第二章 微生物与污染物在环境中的行为2

1、第二章微生物与污染物在环境中的行为生态系统:在一定的空间内,生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动互相作用、互相依存而构成的一个生态学功能单位。生态学:研究生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系的一门科学。微生物与生态学:研究微生物与其周围生物和非生物环境之间相互关系。包括:各种环境中的微生物的种类、分布;微生物和其它生物的关系;微生物与物质循环。第一节微生物与生态环境一、空气的微生物1、微生物引起的污染2、空气中微生物的种类、数量3、微生物的停留时间和分布范围1、微生物引起的污染生物污染:是指对人和生物有害的病原微生物、寄生虫、病原体等,污染水、气、土壤和食品,影响生物产量和质量,危害

2、人类健康,所产生的污染。如:水体受氮、磷等物质污染,引起藻类及其他生物大量繁殖,产生水体富营养化。病原微生物能使动物与植物致病的微生物,称为病原微生物或致病微生物。空气的微生物污染污水处理与污水灌溉可引起空气污染。由于液滴的飞散或污水中气泡上浮破裂,都可产生带菌的气溶胶,并随风飘散。试验证明,在上浮的气泡表面所含有菌数要比污水中多101000倍。有报道,在污灌的下风350 m处,检出肠道病毒。有的国家禁止污水灌溉,减少含菌气溶胶的传播。2、空气中微生物的种类、数量空气中微生物的数量与环境状况、环境绿化程度等有关。环境卫生,绿化程度好,尘埃颗粒少,则空气中微生物数量少;反之,微生物就多。一般公共

3、场所、医院、宿舍、城市街道的空气中,尘埃多,微生物的种类和数量多。而在高山、森林地带、终年积雪的山脉或极地上空,微生物的数量极少。空气中的微生物没有固定的类群,其分布常因地区而不同。常见的真菌:曲霉、毛霉、白地霉和色串孢霉等,主要是这些真菌的孢子。常见的细菌:芽孢杆菌、微球菌和产色素细菌等。还有一些人类的病原菌:如结核杆菌、白喉杆菌、肺炎球菌、溶血链球菌、金黄色葡萄球菌、麻疹病毒、流感病毒和脊髓灰质病毒等。3、微生物的停留时间和分布范围微生物在空气中停留的时间和分布的范围,取决于气流的强弱、尘埃颗粒的大小、空气的相对湿度、紫外辐射的强弱以及微生物的适应性和对恶劣环境的抵抗能力。空气中的微生物随

4、风水平传播的距离几乎是无限的,很多微生物的分布是全球性的。二、水体中的微生物1、水体中的病原微生物对水质的影响(a致病菌:一般对营养要求苛刻,因此一般在水中只能存活2-3天;(b水表微生物,会受辐射等作用而被杀灭;(c原生动物的吞噬作用,使水体中的病原微生物数量减少。饮用水的微生物指标:总菌数:< 100个/ml:大肠杆菌:<3 个/L。2、水体的微生物污染水体中的病原体主要来自动物的粪便。A、沙门氏菌:一类能运动、无芽孢、阴性,需氧微生物。污染的水源,导致人体肠、胃病,伤寒暴发流行。B、志贺氏菌属:一类不能运动、不产芽孢、阴性,需氧微生物。引起细菌性痢疾。C、霍乱弧菌:历次大的霍

5、乱暴发,与饮用水的污染有关。D、肠道病毒:主要有脊髓灰质炎病毒等。E、甲型肝炎病毒等,都能引起水体污染。3、水体中微生物的种类和分布规律水体:有天然水体和人工水体两种。天然水体包括:海洋、江河、湖泊等。人工水体:有水库、河流、下水道、各种污水处理系统等。水体是微生物分布的第二天然场所。(1淡水中微生物的种类和分布土壤中大部分细菌、放线菌和真菌,在水体中都能找到,成为淡水中的固有种类。包括:一些能分解各种有机物的腐生菌,如芽孢杆菌、变形杆菌、大肠杆菌、粪链球菌等;甚至还含有:引起伤寒、痢疾、霍乱、肝炎等人类病原菌。(2在较清洁的河流、湖泊等水域常见细菌有:绿硫细菌、紫色细菌、蓝细菌、柄细菌、赭色

