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 第一节 环境污染概述 一、环境污染 什么是环境污染(Environmental Pollution) 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。而自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常。 环境污染的分类 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。恐龙灭绝,水利工程的修建。 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。如热岛效应、热污染、噪声污染等。 二、污染源(Pollution Source) 定义:造成环境污染的污染物发生源称之为污染源,通常指向环境排放有害物质或对环境产生有害物质的场所,设备和装置。 按人类社会活动功能来分: 工业污染源:工业生产中的一些环节,如原料生产、加工过程、燃烧过程、加热和冷却过程、成品整理过程等使用的生产设备或生产场所都可能成为工业污染源。通过排放废气、废水、废渣和废热污染大气、水体和土壤;还产生噪声、振动来危害周围环境。 农业污染源:在农业生产过程中对环境造成有害影响的农田和各种农业设施称为农业污染源。不合理施用化肥和农药会破坏土壤结构和自然生态系统,特别是破坏土壤生态系统(农药污染)。 交通运输污染源:对周围环境造成污染的交通运输设施和设备。这类污染源发出噪声,引起振动,排放废气,泄漏有害液体,排放洗刷废水(包括油轮压舱水),散发粉尘等,都会污染环境。 生活污染源 ①消耗能源排出废气造成大气污染。 ②排出生活污水(包括粪便)造成水体污染。 ③排出的厨房垃圾、废塑料、废纸、金属、煤灰和碴土等城市垃圾造成环境污染。 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。 分类: 1.生产性污染物 工业生产所形成的“三废”,如果未经处理或处理不当即大量排放到环境中去,就可能造成污染。 农业生产中长期使用的农药(杀虫剂、杀菌剂、除草剂、植物生长调节剂等)造成了农作物、畜产品及野生生物中农药残留;空气、水、土壤也可能受到不同程度的污染。 2.生活性污染物 粪便、垃圾、污水等生活废弃物的处理不当,也是污染空气、水、土壤及其孳生蚊蝇的重要原因。随着人口增长和消费水平的不断提高,生活垃圾的数量大幅度上升,垃圾的性质也发生了变化,如生活垃圾中增加了塑料及其他高分子化合物等成分,使无害化处理增加了很大困难。粪便可用作肥料,但如果无害化处理不当,也可造成某些疾病的传播。 四、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 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 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。 污染物进入环境的途径包括: (1)人类活动过程中无意排放,交通 (2)废物的排放,工业三废 (3)人类活动过程中故意应用,杀虫剂 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(扩散和水流搬运) (2)气的机械迁移作用(扩散和气流搬运) (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:通过生物的吸收、代谢、生长和死亡等实现的运转。 例:生物通过食物链对重金属的放大积累作用。 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、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 胶体的种类、数量 络合配位体的数量、性质 二、污染物的形态和分布 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:许多种污染物可溶于水形成离子态,如阳离子Hg2+、Cd2+、Pb2+等)、阴离子(F-、CN-、S2-等)、络合阴离子(Cr2O崼、CrO厈、CdCl婣)等。离子态的物质有活性大、毒性强、易于迁移的特点。 代换态:代换态是水体或土壤溶液中存在的离子或分子态的物质,在物理化学的作用下产生的各种同价离子代换的表现形式。这种代换受质量法则制约,并与离子化合价和离子半径有关,如浓度高的离子可以将浓度低的离子代换出来。 胶体可分为气溶胶、水溶胶和固溶胶(体)等。气溶胶有飘尘、烟气和雾等形态。烟气和雾混合形成的烟雾,以及各种腐烂物质、臭味物质散发的恶臭味气体也属此类。 有机结合态:是由生物吸收积累起来的污染物,如农产品中的残留农药,鱼类富集的汞等,可以直接或间接地对人和生物产生毒作用。 难溶态:以硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、硫化物、氧化物等形态存在的难溶物质,广泛地分布于岩石、土壤、河湖底泥和各种固体废弃物(特别是废渣)中,性质稳定,其中的有害物质经过风化和生物分解而释出。 污染物的分布 污染物的分布 定义:指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。 例:汞形态的分布 三、 污染物在环境中的转化 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: 化学转化 生物转化 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 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) 自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。 水体中的转化 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 土壤中的转化 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。 氧垂曲线(Oxygen Sag 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 四、污染物的生物地球化学循环 生物地球化学循环的概念 指生物的合成作用和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。 循环过程:植物吸收空气、水、土壤中的无机养分后合成植物的有机质,植物的有机质被动物吸收后合成动物的有机质,动物、植物死后残体经微生物分解成为无机物回到空气、水、土壤中。这一过程是地质环境与生物体之间物质的循环过程。