环境生物学 第四章 环境污染物在生态系统中的行为.docx

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环境生物学第四章环境污染物在生态系统中的行为

第四章环境污染物在生态系统中的行为

一、环境污染概述

1.环境污染（EnvironmentalPollution）:

有害物质或因子进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使环境系统结构与功能发生变化，对人类以及其他生物生存、发展产生不利影响的现象。

通常，环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其它生物的正常生存和发展的现象。

自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常。

2.环境效应——环境污染所导致的环境变化

环境生物效应:

指各种环境因素变化而导致生态系统变异的效果,如水利工程、森林砍伐、癌症患者增多。

环境化学效应:

在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果。

如环境的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度的升高、光化学烟雾的发生等。

环境物理效应:

环境物理效应是物理作用引起的环境效果。

如热岛效应、温室效应、噪声、地面沉降等。

3.污染源（PollutionSource）

v工业污染源农业污染源交通运输污染源生活污染源

v污染物的自然来源（NaturalSource）:

自然界向环境排放，如：

活动的火山

v污染物的人为来源（ArtificialSource）:

来自人类活动，影响范围广、危害大

4.污染物（Pollutant）：

进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类生存和发展物质。

生产性污染物和生活污染物

一次污染物和二次污染物：

二次污染物：

进人大气一次污染物之间相互作用；一次污染物与正常大气组分发生化学反应；太阳辐射下引起光化学反应而产生新污染物，它常比一次污染物对环境和人体危害更为严重。

«优先污染物（PriorityPollutant）：

在众多的污染物中筛选出的潜在危险大的作为优先研究和控制对象的污染物，亦称优先控制污染物。

主要针对下列污染物：

有毒有机化学污染物、生物难降解性物质、具有生物积累性、三致性污染物。

环境污染的特点：

影响范围大；作用时间长；污染物浓度低、情况复杂；污染容易、治理难。

二、污染物在环境中的迁移

1.迁移：

污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。

2.污染物进入环境的主要途径

（1）人类活动过程中无意排放（如交通事故和火灾）。

（2）工业三废（废水、废气和固体废物徘放）。

（3）人类活动过程中故意应用。

注：

进入环境的污染物可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输

送到很远的距离。

污染物的长距离传送，往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这也是环境污染成为当代主要环境问题的原因之一。

3．污染物的迁移和转化（污染物的环境行为）：

污染物进入环境后由于自身物理化学性质的决定和环境因素的影响，在空间位置或形态特征等方面发生一系列复杂的变化，又叫污染物的环境行为（environmentalbehavior）。

4.污染物在环境中的迁移方式

机械迁移:

废水、废气、废渣的排放、丢弃、搬运以及各种有毒、有害物质在生产、生活中的应用包括：

水的机械迁移作用,气的机械迁移作用,重力的机械迁移作用

物理－化学迁移★污染物在环境中迁移的最重要的形式。

（1）溶解－沉淀作用、络合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－还原作用、水解作用

（2）化学分解、光化学分解、生物化学分解

生物迁移:

污染物通过生物体的吸附、吸收、代谢、死亡等过程而发生的迁移.例：

生物通过食物链对重金属的放大积累作用

.生物浓缩:

生物体内该污染物的浓度超过环境中的浓度。

.生物积累:

生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象，又称生物学积累。

.生物放大：

在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象，又称生物学放大。

.生物浓缩系数（BioconcentrationFactor,BCF）:

作用：

用于阐述生物浓缩、生物积累和生物放大

平衡浓缩系数：

生物通过吸收、吸附、吞食、排出等过程，经历一段时间后达到平衡状态时的浓缩系数。

即物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。

一般多用来表示某种物质在水中的浓度同在水生生物体内的浓度之间的关系.

三个概念的有何区别？

生物浓缩：

C体内>C环境

生物积累：

t（生长期），KBCF

生物放大：

营养级，KBCF

研究意义:

阐明人类的接触时间、浓度、途径、方式和条件，即接触的真实情况。

迁移与转化的相互关系：

迁移为转化提供了环境条件，转化又为迁移提供了新的理化特征等物质基础。

5.污染物的形态和分布

污染物的形态:

环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。

污染物的分布:

污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。

三、污染物在环境中转化

1.污染物转化（transformationofpollutants）:

污染物在环境中通过物理的、化学的或生物学的作用改变形态或转变成另一物质的过程。

2.转化形式：

一、物理转化:

指污染物通过蒸发、渗透、凝聚、吸附，以及放射性元素的蜕变等一种或几种过程实现的转化。

与污染物的迁移关系密切，如有机物的蒸发。

二、化学转化:

通过各种化学反应而发生的转化，如氧化-还原、水解、络合、光化学反应。

如：

大气中的光化学烟雾水体中主要为氧化-还原与水解络合，例砷的价态变化土壤中农药的降解:

吸附催化而加速塑料的降解。

三、生物转化与生物降解作用:

转化的结果：

两种可能：

污染物转化为无毒物质或易降解结构;污染物的毒性增强或转化为难降解结构

四、污染物的生物地球化学循环:

生物的合成作用和矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程

合成作用：

生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。

矿化作用：

生物通过代谢作用（包括微生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。

循环过程（植物-动物-微生物）

环境污染物对人体的毒作用的特点

1.多种污染物联合作用，少数情况下是一种污染物的毒作用

2.多数情况下是低浓度，少数情况下是…

3.多数是长期作用，少数情况是一次作用

4.多种途径，如呼吸道、消化道、器官移植等

5.物理、化学和生物学的作用，发生一系列变化（转化），产生不同的危害

6.在污染范围内作用于整个人群，其中高危人群受到的影响较早、较重

四、污染物在生物体内生物转运、转化

1.生物转运（biotransport）：

外来化合物在生物体内发生位移的过程，包括吸收，分布和排泄。

是指环境污染物经各种途径和方式同生物机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。

这些过程都需要通过细胞的膜结构。

结果:

污染物在生物体内位移;不同器官、组织等接触不同浓度的污染物

、生物膜

功能：

Ø能保持细胞和细胞器内部理化性质的稳定

Ø选择性地允许或不允许某些物质透过，以使吸收和排出一些物质

Ø传递信息

Ø生物膜上的酶类（如混合功能氧化酶类等）对化学物质的生物转化过程起催化作用

、毒物的跨膜转运方式

1.膜蛋白是膜功能主要体现者。

核基因组编码蛋白质中30%左右为膜蛋白

2.膜蛋白在膜中的运动:

1.侧向扩散2.旋转运动

3.膜脂和膜蛋白处于不断的运动状态，称为膜的流动性，是细胞进行生命活动的必要条件。

4.膜流动性的生理意义:

当膜的流动性低于一定的阈值时，许多酶的活动和跨膜运输将停止，反之如果流动性过高，又会造成膜的溶解。

污染物毒性与生物膜什么特性有关？

通透性

毒物的跨膜转运方式

生物膜对物质的转运不起主动作用

非脂溶性的、分子量较大的化学物质必须与生物膜组成成分发生可逆性结合，形成复合物膜行使载体的功能，运转、释放、再次转运

特点方式

浓度梯度

载体？

耗

能？

其它特点

简单扩散

高浓度低浓度（顺）

无

否

脂溶性有机化合物的主要转运方式

滤过过程

通过膜上的亲水性孔道

主动转运

低浓度高浓度（逆）

有

耗能

水溶性大分子化合物的主要方式

易化扩散

高浓度低浓度（顺）

有

否

胞饮作用

内吞物质为液体

吞噬作用

内吞物质为固体物质

二、生物转运的过程

（一）、污染物在哺乳动物体内生物转

Ⅰ、吸收：

环境化学物自接触部位，经各种途径透过机体的生物膜而进入血液的过程.

消化道：

最主要的途径，饮水和进入食物链的环境污染物

部位：

可在消化道的任何部位，主要在小肠（有机碱）、胃（有机酸）

方式：

主要胃简单扩散，也有滤过与主动运输

呼吸道：

生产性毒物（蒸汽、气体、气溶胶）侵入机体的主要途径

部位：

主要在肺部

吸收特点：

对脂溶性、非脂溶性和离子都具有高度的通透性，速度仅次于静脉注射

方式：

被动扩散、吞噬作用

皮肤：

部位：

1、表皮2、皮肤附属器（毛囊、汗腺及皮脂腺）

吸收特点：

对脂溶性、非脂溶性和离子都具有高度的通透性，速度仅次于静脉注射

方式:

简单扩散

三．生物转化的过程

相I过程（反应）:

外源性化合物在有关酶系统的催化下经由氧化、还原或水解反应改变其化学结构，形成某些活性基团（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或进一步使这些活性基团暴露。