6、纤发菌、球衣菌和荧光假单胞菌等。藻类(如绿藻、硅藻等、原生动物(如钟虫及其他固着型纤毛虫、变形虫、鞭毛虫等和后生动物(如枝角类、桡足类等。(3地下水、自流井、山泉及温泉:石油岩石地下水含分解烃的细菌;含铁泉水有铁细菌;含硫温泉有硫黄细菌。(4微生物在静水水域的垂直分布规律上层水体(水面下010m深处:主要有好氧细菌(如假单胞菌、柄杆菌、浮游球衣菌等、真菌和藻类;中层水体(水深2030m:主要有光合细菌(如红硫细菌和绿硫细菌以及厌氧细菌;底层水体(30m以下及湖底泥:主要有脱硫弧菌属、甲烷杆菌属和甲烷球菌属等厌氧细菌和放线菌。微生物的数量:以510m深处为最多,随着深度的增加而减少。微生物在淡水

7、体中水平分布规律沿岸水域有机物较多,微生物种类和数量也多;离岸越远的水域,微生物种类和数量越少。(5海洋微生物的分布生活在海水中的微生物,绝大多数是耐盐、嗜冷、耐高渗透压和耐高静水压力的种类。常见的微生物有:假单胞菌属、弧菌属、黄色杆菌属、无色杆菌属及芽孢杆菌属等。在海水中垂直分布规律:距海面0lOm以下至2550m处:微生物数量较多;50m以下:微生物的数量随海水深度的增加而减少;在海底沉积物上,因有很丰富的有机物,微生物的数量增多。垂直分布:海面有好氧的异养菌;再往下为兼性厌氧微生物;海底有兼性厌氧菌、厌氧异养菌及硫酸还原菌等。水平分布:在近海岸由于有机物含量多,微生物较多;离海岸越远,微

8、生物越少。4、水体污染物的转归是指污染物在水环境中的空间位移和形态改变。(前者表现为量的变化,后者则是质的转化。(1污染物的迁移是指污染物从某一地点转移到另一地点,从一种介质转移到另一种介质的过程。转归形式:生物富集:指某些重金属或有毒物质在环境中起始浓度不一定很高,但是随食物链逐级传递的过程中,该物质在生物体内的浓度逐渐升高的现象. 发生浓集作用的必备条件1环境中化学物质易为生物吸收;2进入生物体内的化学物质较难分解和排泄;3在生物富集过程中多通过食物链进行;4污染物在生物体内富集和逐渐积累时,尚不对该生物造成致命伤害。(2污染物的转化:主要指污染物在水体中所发生的物理、化学、光化学和生物学

9、作用。通过此等作用,污染物改变了原有的形态或分子结构,以至改变了污染物固有化学性质、毒性及生态学效应。水体中有机物的自净过程分三阶段第一阶段化学氧化分解,数小时;第二阶段生物化学氧化分解,数日;第三阶段含氮有机物的消化过程,数月。三、土壤中的微生物土壤是固体无机物(岩石和矿物质、有机物、水、空气和生物组成的复合物,是微生物的合适生境。土壤微生物种类多、数量多、代谢潜力巨大,是主要的微生物源,是微生物的大本营。1、土壤中微生物的数量和分布(1土壤中微生物的数量和分布:主要受营养物、含水量、氧、温度、pH等因子的影响,并随土壤类型的不同有很大变化。(2土壤微生物的数量和分布受季节影响;(3微生物的

10、数量与土层的深度有关,一般土壤表层微生物最多,随着土层的加深,微生物的数量逐步减少。2、土壤的微生物污染用未经彻底处理的动物粪便施肥。用未经处理的生活污水、医院污水和含有病原体的工业废水进行农田灌溉;利用污泥施肥。带病动物尸体处理不当。细菌:生物量:单位体积内活细胞的重量。细菌:每克肥土可含25亿个细菌。以每亩半尺深为耕作层土壤计,细菌活重约100-450斤。放线菌:土壤中放线菌数量仅次于细菌。(几万-几百万/克土壤。多分布在有机物较丰富的碱性土壤中。由于菌体大,其生物量与细菌接近。真菌:真菌主要分布在接近地面的土层中。以丝状体和孢子体形式存在于土壤中。(几千-几十万个/每克土壤。由于菌体粗大

