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1、环境生物学第一章你现在浏览的是第一页，共67页第一章 环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：环境污染概述污染物在环境中的迁移与转化污染物在生物体内的生物转运和生物转化污染物在生物体内的浓缩、积累和放大生物对污染物在环境中行为的影响你现在浏览的是第二页，共67页第一节 环境污染概述什么是环境污染（Environmental Pollution）？通常，环境污染主要指人类活动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自然突变或或异常异常）一、环境污染你现在浏览的是第三页，共67页 环境污染的分类生物污染化学污染物理污染按
2、污染物性质废气污染废水污染固体废弃物污染噪声污染辐射污染 等按污染物形态你现在浏览的是第四页，共67页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结果。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：酸雨、光化学烟雾等。环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如温室效应、噪声污染等。你现在浏览的是第五页，共67页二、污染源（Pollution Source）工业污染源农业污染源交通运输污染源生活污染源你现在浏览的是第六页，共67页污染物的自然来源自然来源（Natural Source）：自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床；
3、交通工业农业污染物的人为来源人为来源（Artificial Source）：来自人类活动，影响范围广、危害大，如工业三废你现在浏览的是第七页，共67页三、污染物（Pollutant）污染物指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的生存和发展的物质。生产性污染物和生活污染物一次污染物和二次污染物：二次污染物是指是一次污染物在物理、化学因素或生物作用下发生变化，或与环境中的其他物质发生反应，所形成的物化特征与一次污染物不同的新污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。你现在浏览的是第八页，共67页优先污染物（Priority Pollutant）：指在众
4、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：高毒性污染物：难降解、具有生物积累性；三致效应（致癌、致畸、致突变）环境激素：微量，效应复杂；效应时间长，影响种群你现在浏览的是第九页，共67页第二节 污染物在环境中的迁移与转化一、污染物在环境中的迁移污染物进入环境的途径包括：（1）人类活动过程中无意排放（2）废物的排放（3）人类活动过程中故意应用迁移的定义：迁移是指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。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
5、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。你现在浏览的是第十页，共67页污染物在环境中的迁移方式：机械迁移（1）水的机械迁移作用（2）气的机械迁移作用（3）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例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用你现在浏览的是第十一页，共67页影响迁移的因素：内部因素污染物自身的物理化学性质：组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力、形成不同的电价离子能力、水解能力、形成络合物的能力、
6、被胶体吸附的能力原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性、溶解度等都是影响迁移的主要理化参数。外部因素酸碱条件氧化还原条件配位体、胶体的种类和数量区域自然地理条件你现在浏览的是第十二页，共67页二、污染物的形态和分布 （Form and Distribution of Pollutant）污染物的形态定义：指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。污染物的存在形态包括：价态，如Cr（VI）、Cr（III）化合态，如有机汞和无机汞结构态，如同分异构体络合态几种重要的形态分类离子态、代换态、胶体、有机结合态、难溶态你现在浏览的是第十三页，共67页污染物的分布定义：指污染物
7、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。例：污染物在水生生态系统中的分布（p32）污染物在陆地生态系统中的分布（p33）你现在浏览的是第十四页，共67页三、污染物在环境中的转化 （Transformation of Pollutant）转化的定义指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。转化的形式物理转化：蒸发、渗透、吸附以及放射性元素的蜕变化学转化：氧化反应、光化学反应、水解反应等生物转化：生物的吸收和代谢转化的结果：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你现在浏览的
8、是第十五页，共67页大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主例一：光化学烟雾（Photochemical Smog）光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（Acid Rain）大气中的转化你现在浏览的是第十六页，共67页图图1 12 2光化学烟雾实例光化学烟雾实例你现在浏览的是第十七页，共67页图 光化学烟雾形成过程你现在浏览的是第十八页，共67页自然源、电厂以自然源、电厂以及内燃机等排放及内燃机等排放出的污染物在大出的污染物
9、在大气中发生化学反气中发生化学反应产生导致酸沉应产生导致酸沉降的化学物质。降的化学物质。酸沉降形成示意图你现在浏览的是第十九页，共67页水体中的转化主要通过下列途径：氧化还原作用天然水体本身是一个氧化还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如DO、Fe3+、Mn4+、S2、有机化合物等，对污染物的转化起重要作用。水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。配合作用无机配位体：OH、Cl、CO32-、HCO3等有机配位体：生物降解作用水体中的转化你现在浏览的是第二十页，共67页氧垂曲线（Oxygen Sa