这种循环过程区域范围很小,一般是就地进行。相对地质大循环而言,也称为生物小循环。 循环机理: 第三节 污染物在生物体内的生物转运和生物转化 一、生物转运 生物转运的概念 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、功能有共同的特征 (一)污染物通过细胞的方式 1 、被动转运 定义:被动转运是指物质或离子顺着浓度梯度或电位梯度通过细胞膜的扩散过程。 (1)简单扩散:简单扩散又称脂溶扩散,指外源化学物从浓度高侧直接穿过生物膜向浓度低侧进行的扩散性转运,是外源化学物通过生物膜的主要方式。 (2)滤过 透过生物膜上亲水溶性孔道的过程。借助于流体静压和渗透压使水通过膜上的微孔,化学物随之转运。 2.特殊转运 定义:特殊转运指有一定的载体,具有较强的专一性,有一定的选择性和主动性,生物膜主动选择某种机体需要或由机体排出的物质进行的转运。 (1)主动转运:主动转运的主要特点是可逆浓度梯度进行转运,转运过程消耗能量的转运方式。能量来自细胞代谢活动所产生的代谢能(ATP)的释放。许多外源化学物的代谢产物经由肾脏和肝脏排出,主要是借助主动转运。机体需要的某些营养物质,例如某些糖类、氨基酸、核酸和无机盐等由肠道吸收进入血液的过程,必须通过主动转运逆浓度梯度吸收。 (2)促进扩散:促进扩散的特点是需要载体,顺浓度梯度由高浓度向低浓度而且不需要细胞供给能量的扩散性转运。葡萄糖、某些氨基酸、甘油、嘌呤碱等亲水化合物,由于不溶于脂肪,不能借助简单扩散进转运,所以可在具有特定载体和顺浓度梯度的情况下进行转运。 3.胞饮作用 定义:是指物质吸附在质膜上,然后通过膜的内折而转移到细胞内的攫取物质及液体的过程。 污染物透过细胞膜的方式 (二)污染物的吸收: 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有:呼吸系统、消化管和皮肤 (1)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。 (2)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。 (3)皮肤吸收:如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。 4.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 (三)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。 (四)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。 1.肾脏:尿液 2.胆汁:肝脏 3.气体:呼出的气体,汁液,乳汁排泄。 二、 污染物在体内的生物转化 (一)生物转化的定义 生物内源性化合物:指生物机体正常的生理活动产生的物质。 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。 酶: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。 生物转化的概念 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。 生物转化的主要场所是肝脏,其它有肺、胃、肠、皮肤等。 (二)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。 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 相II反应的主要类型: 葡萄糖醛酸化 硫酸化 甲基化 乙酰化 甘氨酸结合 谷胱甘肽结合 微生物对生物外源性物质的转化作用 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 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有关。 代谢酶的抑制和诱导 小结 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微生物所降解的化合物。 增毒作用(活化):使其毒性增加 第四节 环境污染物在生物体内的浓缩、积累和放大 基本概念: 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。 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 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。 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。 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。 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 ? 生物放大:营养级 ?, KBCF ? 生物浓缩系数的测定 平衡浓缩系数:物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。 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 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1-2汞在水生生物中的富集 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 第五节 生物对污染物在环境中行为的影响 一、生物污染 定义:对人和生物有害的微生物、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,危害人类健康。 环境中的病原微生物 例如:沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等 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: 1) 藻类增生 蓝藻(cyanophyceae)又称蓝细菌(cyanobacteria)2) 降低水体的透明度3) 影响水体的溶解氧4) 藻类的过度繁殖使水体产生腥臭味5) 向水体释放有毒物质 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 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 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pH