環(huán)境生物學(xué)課件及教案第一章

第一篇環(huán)境污染的生物效應(yīng)第一章環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為本章將討論以下內(nèi)容：心污染物在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化心污染物在生物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化心污染物在生物體內(nèi)的濃縮、積累和放大心生物對(duì)污染物在環(huán)境中行為的影響1環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為心什么是環(huán)境污染（EnvironmentalPollution）？?通常，環(huán)境污染主要指所引起的環(huán)境質(zhì)量下降而有害于人類(lèi)及其它生物的正常生存和發(fā)展的現(xiàn)象。而自然過(guò)程引起的同類(lèi)現(xiàn)象稱(chēng)為。按污染物性質(zhì)生物污染化學(xué)污染物理污染按污染物形態(tài)廢氣污染廢水污染固體廢棄物污染輻射污染環(huán)境效應(yīng)——環(huán)境污染所導(dǎo)致的環(huán)境變化心環(huán)境生物效應(yīng)：指各種環(huán)境因素變化而導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)變異的結(jié)果。心環(huán)境化學(xué)效應(yīng)：在多種環(huán)境條件的影響下，物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)所引起的環(huán)境效果。如：酸雨、光化學(xué)煙心環(huán)境物理效應(yīng)：物理作用引起的環(huán)境效果。如熱污染、噪聲污染等。心交通運(yùn)輸污染源污染物的（Natural放，如：活動(dòng)的火山或礦床；響范圍廣、危害大，如工業(yè)三廢?指進(jìn)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(lèi)的生存和發(fā)展的物質(zhì)。心生產(chǎn)性污染物和生活污染物心一次污染物和二次污染物：?二次污染物是指進(jìn)人大氣的一次污染物之間相互作用或一次污染物與正常大氣組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以及在太陽(yáng)輻射線的參與下引起光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的新的污染物，它常比一次污染物對(duì)環(huán)境和人體的危害更為嚴(yán)重。心優(yōu)先污染物（PriorityPollutant）：?指在眾多的污染物中篩選出的潛在危險(xiǎn)大的作為優(yōu)先研究和控制對(duì)象的污染物，亦稱(chēng)優(yōu)先控制污染物。?主要針對(duì)下列污染物：有毒有機(jī)化學(xué)污染物、生物難降解性物質(zhì)、具有生物積累性、三致性的污染物環(huán)境污染的特點(diǎn)：心污染物濃度低、情況復(fù)雜心污染容易、治理難1.2污染物在環(huán)境中的遷移與轉(zhuǎn)化1.2.1污染物在環(huán)境中的遷移.遷移是指污染物在環(huán)境中發(fā)生的空間位置的移動(dòng)及其引起的富集、分散和消失的過(guò)程。心污染物進(jìn)入環(huán)境的途徑包括：.（1）人類(lèi)活動(dòng)過(guò)程中無(wú)意排放.（3）人類(lèi)活動(dòng)過(guò)程中故意應(yīng)用.進(jìn)入環(huán)境的污染物可以在各個(gè)環(huán)境要素（水、氣、土）中發(fā)生遷移并輸送到很遠(yuǎn)的距離。污染物的長(zhǎng)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(dāng)代主要環(huán)境問(wèn)題的原因之一。污染物在環(huán)境中的遷移方式（1）水的機(jī)械遷移作用（2）氣的機(jī)械遷移作用（3）重力的機(jī)械遷移作用★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(luò)合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－還原作用、水解作用（2）化學(xué)分解、光化學(xué)分解、生物化學(xué)分解例：生物通過(guò)食物鏈對(duì)重金屬的放大積累作用影響遷移的因素：.污染物自身的物理化學(xué)性質(zhì)：組成該物質(zhì)的元素所具有的組成化合物的能力、形成不同的電價(jià)離子能力、水解能力、形成絡(luò)合物的能力、被膠體吸附的能力.原子的電負(fù)性、離子半徑、電價(jià)、離子電位和化合物的鍵性、溶解度等都是影響遷移的主要理化參數(shù)。