10、g Curve）氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。根据有机物在水体中分解变化和DO的变化，可把受污河流分成几段:清洁区：未受污染分解区腐败区恢复区 你现在浏览的是第二十一页，共67页土壤中的污染物的转化及其行为取决与污染物和土壤的理化性质土壤是环境中微生物最活跃的场所，故生物降解起重要作用。土壤中的转化你现在浏览的是第二十二页，共67页四、污染物的生物地球化学循环生物地球化学循环的概念指生物的合成作用合成作用和矿化作用矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合
11、成作用合成作用指生物（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。矿化作用矿化作用指生物通过代谢作用（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。你现在浏览的是第二十三页，共67页你现在浏览的是第二十四页，共67页第三节 污染物在生物体内的生物转运和生物转化生物转运（Bio-transport or Biotransport）的概念生物转运：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。细胞膜（生物膜）有多种：细胞质膜、内质网膜、线粒体膜、核膜等；它们基本的化学组成、分子结构、功
12、能有共同的特征。一般细胞膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成一、生物转运你现在浏览的是第二十五页，共67页细胞质膜结构图你现在浏览的是第二十六页，共67页1 污染物透过细胞膜的方式（穿膜方式）特点 方式浓度梯度有无载体是否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否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被动转运：物理作用特殊转运：生物作用内吞作用：生物膜变形你现在浏览的是第二十七页，共67页2 污染物的吸收（Absorption
13、of Pollutant）：定义：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环的过程。动物吸收的主要途径：呼吸系统、消化管和皮肤植物吸收的主要途径：你现在浏览的是第二十八页，共67页动物吸收的主要途径：呼吸系统吸收特点:吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便于污染物经肺迅速吸收进入血管。消化管吸收特点：吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入食物链中的污染物。吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。主要部位如胃和小肠。皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起
14、中毒。你现在浏览的是第二十九页，共67页植物吸收的主要途径：根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式；有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内你现在浏览的是第三十页，共67页3 污染物的体内分布指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。大量研究表明，由于各种组织（细胞）的性质和环境条件不同，同一种物质在不同组织间的分布具有明显的差异。你现在浏览的是第三十一页，共67页 表表1 1 一种杀虫剂在动物体内不同组织的残留浓度一种杀虫剂在动物体内不同组织的残留浓度表 1你现在浏览的是第三十二
15、页，共67页 表表2 2 重金属在松树各个部位的分布情况重金属在松树各个部位的分布情况表 2你现在浏览的是第三十三页，共67页4 污染物的排泄指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。对动物而言，排泄过程主要有：（1）经肾脏排泄（2）随胆汁排除（3）经呼吸道排出（4）没有被消化吸收，直接经肠胃道排出（5）经其它体液排出（6）随毛发和指甲去除你现在浏览的是第三十四页，共67页 对植物而言：没有专门的排泄系统，一般通过没有专门的排泄系统，一般通过分泌某些液体分泌某些液体而而排出体外。另外，如果植物的某些组织器官是可再排出体外。另外，如果植物的某些组织器官是可再生的，当污染物（毒物）积累到
16、一定程度，这些生的，当污染物（毒物）积累到一定程度，这些组组织或器官就会衰亡和脱落织或器官就会衰亡和脱落，并重新长出新的器官，并重新长出新的器官，从而将污染物排出。从而将污染物排出。你现在浏览的是第三十五页，共67页二、污染物在体内的生物转化 1、生物转化（Biotransformation）的概念生物转化指外源化合物进入生物机体后在有关酶系统的催化作用下的代谢变化过程。注1：外源化合物（Xenobiotic compounds）指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：
17、药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。你现在浏览的是第三十六页，共67页注2：内源性化合物指生物机体正常的生理活动产生的物质。注3：酶（Enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。你现在浏览的是第三十七页，共67页2、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。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
18、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。亦称结合反应你现在浏览的是第三十八页，共67页排出体外外源性化合物一级代谢物 结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I（相I反应）图 生物转化过程示意图过程II（相II反应）你现在浏览的是第三十九页，共67页3、影响生物转化的因素物种差异和个体差异由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。饮食营养状况蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。生理因素年龄因素性别因素激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律
19、有关。代谢酶的抑制和诱导图 相I反应与年龄的关系（a,b,c,d代表不同的酶）图 11.相II反应与年龄的关系（a,b代表不同的酶系）你现在浏览的是第四十页，共67页任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。生物转化的结果有两方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它生物所降解的化合物。增毒作用（活化）：使其毒性增加你现在浏览的是第四十一页，共67页第四节 环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大一、生物浓缩（Bioconcentration）指生物机体或处于同一营养级上的许多生
