環(huán)境生物學第四章環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為

1、第四章 環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為一、環(huán)境污染概述1.環(huán)境污染（Environmental Pollution） : 有害物質(zhì)或因子進入環(huán)境，并在環(huán)境中擴散、遷移、轉(zhuǎn)化，使環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)生變化，對人類以及其他生物生存、發(fā)展產(chǎn)生不利影響的現(xiàn)象。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。自然過程引起的同類現(xiàn)象稱為自然突變或異常。2.環(huán)境效應環(huán)境污染所導致的環(huán)境變化環(huán)境生物效應:指各種環(huán)境因素變化而導致生態(tài)系統(tǒng)變異的效果,如水利工程、森林砍伐、癌癥患者增多。環(huán)境化學效應: 在多種環(huán)境條件的影響下，物質(zhì)之間的化學反應所引起的環(huán)境效果。如環(huán)境的

2、酸化、土壤的鹽堿化、地下水硬度的升高、光化學煙霧的發(fā)生等。環(huán)境物理效應: 環(huán)境物理效應是物理作用引起的環(huán)境效果。如熱島效應、溫室效應、噪聲、地面沉降等。3.污染源（Pollution Source）v 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 v 污染物的自然來源（Natural Source ） : 自然界向環(huán)境排放，如：活動的火山v 污染物的人為來源（Artificial Source ） : 來自人類活動，影響范圍廣、危害大4.污染物（Pollutant）： 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生存和發(fā)展物質(zhì)。生產(chǎn)性污染物和生活污染物 一次污

3、染物和二次污染物： 二次污染物：進人大氣一次污染物之間相互作用；一次污染物與正常大氣組分發(fā)生化學反應；太陽輻射下引起光化學反應而產(chǎn)生新污染物，它常比一次污染物對環(huán)境和人體危害更為嚴重。« 優(yōu)先污染物（Priority Pollutant）：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：有毒有機化學污染物、生物難降解性物質(zhì)、具有生物積累性、三致性污染物。«««環(huán)境污染的特點：影響范圍大；作用時間長；污染物濃度低、情況復雜；污染容易、治理難。二、污染物在環(huán)境中的遷移1.遷移：污染物在環(huán)境中發(fā)生的

4、空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失的過程。2.污染物進入環(huán)境的主要途徑（1）人類活動過程中無意排放(如交通事故和火災)。（2）工業(yè)三廢(廢水、廢氣和固體廢物徘放)。（3）人類活動過程中故意應用。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)境污染成為當代主要環(huán)境問題的原因之一。3污染物的遷移和轉(zhuǎn)化（污染物的環(huán)境行為）：污染物進入環(huán)境后由于自身物理化學性質(zhì)的決定和環(huán)境因素的影響，在空間位置或形態(tài)特征等方面發(fā)生一系列復雜的變化，又叫污染物的環(huán)境行為（environmental

5、behavior）。4.污染物在環(huán)境中的遷移方式 機械遷移:廢水、廢氣、廢渣的排放、丟棄、搬運以及各種有毒、有害物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應用 包括：水的機械遷移作用 ,氣的機械遷移作用 , 重力的機械遷移作用 物理化學遷移 污染物在環(huán)境中遷移的最重要的形式。（1）溶解沉淀作用、絡合螯合作用、吸附解吸作用、氧化還原作用、水解作用（2）化學分解、光化學分解、生物化學分解 生物遷移 : 污染物通過生物體的吸附、吸收、代謝、死亡等過程而發(fā)生的遷移. 例：生物通過食物鏈對重金屬的放大積累作用A . 生物濃縮 : 生物體內(nèi)該污染物的濃度超過環(huán)境中的濃度。B . 生物積累 : 生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、

6、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，又稱生物學積累。C . 生物放大： 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，又稱生物學放大。D .生物濃縮系數(shù)（Bioconcentration Factor, BCF）:作用：用于闡述生物濃縮、生物積累和生物放大þ 平衡濃縮系數(shù)：生物通過吸收、吸附、吞食、排出等過程，經(jīng)歷一段時間后達到平衡狀態(tài)時的濃縮系數(shù)。即物質(zhì)交換達到動態(tài)平衡時的濃縮系數(shù)。 一般多用來表示某種物質(zhì)在水中的濃度同在水生生物體內(nèi)的濃度之

