生物對污染物的吸收和遷移

關于生物對污染物的吸收和遷移1第1頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五2一、基本概念■污染物、毒物與毒性■劑量第2頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五3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(zhì)，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)生直接或間接有害于人類的變化的物質(zhì)?！鲞M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(zhì)（王煥校等，2000）。這類物質(zhì)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。第3頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五4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)境中達到一定的數(shù)量或濃度，并且持續(xù)一定的時間?！鑫廴疚飼诃h(huán)境中發(fā)生轉(zhuǎn)化，即具有易變性。第4頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五5優(yōu)先污染物（Prioritypollutant）

■由于有毒物質(zhì)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?！?/p>

1988年我國初步提出水中優(yōu)先控制污染物黑名單，共14類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。第5頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五6第6頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五7持久性有機污染物

持久性有機污染物（PersistentOrganicPollutants,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(nèi)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。第7頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五8POPs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。第8頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五9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)——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）第9頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五10環(huán)境激素（EnvironmentalEndocrineDisruptors,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(nèi)分泌紊亂，使生殖機能失常的化學物質(zhì)，也稱為“環(huán)境荷爾蒙”、“外因性內(nèi)分泌干擾物質(zhì)”?！霏h(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、聚碳酸脂塑料等有害物質(zhì)。第10頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五11揮發(fā)性有機物（VolatileOrganicCompounds,VOCs）第11頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五12一些能污染環(huán)境和危害健康的VOCs第12頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五13持久性有毒物（PersistantToxicitySubstances,PTS）第13頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五14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(zhì)（P198）?！龆疚锸侵冈谝欢l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）?！瞿軐θ诵篝~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)境毒物可分為化學性的、生物性的和物理性的三類。第14頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五15毒性（toxicity）■毒性是指一種物質(zhì)對生物體易感部位產(chǎn)生有害作用的性質(zhì)和能力?！龆拘苑旨墸涸谖覈?，常見的是將毒物分為劇毒、高毒、中等毒、低毒和微毒這五級。第15頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五16二、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(safeconcentration)▲最大無作用濃度（maximalnoeffectlevel）▲最小有作用濃度（minimaleffectlevel）▲效應濃度（effectiveconcentration）▲致死濃度(lethalconcentration)第16頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五17概念解釋■安全濃度（safeconcentration）：生物與某種污染物長期接觸，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?！鲎畲鬅o作用濃度（maximalnoeffectlevel）：未能觀察到任何損害作用的最高劑量?！鲎钚∮凶饔脻舛龋╩inimaleffectlevel）：能使生物體開始出現(xiàn)毒性反應的最低劑量?！鲂獫舛龋╡ffectiveconcentration）：在某一期限內(nèi)導致某一特殊反應的毒物濃度。

第17頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五18概念解釋致死濃度（lethalconcentration）：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）。第18頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五19二、植物對污染物的吸收與遷移（一）植物對污染物的吸收（二）植物對污染物的遷移第19頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五20（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?！鲋参镂瘴廴疚锏闹饕鞴偈歉?，但葉片也能吸收污染物。第20頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五21（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(nèi)部；▲離子通過內(nèi)部空間進入木質(zhì)部；▲離子進入導管。第21頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五22

根毛及其放大圖根毛土壤水分土壤顆粒根毛第22頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五23步驟之一：將離子吸附到根細胞表面■水溶態(tài)的污染物到達根表面，主要有兩個途徑：一條是質(zhì)體流途徑（massflow），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)。第23頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五24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+

：3×10-10cm2/s；Mn2+

：3×10-8cm2/s。如用上述公式求算100天內(nèi)Zn2+

和Mn2+

移動的平均距離，則Zn2+：x=7.2×10-2cm=0.72mm；Mn2+：x=7.2×10-1cm=7.2mm?！鼋Y果證明兩種重金屬移動速度(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?，污染物主要通過質(zhì)體流途徑到達根表面。第24頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五25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(zhì)，因此也稱交換吸附?！鲑|(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。第25頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五26根土粒K+H+土粒K+根H+接觸交換第26頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五27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第27頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五28第28頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五29步驟之二：離子通過自由空間（外部空間）進入皮層內(nèi)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?！鲭x子和水分就是通過自由空間迅速地由根表面到達皮層內(nèi)部?！鲋参锏募毎谑俏廴疚镞M入植物細胞的第一道屏障，在細胞壁中的果膠質(zhì)成分為結合污染物提供了大量的交換位點。第29頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五30質(zhì)外體運輸共質(zhì)體運輸木質(zhì)部內(nèi)皮層皮層表皮根毛質(zhì)外體運輸H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O第30頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五31第31頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五32步驟之三：離子通過內(nèi)部空間進入木質(zhì)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(nèi)部區(qū)域，稱為內(nèi)部空間?！霎旊x子被吸附在細胞膜表層后，經(jīng)主動轉(zhuǎn)運、被動轉(zhuǎn)運和膜動轉(zhuǎn)運等方式進入細胞內(nèi)?！鲭x子也可以經(jīng)過胞間連絲從一個細胞轉(zhuǎn)運到另一個細胞，由表皮運至木質(zhì)部。第32頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五33第33頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五34

物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運

■被動轉(zhuǎn)運（簡單擴散、易化擴散）■主動轉(zhuǎn)運■膜動轉(zhuǎn)運（胞吞和胞吐）：轉(zhuǎn)運過程中細胞膜結構發(fā)生變化。此種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運入細胞內(nèi)的過程；胞吐作用是將顆粒由細胞內(nèi)運出的過程。第34頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五35第35頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五36膜動轉(zhuǎn)運第36頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五37步驟之四：離子進入導管離子從導管周圍的薄壁細胞向?qū)Ч苻D(zhuǎn)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(zhuǎn)運。第37頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五38（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?！霏h(huán)境化學物可以通過氣孔進入葉內(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）組成的保護層，無結構，不易透水，但是角質(zhì)層有裂縫，呈細微的孔道，可讓溶液通過。第38頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五39氣孔結構和開關機理第39頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五40第40頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五41用硝酸鉛涂葉片各部位鉛增加量(%)（王煥校等，1985）第41頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五42（二）植物對污染物的遷移■環(huán)境化學物在植物體內(nèi)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(zhì)部導管和向下的韌皮部篩管?！鲈谥参锔客馄雍蛢?nèi)皮層之間有一特殊結構，稱為凱氏帶（caspariansstrip），可以控制被根系吸收的外源污染物的運輸。凱氏帶是內(nèi)皮層細胞在側(cè)壁和橫壁上的部分加厚并木質(zhì)化和栓質(zhì)化形成的。第42頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五43三、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?！?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）第43頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五44（二）動物對污染物的遷移■污染物在動物體內(nèi)遠距離運輸?shù)闹饕緩绞茄h(huán)系統(tǒng)，其通道由血管和淋巴管構成?！鼋?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(zhuǎn)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。

第44頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五45四、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(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)的羧基使細胞壁帶負電荷，具有離子交換的性質(zhì)，能與溶液中帶正電荷的離子進行交換反應?！龈锾m氏陰性菌的細胞壁中，兩層膜之間只有很薄的一層肽聚糖結構，因此，一般說來它們固定污染物的量比較低。第45頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五46第46頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五47第47頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五48革蘭氏染色操作步驟第48頁，共55頁，2023年，2月20日，星期五49（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(zhuǎn)移系統(tǒng)在物質(zhì)轉(zhuǎn)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