環(huán)境毒理學(xué)講義

1、其次章污染物在生物體內(nèi)的遷移教學(xué)引入（可選）：生物體對污染物汲取、遷移是討論污染物在生物體內(nèi)富集，毒害 以及生物體解毒、抗性作用的基礎(chǔ)，是污染物對生物體產(chǎn)生生理、生 態(tài)、遺傳，分子毒性效應(yīng)的第一步。本章節(jié)主要把握污染物的基本概 念，性質(zhì)，分類以及生物對污染物的汲取、遷移規(guī)律，最終知道影響 植物汲取、遷移污染物的幾個(gè)重要因素。教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計(jì)：其次章污染物在生物體內(nèi)的遷移污染物的概念，性質(zhì)及分類污染物的概念辭海的定義：進(jìn)入環(huán)境后能直接或間接危害人類的物質(zhì)。它 轉(zhuǎn)變了環(huán)境的原有組成，直接或間接的有害于人類。如：重金屬，火 山灰等。這類物質(zhì)有自然排放的，也有人類活動(dòng)造成的。污染物的性質(zhì)1）污染物必

2、需在特定的環(huán)境中到達(dá)肯定的數(shù)量或濃度，并且持 續(xù)肯定的時(shí)間。污染物本身是生產(chǎn)活動(dòng)中的有用物質(zhì)，甚至是稀有物 質(zhì)，有的是任何生物的必需的養(yǎng)分元素，少量或極微量的有些對人體 還是有益的，但是假設(shè)這些物質(zhì)的排放量過大，超過了環(huán)境的承受負(fù)載, 便會(huì)產(chǎn)生毒害作用。例：硒（Se）、銘（Cr）、氮（N）、磷（P）。2）污染物在環(huán)境中發(fā)生轉(zhuǎn)化，即具有易變性。污染物進(jìn)入環(huán)境 后并非一成不變，他們會(huì)發(fā)生物理的，化學(xué)或生物的反響生成其它物動(dòng)物體對污染物的汲取1）經(jīng)呼吸道汲?。悍渭?xì)胞的通透性很大，汲取大大顆粒沉積在 肺里，使肺泡的功能破壞，止匕外，氣體分子可進(jìn)入血液。例如，低流 量條件下，二氧化硫的進(jìn)入量幾乎100%

3、,而臭氧僅為72%。2）經(jīng)消化道汲取消化道是動(dòng)物汲取污染物的主要途徑，腸道 黏膜是汲取污染物的主要部位之一。腸道汲取量因污染物的化學(xué)形態(tài) 不同差異很大。例，甲級汞，95%,乙基汞就小得多，無機(jī)態(tài)的汞汲 取率在20%以下。鎘在呼吸道汲取為14-10%,消化道汲取5-10%。3）經(jīng)皮膚汲取污染物在動(dòng)物體內(nèi)的遷移與排出鎘大約有1/2-1/3蓄積在肝和腎中，離子態(tài)的汞主要積累在腎中。微生物對污染物的汲取微生物是分布廣，種類多，繁殖快，生存力量強(qiáng)的一大類生物， 試驗(yàn)說明微生物對污染物有著很強(qiáng)的汲取與分解力量。在環(huán)境污染的 治理過程中以篩選出一批優(yōu)良的微生物品種。微生物汲取污染物的機(jī)理污染物結(jié)合到微生物細(xì)

4、胞壁上有3種作用機(jī)制：離子交換反響， 沉淀作用和絡(luò)合作用。252影響微生物汲取的因素培育液的溫度，培育時(shí)間，pH值，污染物的濃度都能影響到微 生物汲取污染物。影響植物汲取，遷移污染物的因素影響植物汲取，遷移污染物的因素很多，主要打算于植物種的生物學(xué)，生態(tài)學(xué)特性，污染物的種類，形態(tài)以及外界環(huán)境等特點(diǎn)。植物種的生物學(xué)，生態(tài)學(xué)特性不同植物中對污染物的汲取，積累兩差異很大。例，厥類植物汲 取量特殊多，體內(nèi)各含量可到達(dá)1200mg/kg,雙子葉植物汲取鎘量也 相當(dāng)高，單子葉植物汲取鎘量很少。Peterson(1971)討論說明，生長在 含硒土壤上的黃芭灰分中硒的含量15000mg/kg,而半生的牧草卻小