11、,其生物量不低于细菌。如酵母在果园土壤里含量几十万个/g土壤。藻类和原生动物:藻类:(5万个/克土。原生动物:(3万个/克土。以纤毛虫,鞭毛虫、肉足虫等为主。它们以其它微生物和有机物碎片为食,对其它几类微生物的数量起调节作用。3、土壤污染的自净过程1病原体的死灭:2有机物的净化;有机物的无机化:(1、含氮有机物微生物氨或氨盐(氨化阶段氧、亚硝酸盐菌亚硝酸盐硝酸盐菌硝酸盐;(2、含碳、硫、磷的有机物亦有各自的无机化途径。有机物的腐殖质化:有机物在土壤微生物的作用下分解成为简单的化合物的同时,又重新合成复杂的高分子化合物,称为腐殖质。3化学污染物在土壤中的迁移、转化和残留。四、微生物代谢产物与环境

12、1、硫化氢产硫化氢的微生物,主要有两种:一是,反硫化细菌,将硫酸盐还原为硫化氢;二是,异养微生物,在分解有机硫化物时,释放硫化氢。下水道中淤泥,其中的厌氧菌产生硫化氢、二氧化碳等气体,使维修工中毒和窒息死亡。每年陆地有机质腐烂分解而产生的硫化氢有11.2×107吨。大气中硫化氢的主要来源是微生物。微生物产生的硫化氢要比工业产生量大得多。2、生物毒素生物毒素:是一大类生物活性物质的总称,是由动物、植物和微生物等产生的对其它生物物种有毒害作用,并不可复制的化学物质,也称为天然毒素。依据来源:分为动物毒素、植物毒素和微生物毒素。动物毒素的主要成分:是多聚肽、酶和胺类等。植物毒素:分为酚类化

13、合物、氰化合物、生物碱、萜类化合物以及酶、多肽和氨基酸等。微生物毒素:是微生物在生长繁殖过程中产生的一种次级代谢产物。2、1、植物毒素对空气的污染植物把大量毒素释放于大气中,形成大气污染,使其它植物中毒,甚至死亡。洋槐树皮:挥发一种能杀死周围杂草的物质,使根系范围内的草不能生长;丁香、薄荷、月桂等:能分泌大量芳香物质,对相邻植物的生长有抑制作用。桧柏的挥发性油,含醚和三氯甲烷,使其他花卉植物的呼吸减缓、生长停止。植物抑制剂A 芥菜类:芥菜油、异硫氰酸烯丙酯和-苯乙基异硫氰酸;B 鼠尾草:能产生挥发性单萜烯;C 胡桃树:产生5-羟萘醌,对一些草本和木本植物有剧毒。2、2、植物毒素对土壤的污染有些

14、植物把毒素通过根尖大量排放于土壤中,对其它植物的根系吸收,加以抑制。牛鞭草:根部分泌醛类物质,对豆科植物,绿豆生长进行封锁,使之根系生长差,根瘤菌也明显减少。胡桃树:树根会散发一种5-羟萘醌的化学物质,在土壤中水解氧化后,具有极大的毒性,能造成其他植物(如松树、苹果、马铃薯、西红柿、桦木及多种草木植物的受害或致死。3、微生物毒素3、1 霉菌毒素已确定结构的黄曲霉毒素有17种,其中以黄曲霉毒素B1毒性最大,致癌性最强。其毒性比砒霜大10倍以上;比敌百虫大25倍。其致癌性比奶油黄强900倍;比二甲基亚硝胺大75倍。是已知致癌物中最强的一种肝癌致癌剂。对-二甲氨基偶氮苯又称奶油黄,作食用色素,它在体

15、内代谢产生致癌物。已停止使用。3、2 黄曲霉毒的消除黄曲霉繁殖的温度为3038,最适宜37。耐热,在0.1 MPa压力下,加热到100,2小时,约减少80%,裂解温度为280,一般烹调难以消除。黄曲霉毒素污染粮食、豆类、蔬菜、肉类、乳品、水果等。NaOH可打破黄曲霉毒素B的六碳环内酯,形成香豆素钠盐。加盐酸,香豆素钠盐又可变成B。香豆素钠盐溶于水,在水洗时可被洗去,所以植物油可采用碱炼去毒。五、微生物与生物环境间的相互关系1、互生二种可以单独生活的生物,当它们生活在一起时,通过各自的代谢活动而有利于对方,或偏利于一方的一种生活方式。“可分可合,合比分好”。如:金黄色葡萄球菌的生长为本来在平板上

