污染生態(tài)學理論第一章生物對污染物的吸收和遷移

1、1污染生態(tài)學理論Pollution ecology第一章：生物對污染物的吸收和遷移（Chapter 1： Rules of pollutant uptake and translocation in living organisms ）2 二、植物對污染物的吸收與遷移內容提要 一、基本概念 三、動物對污染物的吸收與遷移 四、微生物對污染物的吸收與遷移 五、影響植物吸收、遷移污染物的因素3一、基本概念污染物、毒物與毒性劑量 4污染物（pollutant） 辭海：進入環(huán)境后能直接或間接危害人類的物質，如火山灰、二氧化硫、汞等； 中國大百科全書環(huán)境科學卷：進入環(huán)境后使環(huán)境的正常組成發(fā)生直接或間接有害

2、于人類的變化的物質。進入環(huán)境后使環(huán)境的正常組成發(fā)生直接或間接有害于生物生長、發(fā)育和繁殖的變化的物質（王煥校等，2000）。這類物質有自然排放的，也有人類活動產(chǎn)生的。環(huán)境科學研究的主要是人類生產(chǎn)和生活排放的污染物。5污染物的性質 一種物質成為污染物，必須在特定的環(huán)境中達到一定的數(shù)量或濃度，并且持續(xù)一定的時間。污染物會在環(huán)境中發(fā)生轉化，即具有易變性。6優(yōu)先污染物（Priority pollutant） 由于有毒物質品種繁多，不可能對每一種污染物都制定控制標準，因而提出在眾多污染物中篩選出潛在危險大的作為優(yōu)先研究和控制對象，稱之為優(yōu)先污染物。 1988年我國初步提出水中優(yōu)先控制污染物黑名單，共14類

3、68種。14類分別是：揮發(fā)性鹵代烴、苯系物、氯代苯類、多氯聯(lián)苯、酚類、硝基苯類、苯胺類、多環(huán)芳烴類、酞酸脂類、農藥、丙烯醛、亞硝胺類、氰化物、重金屬及其化合物。78持久性有機污染物 持久性有機污染物（Persistent Organic Pollutants, POPs），指一類具有半揮發(fā)性、難降解、高脂溶性等理化性質，可進行遠距離甚至全球尺度的遷移擴散，并通過食物鏈在生物體內濃縮積累，對人體和生態(tài) 環(huán)境產(chǎn)生毒性影響的有機污染物。如DDT，PCB等。9POPs的主要環(huán)境特點持久性；生物累積性；長距離運輸；生物毒性。10首批列入關于持久性有機污染物的斯德哥爾摩公約受控名單的12種POPs有意生產(chǎn)

4、有機氯殺蟲劑：滴滴涕、氯丹、滅蟻靈、艾氏劑、狄氏劑、異狄氏劑、七氯、毒殺酚； 有意生產(chǎn)工業(yè)化學品：六氯苯和多氯聯(lián)苯； 無意排放工業(yè)生產(chǎn)過程或燃燒生產(chǎn)的副產(chǎn)品：二惡英（多氯二苯并-p-二惡英）、呋喃（多氯二苯并呋喃）11環(huán)境激素（Environmental Endocrine Disruptors, EEDs ）環(huán)境激素，是指那些由于人類活動而釋放到環(huán)境中，且能干擾生物體正常激素功能，引起內分泌紊亂，使生殖機能失常的化學物質，也稱為“環(huán)境荷爾蒙”、“外因性內分泌干擾物質”。環(huán)境激素包括二惡英（TCDD）、二氯二苯氯乙烷（DDT）、多氯聯(lián)苯（PCBs）、石棉、汞、鎘及其化合物、苯乙烯、聚碳酸脂塑料

5、等有害物質。12揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds, VOCs）13一些能污染環(huán)境和危害健康的VOCs14持久性有毒物（Persistant Toxicity Substances, PTS）15毒物（toxicant）毒物（toxicant）是指對有機體產(chǎn)生有害作用（毒作用）的化學物質（P198）。毒物是指在一定條件下，較小劑量就能對機體產(chǎn)生損害作用或使機體出現(xiàn)異常反應的外源化學物（李建政等，2006）。能對人畜魚禽或其他生物體顯示體內毒性的那些環(huán)境污染物又可稱為環(huán)境毒物（何燧源，2002）。環(huán)境毒物可分為化學性的、生物性的和物理性的三類。16毒性（ toxi

