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1、第一篇 环境污染的生物效应第一章 环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：v环境污染概述v污染物在环境中的迁移与转化v污染物在生物体内的生物转运和生物转化v污染物在生物体内的浓缩、积累和放大v生物对污染物在环境中行为的影响1 环境污染物在生态系统中的行为1.1 环境污染概述v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。而自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常自然突变或异常。v环境污染的分类生物污染化学污染物理污染按污染物性质废气污染废水污染固体废弃物污染噪声污染
2、辐射污染按污染物形态污染源（Pollution Source）v工业污染源v农业污染源v交通运输污染源v生活污染源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；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，如工业三废图图1-1 1-1 污染源示意图污染源示意图污染物（Pollutant）v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。v生产性污染物和生活污染物v一次污染物和二次污染物：二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相
3、互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。v优先污染物（Priority Pollutant）：指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、三致性的污染物小结环境污染的特点：v影响范围大v作用时间长v污染物浓度低、情况复杂v污染容易、治理难污染物在环境中的迁移方式污染物在环境中的迁移方式v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v物理化
4、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v生物迁移例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用1.2.2 1.2.2 污染物的形态和分布（污染物的形态和分布（Form and Form and Distribution of PollutantDistribution of Pollutant）v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v几种重要的
5、形态分类离子态代换态胶体有机结合态难溶态1.2.3 1.2.3 污染物在环境中的转化（污染物在环境中的转化（Transformation of Transformation of PollutantPollutant）v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。v转化的形式物理转化：化学转化生物转化v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v大气中的转化：以光化学氧化、催化氧化反应为主v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
6、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)。v例二：酸雨（Acid Rain）大气中的转化大气中的转化图图1 12 2光化学烟雾实例光化学烟雾实例*图1-3光化学烟雾形成过程自然源、电厂自然源、电厂以及内燃机等以及内燃机等排放出的污染排放出的污染物在大气中发物在大气中发生化学反应产生化学反应产生导致酸沉降生导致酸沉降的化学物质。的化学物质。图14 酸沉降形成示意图氧垂曲线（氧垂曲线（Oxygen Sag CurveOxygen Sag Curve）v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
7、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。v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 1.2.4 污染物的生物地球化学循环v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。v循环过程v循环机理v细胞质膜结构图污染物透过细胞膜
8、的方式污染物透过细胞膜的方式 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表11 污染物透过细胞膜的方式v植物吸收的主要途径：（1）根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；（2）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；（3）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v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
9、全身各组织细胞的过程。v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。排泄的主要途径是通过肾脏进入尿液和通过肝脏的胆汁进入粪便，有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外。3.2 污染物在体内的生物转化v生物转化（Biotransformation）的概念生物转化指外源化合物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：外源化合物外源化合物（Xenobiotic compounds）l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
10、：药物、日用化学品、食品添加剂、环境污染物等。l生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、六六六、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。注2：内源性化合物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（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。生物转化的过程生物转化的过程v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
11、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。v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。v相I反应的主要类型：氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应，例如脂肪族羟化 非微粒体反应还原反应：微粒体还原 非微粒体还原水解反应v相II反应的主要类型：微生物对生物外源性物质的转化作用v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；
12、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图DDT的微生物转化TNT的微生物转化影响生物转化的因素v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。v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。v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有关。代谢酶的抑制和诱导小结v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。v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
13、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1.4 1.4 环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大基本概念：v生物浓缩（Bioconcentration）指生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，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。v生物浓缩系数KBCF（Bioconcentration Factor）KBCF物质在生物体内的浓度/物质在环境介质中的浓度v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
14、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。v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。v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？这正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。v思考：三个概念的有何区别？有何意义？生物浓缩：C体内C环境生物积累：t（生长期），KBCF 生物放
15、大：营养级，KBCF 生物浓缩系数的测定生物浓缩系数的测定v平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。v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v影响因素生理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节表表1 12 2汞在水生物中的富集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0.01-0.0210
16、0-200海水0.0001生物浓缩机理和浓缩模型q v C BiVBCBVTCTK2CTq v C Bo血液组织图16 生物体某一组织生物浓缩的机理模型由此可知：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。影响生物浓缩的因素v生物种的生物学特征v不同组织器官的影响v不同生育期v与性别的关系v污染物的性质v污染物浓度和作用时间v环境条件1.5 生物对污染物在环境中行为的影响1.5.11.5.1生物污染（生物污染（Biological PollutionBiological Pollution）v环境中的病原微生物（Pathogenic
17、Microorganism）例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等v水体的富营养化水体的富营养化（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：v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v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。酸性矿水 反应式？v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氧化，其它如氧化硫硫
18、杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。v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。v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。1.5.2 金属的生物转化v金属的毒性影响因素：金属的浓度、金属的存在状态例如，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。v金属的微生物转化微生物对金属的毒性转化，主要是氧化还原氧化还原和甲基化作用甲基
19、化作用。汞的转化汞的转化汞的转化汞的转化v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。v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。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。汞的甲基化汞的甲基化汞的甲基化汞的甲基化v汞的甲基化是由微生物形成的。鱼类体
20、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。v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。v过程如下：Hg2+Hg+-CH3 Hg(CH3)2 甲基化辅酶甲基化辅酶-CH3-CH3甲基汞的降解甲基汞的降解甲基汞的降解甲基汞的降解v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。v甲基汞降解微生物：柠檬酸杆菌、假单胞菌、节杆菌、隐球菌等
21、。小结v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。v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。其它重金属的转化其它重金属的转化其它重金属的转化其它重金属的转化v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;v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。v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。思考题v污染物在环境中的迁移方式和转化途径有哪些？v什么是生物转运和生物转化？污染物透过细胞膜的方式有哪些？有何特点？v什么是生物浓缩、生物积累、生物放大和浓缩系数？