医学课件环境污染的监测和评价

第七章 环境污染的监测和评价 教学内容 第一节 环境污染物与毒物 第二节 环境污染物的迁移和转化 第三节 环境污染物的毒理学评价 第四节 环境污染物的生物学监测 本章重点 污染物的生物富集、放大和积累 耗氧和有毒有机物的微生物降解 元素的微生物转化 微生物对污染物的转化速率 毒物的毒性、联合作用 教学要求 掌握污染物质的生物富集、发大和积累； 耗氧和有毒有机污染物质的微生物降解； 若干元素的微生物转化； 毒物的毒性、联合作用和致突变、致癌及 抑制酶活性等作用； 了解有关重要辅酶的功能，有毒有机污染 物质生物转化的类型。 第一节 环境污染物与毒物 第二节 环境污染物的迁移和转化 一、污染物运动过程 污染物质在机体内的运动过程包括吸收、分布 、排泄和生物转化。 转运包括：吸收和分布。 消除包括：排泄和生物转化。 一、吸收 (Adsorption) 吸收是污染物质从机体外，通过各种途径通透体膜进 入血液的过程。 消化管是吸收污染物质最主要的途径； 呼吸管是吸收大气污染物的主要途径； 皮肤吸收是不少污染物质进入机体的途径； 二、分布 (Distribution) 分布是指污染物质被吸收后或其代谢 转化物质形成后，由血液转送至机体各组 织；与组织成分结合；从组织返回血液； 以及再反复等过程。 三、排泄(Excretion) 排泄是污染物质及其代谢物质向机体外的转运过程。 排泄器官以肾和肝胆为主。 1、肾排泄(Renal Excretion) 2、肝胆系统的胆汁排泄(Biliary Excretion ) 3、肠道排泄(Enterohepatic Excretion) 四、蓄积 (Accumulation) 机体长期接触某污染物质，若吸收超过排泄 及其代谢转化，则会出现该污染物质在体内逐增 的现象，称为生物蓄积。 机体的主要蓄积部位是血浆蛋白、脂肪组织和骨骼 。 二、污染物质的生物富集、放大和积累二、污染物质的生物富集、放大和积累 一、生物富集(Biological Concentration)： 生物通过非吞食方式，从周围环境蓄积某种元素或难 降解的物质，使其在机体内浓度超过周围环境中浓度的现 象。 二、生物放大(Biomagnification) 生物放大：同一食物链上的高营养级生物，通过吞 食低营养级生物富集某种元素或难降解物质，使 其在机体内的浓度随营养级数提高而增大的现象 。 生物放大并不是在所有条件下都能发生。 三、生物积累 (Bioaccumulation Process) 生物积累：生物从周围环境和食物链蓄积某种元素或难降解 物质，使其在机体中的浓度超过周围环境中浓度的现象。 与生物富集的区别多了食物链这一获取污染物的渠道 表达：BCF 积累速率： Ci = Cwi + Ci 即：积累浓度 = 水中摄取浓度 + 食物链传递的浓度 反映的是在生物积累达到平衡时，生物富集和生物放大在 生物积累达到平衡时的贡献大小。 三、污染物质的生物转化 污染物质在环境中的三大转化途径： 化学转化、光化学转化、生物转化 生物转化（或代谢）： 物质在生物作用下经受的化学变化。 一、生物转化中的酶 (Enzyme in Biotransformation) 酶(Enzyme )：一类由细胞制造和分泌的、 以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的 生物 催化剂。 底物（或基质）：在酶催化下发生转化的物质。 酶促反应：底物所发生的转化。 二、若干种重要辅酶的功能 1、FMN和FAD 黄素单核苷酸和黄素腺嘌呤二核苷酸 在酶促反应中担任传递氢任务 2、NAD+和NADP+ 辅酶I和辅酶 3、辅酶Q（泛醌）：简写CoQ 4、细胞色素酶系的辅酶 在反应中担当传递电子作用 5、辅酶A：简写CoASH 在酶促反应中起着传递酰基的作用 三、生物氧化中的氢传递过程 (Hydrogen Transfor Process in Biological) 生物氧化(Biological Oxidation ): 指有机物质在机体细胞内的氧化，并伴随有 能量的释放。 生物氧化主要是去氢氧化。 四、耗氧有机污染物质的微生物降解 (Microbial Degradation of Oxygen-Consuming Organic Pollutant) 耗氧有机污染物质 (Oxygen-Consuming Organic Pollutant ): 是生物残体、排放废水和废弃物中的糖类、脂肪和蛋 白质等较易生物降解的有机物质。 