污染生態(tài)學(xué)理論第一章生物對(duì)污染物的吸收和遷移

1、1污染生態(tài)學(xué)理論P(yáng)ollution ecology第一章：生物對(duì)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(duì)污染物的吸收與遷移內(nèi)容提要 一、基本概念 三、動(dòng)物對(duì)污染物的吸收與遷移 四、微生物對(duì)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(jìn)入環(huán)境后能直接或間接危害人類的物質(zhì)，如火山灰、二氧化硫、汞等； 中國(guó)大百科全書環(huán)境科學(xué)卷：進(jìn)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(zhì)。進(jìn)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(zhǎng)、發(fā)育和繁殖的變化的物質(zhì)（王煥校等，2000）。這類物質(zhì)有自然排放的，也有人類活動(dòng)產(chǎn)生的。環(huán)境科學(xué)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(zhì) 一種物質(zhì)成為污染物，必須在特定的環(huán)境中達(dá)到一定的數(shù)量或濃度，并且持續(xù)一定的時(shí)間。污染物會(huì)在環(huán)境中發(fā)生轉(zhuǎn)化，即具有易變性。6優(yōu)先污染物（Priority pollutant） 由于有毒物質(zhì)品種繁多，不可能對(duì)每一種污染物都制定控制標(biāo)準(zhǔn)，因而提出在眾多污染物中篩選出潛在危險(xiǎn)大的作為優(yōu)先研究和控制對(duì)象，稱之為優(yōu)先污染物。 1988年我國(guó)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(nóng)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(jī)污染物 持久性有機(jī)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(zhì)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離甚至全球尺度的遷移擴(kuò)散，并通過食物鏈在生物體內(nèi)濃縮積累，對(duì)人體和生態(tài) 環(huán)境產(chǎn)生毒性影響的有機(jī)污染物。如DDT，PCB等。9POPs的主要環(huán)境特點(diǎn)持久性；生物累積性；長(zhǎng)距離運(yùn)輸；生物毒性。10首批列入關(guān)于持久性有機(jī)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(jī)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(xué)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(dòng)而釋放到環(huán)境中，且能干擾生物體正常激素功能，引起內(nèi)分泌紊亂，使生殖機(jī)能失常的化學(xué)物質(zhì)，也稱為“環(huán)境荷爾蒙”、“外因性內(nèi)分泌干擾物質(zhì)”。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(zhì)。12揮發(fā)性有機(jī)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(duì)有機(jī)體產(chǎn)生有害作用（毒作用）的化學(xué)物質(zhì)（P198）。毒物是指在一定條件下，較小劑量就能對(duì)機(jī)體產(chǎn)生損害作用或使機(jī)體出現(xiàn)異常反應(yīng)的外源化學(xué)物（李建政等，2006）。能對(duì)人畜魚禽或其他生物體顯示體內(nèi)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(xué)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(zhì)對(duì)生物體易感部位產(chǎn)生有害作用的性質(zhì)和能力。毒性分級(jí)：在我國(guó)，常見的是將毒物分為劇毒、高毒、中等毒、低毒和微毒這五級(jí)。17二、劑量 一般指給予機(jī)體的或機(jī)體接觸的外源化學(xué)物數(shù)量。毒理學(xué)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(yīng)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(zhǎng)期接觸

7、，仍未發(fā)現(xiàn)受害癥狀，這種不會(huì)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(yīng)的最低劑量。效應(yīng)濃度（effective concentration）：在某一期限內(nèi)導(dǎo)致某一特殊反應(yīng)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(dòng)物死亡的濃度。 致死濃度分絕對(duì)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(dòng)物個(gè)別死亡的濃度）。20二、植物對(duì)污染物的吸收與遷移（一）植

8、物對(duì)污染物的吸收（二）植物對(duì)污染物的遷移21（一）植物對(duì)污染物的吸收植物對(duì)化學(xué)物的吸收是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，它一方面與吸水有關(guān)系，另一方面又有它的獨(dú)立性，同時(shí)對(duì)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(duì)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(xué)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(duì)土壤溶液中離子的吸收過程可以分為幾個(gè)步驟：將離子吸附到根細(xì)胞表面；離子通過自由空間（外部空間）進(jìn)入皮層內(nèi)部 ；離子通過內(nèi)部空間進(jìn)入木質(zhì)部；離子進(jìn)入導(dǎo)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(xì)胞表面水溶

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

10、動(dòng)速度(擴(kuò)散)是很慢的，只是靠近根部的重金屬才能通過擴(kuò)散作用到達(dá)根表面?？梢姡廴疚镏饕ㄟ^質(zhì)體流途徑到達(dá)根表面。26步驟之一：將離子吸附到根細(xì)胞表面根部細(xì)胞在吸收離子的過程中，同時(shí)進(jìn)行著離子的吸附與解吸附。這時(shí)，總有一部分離子被其他離子所置換。由于細(xì)胞的吸附具有交換性質(zhì)，因此也稱交換吸附。質(zhì)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(jìn)行離子交換2930步驟之二：離子通過自由空間