主要类型：

氧化（微粒体混合功能氧化酶系（MFOS）催化的氧化反应），还原，水解

相II过程（反应）:

相I过程产生的一级代谢物在另外的酶系统催化下通过上述活性基团与细胞内的某些化合物结合，生成结合产物（二级代谢物）或带有某些基团的外源性化合物与细胞内物质结合反应。

主要类型：

结合反应

四．微生物对生物外源性物质的转化主要有以下几种形式：

脱卤（主要是脱氯），如DDT的脱氯

还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；

水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物

※外源性化合物生物转化：

解毒作用（失活）：

毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它微生物所降解的化合物。

增毒作用（活化）：

使其毒性增加

Ⅱ.分布（distribution）:

环境化学物被吸收进入血液和体液后，随血液和淋巴的流动分散到全身各组织的过程。

1、分布具体的过程：

外来物质与内源性物质结合：

血浆蛋白、脂蛋白、多肽、有机酸

运输：

主要途径是循环系统

分布：

同一外来物质在生物体不同组织间的分布有相当大的差异

Ⅲ、排泄主要从肾脏，其次是经肝脏，挥发性物质可经呼吸道随呼出气排出

1.肾脏排泄：

过程：

肾小球滤过肾小管重吸收肾小管主动转运

2.肝脏排泄：

主要转化部位；也可被肝细胞直接排泌入胆汁，不再进入血液循环

转运系统：

输送有机酸系统、输送有机碱系统、输送中性化合物系统、金属转运系统；

过程：

主动转运去向：

肝肠循环

3.肺：

对象：

由呼吸道进入体内的气态、挥发性液态及不溶解的颗粒状外来物

过程：

简单扩散

4.其他：

乳汁汗液唾液

毛发，指甲：

有些毒物如重金属可通过指甲和毛发排出

（二）、污染物在植物体内生物转运的过程

Ⅰ、污染物在植物体的吸收

进入植物体内三条途径：

1、根部吸收以及随后随蒸腾流而运输到植物各部分

2、暴露在空气中的植物地上部分，主要通过叶片上的气孔：

大气污染物

3、通过植物地上表皮渗透：

有机污染物（蒸气态）

Ⅱ、污染物在植物体内的运输

运输部位：

XB在植物体内的远距离运输主要由维管系统完成,包括木质部导管和韧皮部筛管

运输方向：

根部吸收的无机离子主要经木质部向上运输；植物叶片吸收磷酸以后沿着韧皮部向下运输；也有部分叶片吸收的磷酸从韧皮部横向运输到木质部

Ⅲ、污染物在植物体内的分布

污染物在植物体内分布的影响因素

1、XB能否进入通道：

重金属进入运输唯一的通道是穿过内皮层的原生质体进入内皮层以内

2、运输距离：

通常XB在植物体内的分布格局与其在植物体内的运输距离有关

Ⅳ、植物对污染物的排泄:

无专门的排泄系统，但仍然需要向体外排泄体内多余的物质和代谢废物，主要排泄方式有：

分泌

五生物对污染物在环境中行为的影响

、生物引起的污染

生物污染（BiologicalPollution）：

对人和生物有害微生物、寄生虫等病原体和变应原等污染水、气、土壤和食品，影响生物产量和质量，危害人类健康。

生物性污染来自于：

微生物及其产物的污染:

※作用

分解作用;

微生物是地球生物演化中的先锋种类：

微生物（细菌和蓝细菌）是最早出现的生物体，在生物发展进化的初始阶段起着不可替代的作用。

微生物在物质循环中的作用：

地球上90%以上有机物的矿化都是由细菌和真菌完成。

※危害

微生物致病菌污染，对人、动物、植物和有益微生物构成致病威胁

污染、毁损工农业产品和食品

对水域、土壤、大气的污染

微生物产生各种毒素、气体代谢产物、有毒产物污染环境（微生物代谢产物产生的污染:

硫化氢酸性矿水硝酸和亚硝酸）

酸性矿水成因：

黄铁矿（FeS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。

当pH<3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。

植物及其产物对环境的影响

※作用

生态系统中重要的生产者——消费者与分解者唯一能量来源

植物群落的时空结构往往对生态系统的形态

植物是有机物质和能量的贮存者

物质循环中的重要成员

地球生物演化中的先锋种类

※危害

某些入侵植物疯长、挤压其他植物

产生特异气味,产生过敏物质

产生各种有毒物质污染食物或中草药物

动物及其产物对环境的影响

※危害

如果超出某一密度范围，生产者的生产力不足以支撑消费者的消耗，即造成生态失衡，甚至造成灾难

大量排泄物成为环境一大有机污染源

许多动物带有令人不愉快的气味

许多动物携带并传播人畜共患病病原菌或致人疾病：

疟疾、狂犬病、疯牛病、禽流感等

产生毒素危害人类和其他生物：

蛇毒、蟾蜍、河豚、蜘蛛、蜈蚣、黄蜂、松毛虫

啃食建筑材料，毁损建筑构物：

白蚁、老鼠

转基因生物对环境安全性的影响与控制

转基因技术的安全性问题

基因一旦被改动，一方面可能引起生物体内一系列未知的结构与功能的变化；另一方面，转基因操作对生物体的影响会通过遗传传递。

外源基因引入后，是否会影响其他重要的调节基因，甚至会激活原癌基因？

转基因技术广泛应用是否会导致难以消灭的新病原物出现？

是否会造成生态学灾难？

人类摄食大量转基因食品是否会影响人类及其后代的健康？

转基因生物与环境安全

a.引起环境安全的理由:

打破自然物种原有界限,改变生态系统能量流动和物质循环,重组微生物可能对人类的生活环境造成二次污染,重组DNA与微生物杂交,可能产生有害病原微生物;转基因植物花粉中有毒物质可通过蜜蜂进入蜜蜂,再经过食物链传递;

b.不引起环境安全的理由:

转基因不会改变生物原有分类地位,不会破坏生态系统的稳定性;转基因抗虫作物的种植,减少了农药的使用量;抗除草剂农作物的种植,减轻了农田管理的负担,保护了农田的土壤环境;

生物入侵及危害:

一个物种在新的生存环境中无节制繁衍

原因：

不受同类的食物竞争；不受天敌伤害；繁殖能力强等

方式：

自然入侵：

美洲斑潜蝇是靠自然因素入侵我国

无意引进：

松材线虫”是我国贸易商在进口设备时随着木材制包装箱带进来的

有意引进：

外来生物入侵最主要渠道，世界各国出于发展农业、林业和渔业的需要，有意识引进优良动植物品种。

由于缺乏全面综合风险评估制度，在引进优良品种的同时也引进了大量有害生物，如大米草、水花生等。

严重后果：

加速物种灭绝：

与当地物种竞争有限的食物资源和空间资源，直接导致当地物种的退化，甚至被灭绝。

破坏生态平衡。

可能携带的病原微生物而对其他生物的生存甚至对人类健康构成直接威胁

六、金属的生物转化

各种金属可通过各种途径进入环境：

燃烧、施农药、采矿、冶金等

重金属在很低浓度时，对大多数生物即有明显毒性;毒性与重金属形态有关.

微生物具有适应金属化合物而生长并代谢这些物质的活性；其代谢活动可改变其形态

转化主要作用：

氧化还原：

可将化合态金属还原成单质，如汞

甲基化：

微生物对有毒金属一种解毒方式，但被排出的金属化合物可能比其原有形态对高等生物具有更大的危害性

汞的转化

.汞的存在形式：

无机汞：

零价的金属汞与一价汞盐几乎不溶;二价汞盐除了硫化汞、碘化汞外几乎均可溶解

有机汞：

汞易和有机基团形成化合物，通常是以共价键连接在碳原子上形成有机汞。

.汞化合物的毒性

难溶的汞——生物吸收困难，毒性很小

易溶的汞——容易吸收，毒性很强（其中甲基汞的毒性最强）

毒性体现：

生物的神经系统受到伤害，神经麻痹以致引起死亡。

.汞的甲基化:

甲基化是由微生物形成的。

鱼类体表粘液中有许多含有甲基化辅酶的微生物，他们将无机汞转化为甲基汞，

动物和人体肠道肠道中的细菌大部分也具有这种功能，

甲基汞中毒是由微生物造成的。

小结

生物意义：

汞的甲基化与脱甲基化通常保持着一个动态的平衡，从而使环境中的甲基汞浓度维持在低水平。

但是，在有机污染严重、pH较低的环境中，容易形成和释放甲基汞，对生物的危害较大。

一方面甲基汞溶于水被鱼、贝吸收浓缩，另一方面甲基汞还会逸出水体，进入大气，使污染扩大