5、于 0.01mg/kgo生態(tài)型之間的差異也很明顯，把生長在冶煉廠的hisbiscus的種 和生長在非污染區(qū)的種同時(shí)栽種在含鉛的土壤上，結(jié)果前者比后者的 吸鉛量要少得多。這是由于污染區(qū)的生態(tài)型在生理，生化和遺傳上發(fā) 生相應(yīng)的變化，形成了與環(huán)境相適應(yīng)的生態(tài)型。止匕外，植物的不同部位，不同生長時(shí)期對污染物的汲取亦不相同。 污染物的種類極其形態(tài)差異同一元素的不同價(jià)態(tài)汲取系數(shù)差異很大，例，CN+,汲取系數(shù) 0.032, Cr6+,0.056,同樣濃度的 CdS,CdSO%Cdl2,CdC12澆灌水稻，糙米 的積累比率為1： 1.9： 3.7： 3.9,緣由是化合物的解離常數(shù)不同。Cr微量攝取元素Hg中量

6、攝取元素As 強(qiáng)度積累元素Cd 強(qiáng)度積累元素pH 值自然界土壤中的大多數(shù)重金屬都是以難容態(tài)存在，他的可溶性受土壤的pH值掌握，例，p20,，C0ZnCd806040205.06.5805.06.58 0pH7水體對沉積物中Cd,Zn化學(xué)檢定性的影響 (JeromI3980)圖1 - 8 土康對鎘吸附量與pH關(guān)系O 7085733氧化還原電位-150 -50 50 150 250 350 450Eh/mV圖1 - 10 氧化還原電位對鎘結(jié)合形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響(Jerontl, I 980)土壤的陽離子交換量土壤的有機(jī)質(zhì)污染物間的不同的效應(yīng)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，單種污染物對生物體孤立作用的狀況是比擬少見 的，

7、在大多數(shù)狀況下是多種污染物對生物體產(chǎn)生的復(fù)合污染。目前， 復(fù)合污染生態(tài)學(xué)已經(jīng)引起慣犯的重視，但這方面的討論由于干擾因素 多，存在著肯定的困難。復(fù)合污染的四種類型：相加作用協(xié)同作用拮抗作用獨(dú)立作用質(zhì)，生成的新物質(zhì)可能危害更大，但也可能降解，轉(zhuǎn)化成低毒或毒性 減輕。例：亞硝酸鹽的生成。農(nóng)藥的降解。相互作用:相加、協(xié)同和 拮抗。污染物的分類1)按來源：自然來源和人為來源；2)按污染物影響環(huán)境的要素，分大氣，水體和土壤污染物；3)按污染物的形態(tài)，可分為氣態(tài)，液態(tài)和固態(tài)；4)按污染物的性質(zhì)，分為物理，化學(xué)和生物的污染物；5)按污染物在環(huán)境中物理，化學(xué)性狀的變化，可分為一次和二 次污染物；止匕外，按污染物

8、對人體(或動(dòng)物)的影響又分為致畸物，致癌物 等。有關(guān)生物對污染物的汲取、遷移的幾個(gè)基本概念污染物對生物的毒害作用有一個(gè)數(shù)量的相關(guān)性。所以數(shù)量的概念 對污染物的汲取，遷移過程很重要?，F(xiàn)在介紹幾個(gè)有關(guān)的概念。1)平安濃度(safe concentration):生物與某種污染物長期接觸， 仍未覺察受害病癥，這種不會(huì)產(chǎn)生受害病癥的濃度稱為平安濃度。2)最高濃度(maximum allow concentration)：生物在整個(gè)生長發(fā) 育周期內(nèi)，或者是對污染物最敏感的時(shí)期內(nèi)，該污染物對生物的生命 活動(dòng)力量和生產(chǎn)力沒有發(fā)生明顯影響的濃度，稱為最高濃度。例：碑(As)鉛(Pb) 汞(Hg) 銘(Cr)

