佳為 4.5，較高的pH值有利于二甲基汞的形成，不同條件下可相互轉(zhuǎn)化。 3 甲基汞易溶于水；pH值較低時(shí)，甲基汞的積累比二甲基汞要快 6000 倍。 4 二甲基汞具有揮發(fā)性，揮發(fā)到空氣中后，受紫外線輻射，分解為單質(zhì)汞和甲基，甲基則生成甲烷或乙烷。 5 汞和甲基汞的生物濃縮系數(shù)為 500010000 倍。 日本水俁病。3.1.2 鎘（Cd） 鎘為相對(duì)稀有的金屬，在自然界不單獨(dú)存在，總是與鉛鋅礦、鉛銅鋅礦共存。3.1.2.1 存在形式 Cd2+、Cd(OH)+、Cd(OH)3-、CdCl+、Cd(OH)2Cl- 與汞類似，大部分被腐殖質(zhì)吸附，沉積在底泥或懸浮物中。3.1.2.2 轉(zhuǎn)化Cd(OH)2

15、0pH9時(shí)pH9時(shí)Cd2+ + OH-Cd(OH)+ pH8時(shí)pH8時(shí) 在海洋中，由于 Cl- 競爭力比 OH- 強(qiáng)，所以主要形成 CdCl20 和CdCl3-。 日本富山骨痛?。ㄍ赐床。?。Cd2+ + S2- CdSCd2+ + S2- 低Eh高Eh3.1.3 鉻（Cr）3.1.3.1 存在形式與含量 微量元素，廣泛存在。常見為 Cr3+、Cr6+，常見化合物有： Cr2O3、CrO3、CrCl3、Na2CrO4、K2CrO4、NaCr2O7、KCr2O7 海水：日本海 0.040.07 英格蘭 0.130.25 ug/L 美國 15 條河流 110 ug/L 愛爾蘭 0.46 低層大氣：0

16、.32 mug/m3，平均為 1 mug/m3 土壤：較高，變動(dòng)大，約為 53000 mg/kg，平均為 100 mg/kg 3.1.3.2 轉(zhuǎn)化4Cr(OH)2+ + 3O2 + 2H2O4CrO42- + 12H+堿性條件下，氧化酸性條件下，還原3.1.3.3 生態(tài)效應(yīng) 1 生理作用 Cr3+，微量元素，成年人攝入量為 510 ug/day。 人體缺鉻時(shí)，易誘發(fā)糖尿病、高血糖癥胰島素轉(zhuǎn)化效率低； 可能誘發(fā)冠心病死者主動(dòng)脈檢不出鉻 2 鉻中毒 通常 Cr6+ 有劇毒， Cr3+ 毒性低，相差約 100 倍。 重鉻酸鹽對(duì)人的致死劑量為 3 g. 空氣：2.54 ug/m3，有感覺；1024 u

17、g/m3 ，強(qiáng)烈刺激。 水：1 mg/L，Cr6+ 污染的井水，有一家人飲用三年，無反應(yīng)； 2.53.5 mg/L，發(fā)現(xiàn)有一定影響。3.1.4 砷（類金屬，As）3.1.4.1 存在形式與含量 大多以化合物，即砷酸鹽獲亞砷酸鹽的形式存在：H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42- 及 H3AsO3、H2AsO3- 等。 含量：大氣 城市平均 0.7 ng/m3，原油最高可達(dá) 140 mg/m3 水 海水 23 ug/L，淡水 1 ug/L 左右 溫泉較高，日本平均 0.3 mg/L，最高 5.1 mg/L 土壤 全球平均 5 mg/L 前蘇聯(lián) 3.6 mg/L（110） 美國 7.5 mg/

18、L（120） 日本 24 mg/L（851）3.1.4.2 轉(zhuǎn)化 水體中砷的轉(zhuǎn)化，依賴于 pH值、Eh。 D.O. 飽和時(shí)， H3AsO4、H2AsO4-、HAsO42-及AsO43- 比較穩(wěn)定； 中等狀態(tài)時(shí)，H3AsO3、H2AsO3-、HAsO32- 比較穩(wěn)定。 砷與鐵之間有很強(qiáng)的親和力。 砷酸、亞砷酸都能被氧化鐵吸附而沉淀。 環(huán)境中 Eh 的下降、pH 值的升高，可顯著提高砷的水溶性。 在低 pH 條件下，HAsS2 為主要的硫化物存在形式； 在低 Eh 條件下，以 AsH3 的形式存在。3.1.4.3 生態(tài)效應(yīng) 1 富集作用 海洋生物比淡水生物富集能力強(qiáng) 水生植物比水生動(dòng)物富集能力強(qiáng)

19、海洋：動(dòng)物 964100 淡水：動(dòng)物 330 植物 5071000 植物 120000 2 砷中毒 As3+ 對(duì) -SH 的親和力比 As5+ 要高約 60 倍 1956年日本“森永奶粉事件”：遍及 27 個(gè)都道府縣 中毒 12131 人，死亡 130 人 3 致癌、致畸、致突變3.1.5 鉛（Pb）3.1.5.1 存在形式與分布 自然界的鉛可廣泛地與各種無機(jī)、有機(jī)酸結(jié)合形成鉛鹽。 僅有 Pb(C2H3O2)2、Pb(ClO3)2、Pb(NO2)2、PbCl2 等幾種易溶于水，其它各種鉛鹽都難溶或不溶于水。 大氣：遠(yuǎn)離人類活動(dòng)地區(qū) 0.00010.001 ug/m3 美國、日本大城市 5 ug

20、/m3 水：全球地面水平均 0.5 ug/L，地下水 160 ug/L 土壤：遠(yuǎn)離人類活動(dòng)地區(qū) 525 mg/L，全球平均 1520 mg/L 冶煉廠附近可達(dá) 1000 mg/L 礦區(qū)附近嚴(yán)重污染區(qū)可達(dá) 5000 mg/L3.1.5.2 遷移轉(zhuǎn)化 在水體中，鉛的含量主要受 CO32-、SO42-、OH-、Cl- 等含量的影響，即溶解作用與絡(luò)合作用的影響。 在自凈作用過程中，主要是懸浮物和底泥的吸附作用。 在土壤中，存在著陽離子交換復(fù)合體的吸附作用、植物體的吸收作用。 pH 值的降低，使固態(tài)的鉛鹽轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)； 土壤的負(fù)電性、Pb 及陽離子交換復(fù)合體的離子勢(shì)對(duì)吸附作用影響較大。 在微生物作用下，可甲基化生成四甲基鉛。3.1.5.3 生態(tài)效應(yīng) 造血、神經(jīng)、腎臟；致癌、致畸、致突變。3.2 非金屬 包括氰化物、硫化物、碳氧化合物、氮氧化合物、氮和磷、氟化物等等非金屬元素及其化合物。3.2.1 氰化物（CN-）3.2.1.1 存在形式及來源