污染生态学理论第一章生物对污染物的吸收和迁移

1、1污染生态学理论Pollution ecology第一章：生物对污染物的吸收和迁移（Chapter 1： Rules of pollutant uptake and translocation in living organisms ）2 二、植物对污染物的吸收与迁移内容提要 一、基本概念 三、动物对污染物的吸收与迁移 四、微生物对污染物的吸收与迁移 五、影响植物吸收、迁移污染物的因素3一、基本概念污染物、毒物与毒性剂量 4污染物（pollutant） 辞海：进入环境后能直接或间接危害人类的物质，如火山灰、二氧化硫、汞等； 中国大百科全书环境科学卷：进入环境后使环境的正常组成发生直接或间接有害

2、于人类的变化的物质。进入环境后使环境的正常组成发生直接或间接有害于生物生长、发育和繁殖的变化的物质（王焕校等，2000）。这类物质有自然排放的，也有人类活动产生的。环境科学研究的主要是人类生产和生活排放的污染物。5污染物的性质 一种物质成为污染物，必须在特定的环境中达到一定的数量或浓度，并且持续一定的时间。污染物会在环境中发生转化，即具有易变性。6优先污染物（Priority pollutant） 由于有毒物质品种繁多，不可能对每一种污染物都制定控制标准，因而提出在众多污染物中筛选出潜在危险大的作为优先研究和控制对象，称之为优先污染物。 1988年我国初步提出水中优先控制污染物黑名单，共14类

3、68种。14类分别是：挥发性卤代烃、苯系物、氯代苯类、多氯联苯、酚类、硝基苯类、苯胺类、多环芳烃类、酞酸脂类、农药、丙烯醛、亚硝胺类、氰化物、重金属及其化合物。78持久性有机污染物 持久性有机污染物（Persistent Organic Pollutants, POPs），指一类具有半挥发性、难降解、高脂溶性等理化性质，可进行远距离甚至全球尺度的迁移扩散，并通过食物链在生物体内浓缩积累，对人体和生态 环境产生毒性影响的有机污染物。如DDT，PCB等。9POPs的主要环境特点持久性；生物累积性；长距离运输；生物毒性。10首批列入关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约受控名单的12种POPs有意生产

4、有机氯杀虫剂：滴滴涕、氯丹、灭蚁灵、艾氏剂、狄氏剂、异狄氏剂、七氯、毒杀酚； 有意生产工业化学品：六氯苯和多氯联苯； 无意排放工业生产过程或燃烧生产的副产品：二恶英（多氯二苯并-p-二恶英）、呋喃（多氯二苯并呋喃）11环境激素（Environmental Endocrine Disruptors, EEDs ）环境激素，是指那些由于人类活动而释放到环境中，且能干扰生物体正常激素功能，引起内分泌紊乱，使生殖机能失常的化学物质，也称为“环境荷尔蒙”、“外因性内分泌干扰物质”。环境激素包括二恶英（TCDD）、二氯二苯氯乙烷（DDT）、多氯联苯（PCBs）、石棉、汞、镉及其化合物、苯乙烯、聚碳酸脂塑料

5、等有害物质。12挥发性有机物（Volatile Organic Compounds, VOCs）13一些能污染环境和危害健康的VOCs14持久性有毒物（Persistant Toxicity Substances, PTS）15毒物（toxicant）毒物（toxicant）是指对有机体产生有害作用（毒作用）的化学物质（P198）。毒物是指在一定条件下，较小剂量就能对机体产生损害作用或使机体出现异常反应的外源化学物（李建政等，2006）。能对人畜鱼禽或其他生物体显示体内毒性的那些环境污染物又可称为环境毒物（何燧源，2002）。环境毒物可分为化学性的、生物性的和物理性的三类。16毒性（ toxi

6、city）毒性是指一种物质对生物体易感部位产生有害作用的性质和能力。毒性分级：在我国，常见的是将毒物分为剧毒、高毒、中等毒、低毒和微毒这五级。17二、剂量 一般指给予机体的或机体接触的外源化学物数量。毒理学常用的剂量概念如下：安全浓度(safe concentration) 最大无作用浓度（maximal no effect level） 最小有作用浓度（minimal effect level） 效应浓度（effective concentration）致死浓度(lethal concentration) 18概念解释安全浓度（safe concentration）：生物与某种污染物长期接触