9、鎘(Cd)糧食 0.20.30.020.30.2 mg/kg蔬菜0.20.30.010.30.2飲用水0.040.10.0010.050.01大氣0.0030.00170.0033)效應(yīng)濃度(effective concentration)：超過了最高允許濃度，生 物開頭消失受害病癥，接觸毒物時(shí)間長，受害越重。這種生物開頭消 失受害病癥的濃度稱為效應(yīng)濃度?？梢杂肊50, E70, E90分別代表 在該濃度下有50%, 70%, 90%的個(gè)體消失特殊效應(yīng)，即開頭有受害 病癥。4)致死濃度(lethal concentration):當(dāng)污染濃度連續(xù)提升到某一 濃度，生物開頭死亡，這時(shí)的濃度稱為致死

10、濃度，也稱致死閾值?？?以用L50, L70, L90分別代表在該濃度下有50%, 70%, 90%的個(gè)體 的致死閾值。如一周內(nèi)甲級汞0.2mg/人，鎘人。植物對污染物的汲取與遷移植物對污染物的汲取1)植物對氣態(tài)污染物的汲?。弘S大氣污染的加劇，大氣中充滿 著有害氣體，如：二氧化硫，氧化氮，光化學(xué)煙霧，飄塵，降塵等。植物能黏附和汲取氣態(tài)污染物。植物粘附污染物的數(shù)量主要打算 于植物的外表積的大小和粗糙程度。如，云杉，側(cè)柏等分泌油脂粘液, 楊梅，木槿，榆樹等頁面粗糙，外表極大，具有較強(qiáng)的吸附粉塵的力 量，大葉黃楊葉面硬挺，風(fēng)吹不易抖動(dòng)，也能吸附粉塵。據(jù)討論，幾 種針闊葉樹種截獲粉塵的數(shù)量:山毛棒5.

11、9%。橡樹7.15%,白樺10.59%, 刺槐 17.58%。松 2.32%。云杉 5.42%。氟化物是一種積累性的大氣污染物，它可以通過氣孔和皮孔進(jìn)入 植物體。二氧化硫進(jìn)入氣孔，被葉肉細(xì)胞汲取，使氣孔的開閉機(jī)能癱 瘓。光化學(xué)煙霧主要成分之一的臭氧都可以通過氣孔進(jìn)入植物體，損 害葉片的柵欄組織。2）植物對水溶態(tài)污染物的汲取a.水溶態(tài)污染物到達(dá)植物根的（或葉）外表：水溶態(tài)污染物到達(dá) 根表，有兩個(gè)途徑：質(zhì)流和集中，在土壤中，重金屬的集中一般遵循 Fick的其次法那么，它的平均集中距離為：S1/2=（2DT） 1/2,依據(jù)計(jì) 算，100天的金屬的集中距離，Zn:0.72mm,Mn:7.2mm,可見重

12、金屬的 集中速度是很慢的，只有靠近根部的重金屬才能通過集中作用到達(dá)根 的外表，其余的重金屬要通過質(zhì)流到達(dá)根的外表。到達(dá)根外表的污染 物不肯定被植物根汲取，植物汲取土壤中的污染物的種類和數(shù)量打算 于土壤特性，污染物的種類和數(shù)量外，還打算于植物的特性。環(huán)境中的有機(jī)污染物占肯定的比重，特殊是近年來農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)上 的大量使用，生活污水中包含了洗滌劑等有機(jī)排放物，所以有機(jī)物的 植物汲取，遷移就成為了很多討論者的關(guān)注對象。農(nóng)藥主要被噴灑在植物葉片上，葉片對農(nóng)藥的汲取主要為角質(zhì)層 和氣孔汲取。為了提高藥效，經(jīng)常用外表活性劑來增加附著力量。 例：草柑瞬在蠶豆葉片上的氣孔汲取（劉支前等，1998）：外表活性劑汲取