生物降解(Biodegradation) ： 有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变有机物质通过生物氧化以及其他的生物转化，可以变 成更小、更简单的分子过程。成更小、更简单的分子过程。 五、有毒有机污染物质生物转化类型 (Types of Biotransformation of Toxic Organic) 1、氧化反应 （1）混合功能氧化酶加氧氧化 C=C 环氧化 C羟基化 氧脱烃 硫脱烃、硫氧化及脱硫 N脱烃、氮氧化及脱氮 （2）脱氢酶脱氢氧化 醇氧化成醛 醇氧化成酮 醛氧化成羧酸 （3）氧化酶氧化 2、还原反应 （1）可逆脱氢酶加氢还原 （2）硝基还原酶还原 （3）偶氮还原酶还原 （4）还原脱氯酶还原 3、水解反应 （1）羧酸酯酶使脂肪族酯水解 （2）芳香酯酶使芳香族酯水解 （3）磷酯酶使磷酸酯水解 4、若干重要结合反应类型 六、有毒有机污染物质的微生物降解 (Microbial Degradation of Toxic Organic) 1、烃类 以有氧氧化占绝对优势 （1）正烷烃 C数1：主要是末端氧化（即羟基化），次末端和双端 氧化是次要的。 正烷烃 醇 醛 脂肪酸 TCA CO2 + H2O 甲烷：CH4 CH3OH HCHO HCOOH CO2 + H2O （2）稀烃 a 饱和末端氧化：经与正烷烃（C1）相同途径，形成不饱 和脂肪酸 b 不饱和端：双键环氧化，开环 二醇 脂肪酸 （3）苯及其衍生物 第一步：双醇中间产物儿茶酚 第二步：形成有机酸 第三步：进入TCA 循环形成二氧化碳和水 小结： 烃类降解的难易顺序（从易到难） a 稀烃 烷烃 芳烃 多环芳烃 脂环烃 b 正构烷烃 异构烷烃 c 直链烷烃 支链烷烃 d 烷基苯 多环化合物 苯 第四节 污染物质的生物转化 2、农药 （1）除草剂：苯氧乙酸类 以 2，4-D 乙脂为例 （2）杀虫剂 对硫磷 DDT 第三节 环境污染物的毒理学评价 (Toxicity of Pollutant) 一、毒物 (Toxicant) 毒物是进入生物机体后能使体液和组织发生 生物化学的变化，干扰或破坏机体的正常生理功 能，并引起暂时性或持久性的病理损害，甚至危 及生命的物质。 毒物与非毒物之间并不存在绝对的界限。 二、毒物的毒性 (Toxicity of Toxicant) 影响毒物毒性的因素： 毒物的化学结构及理化性质 毒物所处的基体因素 机体暴露于毒物的状况 生物因素 生物所处的环境 效应： 毒理学把毒物剂量（浓度）与引起个体生理 学的变化，如脑电、心电、血象、免疫功能、酶 活性等的变化称为效应。 反应： 把引起群体的变化，如肿瘤或其他损害的发 生率、死亡率等变化称为反应。 毒作用的分类(Classification of Toxic action) ： 急性(Acute) 慢性(Chronic) 亚急（或亚慢） (Sub-acute) 半数有效剂量（ED50，median effective dose） 半数有效浓度（EC50，median effective concentration) 半数致死剂量（LD50，median lethal dose) 半数致死浓度（ LC50 ，median lethal concentration) 三、毒物的联合作用 (Complex-Action of Toxicant) 两种或两种以上的毒物，同时作用于机体所 产生的综合毒性称为毒物的联合作用。 协同作用 (Synergism) M M1+M2 相加作用 (Additive Effect) M=M1+M2 独立作用 (Independent Effect) M=M1+M2(1-M1) 拮抗作用 (Antagonism) M 茎 叶 穗 壳 种子； 而从空气中通过叶面吸收，则叶面的残留量最大。 见 P308 表66、67。 污染物的性质不同，在植物中的分布也有不同。例如一般农药喷洒 后，水果表皮的残留量较大，果肉中的残留量较少，而脂溶性的农药， 其渗透性比较大，更容易渗透到果肉中，见表69。 2、动物对污染物的吸收及在体内分布 动物吸收污染物质后，主要通过血液和淋巴系统传输到全身各组织 。 