7、，仍未发现受害症状，这种不会产生受害症状的浓度称之为安全浓度。最大无作用浓度（maximal no effect level）：未能观察到任何损害作用的最高剂量。最小有作用浓度（minimal effect level）：能使生物体开始出现毒性反应的最低剂量。效应浓度（effective concentration）：在某一期限内导致某一特殊反应的毒物浓度。 19概念解释致死浓度（lethal concentration）：一次染毒后引起受试动物死亡的浓度。 致死浓度分绝对致死浓度、半数致死浓度和最小致死浓度等（指一次染毒后引起受试动物个别死亡的浓度）。20二、植物对污染物的吸收与迁移（一）植

8、物对污染物的吸收（二）植物对污染物的迁移21（一）植物对污染物的吸收植物对化学物的吸收是一个复杂的生理过程，它一方面与吸水有关系，另一方面又有它的独立性，同时对不同离子的吸收还有选择性。植物吸收污染物的主要器官是根，但叶片也能吸收污染物。22（一） 植物对污染物的吸收1.根部的吸收根尖是植物根部吸收环境化学物的主要部位，其中根毛部是根部吸收最活跃的区域。根部对土壤溶液中离子的吸收过程可以分为几个步骤：将离子吸附到根细胞表面；离子通过自由空间（外部空间）进入皮层内部 ；离子通过内部空间进入木质部；离子进入导管 。23 根毛及其放大图根毛土壤水分土壤颗粒根毛24步骤之一：将离子吸附到根细胞表面水溶

9、态的污染物到达根表面，主要有两个途径：一条是质体流途径（mass flow），即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；另一条是扩散途径，即通过扩散而到达根表面。在土壤中，重金属的扩散一般遵循Fick的第二法则，它的平均扩散距离为：x2 = 2DT，式中D是扩散系数(cm2/s)，t是时间(s)。 25步骤之一：将离子吸附到根细胞表面土壤中重金属离子的扩散系数为：Zn2+ ： 310-10cm2/s；Mn2+ ：310-8cm2/s。如用上述公式求算100天内Zn2+ 和Mn2+ 移动的平均距离，则Zn2+：x=7.210-2；Mn2+：x=7.210-1。结果证明两种重金属移

10、动速度(扩散)是很慢的，只是靠近根部的重金属才能通过扩散作用到达根表面。可见，污染物主要通过质体流途径到达根表面。26步骤之一：将离子吸附到根细胞表面根部细胞在吸收离子的过程中，同时进行着离子的吸附与解吸附。这时，总有一部分离子被其他离子所置换。由于细胞的吸附具有交换性质，因此也称交换吸附。质膜表层有阴阳离子，其中，主要是H+、HCO3-，这些离子主要是由于呼吸放出的CO2和H2O生成的H2CO3所离解出来的。27根土粒K+H+土粒K+根H+接触交换 28根H+ + HCO3 - 土粒K+ +HCO3 -CO2H2OK+K植物根部通过土壤溶液和土粒进行离子交换2930步骤之二：离子通过自由空间

11、（外部空间）进入皮层内部 根部有一个与外界溶液保持扩散平衡、自由出入的外部区域，称为自由空间或外部空间。包括根部的细胞壁、胞间层和细胞间隙等部分。离子和水分就是通过自由空间迅速地由根表面到达皮层内部。植物的细胞壁是污染物进入植物细胞的第一道屏障，在细胞壁中的果胶质成分为结合污染物提供了大量的交换位点。31质外体运输共质体运输木质部内皮层皮层表皮根毛质外体运输H2OH2OH2OH2OH2OH2OH2OH2O3233步骤之三：离子通过内部空间进入木质部除外部空间外，根部还有一个逆浓度梯度主动进入细胞的、不能扩散的内部区域，称为内部空间。当离子被吸附在细胞膜表层后，经主动转运、被动转运和膜动转运等方