13、率草柑瞬0.3 （0.5）+0.5%MON08180.7(0.3)+0.5%TritionX-451.2(0.7)+0.5%silwetL-7785.4(3.5)同時(shí)又覺察草柑騰的汲取程度與外表活性劑的種類，植物種類， 光照強(qiáng)度和水分狀況等親密相關(guān)。小麥再添加+0.5%silwetL-77時(shí)氣 孔的汲取已缺乏20%。b.水溶態(tài)污染物進(jìn)入細(xì)胞的過程：植物的細(xì)胞壁是污染物進(jìn)入植物細(xì)胞的第一屏障，在細(xì)胞壁中的 果膠質(zhì)成分為結(jié)合污染物供應(yīng)了大量的位點(diǎn)，Wierzibika (1987年) 指出：從溶液中汲取的鉛首先沉積在根的外表，然后以非共質(zhì)體方式 集中進(jìn)入冠層細(xì)胞。在根的成熟區(qū)域，在皮層細(xì)胞壁和表皮

14、細(xì)胞壁都 可以看到鉛的沉積。彭明等(1989),從玉米的試驗(yàn)的電鏡照片(手 工畫圖)也看到了這種現(xiàn)象，這說明植物最初對鉛的快速汲取主要靠 細(xì)胞內(nèi)自由空間的非代謝集中運(yùn)動(dòng)，與細(xì)胞壁上帶有負(fù)電荷的道南 相堅(jiān)固結(jié)合一吸附作用。當(dāng)這種結(jié)合到達(dá)平衡時(shí)才有粗顆粒的鉛沿細(xì) 胞壁的水分自由空間沉積，遷移。同時(shí)也看到了，當(dāng)鉛的濃度過大時(shí), 也有鉛透過細(xì)胞壁，穿過質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞中。這說明白質(zhì)膜，細(xì)胞壁是 前進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的障礙，這也是細(xì)胞對重金屬的一種排斥機(jī)制。除了細(xì)胞壁的吸附，非共質(zhì)體的沉積的方式汲取重金屬外，重金 屬可以透過質(zhì)膜在細(xì)胞內(nèi)積累已被很多試驗(yàn)所證明。Weigel(1979)和 Fujita(1985)的

15、試驗(yàn)說明，大豆等植物中隔的亞細(xì)胞分布，大約70% 的鎘沉積在細(xì)胞質(zhì)局部，只有8-10%結(jié)合到細(xì)胞壁及其他細(xì)胞其中， 楊居榮等(1993)討論了鎘、鉛在植物細(xì)胞內(nèi)的分布，也得到了類似 的結(jié)果。鎘以可溶性成分說占比例最大，約為45-69%,而鉛那么以沉 積于細(xì)胞壁成分占絕大比例，可達(dá)77-79%,可溶性成分僅占0.2-3.8%。表黃瓜，球月菜個(gè)細(xì)胞組分Cd,Pb的分配率細(xì)胞壁等殘?jiān)?xì)胞核線粒體核蛋白可溶性ug/gFW%Cd黃瓜莖，葉 515. 7464.4356. 16. 76. 345.8根285. 2535.637.64.83.90. 153.6菠菜莖,葉0. 790.923.92.522.2

16、69.4根85. 4399. 122.9219.62. 245.2Pb黃瓜莖，葉2748.87710.97. 70. 73.8根284291.287. 37. 14.40.60. 7菠菜莖,葉194.43.677.914.44. 30. 82. 5根5217.396.499. 94.55.80.60.2細(xì)胞膜調(diào)整著物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的過程，他與細(xì)胞壁一起構(gòu)成了細(xì)胞 的防衛(wèi)體系。污染物通過植物細(xì)胞末進(jìn)入細(xì)胞的過程，目前認(rèn)為有兩 種方式，即被動(dòng)的集中和主動(dòng)的傳遞過程。生物膜是非極性的類脂雙 層膜，Park把細(xì)胞膜透過機(jī)理歸納為以下幾個(gè)主要方面：流淌運(yùn)輸 (8.4nm),脂質(zhì)層受控集中，媒介輸送和能動(dòng)載體

