環(huán)境生物學第一章

環(huán)境生物學第一章第一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第一章環(huán)境污染物在生態(tài)系統(tǒng)中的行為本章將討論以下內容：環(huán)境污染概述污染物在環(huán)境中的遷移與轉化污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化污染物在生物體內的濃縮、積累和放大生物對污染物在環(huán)境中行為的影響第二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)環(huán)境污染概述什么是環(huán)境污染（EnvironmentalPollution）？通常，環(huán)境污染主要指人類活動所引起的環(huán)境質量下降而有害于人類及其它生物的正常生存和發(fā)展的現(xiàn)象。（自然過程引起的同類現(xiàn)象稱為自然突變或異常）一、環(huán)境污染第三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一環(huán)境污染的分類生物污染化學污染物理污染按污染物性質廢氣污染廢水污染固體廢棄物污染噪聲污染輻射污染等按污染物形態(tài)第四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一環(huán)境效應——環(huán)境污染所導致的環(huán)境變化環(huán)境生物效應：指各種環(huán)境因素變化而導致生態(tài)系統(tǒng)變異的結果。環(huán)境化學效應：在多種環(huán)境條件的影響下，物質之間的化學反應所引起的環(huán)境效果。如：酸雨、光化學煙霧等。環(huán)境物理效應：物理作用引起的環(huán)境效果。如溫室效應、噪聲污染等。第五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、污染源（PollutionSource）工業(yè)污染源農業(yè)污染源交通運輸污染源生活污染源第六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一污染物的自然來源（NaturalSource）：自然界向環(huán)境排放，如：活動的火山或礦床；交通工業(yè)農業(yè)污染物的人為來源（ArtificialSource）：來自人類活動，影響范圍廣、危害大，如工業(yè)三廢第七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一三、污染物（Pollutant）污染物指進入環(huán)境后使環(huán)境的正常組成結構、狀態(tài)和性質發(fā)生變化，直接或間接有害于人類的生存和發(fā)展的物質。生產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、化學因素或生物作用下發(fā)生變化，或與環(huán)境中的其他物質發(fā)生反應，所形成的物化特征與一次污染物不同的新污染物，它常比一次污染物對環(huán)境和人體的危害更為嚴重。第八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一優(yōu)先污染物（PriorityPollutant）：指在眾多的污染物中篩選出的潛在危險大的作為優(yōu)先研究和控制對象的污染物，亦稱優(yōu)先控制污染物。主要針對下列污染物：高毒性污染物：難降解、具有生物積累性；三致效應（致癌、致畸、致突變）環(huán)境激素：微量，效應復雜；效應時間長，影響種群第九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)污染物在環(huán)境中的遷移與轉化一、污染物在環(huán)境中的遷移污染物進入環(huán)境的途徑包括：（1）人類活動過程中無意排放（2）廢物的排放（3）人類活動過程中故意應用遷移的定義：遷移是指污染物在環(huán)境中發(fā)生的空間位置的移動及其引起的富集、分散和消失的過程。注：進入環(huán)境的污染物可以在各個環(huán)境要素（水、氣、土）中發(fā)生遷移并輸送到很遠的距離。污染物的長距離傳送，往往由局部性污染引發(fā)區(qū)域性污染甚至全球性污染，這也是環(huán)境污染成為當代主要環(huán)境問題的原因之一。第十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一污染物在環(huán)境中的遷移方式：機械遷移（1）水的機械遷移作用（2）氣的機械遷移作用（3）重力的機械遷移作用物理－化學遷移

★污染物在環(huán)境中遷移的最重要的形式。（1）溶解－沉淀作用、絡合－螯合作用、吸附－解吸作用、氧化－還原作用、水解作用（2）化學分解、光化學分解、生物化學分解生物遷移例：生物通過食物鏈對重金屬的放大積累作用第十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一影響遷移的因素：內部因素污染物自身的物理化學性質：組成該物質的元素所具有的組成化合物的能力、形成不同的電價離子能力、水解能力、形成絡合物的能力、被膠體吸附的能力原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性、溶解度等都是影響遷移的主要理化參數(shù)。外部因素酸堿條件氧化－還原條件配位體、膠體的種類和數(shù)量區(qū)域自然地理條件第十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、污染物的形態(tài)和分布