6、city）毒性是指一種物質對生物體易感部位產(chǎn)生有害作用的性質和能力。毒性分級：在我國，常見的是將毒物分為劇毒、高毒、中等毒、低毒和微毒這五級。17二、劑量 一般指給予機體的或機體接觸的外源化學物數(shù)量。毒理學常用的劑量概念如下：安全濃度(safe concentration) 最大無作用濃度（maximal no effect level） 最小有作用濃度（minimal effect level） 效應濃度（effective concentration）致死濃度(lethal concentration) 18概念解釋安全濃度（safe concentration）：生物與某種污染物長期接觸

7、，仍未發(fā)現(xiàn)受害癥狀，這種不會產(chǎn)生受害癥狀的濃度稱之為安全濃度。最大無作用濃度（maximal no effect level）：未能觀察到任何損害作用的最高劑量。最小有作用濃度（minimal effect level）：能使生物體開始出現(xiàn)毒性反應的最低劑量。效應濃度（effective concentration）：在某一期限內導致某一特殊反應的毒物濃度。 19概念解釋致死濃度（lethal concentration）：一次染毒后引起受試動物死亡的濃度。 致死濃度分絕對致死濃度、半數(shù)致死濃度和最小致死濃度等（指一次染毒后引起受試動物個別死亡的濃度）。20二、植物對污染物的吸收與遷移（一）植

8、物對污染物的吸收（二）植物對污染物的遷移21（一）植物對污染物的吸收植物對化學物的吸收是一個復雜的生理過程，它一方面與吸水有關系，另一方面又有它的獨立性，同時對不同離子的吸收還有選擇性。植物吸收污染物的主要器官是根，但葉片也能吸收污染物。22（一） 植物對污染物的吸收1.根部的吸收根尖是植物根部吸收環(huán)境化學物的主要部位，其中根毛部是根部吸收最活躍的區(qū)域。根部對土壤溶液中離子的吸收過程可以分為幾個步驟：將離子吸附到根細胞表面；離子通過自由空間（外部空間）進入皮層內部 ；離子通過內部空間進入木質部；離子進入導管 。23 根毛及其放大圖根毛土壤水分土壤顆粒根毛24步驟之一：將離子吸附到根細胞表面水溶

9、態(tài)的污染物到達根表面，主要有兩個途徑：一條是質體流途徑（mass flow），即污染物隨蒸騰拉力，在植物吸收水分時與水一起到達植物根部；另一條是擴散途徑，即通過擴散而到達根表面。在土壤中，重金屬的擴散一般遵循Fick的第二法則，它的平均擴散距離為：x2 = 2DT，式中D是擴散系數(shù)(cm2/s)，t是時間(s)。 25步驟之一：將離子吸附到根細胞表面土壤中重金屬離子的擴散系數(shù)為：Zn2+ ： 310-10cm2/s；Mn2+ ：310-8cm2/s。如用上述公式求算100天內Zn2+ 和Mn2+ 移動的平均距離，則Zn2+：x=7.210-2；Mn2+：x=7.210-1。結果證明兩種重金屬移

10、動速度(擴散)是很慢的，只是靠近根部的重金屬才能通過擴散作用到達根表面?？梢姡廴疚镏饕ㄟ^質體流途徑到達根表面。26步驟之一：將離子吸附到根細胞表面根部細胞在吸收離子的過程中，同時進行著離子的吸附與解吸附。這時，總有一部分離子被其他離子所置換。由于細胞的吸附具有交換性質，因此也稱交換吸附。質膜表層有陰陽離子，其中，主要是H+、HCO3-，這些離子主要是由于呼吸放出的CO2和H2O生成的H2CO3所離解出來的。27根土粒K+H+土粒K+根H+接觸交換 28根H+ + HCO3 - 土粒K+ +HCO3 -CO2H2OK+K植物根部通過土壤溶液和土粒進行離子交換2930步驟之二：離子通過自由空間

11、（外部空間）進入皮層內部 根部有一個與外界溶液保持擴散平衡、自由出入的外部區(qū)域，稱為自由空間或外部空間。包括根部的細胞壁、胞間層和細胞間隙等部分。離子和水分就是通過自由空間迅速地由根表面到達皮層內部。植物的細胞壁是污染物進入植物細胞的第一道屏障，在細胞壁中的果膠質成分為結合污染物提供了大量的交換位點。31質外體運輸共質體運輸木質部內皮層皮層表皮根毛質外體運輸H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O3233步驟之三：離子通過內部空間進入木質部除外部空間外，根部還有一個逆濃度梯度主動進入細胞的、不能擴散的內部區(qū)域，稱為內部空間。當離子被吸附在細胞膜表層后，經(jīng)主動轉運、被動轉運和膜動轉運等方