16、不能生长的嗜血流感菌提供生长因子,后者在其菌苔周围形成卫星菌落。又如:本来不能在含青霉素的平板上生长的受体菌在转化子(含有Ampr质粒周围形成卫星菌落(b-内酰胺酶分泌到胞外所致。2、共生二种生物共居在一起,相互分工协作、相依为命,甚至形成在生理上表现出一定的分工,在组织和形态上产生了新的结构的特殊的共生体。互惠共生:二者均得利。偏利共生:一方得利,但另一方并不受害。(1、微生物间的共生关系:地衣-藻类和真菌的共生体。共生菌从基质中吸收水分和无机养料;共生藻进行光合作用,合成有机物;形成有固定形态的叶状结构:真菌无规则地缠绕藻类细胞,或二者组成一定的层次排列。地衣繁殖时,在表面上生出球状粉芽,

17、粉芽中含有少量的藻类细胞和真菌菌丝,粉芽脱离母体散布到适宜的环境中,发育成新的地衣。(2、细菌与原生动物间的共生关系:细菌栖息于原生动物细胞内,获得营养和保护环境,并且这些细菌在原生动物细胞外都不能生长;原生动物通过共生菌获得生长所需要的维生素及其它生长因子。(3、微生物和植物间的共生关系:根瘤菌与豆科植物间的共生-形成根瘤共生体根瘤菌固定大气中的气态氮为植物提供氮素养料;豆科植物的根的分泌物能刺激根瘤菌的生长,同时,还为根瘤菌提供保护和稳定的生长条件。3、寄生一种小型生物生活在另一种相对较大型生物的体内或体表,从中取得营养和进行生长繁殖,同时使后者蒙受损害甚至被杀死的现象。4、拮抗某种生物产

18、生的代谢产物可抑制它种生物的生长发育甚至将后者杀死。5、竞争两个种群因需要相同的生长基质或其它环境因子,致使增长率和种群密度受到限制时发生的相互作用,其结果对两种种群都是不利的。6、捕食一种种群被另一种种群完全吞食,捕食者种群从被食者种群得到营养,而对被食者种群产生不利影响。第二节微生物对污染物的转化一、碳循环二、氮循环三、微生物对金属的转化有机污染物的生物净化机理本质被微生物转化为无机物;依靠好氧分解与厌氧分解。好氧分解细菌是其中的主力军原理:好氧有机物呼吸厌氧分解:厌氧细菌原理:发酵、厌氧无机盐呼吸一、碳循环1、碳源污染物的转化包括:糖类、蛋白质、脂类、石油和人工合成的有机化合物等。(一糖

19、类污染物提问:哪些糖类会成为污染物?难溶的多糖。难溶解的多糖数量较大时才会使自净时间大大增加,从而对环境造成污染。这类多糖主要是:纤维素、半纤维素、果胶质、木质素、淀粉。1、1、纤维素的转化葡萄糖高聚物,每个纤维素分子含140010000个葡萄糖基(1-4糖苷键。来源:棉纺印染废水、造纸废水、人造纤维废水及城市垃圾等。好氧细菌粘细菌、镰状纤维菌和纤维弧菌。厌氧细菌产纤维二糖芽孢梭菌、无芽孢厌氧分解菌及嗜热纤维芽孢梭菌。放线菌链霉菌属。真菌青霉菌、曲霉、镰刀霉、木霉及毛霉。存在于植物细胞壁的杂多糖。造纸废水和人造纤维废水中含半纤维素。分解过程TCA循环聚糖酶CO2 + H2O半纤维素- -单糖+

20、 糖醛酸H2O 各种发酵产物厌氧分解分解纤维素的微生物大多数能分解半纤维素。许多芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌及放线菌能分解半纤维素。霉菌有根霉、曲霉、小克银汉霉、青霉及镰刀霉。3、木质素的转化木质素存在于除苔藓和藻类外所有植物的细胞壁中,由松柏醇、香豆醇和芥子醇聚合而成的高度分枝多聚物。木质素降解的意义?如何实现工业化白腐菌降解木质素?确证的只有真菌中的黄孢原毛平革菌,疑似的只有软腐菌。黄孢原平毛革菌是白腐真菌的一种,隶属于担子菌纲、同担子菌亚纲、非褶菌目、丝核菌科。白腐树皮上木质素被该菌分解后漏出白色的纤维素部分。(二油脂的转化来源:毛纺厂、油脂厂、肉联厂、制革厂废水。降解油脂较快的微生物:细

