第三章污染物在生态系统中的行为4

1、环境生物学环境生物学Enviromental biology 第三章第三章 污染物在生态系统中的行为污染物在生态系统中的行为 第一节第一节 生物对污染物的吸收生物对污染物的吸收 第二节第二节 生物对污染物的转化和排出生物对污染物的转化和排出 第三节第三节 生物对污染物的积累生物对污染物的积累 第四节第四节 影响污染物在生态系统中行为的因素影响污染物在生态系统中行为的因素 第五节第五节 生物放大生物放大 第三章第三章 污染物在生态系统中的行为污染物在生态系统中的行为污染污染 pollutionpollution 人为的或自然发生的事件导致了环境中存在高浓度有人为的或自然发生的事件导致了环境中存在

2、高浓度有害物质的一种状态。害物质的一种状态。这些导致污染了的物质就是污染物（这些导致污染了的物质就是污染物（pollutantspollutants）。污染物进入生态系统后将发生一系列的理化过程，污染物的形态结构浓度均污染物进入生态系统后将发生一系列的理化过程，污染物的形态结构浓度均有可能发生很大的变化。同时生活在环境中的生物也会主动或被动地对污染有可能发生很大的变化。同时生活在环境中的生物也会主动或被动地对污染物进行吸收（物进行吸收（uptakeuptake）. .吸收进入生物体内的污染物发生相应改变，吸收进入生物体内的污染物发生相应改变， 激活（激活（activationactivatio

3、n） 脱毒或解毒作用脱毒或解毒作用(detoxication): (detoxication): 统称为生物转化（统称为生物转化（biotransformationbiotransformation）. .第三章第三章 污染物在生态系统中的行为污染物在生态系统中的行为污染物在体内可以通过运输、转移进行再分配。一部分排出体外污染物在体内可以通过运输、转移进行再分配。一部分排出体外（eliminationelimination），另一部分将会残留在体内，导致污染物在生物体内的积累），另一部分将会残留在体内，导致污染物在生物体内的积累（accumulationaccumulation）. . 积累的

4、污染物在通过食物链的营养级转移，并在更高营养级生物体中积累的污染物在通过食物链的营养级转移，并在更高营养级生物体中不断富集，产生不断富集，产生生物放大生物放大（biomagnificationbiomagnification）效应。）效应。第三章第三章 污染物在生态系统中的行为污染物在生态系统中的行为第一节第一节 生物对污染物的吸收生物对污染物的吸收1 1 生物吸收的机制生物吸收的机制 吸收吸收 指环境中的污染物进入生物有机体的过程。指环境中的污染物进入生物有机体的过程。1.1 吸附（吸附（adsorption）: 指污染物积累在两相物质共同界面的过程指污染物积累在两相物质共同界面的过程 吸附

5、在体表的物质，然后通过跨膜运输，进入细胞内，完成吸收的过程。吸附在体表的物质，然后通过跨膜运输，进入细胞内，完成吸收的过程。细胞的基本结构污染物通过细胞膜的过程主要有三种方式：污染物通过细胞膜的过程主要有三种方式：1) 1) 扩散（扩散（diffusiondiffusion）: : 物质顺电化学梯度的移动，可以是带电粒离子通过通道蛋白或者亲脂分子物质顺电化学梯度的移动，可以是带电粒离子通过通道蛋白或者亲脂分子通过磷脂双分子层。通过磷脂双分子层。 四种方式：四种方式： 自由扩散自由扩散 (a)(a) 协助扩散：通道蛋白（如孔蛋白）或者载体蛋白协助扩散：通道蛋白（如孔蛋白）或者载体蛋白(b)(b)

6、 离子通道扩散离子通道扩散(c)(c) 门离子扩散门离子扩散(d) (d) 2) 2) 主动运输（主动运输（active transportationactive transportation） 物质在载体蛋白的作用下，以物质在载体蛋白的作用下，以ATPATP或质子泵势能为能量，将物质从细胞外或质子泵势能为能量，将物质从细胞外转到细胞内的过程。转到细胞内的过程。主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由主动运输的特点是：逆浓度梯度（逆化学梯度）运输；需要能量（由ATPATP直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；都有载体蛋直接供能）或与释放能量的过程偶联（协同运输）；都

7、有载体蛋白。白。 3) 3) 胞吞或胞饮作用（胞吞或胞饮作用（enterocytosisenterocytosis） 胞吞作用：胞吞作用：phagocytosis phagocytosis 吞噬固体颗粒物，是无脊椎动物吸收物质的重吞噬固体颗粒物，是无脊椎动物吸收物质的重要方式。要方式。 胞饮作用：胞饮作用：pinocytosis pinocytosis 吞噬液体物质吞噬液体物质 吞噬过程包括：膜吸附、膜延展、膜泡形成和释吞噬过程包括：膜吸附、膜延展、膜泡形成和释放放 2 植物的吸收陆生植物陆生植物2.1 2.1 叶叶 （leafleaf） 叶是同周围气体交换最活跃的部分，因此也是吸收空气中有害

8、气体如叶是同周围气体交换最活跃的部分，因此也是吸收空气中有害气体如HFHF的的主要途径。同时，还能对一些气溶胶或颗粒物质进行黏附。主要途径。同时，还能对一些气溶胶或颗粒物质进行黏附。 叶片同周围气体进行物质交换的主要场所是叶片同周围气体进行物质交换的主要场所是气孔气孔，植物种类不同，气孔的结，植物种类不同，气孔的结构、组成构、组成 、数量和分布都有差异，气孔的这些特点影响叶片对污染物的吸数量和分布都有差异，气孔的这些特点影响叶片对污染物的吸收。收。 气体经通过气孔进入到植物叶片组织是一个复杂的过程，吸收效率受界面阻气体经通过气孔进入到植物叶片组织是一个复杂的过程，吸收效率受界面阻力、气孔阻力、