（FormandDistributionofPollutant）污染物的形態(tài)定義：指環(huán)境中污染物的外部形狀、化學組成和內部結構的表現(xiàn)形式。污染物的存在形態(tài)包括：價態(tài)，如Cr（VI）、Cr（III）化合態(tài)，如有機汞和無機汞結構態(tài)，如同分異構體絡合態(tài)幾種重要的形態(tài)分類離子態(tài)、代換態(tài)、膠體、有機結合態(tài)、難溶態(tài)第十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一污染物的分布定義：指污染物在環(huán)境多組分間分布，不僅指在環(huán)境空間的濃度分布，而且還指污染物不同形態(tài)、不同相態(tài)之間的分配。例：污染物在水生生態(tài)系統(tǒng)中的分布（p32）污染物在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的分布（p33）第十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一三、污染物在環(huán)境中的轉化

（TransformationofPollutant）轉化的定義指污染物在環(huán)境中通過物理、化學或生物的作用改變形態(tài)或轉變成另一種物質的過程。轉化的形式物理轉化：蒸發(fā)、滲透、吸附以及放射性元素的蛻變化學轉化：氧化反應、光化學反應、水解反應等生物轉化：生物的吸收和代謝轉化的結果：兩種可能：污染物轉化為無毒物質或易降解結構污染物的毒性增強或轉化為難降解結構第十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一大氣中的轉化：以光化學氧化、催化氧化反應為主例一：光化學煙霧（PhotochemicalSmog）光化學煙霧是大氣中氮氧化物和碳氫化合物在紫外線照射下反應生成的多種污染物的混合物。光化學煙霧最具危害的兩種物質是臭氧(O3)和過氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates,PAN)。例二：酸雨（AcidRain）大氣中的轉化第十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一圖1－2光化學煙霧實例第十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一圖光化學煙霧形成過程第十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一自然源、電廠以及內燃機等排放出的污染物在大氣中發(fā)生化學反應產生導致酸沉降的化學物質。酸沉降形成示意圖第十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一水體中的轉化主要通過下列途徑：氧化－還原作用天然水體本身是一個氧化－還原體系，含有多種無機、有機氧化劑和還原劑，如DO、Fe3+、Mn4+、S2－、有機化合物等，對污染物的轉化起重要作用。水體中的氧化還原類型、速率和平衡，在很大程度上決定了水中重要污染物的性質。如：厭氧性湖泊水體中的許多氧化還原反應均為微生物催化反應。配合作用無機配位體：OH－、Cl－、CO32-、HCO3－等有機配位體：生物降解作用水體中的轉化第二十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一氧垂曲線（OxygenSagCurve）氧垂曲線的定義在河流受到有機物污染時，由于有機物的氧化分解作用，水體的DO發(fā)生變化。從污染源到河流下游一定距離內，可繪制一條DO逐漸變化的曲線，稱之為氧垂曲線。根據(jù)有機物在水體中分解變化和DO的變化，可把受污河流分成幾段:清潔區(qū)：未受污染分解區(qū)腐敗區(qū)恢復區(qū)第二十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一土壤中的污染物的轉化及其行為取決與污染物和土壤的理化性質土壤是環(huán)境中微生物最活躍的場所，故生物降解起重要作用。土壤中的轉化第二十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一四、污染物的生物地球化學循環(huán)生物地球化學循環(huán)的概念指生物的合成作用和礦化作用所引起的污染物周而復始的循環(huán)運動過程。注：合成作用指生物（主要是綠色植物）將吸收的環(huán)境化學物質轉變?yōu)樯矬w本身的有機物質的過程。