按照污染物性质和进入动物组织的类型不同，大体有以下五种分布 规律： (1)、能溶解于体液的物质，如钠、钾、锂、氟、氯、溴等离子，在 体内分布比较均匀。 (2)、镧、锑、钍等三价和四价阳离子，水解后生成胶体，主要蓄积 于肝或其他网状内皮系统。 (3)、与骨骼亲和性较强的物质，如铅、钙、钡、锶、镭、铍等二价阳 离子在骨骼中含量较高。 (4)、对某一种器官具有特殊亲和性的物质，则在该种器官中蓄积较多 。如碘对甲状腺，汞、铀对肾脏有特殊亲和性。 (5)脂溶性物质，如有机氯化合物(六六六、DDT等)，易蓄积于动物体内 的脂肪中。 上述五种分布类型之间彼此交叉，比较复杂。往往一种污染物对某一种 器官有特殊亲和作用，但同时也分布于其他器官。 例如，铅离子除分布在骨骼中外，也分布于肝、肾中；砷除分布于肾、 肝、骨骼中外，也分布于皮肤、毛发、指甲中。同一种元素，由于价态和存 在形态不同，在体内蓄积的部位也有差异。水溶性汞离子很少进入脑组织， 但烷基汞不易分解，呈脂溶性，可通过脑屏障进入脑组织。 （二）污染物在动物体内的转化和排泄 污染物进入动物体内，绝大部分都要经过酶的代谢作用，进行一系列的 氧化、还原、水解和结合反应，转化为化学形态和结构不同的化合物，有的 经代谢过程转化为水溶性的或比原有毒性小的惰性物质后被排出体外，有的 经代谢过程转化为比原有毒性更强的物质留在体内。 动物对污染物的排泄途径主要通过肾脏、消化道和呼吸道，也有少量随 汗液、唾液、乳汁等分泌液排出。 例如：汞、铅、镉、铬、砷及苯等的代谢产物大多经过肾脏进入尿液排 出体外，所以通过测定尿液中污染物的含量可以间接了解生物体受污染的情 况。 进入体内的许多金属（锰、铅、镉等）经过消化道吸收，进入肝脏被代 谢转化，污染物及其代谢产物进入胆汁由肠道粪便排出。 气体或挥发性的污染物（CO、醇、醚、苯类物、汽油等）可以通过呼吸 道经呼出气排出体外。 （三）污染物在生物体内的积累 1、生物积累 污染物经过各种途径进入生物体内并随着生物的生长、发育不断地浓缩 的现象称为生物积累。 2、生物积累的原则 任何生物在任何时候，机体内某种物质的高低由摄取和吸收过程的速率 及消除（排泄）过程的速率来决定，如果摄取或吸收的量大于消除的量，就 会发生生物积累。 生态监测技术简介 一、基本概念 生态质量：生态质量是以生态学理论为基础，从生态系统的层次上， 研究系统各组分，特别是有生命组分的质量变化规律和相互关系，以及 人为作用下结构和功能的变化情况，从而评价其环境质量的优劣。 生态监测：是在地球的全部或局部范围内观察和收集生命支持能力 的数据，并加以分析研究，以了解生态环境的现状和变化。 生命支持能力数据包括：生物的（人类、动物、植物和微生物等） 、非生物的（地球的基本属性）。 （or）生态监测是运用可比的方法，在时间和空间上对特定区域范 围内的生态系统或生态系统组合体的类型、数量、结构和功能及其组成 要素等进行系统的测定和观察过程，监测结果用于评价和预测人类活动 对生态系统的影响，为合理利用资源、改善生态环境和自然保护提供决 策依据。 二、生态监测的类型 宏观生态监测 宏观生态监测的对象是区域范围内各类生态系统的组合方式、镶嵌特征 、动态变化和空间分布格局等及其在人类活动影响下的变化。主要依赖于遥 感技术和地理信息系统。 监测的主要内容是监测区域范围内具有特殊意义的生态系统的分布及面 积的动态变化。如热带雨林生态系统、沙漠化生态系统、湿地生态系统等。 微观生态监测 微观生态监测是指对一个或几个生态系统内各生态因子进行的物理和化 学的监测。 监测的对象是某一特定生态系统或生态系统聚合体的结构和功能特征及 其在人类活动影响下的变化。 1、干扰性生态监测 是指人类特定生产活动所造成的生态干扰监测。如砍伐森林所造成的 森林生态系统的结构和功能、水文过程和物质迁移规律的改变；草场过牧引 起的草场退化、生产力降低；湿地的开发引起的生态型的改变及生活污染的 排放对水生生态系统的影响等。 2、污染性生态监测 主要是对农药及重金属污染物等在生态系统中食物链的传递及富集的监 测。 3、治理性生态监测 主要是指对被破坏的生态系统经人类的治理后生态平衡恢复过程的监测 。如对侵蚀劣地的治理与植物重建过程的监测；对沙漠化土地治理过程的监 测等。 