21、菌荧光杆菌、绿脓杆菌、灵杆菌。丝状菌放线菌、分支杆菌。真菌青霉、乳霉、曲霉。途径:水解+氧化(三石油的转化1、降解石油的微生物降解石油的微生物很多,据报道有200多种。细菌:假单胞菌、棒杆菌属、微球菌属、产碱杆菌属。放线菌:诺卡氏菌。酵母菌:假丝酵母。霉菌:青霉属、曲霉属。藻类:蓝藻和绿藻。2石油的降解机理B.无支链环烷烃的降解:以环己烷为例芳香烃普遍具有生物毒性,但在低浓度范围内它们可以不同程度的被微生物分解。已知降解不同芳香烃的细菌类别:二、人工合成的难降解碳源污染物的转化难降解:对于自然生态环境系统,如果一种化合物滞留可达几个月或几年之久,或在人工生物处理系统,几小时或几天之内还未能被分

22、解或消除,称为难降解。提问:为什么这些有机物难于生物降解?微生物缺乏相应的水解酶种类:稳定剂、表面活性剂、人工合成的聚合物、杀虫剂、除草剂以及工艺废品等。1、氯苯类用途:稳定剂(润滑油、绝缘油、增塑剂、油漆、热载体、油墨等都含有。危害:急性中毒,是一种致癌因子(米糠油事件。降解菌:产碱杆菌、不动杆菌、假单胞菌、芽孢杆菌以及沙雷氏菌的突变体通过共代谢完成氯苯的完全降解。共代谢研究进展及其成果对环保的应用现状?2、洗涤剂可分为阴离子型、阳离子型、非离子型、两性电解质四类。我国目前生产的洗涤剂属于阴离子型烷基苯磺酸钠。较早开发的是非线性的丙烯四聚物型烷基苯磺酸盐(ABS:细菌:假单胞菌、邻单胞菌、黄

23、单胞菌、产碱单胞菌、产碱杆菌、微球菌、大多数固氮菌。放线菌:诺卡氏菌。由于这些微生物的作用,虽然每年排放入环境中的洗涤剂数量逐年递增,但环境中并没有发生洗涤剂的明显增加。因而洗涤剂一般不会引起环境的有机污染。洗涤剂目前存在的问题主要是洗涤剂中的添加剂聚磷酸盐造成的水体富营养化问题。二、氮循环蛋白质、氨基酸、尿素、胺类、腈化物、硝基化合物等。(一蛋白质的转化来源:生活污水、屠宰废水、罐头食品加工废水、制革废水等。1、降解蛋白质的微生物好氧细菌:链球菌和葡萄球菌。好氧芽孢细菌:枯草芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌。兼性厌氧菌:变形杆菌、假单胞菌。厌氧菌:腐败梭状芽孢杆菌、生孢梭状芽孢杆菌。此外

24、,还有曲霉、毛霉和木霉等真菌以及链霉菌(放线菌。2、降解机理氰化物、乙腈、丙腈、正丁腈、丙烯腈等腈类化合物及硝基化合物。来源:化工腈纶废水、国防工业废水、电镀废水等。危害:生物毒害、环境积累。A.降解典型含氮有机物的微生物细菌:紫色杆菌、假单胞菌。放线菌:诺卡氏菌。真菌:氧化性酵母菌和霉菌中的赤霉菌(茄科病镰刀霉、木霉及担子菌等。三、微生物对金属的转化1、金属进入环境的途径金属元素,可由:燃烧燃料、施用农药、采矿、冶金等多种途径进入环境。金属作为地壳的天然结构成分,以多种形式存在于环境中。人们关心的是:汞、砷、铅、锡、锑、铜、镉、铬、镍和钒这些元素,在空气、水和土壤、以及食品残渣中,以什么样的

25、化学形态,存在于环境中。2、金属的毒害作用取决于:存在状态;重金属的浓度。微生物具有适应金属化合物的生长,并代谢这些物质的活性。微生物的代谢活动可改变环境中金属的存在状态,改变它们的性质,包括生物效应。环境中微生物对金属的转化,主要是氧化还原和甲基化作用。3、汞的氧化、还原和甲基化环境中的无机汞有下列三种形式存在:Hg22+、Hg2+和Hg0。1、1、汞的氧化和还原在有氧条件下,某些细菌,如柠檬酸细菌、枯草芽孢杆菌等、使元素汞氧化。另外有些细菌,如铜绿假单胞菌、变形杆菌,使无机或有机汞化物中的二价汞离子还原为元素汞。酵母菌也有还原作用,在含汞培养基上的酵母菌菌落表面呈现汞的银色金属光泽。1、2