20、物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物学浓缩、生物学富集。你现在浏览的是第四十二页，共67页二、生物积累（Bioaccumulation）指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。三、生物放大（Biomagnification）指在生态系统中，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。你现在浏览的是第四十三页，共67页思考：三个概念的有何区
21、别？思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很低，通常在ppb级，为什么这么低的浓度还会引起严重的问题？这是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。生物浓缩：C体内C环境生物积累：t（生长期），BCF 生物放大：营养级，BCF 你现在浏览的是第四十四页，共67页 图图图图 1-6.1-6.图尔湖和光拉马斯南部保护区内图尔湖和光拉马斯南部保护区内图尔湖和光拉马斯南部保护区内图尔湖和光拉马斯南部保护区内DDTDDT在水生生物系统中的放大现象，括号中在水生生物系统中的放大现象，括号中在水生生物系统中的放大现象，括号中在水生生物系统中的放大现象
22、，括号中的是浓缩系数的是浓缩系数的是浓缩系数的是浓缩系数你现在浏览的是第四十五页，共67页表 汞在水生物中的富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉娃鱼1-210000-20000小鱼0.1-0.31000-3000低等动物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001你现在浏览的是第四十六页，共67页四、生物浓缩系数生物浓缩系数（Bioconcentration Factor,BCF）生物体内某元素或难分解的化合物的浓度同它所生存的环境中该物质的浓度比值，也称生物富集系数、生物积累率。平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。你现在浏览的是第四十七
23、页，共67页 测定方法：平衡法平衡法 ：包括实验室饲养法和野外调查法：包括实验室饲养法和野外调查法 动力学方法：动力学方法：NeelyNeely等测定方法优缺点实验室饲养法条件易于控制，但数值不够准确野外调查法数值标准，但技术难度大，可能时间周期长动力学方法节省试验时间，更适合大个体生物你现在浏览的是第四十八页，共67页影响生物浓缩的因素生物种的生物学特征不同组织器官的影响不同生育期与性别的关系污染物的性质污染物浓度和作用时间环境条件你现在浏览的是第四十九页，共67页你现在浏览的是第五十页，共67页五、生物浓缩机理和浓缩模型q v c BiVB cBVT cTK2cTq v c Bo血液组织图
24、17 生物体某一组织生物浓缩的机理模型q v为血液通过该组织的流量;cBi和cBo为进出该组织的血中化合物的浓度;VB和VT分别为血管和生物组织的体积;cB和cT为化合物在血液和组织中的浓度K2为化合物的代谢速率常数。你现在浏览的是第五十一页，共67页由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。q v c BiVB cBVT cTK2cTq v c Bo血液组织你现在浏览的是第五十二页，共67页第五节 生物对污染物在环境中行为的影响一、生物污染（Biological Pollution）环境中的病原微生物（Pathogeni
25、c Microorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等等你现在浏览的是第五十三页，共67页你现在浏览的是第五十四页，共67页水体的富营养化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。不良后果：你现在浏览的是第五十五页，共67页你现在浏览的是第五十六页，共67页微生物代谢产物产生的污染硫化氢酸性矿水酸性矿水硝酸和亚硝酸你现在浏览的是第五十七页，共67页酸性矿水：成因由黄铁矿（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pH3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的
26、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。你现在浏览的是第五十八页，共67页危害酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。防治利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但Fe(III)往往同时存在，反应后，pH上升，Fe(OH)3立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。你现在浏览的是第五十九页，共67页微生物毒素指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。你现在浏览的是第六十页，共67页二、金属的生物转化金属的毒性影响因素：金属的浓度、金属的存在
27、状态例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。金属的微生物转化微生物对金属的毒性转化，主要是氧化还原和甲基化作用。你现在浏览的是第六十一页，共67页汞的转化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。你现在浏览的是
28、第六十二页，共67页实例：日本的水俣湾甲基汞中毒事件就是典型的汞污染事件。这类汞中毒一般都不是通过直接饮用水被汞污染造成，而是由于甲基汞在食物链积累并由水中的鱼类向上传递给人而引起的。你现在浏览的是第六十三页，共67页汞的甲基化汞的甲基化汞的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，因此甲基汞中毒是由微生物造成的。汞甲基化微生物：细 菌甲烷菌、匙形梭菌、荧光假单胞菌、大肠埃希氏菌、产气肠杆菌、巨大芽孢杆菌真 菌粗糙链孢霉、黑曲霉、酿酒酵母等。过程如下：Hg2+Hg+-CH3 Hg(CH3)2 甲
29、基化辅酶甲基化辅酶-CH3-CH3你现在浏览的是第六十四页，共67页甲基汞的降解甲基汞的降解事实上通常情况甲基汞在天然水体中的浓度十分低，这是由于不仅存在汞的甲基化，同时还存在甲基汞的降解，甲基汞可被生物还原为金属汞。甲基汞降解微生物：铜绿假单胞菌、变形杆菌、酵母菌等。你现在浏览的是第六十五页，共67页其它重金属的转化其它重金属的转化与汞相似，重金属普遍可被微生物甲基化重金属普遍可被微生物甲基化;甲基化的重金属普遍毒性提高，这些金属包括砷、硒、铅、锡、镉、锑等。你现在浏览的是第六十六页，共67页重金属生物转化的环境效应重金属生物转化的环境效应:微生物通过分泌作用或呼吸作用排出形成的有机金属化合物，是微生物具有的一种对有毒金属解毒方式；但被排出的金属化合物，可能比其原形态对高等生物具更大的危害性。另一方面，微生物可将化合态的重金属转化还原为单质形式，这种转移方式可暂时或永久地将金属从生物接触的环境中清除出去。你现在浏览的是第六十七页，共67页