7、間的關(guān)系.««« 三個概念的有何區(qū)別？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 #， KBCF #研究意義: 闡明人類的接觸時間、濃度、途徑、方式和條件，即接觸的真實情況。 遷移與轉(zhuǎn)化的相互關(guān)系：遷移為轉(zhuǎn)化提供了環(huán)境條件，轉(zhuǎn)化又為遷移提供了新的理化特征等物質(zhì)基礎 。5. 污染物的形態(tài)和分布 污染物的形態(tài):環(huán)境中污染物的外部形狀、化學組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式。 污染物的分布 : 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。三、污染物在環(huán)境中轉(zhuǎn)化1.污染物轉(zhuǎn)化（trans

8、formation of pollutants）: 污染物在環(huán)境中通過物理的、化學的或生物學的作用改變形態(tài)或轉(zhuǎn)變成另一物質(zhì)的過程。2.轉(zhuǎn)化形式：一、物理轉(zhuǎn)化: 指污染物通過蒸發(fā)、滲透、凝聚、吸附，以及放射性元素的蛻變等一種或幾種過程實現(xiàn)的轉(zhuǎn)化。 與污染物的遷移關(guān)系密切，如有機物的蒸發(fā)。二、化學轉(zhuǎn)化: 通過各種化學反應而發(fā)生的轉(zhuǎn)化，如氧化-還原、水解、絡合、光化學反應。 如：大氣中的光化學煙霧 水體中主要為氧化-還原與水解絡合，例砷的價態(tài)變化 土壤中農(nóng)藥的降解 :吸附催化而加速塑料的降解。三、生物轉(zhuǎn)化與生物降解作用: 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)

9、化為難降解結(jié)構(gòu)四、污染物的生物地球化學循環(huán): 生物的合成作用和礦化作用所引起的污染物周而復始的循環(huán)運動過程合成作用：生物（主要是綠色植物）將吸收的環(huán)境化學物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯矬w本身的有機物質(zhì)的過程。礦化作用：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（植物-動物-微生物）« 環(huán)境污染物對人體的毒作用的特點1. 多種污染物聯(lián)合作用，少數(shù)情況下是一種污染物的毒作用2. 多數(shù)情況下是低濃度，少數(shù)情況下是3. 多數(shù)是長期作用，少數(shù)情況是一次作用4. 多種途徑，如呼吸道、消化道、器官移植等5. 物理、化學和生物學的作用，發(fā)生一系列變化（轉(zhuǎn)化），產(chǎn)

10、生不同的危害6. 在污染范圍內(nèi)作用于整個人群，其中高危人群受到的 影響較早、較重四、污染物在生物體內(nèi)生物轉(zhuǎn)運、轉(zhuǎn)化1.生物轉(zhuǎn)運（biotransport）：外來化合物在生物體內(nèi)發(fā)生位移的過程，包括吸收，分布和排泄。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)。 結(jié)果:污染物在生物體內(nèi)位移;不同器官、組織等接觸不同濃度的污染物 I、生物膜功能：Ø 能保持細胞和細胞器內(nèi)部理化性質(zhì)的穩(wěn)定Ø 選擇性地允許或不允許某些物質(zhì)透過，以使吸收和排出一些物質(zhì)Ø 傳遞信息Ø 生物膜上的酶類(如混合功能氧化酶類等

11、) 對化學物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化過程起催化作用II、毒物的跨膜轉(zhuǎn)運方式1. 膜蛋白是膜功能主要體現(xiàn)者。核基因組編碼蛋白質(zhì)中30%左右為膜蛋白2. 膜蛋白在膜中的運動:1.側(cè)向擴散 2.旋轉(zhuǎn)運動3.膜脂和膜蛋白處于不斷的運動狀態(tài)，稱為膜的流動性，是細胞進行生命活動的必要條件。4.膜流動性的生理意義:當膜的流動性低于一定的閾值時，許多酶的活動和跨膜運輸將停止，反之如果流動性過高，又會造成膜的溶解。污染物毒性與生物膜什么特性有關(guān)？ 通透性毒物的跨膜轉(zhuǎn)運方式生物膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運不起主動作用非脂溶性的、分子量較大的化學物質(zhì)必須與生物膜組成成分發(fā)生可逆性結(jié)合，形成復合物膜行使載體的功能，運轉(zhuǎn)、釋放、再次轉(zhuǎn)運 特點