酸堿條件氧化－還原條件膠體的種類(lèi)、數(shù)量絡(luò)合配位體的數(shù)量、性質(zhì)1.2.2污染物的形態(tài)和分布（Formand?定義：指環(huán)境中污染物的外部形狀、化學(xué)組成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式。?污染物的存在形態(tài)包括：價(jià)態(tài)，如Cr（VI）、Cr（III）化合態(tài)，如有機(jī)汞和無(wú)機(jī)汞結(jié)構(gòu)態(tài)，如同分異構(gòu)體絡(luò)合態(tài)?有機(jī)結(jié)合態(tài)污染物的分布定義：指污染物在環(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。例：汞形態(tài)的分布1.2.3污染物在環(huán)境中的轉(zhuǎn)化（TransformationofPollutant）指污染物在環(huán)境中通過(guò)物理、化學(xué)或生物的作用改變形態(tài)或轉(zhuǎn)變成另一種物質(zhì)的過(guò)程。物理轉(zhuǎn)化：化學(xué)轉(zhuǎn)化生物轉(zhuǎn)化兩種可能：污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒物質(zhì)或易降解結(jié)構(gòu)污染物的毒性增強(qiáng)或轉(zhuǎn)化為難降解結(jié)構(gòu)心大氣中的轉(zhuǎn)化：以光化學(xué)氧化、催化氧化反應(yīng)為主心例一：光化學(xué)煙霧（PhotochemicalSmog）光化學(xué)煙霧是大氣中氮氧化物和碳?xì)浠衔镌谧贤饩€照射下反應(yīng)生成的多種污染物的混合物。光化學(xué)煙霧最具危害的兩種物質(zhì)是臭氧(O3)和過(guò)氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。心例二：酸雨（AcidRain）圖1－2光化學(xué)煙霧實(shí)例NO2O3+NONO2O3+NO→NO2+O2O3+HC→↓醛類(lèi)及其它氧化物紫外光NO太陽(yáng)汽車(chē)排氣紫外光 HC 氧化產(chǎn)物聚合與核長(zhǎng)大氣溶膠光霧O3NO2（微量）刺激眼睛刺激眼睛醛類(lèi)醛類(lèi)OO3復(fù)雜的有機(jī)化合物復(fù)雜的有機(jī)化合物NONO2HC+O2+NO2+UV↓ 刺激眼睛傷害植物傷害植物刺激眼睛刺激眼睛傷害植物圖1－4酸沉降形成示意圖以及內(nèi)燃機(jī)等排放出的污染物在大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生導(dǎo)致酸沉降的化學(xué)物質(zhì)。水體中的轉(zhuǎn)化主要通過(guò)下列途徑：?天然水體本身是一個(gè)氧化－還原體系，含有多種無(wú)機(jī)、有機(jī)氧化劑和還原劑，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有機(jī)化合物等，對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化起重要作用。?水體中的氧化還原類(lèi)型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中重要污染物的性質(zhì)。如：厭氧性湖泊?水體中的許多氧化還原反應(yīng)均為微生物催化反應(yīng)。?有機(jī)配位體：?土壤是環(huán)境中微生物最活躍的場(chǎng)所，故生物降解起重要作氧垂曲線（OxygenSagCurve）?在河流受到有機(jī)物污染時(shí)，由于有機(jī)物的氧化分解作用，水體的DO發(fā)生變化。從污染源到河流下游一定距離內(nèi)，可繪制一條DO逐漸變化的曲線，稱(chēng)之為氧垂曲線。心根據(jù)有機(jī)物在水體中分解變化和DO的變化，可把受污河流分成幾段:清潔區(qū)：未受污染分解區(qū)腐敗區(qū)恢復(fù)區(qū)1.2.4污染物的生物地球化學(xué)循環(huán)心生物地球化學(xué)循環(huán)的概念指生物的和所引起的污染物周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。注：指生物（主要是綠色植物）將吸收的環(huán)境化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯矬w本身的有機(jī)物質(zhì)的過(guò)程。指生物通過(guò)代謝作用（包括微生物的分解作用）將生物體的有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物質(zhì)或簡(jiǎn)單的有機(jī)物。1.3污染物在生物體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)運(yùn)和生物轉(zhuǎn)化心生物轉(zhuǎn)運(yùn)（Bio－transportorBiotransport）的概念?