9、细胞间隙阻力和细胞内液相阻力等作用力、气孔阻力、细胞间隙阻力和细胞内液相阻力等作用。 根根主要吸收土壤中的污染物。主要吸收土壤中的污染物。1 1）根的各部分的吸收功能差别很大。）根的各部分的吸收功能差别很大。 例：例：大麦的根大麦的根 在距根顶端在距根顶端2-4 cm2-4 cm对对K K的吸收较的吸收较6-8cm6-8cm处大，处大，CaCa、SiSi的吸收以根的分生的吸收以根的分生区和伸长区为主，区和伸长区为主，FeFe的吸收主要集中在分生区，的吸收主要集中在分生区，K K、N N、P P元素的吸元素的吸收主要在根毛区。分生组织缺乏输导组织，因此通过分生区吸收的总收主要在根毛区。分生组织缺

10、乏输导组织，因此通过分生区吸收的总量不大。量不大。2 2）吸收过程：土壤）吸收过程：土壤 根表面根表面 表皮表皮进入皮层内部，进入皮层内部，由由皮层、内皮皮层、内皮层、中柱鞘进入木质部导管，进一步向茎、叶输送。层、中柱鞘进入木质部导管，进一步向茎、叶输送。3 3 动物的吸收动物的吸收呼吸道呼吸道陆生动物主陆生动物主要通过消化道吸收污染物，而呼吸道和皮肤的作用相对较弱。要通过消化道吸收污染物，而呼吸道和皮肤的作用相对较弱。3.1 3.1 呼吸道呼吸道大部分溶解在空气中的污染物以及微粒物质都通过呼吸道进入生物体。不同污大部分溶解在空气中的污染物以及微粒物质都通过呼吸道进入生物体。不同污染物由于水溶

11、性的不同，经呼吸道进入机体后到达呼吸道的位置和停留时间，染物由于水溶性的不同，经呼吸道进入机体后到达呼吸道的位置和停留时间，以及引起毒性的效应差异很大。以及引起毒性的效应差异很大。 一般通过消化道、鳃、呼吸道、皮肤等途径一般通过消化道、鳃、呼吸道、皮肤等途径。具体的吸收途径与动物的具体的吸收途径与动物的生活习性有很大的关系生活习性有很大的关系。 3.2 3.2 消化道消化道 由于动物都需要捕食其他低营养级生物，而整个消化道对污染物都有吸由于动物都需要捕食其他低营养级生物，而整个消化道对污染物都有吸收能力，因此胃肠道吸收污染物有非常重要的作用。收能力，因此胃肠道吸收污染物有非常重要的作用。 主要

12、吸收部位在小肠。主要吸收部位在小肠。 小肠粘膜上有微绒毛，吸收面积增加大概小肠粘膜上有微绒毛，吸收面积增加大概600600倍；倍；以颗粒形式吸附的金属往往和食物共同消化；以颗粒形式吸附的金属往往和食物共同消化；脊椎动物中，胃脊椎动物中，胃pHpH偏酸有利于金属溶解释放，而小肠的的偏碱性偏酸有利于金属溶解释放，而小肠的的偏碱性条件使得在胃释放的物质有吸附到肠粘膜上。条件使得在胃释放的物质有吸附到肠粘膜上。 肠道吸收量与污染物化学性质特别是亲水性或亲脂性有关；肠道吸收量与污染物化学性质特别是亲水性或亲脂性有关； ：研究表明，鱼、磷虾等动物为材料，发现肠道对甲级汞、乙基汞：研究表明，鱼、磷虾等动物为

13、材料，发现肠道对甲级汞、乙基汞等脂溶性的有机汞吸收系数超过等脂溶性的有机汞吸收系数超过50%50%，而对离子态和金属汞的吸，而对离子态和金属汞的吸收率在收率在20%20%以下以下. .肠道的不同部位对物质的吸收也有差异；肠道的不同部位对物质的吸收也有差异； 哺乳动物中，十二指肠和空肠主要吸收营养物和药物，而回肠吸收哺乳动物中，十二指肠和空肠主要吸收营养物和药物，而回肠吸收胆酸。胆酸。 水生动物水生动物 由于长期生活在水中，摄食吸收的重要性降低，他们由于长期生活在水中，摄食吸收的重要性降低，他们直接从水中积累的污染物比捕食食物吸收要多很多，因此主要通过鳃、直接从水中积累的污染物比捕食食物吸收要多

14、很多，因此主要通过鳃、胃肠道和皮肤吸收。胃肠道和皮肤吸收。以鱼而言，鳃是最重要的吸收器官，原因：以鱼而言，鳃是最重要的吸收器官，原因：鳃进化了逆流交换机制（鳃进化了逆流交换机制（countercurrent exchange countercurrent exchange mechanismsmechanisms），提高氧的交换率，同时增加了污染物的交换；），提高氧的交换率，同时增加了污染物的交换； 直接与水接触，阻碍小。直接与水接触，阻碍小。 鱼每天要消耗大量的水，占身体体重的鱼每天要消耗大量的水，占身体体重的5-12%，可以从水，可以从水中浓缩污染物。中浓缩污染物。 水华，藻的富集引起，大

15、部分藻类是有毒的，因此产生的藻毒水华，藻的富集引起，大部分藻类是有毒的，因此产生的藻毒素常集中在贝类的肝胰腺，一旦误食有毒贝类，出现舌、口、四肢素常集中在贝类的肝胰腺，一旦误食有毒贝类，出现舌、口、四肢发麻等症状。发麻等症状。 ： 为什么在赤潮多发季节，海鲜一次不宜吃得太多？为什么在赤潮多发季节，海鲜一次不宜吃得太多？3.3 3.3 皮肤皮肤 表皮：角质层、透明层、颗粒层和生发层。表皮：角质层、透明层、颗粒层和生发层。 真皮：表皮下的一层致密结缔组织，分为乳头层和网状层。真皮：表皮下的一层致密结缔组织，分为乳头层和网状层。 污染物经皮肤吸收一般分为污染物经皮肤吸收一般分为两个阶段两个阶段： 污