礦化作用指生物通過代謝作用（包括微生物的分解作用）將生物體的有機物質轉化為無機物質或簡單的有機物。第二十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第二十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)污染物在生物體內的生物轉運和生物轉化

生物轉運（Bio-transportorBiotransport）的概念生物轉運：是指環(huán)境污染物經各種途徑和方式同生物機體接觸而被吸收、分布和排泄等過程的總稱。這些過程都需要通過細胞的膜結構。細胞膜（生物膜）有多種：細胞質膜、內質網(wǎng)膜、線粒體膜、核膜等；它們基本的化學組成、分子結構、功能有共同的特征。一般細胞膜由蛋白質分子和脂質分子（主要是磷脂類）組成一、生物轉運第二十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一細胞質膜結構圖第二十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一1污染物透過細胞膜的方式（穿膜方式）特點方式濃度梯度有無載體是否耗能其它特點簡單擴散高濃度低濃度（順）無否脂溶性有機化合物的主要轉運方式濾過過程否通過膜上的親水性孔道主動轉運低濃度高濃度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化擴散高濃度低濃度（順）有否胞飲作用內吞物質為液體吞噬作用內吞物質為固體物質被動轉運：物理作用特殊轉運：生物作用內吞作用：生物膜變形第二十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一2污染物的吸收（AbsorptionofPollutant）：定義：指污染物在多種因素影響下，自接觸部位透過體內細胞膜進入血液循環(huán)的過程。動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)、消化管和皮膚植物吸收的主要途徑：第二十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一動物吸收的主要途徑：呼吸系統(tǒng)吸收特點:吸收對象主要針對氣體、蒸汽、氣溶膠等形式的污染物。吸收方式多以被動擴散的方式，通過呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡數(shù)量多，表面積大，遍布毛細血管，便于污染物經肺迅速吸收進入血管。消化管吸收特點：吸收對象主要為飲水和由大氣、水、土壤進入食物鏈中的污染物。吸收方式多以簡單擴散方式通過細胞膜而被吸收。主要部位如胃和小腸。皮膚吸收：如有機磷農藥可透過完整皮膚引起中毒。第二十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一植物吸收的主要途徑：根部吸收以及隨后隨蒸騰流而輸送到植物各部分；通過植物葉片上的氣孔從周圍空氣中吸收污染物，是植物對大氣污染物吸收的主要方式；有機化合物的蒸汽經過植物地上部分表皮滲透而攝入體內第三十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一3污染物的體內分布指環(huán)境污染物隨血液或其它體液的流動，分散到全身各組織細胞的過程。大量研究表明，由于各種組織（細胞）的性質和環(huán)境條件不同，同一種物質在不同組織間的分布具有明顯的差異。第三十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

表1一種殺蟲劑在動物體內不同組織的殘留濃度表1第三十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

表2重金屬在松樹各個部位的分布情況表2第三十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一4污染物的排泄指進入機體的環(huán)境污染物及其代謝產物被機體清除的過程。對動物而言，排泄過程主要有：（1）經腎臟排泄（2）隨膽汁排除（3）經呼吸道排出（4）沒有被消化吸收，直接經腸胃道排出（5）經其它體液排出（6）隨毛發(fā)和指甲去除第三十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

對植物而言：沒有專門的排泄系統(tǒng)，一般通過分泌某些液體而排出體外。另外，如果植物的某些組織器官是可再生的，當污染物（毒物）積累到一定程度，這些組織或器官就會衰亡和脫落，并重新長出新的器官，從而將污染物排出。第三十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、污染物在體內的生物轉化