26、、汞的甲基化无论在好氧或厌氧条件下,都可能存在能使汞甲基化的微生物。如:有产甲烷菌、荧光假单胞菌、草分枝杆菌、芽孢杆菌等;真菌中有粗糙链孢霉、黑曲霉以及酿酒酵母等。汞的生物甲基化往往与甲基钴氨素有关。(把甲基转移给汞甲基钴氨素是钴氨素的衍生物。钴氨素即维生素VB12,是一种辅酶,许多微生物细胞都含有。甲基钴氨素中的甲基是活性基团,易被亲电子的汞离子夺取而形成甲基汞。甲基钴氨素(或许还有其他产甲基的媒介物把甲基转移给汞等重金属离子后,本身成为还原态( VB12-r。含甲基汞的微生物:鱼:鱼体表面粘液中有许多含甲基钴氨素的微生物,把无机汞加入这种粘液,检测到无机汞被甲基化了。动物肠道:大鼠肠道里的

27、微生物也含有甲基钴氨素。把大鼠盲肠的内含物与HgCl2放在一起,在试管里HgCl2转变成了氯化甲基汞(CH3HCI。从大鼠肠道里分离出的细菌中,大肠杆菌也有甲基化作用。粪便:从人粪便中分离到的各种细菌,大多也能使无机汞甲基化。汞的甲基化过程在环境中可自发进行能降解甲基汞的微生物包括:需氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌。在自然界,形成甲基汞的同时进行着脱甲基作用。在天然水体的沉积物中,甲基化和脱甲基化过程保持动态平衡。因此,在一般情况下,环境中甲基汞浓度维持在最低水平。但是,在有机污染严重、pH值较低的环境中容易形成和释放甲基汞。一是甲基汞溶于水,为鱼贝吸收而浓缩;二是甲基汞逸出水体,进人大气,污染

28、扩大。2、砷的氧化、还原和甲基化砷:是介于金属和非金属之间的两性元素,秉性活跃,俗称类金属。它是高等动物维持生命所必需的微量元素。与其他微量元素一样,砷有严格的剂量-效应关系,低浓度,砷有利于机体生长和繁殖,过量则有毒性并致癌。元素砷,不溶于水和强酸,几乎无毒。砷的有机、无机化合物有毒,As3+毒性大于As5+。砒霜的是三价砷化物As2O3。2、1、砷的氧化和还原A 使亚砷酸盐氧化为砷酸盐的微生物假单胞菌、黄单胞菌、节杆菌、产碱菌等能氧化亚砷酸盐为砷酸盐,使之毒性减弱。微生物使湖泊中亚砷酸盐氧化为砷酸盐的这种活性,是生物能够生存的主要原因。土壤中也存在砷的氧化。当施入亚砷酸盐后,三价砷逐渐消失

29、,而产生五价砷。B 使砷酸盐还原为亚砷酸盐的微生物有些细菌:如酵母菌、小球藻等,可使砷酸盐还原为更毒的亚砷酸盐。海洋中的细菌也有这种还原作用。尽管认为As5+是热力学上最稳定的形式,实际上海水中三价砷很缓慢的氧化。2、2、砷的甲基化能转化无机砷为甲基砷的微生物细菌:如甲烷杆菌和脱硫弧菌;酵母菌如假丝酵母;霉菌如镰刀霉、曲霉、拟青霉都能转化无机砷为甲基砷。砷化物加到颜料中色彩特别鲜艳。含砷壁纸,使人中毒。经研究,致命因子是在墙壁纸上生长的霉菌的代谢产物三甲基砷,是一种挥发性的、有大蒜气味的剧毒物质。土壤里也发生砷的转化,用砷化物作为杀虫剂和除草剂,对农民存有潜在危害。砷的生物甲基化中,甲基供体也