16、染物以扩散形式通过表皮，表皮的角质层是最重要的屏障；污染物以扩散形式通过表皮，表皮的角质层是最重要的屏障； 污染物以扩散的方式通过真皮污染物以扩散的方式通过真皮皮肤对污染物的吸收与污染物的性质有很大关系：皮肤对污染物的吸收与污染物的性质有很大关系： 大量的脂溶性农药，很容易通过皮肤进入人体内。这也是夏季农大量的脂溶性农药，很容易通过皮肤进入人体内。这也是夏季农田喷洒农药的农民，很容易发生中毒事件的根本性原因。田喷洒农药的农民，很容易发生中毒事件的根本性原因。 4 4 微生物微生物的吸收的吸收 分布最广，适应性最强的一大类生物。分布最广，适应性最强的一大类生物。 个体微小，因此具有很大表面积，代

17、谢活性高个体微小，因此具有很大表面积，代谢活性高; ; 吸收过程：吸收过程： 细胞表面吸附和胞内运输细胞表面吸附和胞内运输第二节第二节 生物对污染物的转化和排出生物对污染物的转化和排出 1 1 生物转化（生物转化（biotransformationbiotransformation） 生物体内一种化合物变成另一种化合物的现象。生物体内一种化合物变成另一种化合物的现象。 转化分为三种可能：转化分为三种可能： 1.1 1.1 污染物与生物体中某些成分结合（螯合），不参加代谢活动，使污染物与生物体中某些成分结合（螯合），不参加代谢活动，使污染物失去毒性，从而可以在生物体内富集；污染物失去毒性，从而可

18、以在生物体内富集； 1.2 1.2 污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱卤和异构化等过污染物在酶的作用下通过氧化、还原、水解、脱卤和异构化等过程，毒性降低，甚至完全分解，失去毒性，从而加速生物的吸收，增程，毒性降低，甚至完全分解，失去毒性，从而加速生物的吸收，增加生物富集量；加生物富集量； 1.3 1.3 污染物经过生物转化后，更容易被吸收，毒性增强。污染物经过生物转化后，更容易被吸收，毒性增强。 如如Bap(Bap(苯并（苯并（a a）芘）芘) ) 2 2 生物对污染物的排出生物对污染物的排出 机体分泌污染物或分解代谢污染物后导致污染物在体内含量降低机体分泌污染物或分解代谢污染物后导致

19、污染物在体内含量降低的过程。的过程。 2.1 2.1 污染物的排出方式随生物种类和污染物不同而不同：污染物的排出方式随生物种类和污染物不同而不同：植物植物：蒸发作用、落叶、根分泌、植食动物的啃食等。：蒸发作用、落叶、根分泌、植食动物的啃食等。动物动物：鳃、肝胆汁和肾的排出作用是动物排出污染物的基本方式；此外，：鳃、肝胆汁和肾的排出作用是动物排出污染物的基本方式；此外，还有呼吸作用、脱毛、产蛋、各种分泌物（汗腺）等过程。还有呼吸作用、脱毛、产蛋、各种分泌物（汗腺）等过程。2.2 2.2 污染物的排出与污染物的性质有很大关系污染物的排出与污染物的性质有很大关系动物个体动物个体A: A: 大的极性分

20、子及其代谢物主要通过肝，进入胆汁，随粪便排出；大的极性分子及其代谢物主要通过肝，进入胆汁，随粪便排出； 如人体，分子量超过如人体，分子量超过300 Da300 Da的分子大多经过此途径排出；的分子大多经过此途径排出； 肝内循环（肝内循环（enterohepatic circulationenterohepatic circulation）：有些随胆汁进入小肠的化）：有些随胆汁进入小肠的化合物会再吸附，重新进入。如合物会再吸附，重新进入。如 甲基汞，甲基汞， As As3+3+. .（砷）（砷） 这种循环作用会这种循环作用会增加污染物对肝的损伤作用。增加污染物对肝的损伤作用。B B：对分子量小于

21、对分子量小于300 Da300 Da的物质排出，肾分泌起非常重要的作用；也的物质排出，肾分泌起非常重要的作用；也是哺乳动物分泌金属离子的基本路线。是哺乳动物分泌金属离子的基本路线。甘肃微县的铅超标事件甘肃微县的铅超标事件.l 第三节第三节 生物对污染物的积累生物对污染物的积累生物积累（生物积累（bioaccumulationbioaccumulation） 生物个体从周围的水体、空气、土壤等环境中净吸收的污染物的量生物个体从周围的水体、空气、土壤等环境中净吸收的污染物的量。水生生物学研究中，生物积累也定义为生物浓缩（水生生物学研究中，生物积累也定义为生物浓缩（bioconcentrationb

22、ioconcentration）。1 1 积累的生物过程积累的生物过程 污染物在生物体内积累的量，取决于生物体内能与污染物相结合的生污染物在生物体内积累的量，取决于生物体内能与污染物相结合的生物活性物质数量的多寡和活性的强弱。物活性物质数量的多寡和活性的强弱。 活性物质越多，活性越强，积活性物质越多，活性越强，积累必然越多。累必然越多。 污染物在生物体内的积累是吸收、转化以及排出过程的综合结果。污染物在生物体内的积累是吸收、转化以及排出过程的综合结果。最简单的基于速率常数的积累模型可简单的表示为：最简单的基于速率常数的积累模型可简单的表示为： dC/dt= kdC/dt= ku uC1-kC1

23、-ke eC C 其中，其中，C1C1是环境中污染物的浓度，是环境中污染物的浓度，C C是生物体内的浓度，是生物体内的浓度， k ku u是吸收常数（是吸收常数（h h-1-1）,k ,ke e是排出常数（是排出常数（h h-1-1）. .积分可得到：积分可得到： Ct=C1(kCt=C1(ku u/k /ke e)(1-e)(1-e-k-ke et t) )根据公式可以预测生物体内任一时刻污染物的积累浓度。根据公式可以预测生物体内任一时刻污染物的积累浓度。 1 1 积累的生物过程积累的生物过程 在暴露初期机体内的污染物浓度逐渐提高，吸收作用（在暴露初期机体内的污染物浓度逐渐提高，吸收作用（U