12、方式濃度梯度載體？ 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)二、生物轉(zhuǎn)運的過程( 一）、污染物在哺乳動物體內(nèi)生物轉(zhuǎn)、吸收：環(huán)境化學物自接觸部位，經(jīng)各種途徑透過機體的生物膜而進入血液的過程.消化道：最主要的途徑，飲水和進入食物鏈的環(huán)境污染物部位：可在消化道的任何部位，主要在小腸（有機堿）、胃（有機酸）方式：主要胃簡單擴散，也有濾過與主動運輸呼吸道：生產(chǎn)性毒物（蒸汽、氣體、氣溶膠）侵入機體的主要途

13、徑部位：主要在肺部吸收特點：對脂溶性、非脂溶性和離子都具有高度的通透性，速度僅次于靜脈注射方式：被動擴散、吞噬作用皮膚：部位：1、表皮2、皮膚附屬器（毛囊、汗腺及皮脂腺）吸收特點：對脂溶性、非脂溶性和離子都具有高度的通透性，速度僅次于靜脈注射方式 : 簡單擴散三生物轉(zhuǎn)化的過程相I過程（反應）:外源性化合物在有關(guān)酶系統(tǒng)的催化下經(jīng)由氧化、還原或水解反應改變其化學結(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。主要類型：氧化（微粒體混合功能氧化酶系（MFOS）催化的氧化反應），還原，水解相II過程（反應）: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

14、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。主要類型：結(jié)合反應四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，如對有機氰的水合反應，形成無毒的含氮有機化合物 外源性化合物生物轉(zhuǎn)化：解毒作用（失活）：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衔铩Ｔ龆咀饔茫ɑ罨菏蛊涠拘栽黾?分布(distribution) : 環(huán)境化學物被吸收進入血液和體液后，隨血液和淋巴的流動分散到全身各組織的過程。1、分布具體的過程： 外來物質(zhì)與

15、內(nèi)源性物質(zhì)結(jié)合：血漿蛋白、脂蛋白、多肽、有機酸 運輸：主要途徑是循環(huán)系統(tǒng) 分布：同一外來物質(zhì)在生物體不同組織間的分布有相當大的差異、排泄 主要從腎臟，其次是經(jīng)肝臟，揮發(fā)性物質(zhì)可經(jīng)呼吸道隨呼出氣排出1. 腎臟排泄：過程：腎小球濾過 腎小管重吸收 腎小管主動轉(zhuǎn)運2. 肝臟排泄：主要轉(zhuǎn)化部位；也可被肝細胞直接排泌入膽汁，不再進入血液循環(huán)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)：輸送有機酸系統(tǒng)、輸送有機堿系統(tǒng)、輸送中性化合物系統(tǒng) 、金屬轉(zhuǎn)運系統(tǒng)；過程：主動轉(zhuǎn)運 去向：肝腸循環(huán)3. 肺：對象：由呼吸道進入體內(nèi)的氣態(tài)、揮發(fā)性液態(tài)及不溶解的顆粒狀外來物過程：簡單擴散4. 其他：乳汁 汗液 唾液毛發(fā)，指甲：有些毒物如重金屬可通過指甲和毛發(fā)排

16、出（二）、污染物在植物體內(nèi)生物轉(zhuǎn)運的過程、污染物在植物體的吸收進入植物體內(nèi)三條途徑：1、根部吸收以及隨后隨蒸騰流而運輸?shù)街参锔鞑糠?、暴露在空氣中的植物地上部分，主要通過葉片上 的氣孔：大氣污染物3、通過植物地上表皮滲透：有機污染物(蒸氣態(tài))、污染物在植物體內(nèi)的運輸運輸部位：XB在植物體內(nèi)的遠距離運輸主要由維管系統(tǒng)完成,包括木質(zhì)部導管和韌皮部篩管運輸方向：根部吸收的無機離子主要經(jīng)木質(zhì)部向上運輸；植物葉片吸收磷酸以后沿著韌皮部向下運輸；也有部分葉片吸收的磷酸從韌皮部橫向運輸?shù)侥举|(zhì)部、污染物在植物體內(nèi)的分布þ 污染物在植物體內(nèi)分布的影響因素1、XB能否進入通道：重金屬進入運輸唯一的通道是

17、穿過內(nèi)皮層的原生質(zhì)體進入內(nèi)皮層以內(nèi)2、運輸距離：通常XB在植物體內(nèi)的分布格局與其在植物體內(nèi)的運輸距離有關(guān)、植物對污染物的排泄 : 無專門的排泄系統(tǒng)，但仍然需要向體外排泄體內(nèi)多余的物質(zhì)和代謝廢物，主要排泄方式有： 分泌五 生物對污染物在環(huán)境中行為的影響A 、生物引起的污染生物污染（Biological Pollution）：對人和生物有害微生物、寄生蟲等病原體和變應原等污染水、氣、土壤和食品，影響生物產(chǎn)量和質(zhì)量，危害人類健康。þ生物性污染來自于： 微生物及其產(chǎn)物的污染 : 作用分解作用;微生物是地球生物演化中的先鋒種類 ：微生物（細菌和藍細菌）是最早出現(xiàn)的生物體，在生物發(fā)展進化的初始階