30、是甲基钴氨素。第三节污染物对生态系统的影响一、生态系统污染1、生态系统污染的界限生态系统污染:是指污染物的输入改变了原来生态系统的正常组分、结构和功能,导致系统有序性和稳定性的降低甚至丧失。污染因素对生态系统的危害有一个界限,只有超过这个界限,才能判断为生态系统受到污染。这一界限是由生态系统的最大限度的抗干扰能力所决定的,主要包括无机环境容量和生物净化作用。环境容量是以生态系统为基础,在一定区域与一定期限内,保证系统处于良性循环状态,无机环境所能容纳污染物的最大负荷量。环境容量越大,生物对污染物的抗性作用越强,越不容易造成生态系统污染。环境容量M理论上由两部分组成,即:M=K+RK为基本环境容

31、量(也称稀释容量;R为变动环境容量(也称自净容量。前者主要表征的是自然环境的特性,是指无机环境的基质种类和理化性质的不同和稀释作用的关系;后者主要表征的是污染物的特性,是指无机环境对不同性质、浓度、作用时间的污染物的降解、化合作用。生物的净化作用体现为对污染物的抗性作用和无害化作用,主要指生物的吸收、富集、代谢、分解作用。因此,生态系统的物种类型一定程度上也决定着这个生态系统的抗干扰能力。无机环境的作用与生物的净化作用并不是彼此割裂,而是在生态系统内通过物质循环与能量流动有机地结合起来的,生物之间也通过营养结构联系在一起,从整体上表现为生态系统的抗干扰能力。2、生态系统污染的程度生态系统污染的

32、程度,是生态恢复最重要的决策依据之一。体现为污染物的作用程度和组分、结构、功能、系统受干扰的程度。生态系统受污染的程度随着污染物作用程度,组分破坏,结构破坏,功能异常,系统不稳定性程度的加深而加深。污染物的作用程度:是指其作用的时间、空间、浓度、性质。时间越长,空间越大,浓度越高,毒性越强,则系统受污染的程度越深。组分的破坏程度:随着从个体到种群到群落水平上的逐级效应而加深。结构的破坏程度:主要是营养结构的破坏程度,取决于组分的破坏程度。功能的异常:体现为物质循环、能量流动、信息流动及生物生产的异常,取决于组分和结构的破坏程度。系统的不稳定性:是上述种种的综合效果,主要体现为抗干扰与自恢复能力

33、的下降。3、生态系统污染的过程3、1逐级效应过程图1描述了污染在生态系统中逐级产生生态效应的过程。污染物首先进入非生物环境,生物对污染物的吸收、迁移、富集,引起毒害、产生抗性,这一效应顺着食物链及食物网传递,导致敏感性个体死亡,抗性个体在种群内比例增大,反映到种群水平就是种群遗传多样性的降低;而敏感性物种的消失,导致生物群落结构的简单化,从而使生态系统的复杂性降低,生态系统多样性丧失。每一个过程又有它的反作用过程,这是由它们彼此之间的相互联系、相互作用、相互制约所决定的,而个体、种群、群落、生态系统也能直接作用于非生物环境和污染物,这使得生态系统污染的过程变得异常复杂,整体的和动态的把握比较困

34、难。但是这些关系也存在一些特征,即:呈现因果关系:在一定的程度上不可逆转、具有放大效应和时滞效应。如果污染不加以控制,经过一段时间,通过上述关系和作用,原来的生态系统将会完全崩溃。生态系统与系统外界环境之间也存在一定的相互作用,在实际当中这种相互作用对生态系统质量的影响也是显著的。3、2组分效应过程组分效应过程:是指污染物作用于生态系统组成要素的过程。这一过程主要是为了摸清关键因子,也反映生态系统的污染程度。如图2中的描述:污染可能作用于任何一个组分,但作用于不同的组分所产生的效应不同。而对系统的状态起到重要影响的那个组分就是关键因子。污染物首先进入非生物环境,从面对生产者、消费者、分解者产生

35、效应。4大组分间发生直接关系和间接关系的途径也就是生态系统的污染过程。这其中每个组分发生种群水平上的效应都会影响其他组分,但产生效应与影响途径的不同,对整个生态系统水平的影响也不同,关键因子的影响对系统来说将会是致命的。生态系统的正负反馈机制在这些关系中发挥着重要作用。污染生态效应产生时滞效应,因为每一步的作用都需要一个过程。3、3污染梯度污染梯度:由生态系统包含的空间范围和污染过程的时滞效应共同决定。距离污染源越远、污染时间越短,污染程度就越轻。在一个受污染干扰的生态系统中总是存在着污染梯度。它不是一成不变而,是动态发展的,与生态系统和污染物的性质密切相关。污染梯度的定性指标是同一生态系统中