24、, uptakeU, uptake）大于排出作用（）大于排出作用（E E，eliminationelimination），直到达），直到达到一个平衡到一个平衡(U=E)(U=E)，此时机体内污染物浓度达到最大，并且处于一个稳定状态。此时机体内的污染物浓度定，此时机体内污染物浓度达到最大，并且处于一个稳定状态。此时机体内的污染物浓度定义为义为Css(C at steady state)Css(C at steady state)，此时，此时(1-e-ket)(1-e-ket)接近于接近于1 1，可以得到下列关系式：，可以得到下列关系式： Css/C1=ku/ke Css/C1=ku/ke ku/

25、keku/ke：生物积累因子（：生物积累因子（bioaccumulation factor, BAFbioaccumulation factor, BAF）。如果外界环境是水体，则如果外界环境是水体，则ku/keku/ke称为浓缩因子（称为浓缩因子（BCF, BCF, bioconcentration factorbioconcentration factor） 2 2 结合污染物的生物大分子结合污染物的生物大分子 进入生物体内的污染物同生物大分子结合，而使得毒性降低或减少进入生物体内的污染物同生物大分子结合，而使得毒性降低或减少的方式，称为污染物的规避（的方式，称为污染物的规避（seques

26、trationsequestration）在生物体内，能和污染物进行结合的主要有以下几大类物质：在生物体内，能和污染物进行结合的主要有以下几大类物质： 2.1 2.1 蛋白质和氨基酸蛋白质和氨基酸 主要吸收物质主要吸收物质A: A: 含氮物质具有大量的羧基、氨基和一些巯基基团，这些基团是重含氮物质具有大量的羧基、氨基和一些巯基基团，这些基团是重金属和某些农药相结合的位点；金属和某些农药相结合的位点；B B 蛋白质中含有的酸性氨基酸往往比碱性氨基酸多，等电点接近于蛋白质中含有的酸性氨基酸往往比碱性氨基酸多，等电点接近于5 5，在中性环境下往往呈阴离子状态，易和金属阳离子结合，在中性环境下往往呈阴

27、离子状态，易和金属阳离子结合; ;C C 游离的氨基酸含有羧基、氨基和巯基等，也能与金属结核形成复游离的氨基酸含有羧基、氨基和巯基等，也能与金属结核形成复杂的金属螯合物。杂的金属螯合物。能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金属硫蛋白及类金属硫蛋能与重金属结合的蛋白质中，最重要的是金属硫蛋白及类金属硫蛋白。白。富含半胱氨酸肠蛋白质（cysteine-rich intestinal protein,）与类金属硫蛋白（metallothionein）共同调节哺乳动物吸收Zn的过程。CRIP哺乳动物肠上皮细胞中Zn的运输蛋白。 2.2 2.2 糖类物质糖类物质 由于某些糖类的分子结构中含有醛基（如葡萄

28、糖）、半缩醛羟基由于某些糖类的分子结构中含有醛基（如葡萄糖）、半缩醛羟基（如乳糖、麦芽糖等），这些基团在还原性的环境中，能使重金属（如乳糖、麦芽糖等），这些基团在还原性的环境中，能使重金属离子还原并结合形成不溶性化合物而沉积在体内。离子还原并结合形成不溶性化合物而沉积在体内。 2.3 2.3 脂类脂类 脂类物质含有极性酯键脂类物质含有极性酯键, ,这类酯键能与金属离子结合而形成络合物或这类酯键能与金属离子结合而形成络合物或螯合物。从而把重金属储存载体在脂肪内。脂肪的含量在很大程度螯合物。从而把重金属储存载体在脂肪内。脂肪的含量在很大程度上影响了生物对污染物的积累，脂肪较低的个体积累的重金属的含

29、上影响了生物对污染物的积累，脂肪较低的个体积累的重金属的含量能力低，同时具有较高的排出率。量能力低，同时具有较高的排出率。2.4 2.4 核酸和有机酸核酸和有机酸 由于含有磷酸基团和碱性基团，能两性电解的极性化合物。在一定由于含有磷酸基团和碱性基团，能两性电解的极性化合物。在一定的条件下，能电解分离而带电荷，所以能与金属离子结合。的条件下，能电解分离而带电荷，所以能与金属离子结合。3 3 体内运输体内运输 生物体吸收或积累一定的污染物后，可以通过循环系统的活动，生物体吸收或积累一定的污染物后，可以通过循环系统的活动，促使污染物在生物体内的组织和器官之间运输，从而使污染物在促使污染物在生物体内的

30、组织和器官之间运输，从而使污染物在器官间再分配。器官间再分配。 就不同生物个体而言，其体内运输方式存在差异。就不同生物个体而言，其体内运输方式存在差异。 动物个体：动物个体： 吸收的污染物，经过跨膜运输进入血液循环系统后，同血细吸收的污染物，经过跨膜运输进入血液循环系统后，同血细胞和血浆蛋白结合，将随血液循环被运送到全身组织和器官，发胞和血浆蛋白结合，将随血液循环被运送到全身组织和器官，发生新的分配和定位；生新的分配和定位； 植物个体：植物个体： 主要是在蒸腾拉力和生长中心双中动力作用下，驱动污染物随水分主要是在蒸腾拉力和生长中心双中动力作用下，驱动污染物随水分和营养物质的分配而完成再分配。和

31、营养物质的分配而完成再分配。1 1）不同金属离子从表面吸收到根的中柱，横向迁移的方式不同；）不同金属离子从表面吸收到根的中柱，横向迁移的方式不同；如玉米根吸收重金属离子：如玉米根吸收重金属离子： CdCd：以共质体方式在玉米根内横向运输；：以共质体方式在玉米根内横向运输； PbPb：以非共质体方式在玉米根内横向运输。：以非共质体方式在玉米根内横向运输。 2 2）根吸收的部位不同，运输速率也存在差异；）根吸收的部位不同，运输速率也存在差异； 小麦根尖小麦根尖14cm14cm区域吸收的离子最容易向地上部转移，更成熟的部位吸收的离子，移动区域吸收的离子最容易向地上部转移，更成熟的部位吸收的离子，移动