12、式進入細胞內。離子也可以經(jīng)過胞間連絲從一個細胞轉運到另一個細胞，由表皮運至木質部。3435 物質的跨膜轉運 被動轉運（簡單擴散、易化擴散）主動轉運膜動轉運（胞吞和胞吐）：轉運過程中細胞膜結構發(fā)生變化。此種轉運過程具有特異性，生物膜也呈現(xiàn)主動選擇性并消耗一定的能量。 胞吞作用是將細胞表面的顆粒物轉運入細胞內的過程；胞吐作用是將顆粒由細胞內運出的過程。3637膜動轉運38步驟之四：離子進入導管 離子從導管周圍的薄壁細胞向導管轉運的機理還不能確定，有兩種可能的方式：一是被動性地隨水分流動而進入，二是導管周圍薄壁細胞對離子選擇性地轉運。39（一） 植物對污染物的吸收2. 地上部分的吸收植物地上部分的營

13、養(yǎng)體包括葉、枝條和莖干，對外源化學物吸收的主要器官是葉片，而莖干部和枝條有較厚的外皮層保護，可以有效地阻止環(huán)境化學物的吸收。環(huán)境化學物可以通過氣孔進入葉內，也可以從角質層透入。植物葉片表面覆蓋著的角質層是由多糖和角質（脂類化合物）組成的保護層，無結構，不易透水，但是角質層有裂縫，呈細微的孔道，可讓溶液通過。 40氣孔結構和開關機理4142用硝酸鉛涂葉片各部位鉛增加量(%)（王煥校等，1985）萵苣土根肉質莖(可食部分)葉片對照100100100100500mg/l12.112.659.52 8142 000mg/l9.534.2826.513 6633 000mg/l2.6102939.417

14、 66443（二）植物對污染物的遷移環(huán)境化學物在植物體內遠距離運輸?shù)闹饕怯删S管系統(tǒng)完成，其運輸通道包括向上的木質部導管和向下的韌皮部篩管。在植物根部外皮層和內皮層之間有一特殊結構，稱為凱氏帶（casparians strip），可以控制被根系吸收的外源污染物的運輸。凱氏帶是內皮層細胞在側壁和橫壁上的部分加厚并木質化和栓質化形成的。44三、動物對污染物的吸收和遷移（一）動物對污染物的吸收動物對污染物的吸收一般是通過呼吸道、消化道、皮膚等途徑。經(jīng)呼吸道吸收經(jīng)消化道吸收（主要途徑）經(jīng)皮膚及其他途徑的吸收（表皮和真皮）45（二）動物對污染物的遷移污染物在動物體內遠距離運輸?shù)闹饕緩绞茄h(huán)系統(tǒng)，其通道

15、由血管和淋巴管構成。經(jīng)消化管吸收的外源化學物首先進入肝門靜脈，再被輸送到肝臟進行生物轉化；經(jīng)呼吸道吸收的外源化學物運輸特點是它們不先經(jīng)肝臟解毒，而是經(jīng)肺循環(huán)直接進入循環(huán)系統(tǒng)而分布于全身組織細胞。由皮膚吸收的外源化學物進入毛細血管網(wǎng)和淋巴管網(wǎng)，亦不先進入肝臟解毒。 46四、微生物對污染物的吸收和遷移（一）微生物對污染物的吸收革蘭氏陽性菌的細胞壁有一層很厚的、網(wǎng)狀的肽聚糖結構，在細胞壁表面存在的磷壁酸質和糖醛酸磷壁酸質連接到網(wǎng)狀的肽聚糖上。磷壁酸質的磷酸二酯和糖醛酸磷壁酸質的羧基使細胞壁帶負電荷，具有離子交換的性質，能與溶液中帶正電荷的離子進行交換反應。革蘭氏陰性菌的細胞壁中，兩層膜之間只有很薄的

16、一層肽聚糖結構，因此，一般說來它們固定污染物的量比較低。474849革蘭氏染色操作步驟50（二）生物體對污染物的遷移污染物吸附到細胞表面后，由于細胞的能量轉移系統(tǒng)在物質轉運過程中不能區(qū)分電荷相同的代謝必需物和污染物，所以可通過攝取必要的營養(yǎng)元素主動吸收重金屬離子。在金黃色葡萄球菌中，Cd2+是通過Mn2+吸收系統(tǒng)進入胞內，而Zn2+通過Mg2+吸收系統(tǒng)。 51五、影響植物吸收、遷移污染物的因素 1. 環(huán)境因素2. 毒物的理化性狀 3. 個體因素521. 環(huán)境因素溫度；濕度； 氣壓； 季節(jié)和晝夜節(jié)律； pH； Eh; CEC；土壤性質；污染物間的不同效應（獨立作用、相加作用、協(xié)同作用、拮抗作用）。 532. 毒物的理化性狀溶解