36、污染从无到极端严重之间的若干级。1、4关键因子关键因子:是指导致生态系统破坏的主要内在因子(不包括污染因子。这个因子主要是指以种群为单位的,生态系统中属于生产者、消费者或分解者的某类物种。有可能成为关键因子的物种是在维持结构、功能的稳定性上发挥关键作用的物种和种群抗干扰能力弱的物种,如群落中的优势种或建群种、处于营养结构顶级的物种、污染物是限制性因子的物种、生态幅较小的物种、种群规模小的物种、衰老型种群。最可能成为关键因子的是系统关键物种,同时又是种群抗干扰能力弱的物种。关键因子因生态系统性质的不同和污染性质的不同(大气污染、水污染、土壤污染等而不同。关键因子可能只有一个,也可能有多个。1、5

37、污染生态系统的特点污染生态系统是指人类活动所产生的污染物质输入了生态系统并在数量上超过其净化能力时形成的生态系统。它是由生物与其被污染了的环境组成的生态系统。在污染生态系统中,污染因子成为主导生态因子。污染环境的性质改变着生态系统的状态和动态。输入环境中的污染物的种类、性质、浓度、作用时间以及染物的相加、协同、拮抗、独立作用共同影响着污染环境的性质。相比生物与未受干扰的环境之间的关系,生物与污染环境之间的关系更为复杂。污染物对生物组分发生不同程度的毒害使得生态系统原有结构被破坏,功能不能得以正常实现,从而导致系统稳态及有序性被干扰破坏。二、污染物在个体水平上的影响对动物:主要有死亡、行为改变、

38、繁殖下降、生长和发育抑制、疾病敏感性增加和代谢率变化。对植物:主要表现为:生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等。下面以动物为例,阐述污染物在个体水平上影响。1、死亡在一定的剂量或浓度作用下,污染物能引起动物死亡,这样的剂量或浓度被称为致死剂量或致死浓度。死亡比例的大小(死亡率常常被作为一个重要的生物学指标,用以评价污染物的毒性大小。同一种污染物也可导致不同种动物不同的死亡率。例如,铜引起50%水生生物死亡的浓度范围:枝角类为5300 m/L,软体动物为409 000m/L。2、对行为的影响水生生物所有的行为都易受到污染物的影响。当一种污染物,使得动物一种行为改变超过正常变化的范围时,就产生了行

39、为毒性。水环境污染,可影响的生物行为有:回避行为、捕食行为、学习行为、警惕行为和社会行为。(1、回避行为是指水生动物,特别是游泳能力强的水生动物,能主动避受污染的水区,游向未受污染的水区的行为。污染,造成生物回避行为的改变,使水生生物种类组成、区系分布随之改变,从而打乱原有生态系统的平衡。如:经济鱼类,失去索饵场和产卵场,仍留在污水中的鱼类会出现更多的病鱼。不同水生动物回避能力的差异不同的水生动物对同一种污染物的回避能力差异很大。如杂色鳟:对DDT有较强的回避能力,阈值为0.005 mg/L;食蚊鱼次之,阈值为0.1 mg/L;草虾完全不回避。(2、捕食行为生物的捕食行为破坏,可导致生物机体获

40、得资源减少,最终引起生产量的下降或发育和繁殖受阻。污染物:可影响水生动物的胃口,导致捕食的停止。污染物:可影响搜索猎物策略和感觉系统,降低捕食能力。污染物:可影响对猎物的选择,降低捕捉猎物的效率。污染物:可以影响捕捉后处理的时间,降低捕食能力。例如用铜:喂蓝鳃鱼;用铅和锌:喂斑马鱼;烷基苯磺酸喂旗鱼;均发现捕捉后处理时间被这些重金属所延长,最终导致拒食和捕食能力下降,这可能是污染物引起动物的味觉阻断而产生。拒食由于缺乏味觉,不能证实这一被捕猎物是否可食。被捕水生动物本身也有逃避被捕食的能力,因此水生动物本身具有警惕行为。警惕行为的破坏,导致容易被捕,这样就增加了死亡率,使种群数量下降。例如,电离辐射和汞:可以增加食蚊鱼被鲈鱼捕食的危险性