32、速度则越慢。速度则越慢。3 3）在叶片吸收的部分重金属也能从地上部分向根运输。）在叶片吸收的部分重金属也能从地上部分向根运输。 4 4 污染物在生物体内的分布污染物在生物体内的分布1 1） 对植物而言，根和叶是主要的污染物积累器官。对植物而言，根和叶是主要的污染物积累器官。不同植物中，同种金属离子在根、叶的分布相差很大；不同植物中，同种金属离子在根、叶的分布相差很大； 如如Cd Cd 小白菜：根地上部分；小白菜：根地上部分； 萝卜：地上部分直根；萝卜：地上部分直根； 莴苣：根叶茎莴苣：根叶茎 即使在根的内部，在不同的组织中，金属离子分布也有差别；即使在根的内部，在不同的组织中，金属离子分布也有

33、差别；2 2） 在动物中，主要积累在肝、肾和肠道。在动物中，主要积累在肝、肾和肠道。 5 5 超量积累植物（超量积累植物（hyperaccumulatoerhyperaccumulatoer）是生物积累污染物的极端例子，是指能超出一般植物的平均水平是生物积累污染物的极端例子，是指能超出一般植物的平均水平而大量吸收和积累某种或几种重金属的植物。而大量吸收和积累某种或几种重金属的植物。作为超量积累植物具备以下几个特征：作为超量积累植物具备以下几个特征： 1 1）体内某一元素浓度大于一定的临界值；）体内某一元素浓度大于一定的临界值； 2 2）植物吸收的重金属大部分分布在地上部分，既有较高的地上部）植

34、物吸收的重金属大部分分布在地上部分，既有较高的地上部/ /根根浓度比率；浓度比率； 3 3）在重金属污染的土壤上这类植物能良好的生长，一般不会发生毒害）在重金属污染的土壤上这类植物能良好的生长，一般不会发生毒害现象。现象。可以利用超量积累植物对污染地区进行生物提取以治理重金属污染。可以利用超量积累植物对污染地区进行生物提取以治理重金属污染。 比如，遏兰菜比如，遏兰菜T caerulescens (T caerulescens (十字花科遏兰菜属十字花科遏兰菜属) )， 第四节第四节 影响污染物在生态系统中行为的因素影响污染物在生态系统中行为的因素 1 生物因素生物因素1.1 1.1 生物种类的

35、差异性生物种类的差异性1.2 组织和器官差异性组织和器官差异性1.3 发育期和年龄发育期和年龄1.4 性别性别1.5 生物对污染物的吸收途径生物对污染物的吸收途径2 污染物因素污染物因素2.1 种类和理化性质种类和理化性质2.2 污染物的存在状态污染物的存在状态2.3浓度和暴露时间浓度和暴露时间2.4 污染物的相互作用污染物的相互作用3 环境因素环境因素3.1 温度、湿度和光照温度、湿度和光照3.2 环境介质环境介质水分水分3.3 根际环境根际环境 1 1 生物因素生物因素1.1 1.1 生物种类的差异性生物种类的差异性动物：动物：1 1） 水生和陆生、恒温和变温、生活在地表或地下、冬眠或水生

36、和陆生、恒温和变温、生活在地表或地下、冬眠或夏眠、食性差异（草食性、泛食、肉食或者碎食性等）、性夏眠、食性差异（草食性、泛食、肉食或者碎食性等）、性成熟时间及生殖周期等方面存在差异成熟时间及生殖周期等方面存在差异 。如：生活方式、器官差异性对重金属污染物积累量的影响。如：生活方式、器官差异性对重金属污染物积累量的影响。2）动物的主动逃避行为或移动对污染物的积累影响很大；动物的主动逃避行为或移动对污染物的积累影响很大； 3 3）体表面积的大小对水生动物的呼吸和积累有很大的影响）体表面积的大小对水生动物的呼吸和积累有很大的影响如松花江同一江段不同鱼类积累汞和甲基汞的含量：如松花江同一江段不同鱼类积

37、累汞和甲基汞的含量： 雷氏七鳃鳗雷氏七鳃鳗 鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼鲶鱼、花鳅、青鱼、黄鱼 鲤鱼、银鲫鱼鲤鱼、银鲫鱼 银鲴。银鲴。 植物植物主要针对营主要针对营固固定生活的种类而言，定生活的种类而言， 1 1）影响污染物积累的主要因素是草本与木本、常绿与落叶、陆生与水）影响污染物积累的主要因素是草本与木本、常绿与落叶、陆生与水生等特性。生等特性。 如如 对对CdCd的吸收，不同植物的积累量存在明显差异。的吸收，不同植物的积累量存在明显差异。2 2）在相同环境下，不同植物对某种离子的吸收能力也存在明显差异，）在相同环境下，不同植物对某种离子的吸收能力也存在明显差异， 如如7 7种水生植物对种水生植

38、物对CuCu的吸收和沉降规律为：的吸收和沉降规律为： 苦草黑枣水龙喜旱莲子草大藻心叶水车前水车前苦草黑枣水龙喜旱莲子草大藻心叶水车前水车前 对对F F的吸收能力：的吸收能力： 红松红松12121010-6-6，大叶黄杨，大叶黄杨8 81010-6-6， 柏柏 6 61010-6-6； 桑树桑树 24 241010-6-6； 杉杉 14141010-6-6， 茶树茶树 60 601010-6-6 依次为：茶树桑树杉红松大叶黄杨柏依次为：茶树桑树杉红松大叶黄杨柏 1.2 1.2 组织和器官差异性组织和器官差异性动物：动物：1 1）组织或器官的组成型细胞含酶量和蛋白质的差异，影响）组织或器官的组成型