11、（外部空間）進(jìn)入皮層內(nèi)部 根部有一個(gè)與外界溶液保持?jǐn)U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(xì)胞壁、胞間層和細(xì)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(dá)皮層內(nèi)部。植物的細(xì)胞壁是污染物進(jìn)入植物細(xì)胞的第一道屏障，在細(xì)胞壁中的果膠質(zhì)成分為結(jié)合污染物提供了大量的交換位點(diǎn)。31質(zhì)外體運(yùn)輸共質(zhì)體運(yùn)輸木質(zhì)部?jī)?nèi)皮層皮層表皮根毛質(zhì)外體運(yùn)輸H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O3233步驟之三：離子通過內(nèi)部空間進(jìn)入木質(zhì)部除外部空間外，根部還有一個(gè)逆濃度梯度主動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞的、不能擴(kuò)散的內(nèi)部區(qū)域，稱為內(nèi)部空間。當(dāng)離子被吸附在細(xì)胞膜表層后，經(jīng)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)和膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)等方

12、式進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。離子也可以經(jīng)過胞間連絲從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到另一個(gè)細(xì)胞，由表皮運(yùn)至木質(zhì)部。3435 物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn) 被動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（簡(jiǎn)單擴(kuò)散、易化擴(kuò)散）主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（胞吞和胞吐）：轉(zhuǎn)運(yùn)過程中細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。此種轉(zhuǎn)運(yùn)過程具有特異性，生物膜也呈現(xiàn)主動(dòng)選擇性并消耗一定的能量。 胞吞作用是將細(xì)胞表面的顆粒物轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)的過程；胞吐作用是將顆粒由細(xì)胞內(nèi)運(yùn)出的過程。3637膜動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)38步驟之四：離子進(jìn)入導(dǎo)管 離子從導(dǎo)管周圍的薄壁細(xì)胞向?qū)Ч苻D(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理還不能確定，有兩種可能的方式：一是被動(dòng)性地隨水分流動(dòng)而進(jìn)入，二是導(dǎo)管周圍薄壁細(xì)胞對(duì)離子選擇性地轉(zhuǎn)運(yùn)。39（一） 植物對(duì)污染物的吸收2. 地上部分的吸收植物地上部分的營(yíng)

13、養(yǎng)體包括葉、枝條和莖干，對(duì)外源化學(xué)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(hù)，可以有效地阻止環(huán)境化學(xué)物的吸收。環(huán)境化學(xué)物可以通過氣孔進(jìn)入葉內(nèi)，也可以從角質(zhì)層透入。植物葉片表面覆蓋著的角質(zhì)層是由多糖和角質(zhì)（脂類化合物）組成的保護(hù)層，無結(jié)構(gòu)，不易透水，但是角質(zhì)層有裂縫，呈細(xì)微的孔道，可讓溶液通過。 40氣孔結(jié)構(gòu)和開關(guān)機(jī)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(zhì)莖(可食部分)葉片對(duì)照100100100100500mg/l12.112.659.52 8142 000mg/l9.534.2826.513 6633 000mg/l2.6102939.417

14、 66443（二）植物對(duì)污染物的遷移環(huán)境化學(xué)物在植物體內(nèi)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)闹饕怯删S管系統(tǒng)完成，其運(yùn)輸通道包括向上的木質(zhì)部導(dǎo)管和向下的韌皮部篩管。在植物根部外皮層和內(nèi)皮層之間有一特殊結(jié)構(gòu)，稱為凱氏帶（casparians strip），可以控制被根系吸收的外源污染物的運(yùn)輸。凱氏帶是內(nèi)皮層細(xì)胞在側(cè)壁和橫壁上的部分加厚并木質(zhì)化和栓質(zhì)化形成的。44三、動(dòng)物對(duì)污染物的吸收和遷移（一）動(dòng)物對(duì)污染物的吸收動(dòng)物對(duì)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(dòng)物對(duì)污染物的遷移污染物在動(dòng)物體內(nèi)遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)闹饕緩绞茄h(huán)系統(tǒng)，其通道

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

16、一層肽聚糖結(jié)構(gòu)，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(duì)污染物的遷移污染物吸附到細(xì)胞表面后，由于細(xì)胞的能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)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(yíng)養(yǎng)元素主動(dòng)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(jìn)入胞內(nèi)，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(gè)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(zhì)；污染物間的不同效應(yīng)（獨(dú)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