18、段起著不可替代的作用。 微生物在物質(zhì)循環(huán)中的作用：地球上90%以上有機物的礦化都是由細菌和真菌完成。 危害微生物致病菌污染，對人、動物、植物和有益微生物構(gòu)成致病威脅 污染、毀損工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品和食品 對水域、土壤、大氣的污染 微生物產(chǎn)生各種毒素、氣體代謝產(chǎn)物、有毒產(chǎn)物污染環(huán)境(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)酸性礦水 成因：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)。 植物及其產(chǎn)物對環(huán)境的影響 作用生態(tài)系統(tǒng)中重

19、要的生產(chǎn)者消費者與分解者唯一能量來源植物群落的時空結(jié)構(gòu)往往對生態(tài)系統(tǒng)的形態(tài)植物是有機物質(zhì)和能量的貯存者物質(zhì)循環(huán)中的重要成員地球生物演化中的先鋒種類 危害某些入侵植物瘋長、擠壓其他植物 產(chǎn)生特異氣味 , 產(chǎn)生過敏物質(zhì)產(chǎn)生各種有毒物質(zhì)污染食物或中草藥物 動物及其產(chǎn)物對環(huán)境的影響 危害如果超出某一密度范圍，生產(chǎn)者的生產(chǎn)力不足以支撐消費者的消耗，即造成生態(tài)失衡，甚至造成災難大量排泄物成為環(huán)境一大有機污染源 許多動物帶有令人不愉快的氣味 許多動物攜帶并傳播人畜共患病病原菌或致人疾病 ：瘧疾、狂犬病、瘋牛病、禽流感等產(chǎn)生毒素危害人類和其他生物：蛇毒、蟾蜍、河豚、蜘蛛、蜈蚣、黃蜂、松毛蟲啃食建筑材料，毀損建

20、筑構(gòu)物：白蟻、老鼠 轉(zhuǎn)基因生物對環(huán)境安全性的影響與控制þ 轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性問題基因一旦被改動，一方面可能引起生物體內(nèi)一系列未知的結(jié)構(gòu)與功能的變化；另一方面，轉(zhuǎn)基因操作對生物體的影響會通過遺傳傳遞。外源基因引入后，是否會影響其他重要的調(diào)節(jié)基因，甚至會激活原癌基因？轉(zhuǎn)基因技術(shù)廣泛應用是否會導致難以消滅的新病原物出現(xiàn)？是否會造成生態(tài)學災難？人類攝食大量轉(zhuǎn)基因食品是否會影響人類及其后代的健康？þ 轉(zhuǎn)基因生物與環(huán)境安全a.引起環(huán)境安全的理由:打破自然物種原有界限,改變生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán),重組微生物可能對人類的生活環(huán)境造成二次污染,重組DNA與微生物雜交,可能產(chǎn)生有害病原微生

21、物;轉(zhuǎn)基因植物花粉中有毒物質(zhì)可通過蜜蜂進入蜜蜂,再經(jīng)過食物鏈傳遞;b.不引起環(huán)境安全的理由:轉(zhuǎn)基因不會改變生物原有分類地位,不會破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;轉(zhuǎn)基因抗蟲作物的種植,減少了農(nóng)藥的使用量;抗除草劑農(nóng)作物的種植,減輕了農(nóng)田管理的負擔,保護了農(nóng)田的土壤環(huán)境;B 生物入侵及危害 : 一個物種在新的生存環(huán)境中無節(jié)制繁衍 原因：不受同類的食物競爭 ；不受天敵傷害；繁殖能力強等 方式：自然入侵：美洲斑潛蠅是靠自然因素入侵我國 無意引進：松材線蟲”是我國貿(mào)易商在進口設備時隨著木材制包裝箱帶進來的 有意引進：外來生物入侵最主要渠道，世界各國出于發(fā)展農(nóng)業(yè)、林業(yè)和漁業(yè)的需要，有意識引進優(yōu)良動植物品種。由于缺乏全面綜合風險評估制度，在引進優(yōu)良品種的同時也