39、细胞含酶量和蛋白质的差异，影响污染物的吸收、转化和积累污染物的吸收、转化和积累肝组织：肝组织：细胞含有大量的氧化酶和蛋白质，是吸收和积累污细胞含有大量的氧化酶和蛋白质，是吸收和积累污染物的主要场所；染物的主要场所；肠胃：肠胃： 污染物进入陆生动物体的主要渠道。污染物进入陆生动物体的主要渠道。 吸收污染物的情况与其吸收污染物的情况与其pHpH和表皮细胞的结构存在差异：和表皮细胞的结构存在差异：如：肠和消化腺含有大量的重金属配体，倾向于积累重如：肠和消化腺含有大量的重金属配体，倾向于积累重金属离子。金属离子。 1.2 1.2 组织和器官差异性组织和器官差异性2 2）不同组织器官接触污染事件的长短和

40、接触面积的大小也存在差异；）不同组织器官接触污染事件的长短和接触面积的大小也存在差异；对水生动物：对水生动物： 皮肤和鳃长期接触污染物；皮肤和鳃长期接触污染物；用相同浓度的用相同浓度的PbPb处理三种实验鱼（鲢鱼、草鱼和鲤鱼）处理三种实验鱼（鲢鱼、草鱼和鲤鱼）. .含量梯度为：鳃内脏骨骼头肌肉含量梯度为：鳃内脏骨骼头肌肉。对陆生动物：主要接触部位在呼吸道和消化道；对陆生动物：主要接触部位在呼吸道和消化道； 1.2 1.2 组织和器官差异性组织和器官差异性植物植物植物植物 影响植物对污染物的吸收和积累的组织器官特异性主要体现在：影响植物对污染物的吸收和积累的组织器官特异性主要体现在：1 1） 叶

41、片的结构和性质（叶的硬度、着生位置、角度、是否有分泌物、叶片的结构和性质（叶的硬度、着生位置、角度、是否有分泌物、表面积大小、粗糙程度等）表面积大小、粗糙程度等） 硬度大、粗糙、具有分泌粘液的叶片具有较大吸收功能。硬度大、粗糙、具有分泌粘液的叶片具有较大吸收功能。2 2） 气孔的结构和性质气孔的结构和性质 主要是气孔的数量多少、开闭状态、着生位置等。主要是气孔的数量多少、开闭状态、着生位置等。一般而言，气孔数量少、气孔下陷的植物，污染物难以进入一般而言，气孔数量少、气孔下陷的植物，污染物难以进入. .3 3）组织结构的差异性也决定了对污染物的吸收也存在差异；）组织结构的差异性也决定了对污染物的

42、吸收也存在差异；即使是同一器官，不同部位对污染物的积累量也差别很大；即使是同一器官，不同部位对污染物的积累量也差别很大； 用相同浓度的用相同浓度的HFHF处理水稻和黄瓜处理水稻和黄瓜 1.3 1.3 发育期和年龄发育期和年龄动物个体：动物个体： 脂肪脂肪/ /身体体重的比值随年龄变化而变化，幼体的比值往往比成熟和老身体体重的比值随年龄变化而变化，幼体的比值往往比成熟和老化个体高，因此也具有更大积累污染物的能力，对污染物的敏感性也更化个体高，因此也具有更大积累污染物的能力，对污染物的敏感性也更强。强。植物个体植物个体1) 1) 植株的不同发育期，不同器官的污染物积累量有明显：植株的不同发育期，不

43、同器官的污染物积累量有明显：水稻水稻 根对根对PbPb的吸收和积累顺序为：的吸收和积累顺序为： 拔节期分蘖期苗期抽穗期结实期拔节期分蘖期苗期抽穗期结实期 谷壳：结实期苗期拔节期抽穗期分蘖期谷壳：结实期苗期拔节期抽穗期分蘖期2) 2) 同株植物，不同叶龄的的叶片反应也有差别：同株植物，不同叶龄的的叶片反应也有差别： 如如 对对SOSO2 2，尚未展开的幼叶抗性最强，刚展开的嫩叶最敏感，老叶不敏感。，尚未展开的幼叶抗性最强，刚展开的嫩叶最敏感，老叶不敏感。 桑叶和茶树叶中，对桑叶和茶树叶中，对HFHF的积累是随发育期的变化而逐渐增加的过程。的积累是随发育期的变化而逐渐增加的过程。 1.4 1.4

44、性别性别1 1）可以通过产蛋、产奶、生产幼儿、排精等方式将体内污染物排）可以通过产蛋、产奶、生产幼儿、排精等方式将体内污染物排出体外。出体外。 如：如：DDEDDE喂养母野鸭，浓度为喂养母野鸭，浓度为40401010-6-6，喂养，喂养9696天；停止喂养的开始一段时天；停止喂养的开始一段时间：间： 脂肪中的积累量为脂肪中的积累量为 3113111010-6-63623621010-6-6之间，蛋中是之间，蛋中是7147141010-6-6。 停止喂养停止喂养1111个月后，身体负荷下降到个月后，身体负荷下降到 19191010-6-6，蛋中的含量也仅有，蛋中的含量也仅有1071071010-

45、 -6 6。2 2）由于繁殖活动的影响，动物体内污染物的含量有明显的季节性）由于繁殖活动的影响，动物体内污染物的含量有明显的季节性波动（主要体现在鱼类和哺乳类）。波动（主要体现在鱼类和哺乳类）。 如：如：鳗鱼、鳕鱼体内含有的鳗鱼、鳕鱼体内含有的DDTDDT含量在产卵期迅速下降，产卵含量在产卵期迅速下降，产卵结束后又有增加；结束后又有增加； 海豹分娩和哺乳期间，体内有机氯化物的积累较少。海豹分娩和哺乳期间，体内有机氯化物的积累较少。 1.5 1.5 生物对污染物的吸收途径生物对污染物的吸收途径 1 1） 同种生物对不同金属离子吸收途径的差异对污染物的吸同种生物对不同金属离子吸收途径的差异对污染物