1、生物轉化（Biotransformation）的概念生物轉化指外源化合物進入生物機體后在有關酶系統(tǒng)的催化作用下的代謝變化過程。注1：外源化合物（Xenobioticcompounds）指除了營養(yǎng)元素及維持正常生理功能和生命所必需的物質以外，存在于環(huán)境之中，可與機體接觸并進入機體引起機體發(fā)生生物學變化的物質。又叫外來化合物或外源性生物活性物質。例如：藥物、日用化學品、食品添加劑、環(huán)境污染物等。第三十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一注2：內源性化合物指生物機體正常的生理活動產生的物質。注3：酶（Enzyme）是由活細胞產生的，能在體內和體外起同樣催化作用的一類具有活性中心和特殊構象的生物大分子，包括蛋白質和核酸。注4：生物轉化的主要場所是肝臟，其它有肺、胃、腸、皮膚等。第三十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一2、生物轉化的過程相I過程（反應）外源性化合物在有關酶系統(tǒng)的催化下經由氧化、還原或水解反應改變其化學結構，形成某些活性基團（－OH、－SH、－COOH、－NH2）或進一步使這些活性基團暴露。相II過程（反應）相I過程產生的一級代謝物在另外的酶系統(tǒng)催化下通過上述活性基團與細胞內的某些化合物結合，生成結合產物（二級代謝物）或帶有某些基團的外源性化合物與細胞內物質結合反應。亦稱結合反應第三十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一排出體外外源性化合物一級代謝物結合產物（二級代謝物）毒害作用過程I（相I反應）圖生物轉化過程示意圖過程II（相II反應）第三十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一3、影響生物轉化的因素物種差異和個體差異由各自的遺傳因素決定，主要表現(xiàn)在體內酶的種類和活力不同上。飲食營養(yǎng)狀況蛋白質、無機鹽、維生素等營養(yǎng)缺乏時會不同方式地影響生物轉化作用。生理因素年齡因素性別因素激素和晝夜規(guī)律：機體在每日不同時間的生物轉化能力有高低差異，與內分泌功能的晝夜規(guī)律有關。代謝酶的抑制和誘導圖相I反應與年齡的關系（a,b,c,d代表不同的酶）圖11.相II反應與年齡的關系（a,b代表不同的酶系）第四十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一任何一種外源性化合物的生物轉化方式不是簡單的，它們可同時進行不同的氧化還原或水解反應，此后又可繼續(xù)進行不同類型的結合反應。生物轉化的結果有兩方面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其轉變?yōu)橐子诒黄渌锼到獾幕衔铩Ｔ龆咀饔茫ɑ罨菏蛊涠拘栽黾拥谒氖豁?，共六十七頁，編輯?023年，星期一第四節(jié)環(huán)境污染物在生物體內的濃縮、積累和放大一、生物濃縮（Bioconcentration）指生物機體或處于同一營養(yǎng)級上的許多生物種群，從周圍環(huán)境中蓄積某種元素或難分解化合物，使生物體內該物質的濃度超過環(huán)境中的濃度的現(xiàn)象，又稱生物學濃縮、生物學富集。第四十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、生物積累（Bioaccumulation）指生物在其整個代謝活躍期間通過吸收、吸附、吞食等各種過程，從周圍環(huán)境中蓄積某些元素或難分解化合物，以致隨著生長發(fā)育，濃縮系數(shù)不斷增大的現(xiàn)象，又稱生物學積累。三、生物放大（Biomagnification）指在生態(tài)系統(tǒng)中，由于高營養(yǎng)級生物以低營養(yǎng)級生物為食物，某元素或難分解化合物在生物機體中濃度隨營養(yǎng)級的提高而逐步增大的現(xiàn)象，又稱生物學放大。第四十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一思考：三個概念的有何區(qū)別？思考：許多生物外源性物質在環(huán)境中的含量很低，通常在ppb級，為什么這么低的濃度還會引起嚴重的問題？這是由于生物放大作用造成的，這樣的生物外源性物質必須滿足以下兩個條件：一、難以生物降解；二、具有親脂性。生物濃縮：C體內>C環(huán)境生物積累：t（生長期），BCF生物放大：營養(yǎng)級，BCF第四十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一