生物轉(zhuǎn)運(yùn)：是指環(huán)境污染物經(jīng)各種途徑和方式同生物機(jī)體接觸而被吸收、分布和排泄等過(guò)程的總稱(chēng)。這些過(guò)程都需要通過(guò)細(xì)胞的膜結(jié)構(gòu)。?細(xì)胞膜（生物膜）有多種：細(xì)胞質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、線粒體膜、核膜等；它們基本的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)、功能有共同?一般細(xì)胞膜由蛋白質(zhì)分子和脂質(zhì)分子（主要是磷脂類(lèi)）組成污染物透過(guò)細(xì)胞膜的方式濃度梯度有無(wú)載體是否耗能其它特點(diǎn)簡(jiǎn)單擴(kuò)散無(wú)否脂溶性有機(jī)化合物的主要轉(zhuǎn)運(yùn)方式濾過(guò)過(guò)程通過(guò)膜上的親水性孔道主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)低濃度高有水溶性大分子化合物有否胞飲作用吞噬作用內(nèi)吞物質(zhì)為固體物質(zhì)表1－1污染物透過(guò)細(xì)胞膜的方式污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過(guò)體內(nèi)細(xì)胞膜進(jìn)入血液循環(huán)的過(guò)程。心動(dòng)物吸收的主要途徑有：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚（1）呼吸系統(tǒng)吸收特點(diǎn):.吸收對(duì)象主要針對(duì)氣體、蒸汽、氣溶膠等形式的污染.吸收方式多以被動(dòng)擴(kuò)散的方式，通過(guò)呼吸膜吸收入血。.主要部位例如：肺，肺泡數(shù)量多，表面積大，遍布毛細(xì)血管，便于污染物經(jīng)肺迅速吸收進(jìn)入血管。（2）消化管吸收特點(diǎn)：.吸收對(duì)象主要為飲水和由大氣、水、土壤進(jìn)入食物鏈中.吸收方式多以簡(jiǎn)單擴(kuò)散方式通過(guò)細(xì)胞膜而被吸收。.主要部位如胃和小腸。（3）皮膚吸收：如有機(jī)磷農(nóng)藥可透過(guò)完整皮膚引起中毒。（1）根部吸收以及隨后隨蒸騰流而輸送到植物各部分；（2）通過(guò)植物葉片上的氣孔從周?chē)諝庵形瘴廴疚铮侵参飳?duì)大氣污染物吸收的主要方式；（3）有機(jī)化合物的蒸汽經(jīng)過(guò)植物地上部分表皮滲透而攝入體內(nèi).指環(huán)境污染物隨血液或其它體液的流動(dòng)，分散到全身各組織細(xì)胞的過(guò)程。.指進(jìn)入機(jī)體的環(huán)境污染物及其代謝產(chǎn)物被機(jī)體清除的過(guò)程。.排泄的主要途徑是通過(guò)腎臟進(jìn)入尿液和通過(guò)肝臟的膽汁進(jìn)入糞便，有的環(huán)境污染物還可隨同呼出的氣體、汁液等排出體3.2污染物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化心生物轉(zhuǎn)化（Biotransformation）的概念?生物轉(zhuǎn)化指進(jìn)入生物機(jī)體后在有關(guān)酶系統(tǒng)的催化作用下的代謝變化過(guò)程。（Xenobiotic.指除了營(yíng)養(yǎng)元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質(zhì)以外，存在于環(huán)境之中，可與機(jī)體接觸并進(jìn)入機(jī)體引起機(jī)體發(fā)生生物學(xué)變化的物質(zhì)。又叫外來(lái)化合物或外源性生物活性物質(zhì)。例如：藥物、日用化學(xué)品、食品添加劑、環(huán)境污染物等。..生物外源性物質(zhì)是指那些人工合成的，具有不被現(xiàn)有降解酶系所識(shí)別和作用的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵序列的化合物，簡(jiǎn)而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯聯(lián)苯、染料、塑料、合成橡膠等。.注2：指生物機(jī)體正常的生理活動(dòng)產(chǎn)生的物質(zhì)。注3：Enzyme是由活細(xì)胞產(chǎn)生的，能在體內(nèi)和體外起同樣催化作用的一類(lèi)具有活性中心和特殊構(gòu)象的生物大分子，包括蛋白質(zhì)和核注4：生物轉(zhuǎn)化的主要場(chǎng)所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。生物轉(zhuǎn)化的過(guò)程?