46、的吸收有影响收有影响CdCd：以共质体方式在玉米根内横向运输，在从皮层到中柱以共质体方式在玉米根内横向运输，在从皮层到中柱 导管，浓度导管，浓度存在明显的上升趋势。存在明显的上升趋势。PbPb：以非共质体方式在玉米根内横向运输，从皮层到中柱，浓度存在明以非共质体方式在玉米根内横向运输，从皮层到中柱，浓度存在明显的下降趋势。显的下降趋势。 2 2） 吸收部位差异对污染物的吸收有影响：吸收部位差异对污染物的吸收有影响：如如 黑头鲷鱼，对黑头鲷鱼，对DDTDDT的可以通过食物吸收积累和水中浓缩残留，但通过食物吸的可以通过食物吸收积累和水中浓缩残留，但通过食物吸收的收的DDTDDT在在6060天后仅有

47、少部分在体内残留，而从水中浓缩的天后仅有少部分在体内残留，而从水中浓缩的DDTDDT全部残留。全部残留。在同样的环境下，吸收的速率也差异很大，从食物积累在同样的环境下，吸收的速率也差异很大，从食物积累DDTDDT的浓度变化大的浓度变化大约是约是1.21.2倍，在相同时间上，从水中通过皮肤直接积累的浓度变化达到倍，在相同时间上，从水中通过皮肤直接积累的浓度变化达到 100000 100000 倍。倍。 3) 3) 与食物伴随在一起的污染物的吸收同个体消化食物的速率与食物伴随在一起的污染物的吸收同个体消化食物的速率有关：有关： A A 消化越快，污染物从食物中快速释放出来，吸收速率越消化越快，污染

48、物从食物中快速释放出来，吸收速率越高。高。 B B 如果作用时间越长，肌体有可能对污染物产生相应的抗如果作用时间越长，肌体有可能对污染物产生相应的抗性，使得污染物的毒性相对减弱，最终又会导致机体内性，使得污染物的毒性相对减弱，最终又会导致机体内污染物积累浓度升高。污染物积累浓度升高。 2 2 污染物因素污染物因素2.1 2.1 种类和理化性质种类和理化性质1 1）种类的差异，其相应的理化性质（如污染物的价态、形态、结构形式，）种类的差异，其相应的理化性质（如污染物的价态、形态、结构形式，相对分子量、溶解度、物理稳定性、化学稳定性、生物稳定性、相对分相对分子量、溶解度、物理稳定性、化学稳定性、生

49、物稳定性、相对分子量、在生物体内的扩散和迁移能力等）有很大差别，这些差异影响到子量、在生物体内的扩散和迁移能力等）有很大差别，这些差异影响到生物体内的结合和转化速率，进而影响到吸收和积累的量。生物体内的结合和转化速率，进而影响到吸收和积累的量。 A A 污染物不同，积累分布的组织器官有差异：污染物不同，积累分布的组织器官有差异： B B 不同污染物，在同种生物体的同一器官的积累也不同：不同污染物，在同种生物体的同一器官的积累也不同： 如如DDE DDE 在磕头乌龟脂肪的含量是：在磕头乌龟脂肪的含量是：57.557.51010-6-6； 而而PCB(PCB(多联氯苯多联氯苯) )含量是含量是79

50、9079901010-6-6；相差；相差100100多倍。多倍。 2 2） 理化性质的影响：理化性质的影响：污染物的脂溶性、亲水性、酸碱污染物的脂溶性、亲水性、酸碱基团基团的存在、的存在、pKapKa和分子大小都影响通过肠道的吸和分子大小都影响通过肠道的吸收。收。A A 化学稳定性高，易溶于水和部分溶于脂的是最好吸收的，水溶性使得污化学稳定性高，易溶于水和部分溶于脂的是最好吸收的，水溶性使得污染物完全暴露在肠细胞的表面；脂溶性能确保污染物经过被动扩散进入血染物完全暴露在肠细胞的表面；脂溶性能确保污染物经过被动扩散进入血液。液。B B 不溶于水和不溶于脂的很少被吸收的；不溶于水和不溶于脂的很少被

51、吸收的；C C 不溶或少溶于水但高度溶于脂的污染物吸收，在个体和种之间的差异很不溶或少溶于水但高度溶于脂的污染物吸收，在个体和种之间的差异很大，也后个体大，也后个体生理生理特性等的影响。特性等的影响。 对重金属而言对重金属而言 溶解在水环境中的重金属离子态是主要的生物有效态形式，而部分重溶解在水环境中的重金属离子态是主要的生物有效态形式，而部分重金属或一些微量金属元素与金属或一些微量金属元素与NSNS等元素易于结合，形成一些生物大分子的活等元素易于结合，形成一些生物大分子的活性中心，具有重要的生物学意义性中心，具有重要的生物学意义。 金属元素在各类生物体内的半衰期长段不同直接影响生物的积累量。

52、金属元素在各类生物体内的半衰期长段不同直接影响生物的积累量。如：甲基汞： 鲤鱼 230 d; 鲶鱼 190 d,r 无机汞： 在鼠体内为 100d. 2.2 2.2 污染物的存在状态污染物的存在状态污染物一般都是在气体、食物、沉积物或固相物质中存在，存在状污染物一般都是在气体、食物、沉积物或固相物质中存在，存在状态影响污染物的吸收和积累。态影响污染物的吸收和积累。大气污染物大气污染物: 危害植物的最常见种类有硫氧化物、氟化物、臭氧、氯气、乙烯、危害植物的最常见种类有硫氧化物、氟化物、臭氧、氯气、乙烯、氮氧化物、硫化氢、氨、粉尘等约氮氧化物、硫化氢、氨、粉尘等约2020余种。根据毒性强弱可以分为