圖1-6.圖爾湖和光拉馬斯南部保護區(qū)內DDT在水生生物系統(tǒng)中的放大現(xiàn)象，括號中的是濃縮系數(shù)第四十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一表汞在水生物中的富集生物類型汞濃度（ppm）濃縮系數(shù)食肉娃魚1-210000-20000小魚0.1-0.31000-3000低等動物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001第四十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一四、生物濃縮系數(shù)生物濃縮系數(shù)

（BioconcentrationFactor,BCF）生物體內某元素或難分解的化合物的濃度同它所生存的環(huán)境中該物質的濃度比值，也稱生物富集系數(shù)、生物積累率。

平衡濃縮系數(shù)：物質交換達到動態(tài)平衡時的濃縮系數(shù)。第四十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一測定方法：

平衡法：包括實驗室飼養(yǎng)法和野外調查法

動力學方法：Neely等測定方法優(yōu)缺點實驗室飼養(yǎng)法條件易于控制，但數(shù)值不夠準確野外調查法數(shù)值標準，但技術難度大，可能時間周期長動力學方法節(jié)省試驗時間，更適合大個體生物第四十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一影響生物濃縮的因素生物種的生物學特征不同組織器官的影響不同生育期與性別的關系污染物的性質污染物濃度和作用時間環(huán)境條件第四十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一五、生物濃縮機理和濃縮模型qvcBiVBcBVTcTK2cTqvcBo血液組織圖1－7生物體某一組織生物濃縮的機理模型qv為血液通過該組織的流量;cBi和cBo為進出該組織的血中化合物的濃度;VB和VT分別為血管和生物組織的體積;cB和cT為化合物在血液和組織中的濃度K2為化合物的代謝速率常數(shù)。第五十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一由此可知：生物組織中化合物的濃度不僅與該化合物在該組織中的代謝速率有關，還與進出組織的血液中的化合物濃度差成正比。qvcBiVBcBVTcTK2cTqvcBo血液組織第五十二頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五節(jié)生物對污染物在環(huán)境中行為的影響一、生物污染（BiologicalPollution）環(huán)境中的病原微生物（PathogenicMicroorganism）例如：沙門氏菌、霍亂弧菌、腸道病毒等等第五十三頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五十四頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一水體的富營養(yǎng)化（Eutrophication）概念：指大量的氮磷等營養(yǎng)元素物質進入水體，使水中藻類等浮游生物旺盛增殖，從而破壞水體的生態(tài)平衡的現(xiàn)象。不良后果：第五十五頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一第五十六頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一微生物代謝產物產生的污染硫化氫酸性礦水硝酸和亞硝酸第五十七頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一酸性礦水：成因由黃鐵礦（FeS2）氧化所產生的硫酸引起，微生物與形成酸性礦水的整個過程密切相關。當pH<3.5時，鐵細菌即氧化亞鐵硫桿菌可催化鐵的氧化，其它如氧化硫硫桿菌和氧化亞鐵鐵桿菌都與酸性礦水的形成密切相關。第五十八頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一危害酸性礦水中最有破壞性的組分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影響。防治利用碳酸鈣礦石中和過量酸性礦水，但Fe(III)往往同時存在，反應后，pH上升，F(xiàn)e(OH)3立即覆蓋在碳酸鈣礦石的表面成為不透水層，這種保護效應阻止了碳酸鈣對酸的進一步中和。第五十九頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一微生物毒素指微生物在其生長、代謝過程中所產生的毒素，可污染食品和環(huán)境，危害人類健康。如黃曲霉毒素、葡萄球菌腸毒素、藻類毒素等。第六十頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一二、金屬的生物轉化金屬的毒性影響因素：金屬的濃度、金屬的存在狀態(tài)例如，六價鉻比三價鉻毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有機錫比無機錫毒，有機錫中的烷基錫比芳香基錫毒，烷基錫中三烷基又比其他烷基錫毒。金屬的微生物轉化微生物對金屬的毒性轉化，主要是氧化還原和甲基化作用。第六十一頁，共六十七頁，編輯于2023年，星期一汞的轉化汞的存在形式無機汞：零