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(yīng)改變其化學(xué)結(jié)構(gòu)，形成某些活性基團(tuán)OH、－SH、-COOH、－NH2）或進(jìn)一步使這些活性基團(tuán)暴露。?相I過(guò)程產(chǎn)生的一級(jí)代謝物在另外的酶系統(tǒng)催化下通過(guò)上述活性基團(tuán)與細(xì)胞內(nèi)的某些化合物結(jié)合，生成結(jié)合產(chǎn)物（二級(jí)代謝物）或帶有某些基團(tuán)的外源性化合物與細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)結(jié)合反外源性化合物過(guò)程I（相I反應(yīng)）毒害作用一級(jí)代謝物排出體外毒害作用一級(jí)代謝物過(guò)程II（相II反應(yīng)）結(jié)合產(chǎn)物（二級(jí)代謝物）圖1－5生物轉(zhuǎn)化過(guò)程示意圖氧化反應(yīng)：微粒體混合功能氧化酶參與的反應(yīng)，例如脂肪族羥化非微粒體反應(yīng)還原反應(yīng)：微粒體還原非微粒體還原水解反應(yīng)微生物對(duì)生物外源性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化作用心微生物對(duì)生物外源性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化主要有以下幾種形脫鹵（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(jìn)行還原；水合反應(yīng)，如對(duì)有機(jī)氰的水合反應(yīng)，形成無(wú)毒的含氮有機(jī)化合物圖DDT的微生物轉(zhuǎn)化TNT的微生物轉(zhuǎn)化影響生物轉(zhuǎn)化的因素.由各自的遺傳因素決定，主要表現(xiàn)在體內(nèi)酶的種類(lèi)和活力不.蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽、維生素等營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)會(huì)不同方式地影響生物轉(zhuǎn)化作用。.年齡因素.性別因素.激素和晝夜規(guī)律：機(jī)體在每日不同時(shí)間的生物轉(zhuǎn)化能力有高低差異，與內(nèi)分泌功能的晝夜規(guī)律有關(guān)。.代謝酶的抑制和誘導(dǎo)心任何一種外源性化合物的生物轉(zhuǎn)化方式不是簡(jiǎn)單的，它們可同時(shí)進(jìn)行不同的氧化還原或水解反應(yīng)，此后又可繼續(xù)進(jìn)行不同類(lèi)型的結(jié)合反應(yīng)。心生物轉(zhuǎn)化的結(jié)果有兩方面：.解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诒黄渌⑸锼到獾幕衔铩?增毒作用（活化）：使其毒性增加1.4環(huán)境污染物在生物體內(nèi)的濃縮、積累和放大基本概念：心生物濃縮（Bioconcentration）?指生物機(jī)體或處于同一營(yíng)養(yǎng)級(jí)上的許多生物種群，從周?chē)h(huán)境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內(nèi)該物質(zhì)的濃度超過(guò)環(huán)境中的濃度的現(xiàn)象，又稱(chēng)生物學(xué)濃縮、生物學(xué)富心生物濃縮系數(shù)KBCF（BioconcentrationFactor）?KBCF＝物質(zhì)在生物體內(nèi)的濃度/物質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的濃度心生物積累（Bioaccumulation）?指生物在其整個(gè)代謝活躍期間通過(guò)吸收、吸附、吞食等各種過(guò)程，從周?chē)h(huán)境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長(zhǎng)發(fā)育，濃縮系數(shù)不斷增大的現(xiàn)象，又稱(chēng)生物學(xué)積累。心生物放大（Biomagnification）?指在生態(tài)系統(tǒng)中，由于高營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物以低營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機(jī)體中濃度隨營(yíng)養(yǎng)級(jí)的提高而逐步增大的現(xiàn)象，又稱(chēng)生物學(xué)放大。心思考：許多生物外源性物質(zhì)在環(huán)境中的含量很低，通常在ppb級(jí)，為什么這么低的濃度還會(huì)引起嚴(yán)重的問(wèn)?