17、輸送。張笑一等(1997)認(rèn)為，在有機(jī)體對陽離子的汲取中，一些重金 屬離子可以通過電荷相同，電子構(gòu)形相像，離子半徑相近的必需金屬 離子的汲取途徑進(jìn)入有機(jī)體內(nèi)。對于一些能快速形成金屬有機(jī)化合物 的重金屬，由于對細(xì)胞膜的親和性比二價(jià)離子更簡潔通過細(xì)胞膜，有 機(jī)體對這類化合物的選擇性就更低。例外，SH-, S2-等都可以與重金 屬形成配位例子，這也是重金屬進(jìn)入有機(jī)體的重要渠道。植物細(xì)胞能對環(huán)境脅迫進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)解，而從肯定范圍和程度 上阻擋有害物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞(羅立信，1998)。但假如污染物毒性強(qiáng)使 脂膜中不飽和脂肪酸氧化分解，產(chǎn)生更多的自由基時(shí)，細(xì)胞膜的透性 就大大提高了。有機(jī)農(nóng)藥經(jīng)過氣孔和角質(zhì)層進(jìn)

18、入植物體后，有些農(nóng)藥時(shí)可以降解 的。楊培素等(1998)在北京和沈陽兩地討論了煙喀黃隆在玉米和土壤 中的殘留和消解動(dòng)態(tài)，結(jié)果如表。煙喀黃隆在玉米植株中的消解動(dòng)態(tài)很多討論結(jié)果說明，假設(shè)按常規(guī)施用，經(jīng)植物汲取的農(nóng)藥能被降解,年份 距施藥時(shí)間 植株中的殘留量 消解率 回歸方程 半衰期地點(diǎn)d07. 77199515. 6527. 251. 624匕京32. 1472. 4350. 6491. 7570. 4694. 0509. 80199518. 5013. 171. 84沈陽33. 9459. 8850. 3896. 1370. 1998. 1在植物體內(nèi)積累作用不大。但是這必需說明的是有些農(nóng)藥在生物

19、降解 方面是很難降解的。污染物在植物體內(nèi)的遷移從根外表汲取的污染物能橫穿根的中柱，被送入導(dǎo)管。進(jìn)入導(dǎo)管 后隨蒸騰拉力向地上部移動(dòng)。一般認(rèn)為穿過根外表的無機(jī)離子到達(dá)內(nèi) 皮曾有兩種通路：第一位非共質(zhì)體通道，即無機(jī)離子和水在根內(nèi)橫向 遷移，到達(dá)內(nèi)皮層是通過細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙等質(zhì)外空間，其次為共質(zhì) 體通道，即通過細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)流淌和通過細(xì)胞之間相聯(lián)接的細(xì)胞質(zhì)通 道。彭鳴等(1989)用電鏡與X射線顯微分析的結(jié)果證明不同的重金屬在玉米根內(nèi)的橫向遷移方式不同。各主要是以共質(zhì)體方式在玉米根內(nèi)橫向遷移，鉛主要以非共質(zhì)體方式在玉米根內(nèi)移動(dòng)。不同Pb, Cd處理玉米5d后X射線顯微分析結(jié)果在玉米根的中柱內(nèi)部，鎘的積累

20、分布也不同于鉛：在導(dǎo)管中較多處理濃度(mg/L)根組織相對含量(%)PbCd對照00100皮層24. 57. 02中柱11. 4315. 03導(dǎo)管4. 088. 12木質(zhì)部薄壁組織6. 831. 82葉0. 86500皮層31. 514. 24中柱13. 4913. 92導(dǎo)管11. 9312. 58木質(zhì)部薄壁組織31. 887. 692. 281000皮層53. 4612. 64中柱40. 616. 04導(dǎo)管39. 7914. 5木質(zhì)部薄壁組織39. 799. 75葉2. 8而木質(zhì)部薄壁組織中較少。由于各市通過共質(zhì)體的方式進(jìn)入中柱，而 中柱積累的速率就較快，因而能在中柱與導(dǎo)管之間形成集中提督，沿 著這個(gè)梯度，鎘不斷進(jìn)入導(dǎo)管。這也可能是鎘比鉛更簡潔遷移的緣由 之一。污染物可以從根部向地上部運(yùn)輸，通過葉片汲取的污染物也可從 地上不幸給部運(yùn)輸。不同的污染物在植物體內(nèi)的遷移，分布規(guī)律存在 著差異。根汲取的部位不同，向地上部移動(dòng)的速率也有差異。如小麥 根尖l-4cm區(qū)域汲取的離子醉意向地上部