三、生态监测方法： 地面监测、空中监测（直升机、航片）、 卫星监测（遥感图片） 四、生态监测指标体系 生态体系分自然陆地（森林、草原、荒漠）、农业、淡水（河流、湖泊 和湿地）和海洋四大生态体系。 （一） 自然陆地生态监测指标 1、森林生态系统： 指标类型 监测指标 大气 SO2 、酸雨、O3 、NOx TSP、林间CO2浓度 土壤 土壤质量、土壤盐基饱和度、PH值 水体 PH、DO、浊度、F-、Cl- 植物 森林生长量、林冠状况、病虫害、火灾、树叶中养分 （N、P、 K、Ca、Mg等）、植被结构、树叶中的化学 污染物（ SO2等 ）、生态系统多样性 动物 鸟类丰度、鸟鸣声频度、蚯蚓丰度 景观 地面覆盖情况、土地利用情况、水土流失强度等级、 其他干扰证据 2、荒漠生态系统： 主要归纳为18种，其中14种为自然指标，4种为人为指标。 序号 监测指标 1 多年生植被覆盖度（） 2 生物量（干重）（mg/hm2.a ) 3 生长量（ t/hm2.a ） 4 生物种类数（sp/ hm2 ) 5 优势种数（sp/ hm2 ) 6 优势度（） 7 正常平面上的土壤风蚀率（t/hm2.a ) 8 正常平面上的砂土沉积率（t/hm2.a ) 9 一年内沉积的土层厚度（cm） 10 一年内风蚀带走土层厚度（cm） 11 沙暴频度（10年间有沙暴年数） 12 一年内沙暴日数（d） 13 一年内沙暴时数（h） 14 2m高处最大风速（m/s） 15 人口概况 16 资源利用状况 17 产业结构 18 经济发展水平 （二）农业系统生态监测指标 归纳为3大类、12组、74个指标。 指标类型 指标组 监测指标 1、生境资源类 气候 温度、日照时数、雨量、无霜期、气候灾害、 蒸发量 土地 面积、土地利用类型、地形、坡度、土地侵蚀 状况、地面景观 土壤 土壤类型、土层厚度、土壤营养、土壤营养障碍 土壤质地、土壤湿度、土壤元素背景值 水文 年径流量、地面水储量、水深、水温、透明度、 含盐量、地下水位和变幅、地下水流向、水质背 景值 非主体生物 生物种类、生物数量、与主体生物间的关系、 植被状况、植被结构、物种多度、生物多样性指 数、作为天敌的生物种类数量和活动强度、土壤 生物种类和数量、环境指示生物状况 2、主体生物类 农作物 种类与品种、产量与生产率、光能利用率 家畜家禽 种类与品种、产量与生产率、饲料转化率 鱼类 种类与品种、产量与生产率、饲料转化率 3、人类社会 人口 人口总数、人口密度、人口素质、人口从业状况 影响类 经济与技术 工业产值、农业产量与产值、区域经济类型、 城市化程度、人均产值、人均收入、经济产投比 单位面积投入物质量、单位面积投入能源量、土 地耕作与经营方式 生态破坏 水土流失量、土地沙化或盐渍化程度与数量、土 地肥力减退情况、病虫害猖獗程度、植被破坏情 况、生物多样性变化、气候状况变化 化学污染 土壤污染、水源污染、大气污染、农牧鱼产品污 染 、野生生物生境污染、污染对生物及其生境 的影响 （三）淡水生态监测指标 淡水系统包括河流湖泊生态系统和湿地生态系统2大类。 河流湖泊生态系统监测指标 指标类型 指标组 监测指标 生物类 大型水草 种类、数量、优势种、覆盖率、分布 浮游动物 轮虫和夹壳虫种的丰度、不同种的丰度比例 浮游植物 种类、数量、优势种 底栖无脊椎动物 浮游目/责翅目/毛翅目数量、比例、丰度 沉积性硅藻 种类、丰度 周丛生物 种类、丰度 微生物 细菌总数、大肠杆菌数 鱼类 种类、丰度、年龄、大小结构、敏感种百分数 外来种百分数、外部变异性 鸟类 种类、丰度 生境资源类 物理状况 温度、色度、透明度、浊度、悬浮物 水质状况 Na、K、Ca、Mg、Si、SO42-、NO3- 、Cl-、 CO32- 硬度、PH、COD、BOD、DO、Mn、Fe、Eh等 营养状况 叶绿素a、可溶性有机碳、 NO3- N、NH3 N TN、TP、正磷酸盐 有毒污染物 CN、农药类、As、Cr、Cd、Cu、Pb、Hg、Se、Zn 岸边情况 植被的类型和数量 水体性状 面积、最大深度、平均深度、水体体积、水面波动 生境复杂性 水深、流速、底质构成 社会经济 土地利用和覆盖 农业、城市、采矿、放牧、造林等的强度和构成 影响类 百分数 人口、畜禽密度 数量和密度 与产业结构 污染物负荷 点源和非点源排放量 水产养殖和鱼种 种类和数量 湿地生态监测指标 指标类型 指标组 监测指标 生