這正是由于生物放大作用造成的，這樣的生物外源性物質(zhì)必須滿足以下兩個(gè)條件：一、難以生物降解；二、具有親脂心思考：三個(gè)概念的有何區(qū)別？有何意義？生物積累：t（生長(zhǎng)期KBCF生物積累：t（生長(zhǎng)期KBCF生物放大：營(yíng)養(yǎng)級(jí)，KBCF生物濃縮系數(shù)的測(cè)定心平衡濃縮系數(shù)：物質(zhì)交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的濃縮系實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)法：條件易于控制，但數(shù)值不夠準(zhǔn)確野外調(diào)查法：數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，但技術(shù)難度大，可能時(shí)間周期長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方法：節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間，更適合大個(gè)體生物生理因素：如生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、大小、年齡環(huán)境因素：如污染物的濃度、化學(xué)形態(tài)、環(huán)境溫度、pH值、光照條件及季節(jié)生物類(lèi)型濃縮系數(shù)食肉娃魚(yú)1-210000-200000.1-0.31000-3000低等動(dòng)物生物濃縮機(jī)理和濃縮模型VTCTK2CT圖1－6生物體某一組織生物濃縮的機(jī)理模型dcTdtV(cBi-cBo)-VTdcTdtBi-cBo)(1-eK2t)cTBi-cBo)由此可知：生物組織中化合物的濃度不僅與該化合物在該組織中的代謝速率有關(guān)，還與進(jìn)出組織的血液中的化合物濃度差成正比。影響生物濃縮的因素心污染物濃度和作用時(shí)間1.5生物對(duì)污染物在環(huán)境中行為的影響1.5.1生物污染（BiologicalPollution）心環(huán)境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙門(mén)氏菌、霍亂弧菌、腸道病毒等?概念：指大量的氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素物質(zhì)進(jìn)入水體，使水中藻類(lèi)等浮游生物旺盛增殖，從而破壞水體的生態(tài)平衡的現(xiàn)象。心微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)生的污染?硝酸和亞硝酸?指微生物在其生長(zhǎng)、代謝過(guò)程中所產(chǎn)生的毒素，可污染食品和環(huán)境，危害人類(lèi)健康。如黃曲霉毒素、葡萄球菌腸毒素、藻類(lèi)毒素等。？？?由黃鐵礦（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(gè)過(guò)程密切相關(guān)。當(dāng)pH<3.5時(shí)，鐵細(xì)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)。?酸性礦水中最有破壞性的組分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影響。?利用碳酸鈣礦石中和過(guò)量酸性礦水，但Fe(III)往往同時(shí)存在，反應(yīng)后，pH上升，F(xiàn)e(OH)3立即覆蓋在碳酸鈣礦石的表面成為不透水層，這種保護(hù)效應(yīng)阻止了碳酸鈣對(duì)酸的進(jìn)一步1.5.2金屬的生物轉(zhuǎn)化.影響因素：金屬的濃度、金屬的存在狀態(tài).例如，六價(jià)鉻比三價(jià)鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機(jī)錫比無(wú)機(jī)錫毒，有機(jī)錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。.微生物對(duì)金屬的毒性轉(zhuǎn)化，主要是和。.無(wú)機(jī)汞：零價(jià)的金屬汞與一價(jià)汞鹽幾乎不溶;二價(jià)汞鹽除了硫化汞、碘化汞外幾乎均可溶解.有機(jī)汞：汞易和有機(jī)基團(tuán)形成化合物，通常是以共價(jià)鍵連接在碳原子上形成有機(jī)汞。.難溶的汞——生物吸收困難，毒性很小.易溶的汞——容易吸收，毒性很強(qiáng)（其中甲基汞的毒性最強(qiáng)）.毒性體現(xiàn)：生物的神經(jīng)系統(tǒng)受到傷害，神經(jīng)麻痹以致引起死.實(shí)例：日本的水俁灣甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。這類(lèi)汞中毒一般都不是通過(guò)直接飲用水被汞