53、余种。根据毒性强弱可以分为三个等级：三个等级： 一级：毒性极强，在很低浓度下（一级：毒性极强，在很低浓度下（1010-9-9级）就对植物发生毒害作用，级）就对植物发生毒害作用， 如如 氟化物、氯气、乙烯等氟化物、氯气、乙烯等 二级：毒性中等，在二级：毒性中等，在1010-6-61010-9-9级产生危害的种类，如级产生危害的种类，如 硫氧化物、硫氧化物、氮氧化物等氮氧化物等 三级：毒性相对较低的物质，三级：毒性相对较低的物质， 要在高浓度下或经过长时间的暴露要在高浓度下或经过长时间的暴露才能产生毒害作用才能产生毒害作用 如：如： COCO、氨、甲醛等。、氨、甲醛等。 2.2 2.2 污染物的存

54、在状态污染物的存在状态 食物污染物：食物污染物： 吸收效率是多个因素的综合作用，其中吸收效率是多个因素的综合作用，其中 食物颗粒的大小（影响了食物参与消化的过程从而影响吸收）食物颗粒的大小（影响了食物参与消化的过程从而影响吸收）污染物的化学形式影响最大（与胃肠的酸碱性环境有直接关系）。污染物的化学形式影响最大（与胃肠的酸碱性环境有直接关系）。 2. 3 2. 3 浓度和暴露时间浓度和暴露时间浓度越高，作用时间越长，生物体内污染物的积累量也愈多。浓度越高，作用时间越长，生物体内污染物的积累量也愈多。 如：如：距离砖瓦厂距离砖瓦厂100 米的地方，大气和植物叶片中米的地方，大气和植物叶片中HF的浓

55、度分别为的浓度分别为14710-9、91.910-6 1000米的地方，大气和植物叶片中米的地方，大气和植物叶片中HF的浓度分别为的浓度分别为35.510-9、50.410-6 人工熏气实验，人工熏气实验，HF,HF,测量叶片中测量叶片中F F的含量。的含量。2.4 2.4 污染物的相互作用污染物的相互作用在污染的环境中，经常是多种污染物共存，共同作用于生物体，因此，这些在污染的环境中，经常是多种污染物共存，共同作用于生物体，因此，这些污染物之间的相互作用与生物吸收和积累污染物量的增加或减少有直接关系。污染物之间的相互作用与生物吸收和积累污染物量的增加或减少有直接关系。一般而言，污染物之间的作

56、用方式，主要有下面四种方式：一般而言，污染物之间的作用方式，主要有下面四种方式：1 1）相加作用：）相加作用： 指多种化合物的联合作用所产生的毒性为各单个物指多种化合物的联合作用所产生的毒性为各单个物质产生毒性总和；质产生毒性总和；2 2）协同作用：）协同作用： 指联合作用的毒性，大于各单个物质毒性的总和。指联合作用的毒性，大于各单个物质毒性的总和。3 3）独立作用：）独立作用： 指单一化学物质对机体作用的途径、方式及其机理指单一化学物质对机体作用的途径、方式及其机理均不相同，联合作用于某机体时，在机体内的作用互不影响，但常均不相同，联合作用于某机体时，在机体内的作用互不影响，但常出现在一种有

57、毒物质作用后使机体的抵抗力下降，而使另一种毒物出现在一种有毒物质作用后使机体的抵抗力下降，而使另一种毒物再作用时毒性明显增强。再作用时毒性明显增强。4 4）拮抗作用：）拮抗作用：当两种活着两种以上的化学物质同时作用于生物体，当两种活着两种以上的化学物质同时作用于生物体，每种化学物质对生物体作用的毒性反而减弱，联合作用的毒性小于每种化学物质对生物体作用的毒性反而减弱，联合作用的毒性小于单个化学物质毒性的总和。单个化学物质毒性的总和。3 3 环境因素环境因素环境因素很多，大致而言可以区分为两大类：环境因素很多，大致而言可以区分为两大类：一类一类 影响生物的生长发育而直接影响生物的积累，如温影响生物

58、的生长发育而直接影响生物的积累，如温度、湿度、光照度、湿度、光照二类二类 影响污染物的化学性质而产生间接的影响，主要是影响污染物的化学性质而产生间接的影响，主要是指污染物存在的环境介质。指污染物存在的环境介质。3 3 环境因素环境因素3.1 3.1 温度、湿度和光照温度、湿度和光照温度，温度，影响生物的重要生理代谢活动，进而影响到毒物在生物体内的转化、影响生物的重要生理代谢活动，进而影响到毒物在生物体内的转化、吸收、排除和积累。吸收、排除和积累。一般而言，在一定温度范围内，温度高，则导致污染物的积累量高，但水一般而言，在一定温度范围内，温度高，则导致污染物的积累量高，但水生生物种类例外，在低温

59、时，组织可积累较多的污染物，滞留时间也较长。生生物种类例外，在低温时，组织可积累较多的污染物，滞留时间也较长。有的生物不受温度的影响或具有更为复杂的温度效应。有的生物不受温度的影响或具有更为复杂的温度效应。 湿度：湿度：影响污染物的溶解度，同时溶解的污染物比大气中的污染物具有更影响污染物的溶解度，同时溶解的污染物比大气中的污染物具有更快的扩散速度。快的扩散速度。 光照：光照：影响植物体的气孔开关，从而影响植物的光合作用即同化作用。影响植物体的气孔开关，从而影响植物的光合作用即同化作用。随季节变化，上述几个因素都发生相应的变化，影响到生物积累。随季节变化，上述几个因素都发生相应的变化，影响到生物

60、积累。3.2 3.2 环境介质环境介质水分水分 水是大多数物质的溶剂，水化学修饰了化合物的种类，影响生物有效性。水是大多数物质的溶剂，水化学修饰了化合物的种类，影响生物有效性。其中，水的硬度、其中，水的硬度、pHpH条件都能显著影响污染物的吸收和积累。条件都能显著影响污染物的吸收和积累。 1 1）硬度升高，阳离子同金属竞争细胞表面的结合位点，从而降低了金属的生）硬度升高，阳离子同金属竞争细胞表面的结合位点，从而降低了金属的生物有效性物有效性. . 2 2） 水的水的pHpH影响污染物的化学态。影响污染物的化学态。 水硬度水硬度 水中含有的碱金属离子水中含有的碱金属离子CaCa2+2+, Mg,