12、式进入细胞内。离子也可以经过胞间连丝从一个细胞转运到另一个细胞，由表皮运至木质部。3435 物质的跨膜转运 被动转运（简单扩散、易化扩散）主动转运膜动转运（胞吞和胞吐）：转运过程中细胞膜结构发生变化。此种转运过程具有特异性，生物膜也呈现主动选择性并消耗一定的能量。 胞吞作用是将细胞表面的颗粒物转运入细胞内的过程；胞吐作用是将颗粒由细胞内运出的过程。3637膜动转运38步骤之四：离子进入导管 离子从导管周围的薄壁细胞向导管转运的机理还不能确定，有两种可能的方式：一是被动性地随水分流动而进入，二是导管周围薄壁细胞对离子选择性地转运。39（一） 植物对污染物的吸收2. 地上部分的吸收植物地上部分的营

13、养体包括叶、枝条和茎干，对外源化学物吸收的主要器官是叶片，而茎干部和枝条有较厚的外皮层保护，可以有效地阻止环境化学物的吸收。环境化学物可以通过气孔进入叶内，也可以从角质层透入。植物叶片表面覆盖着的角质层是由多糖和角质（脂类化合物）组成的保护层，无结构，不易透水，但是角质层有裂缝，呈细微的孔道，可让溶液通过。 40气孔结构和开关机理4142用硝酸铅涂叶片各部位铅增加量(%)（王焕校等，1985）莴苣土根肉质茎(可食部分)叶片对照100100100100500mg/l12.112.659.52 8142 000mg/l9.534.2826.513 6633 000mg/l2.6102939.417

14、 66443（二）植物对污染物的迁移环境化学物在植物体内远距离运输的主要是由维管系统完成，其运输通道包括向上的木质部导管和向下的韧皮部筛管。在植物根部外皮层和内皮层之间有一特殊结构，称为凯氏带（casparians strip），可以控制被根系吸收的外源污染物的运输。凯氏带是内皮层细胞在侧壁和横壁上的部分加厚并木质化和栓质化形成的。44三、动物对污染物的吸收和迁移（一）动物对污染物的吸收动物对污染物的吸收一般是通过呼吸道、消化道、皮肤等途径。经呼吸道吸收经消化道吸收（主要途径）经皮肤及其他途径的吸收（表皮和真皮）45（二）动物对污染物的迁移污染物在动物体内远距离运输的主要途径是循环系统，其通道

15、由血管和淋巴管构成。经消化管吸收的外源化学物首先进入肝门静脉，再被输送到肝脏进行生物转化；经呼吸道吸收的外源化学物运输特点是它们不先经肝脏解毒，而是经肺循环直接进入循环系统而分布于全身组织细胞。由皮肤吸收的外源化学物进入毛细血管网和淋巴管网，亦不先进入肝脏解毒。 46四、微生物对污染物的吸收和迁移（一）微生物对污染物的吸收革兰氏阳性菌的细胞壁有一层很厚的、网状的肽聚糖结构，在细胞壁表面存在的磷壁酸质和糖醛酸磷壁酸质连接到网状的肽聚糖上。磷壁酸质的磷酸二酯和糖醛酸磷壁酸质的羧基使细胞壁带负电荷，具有离子交换的性质，能与溶液中带正电荷的离子进行交换反应。革兰氏阴性菌的细胞壁中，两层膜之间只有很薄的

16、一层肽聚糖结构，因此，一般说来它们固定污染物的量比较低。474849革兰氏染色操作步骤50（二）生物体对污染物的迁移污染物吸附到细胞表面后，由于细胞的能量转移系统在物质转运过程中不能区分电荷相同的代谢必需物和污染物，所以可通过摄取必要的营养元素主动吸收重金属离子。在金黄色葡萄球菌中，Cd2+是通过Mn2+吸收系统进入胞内，而Zn2+通过Mg2+吸收系统。 51五、影响植物吸收、迁移污染物的因素 1. 环境因素2. 毒物的理化性状 3. 个体因素521. 环境因素温度；湿度； 气压； 季节和昼夜节律； pH； Eh; CEC；土壤性质；污染物间的不同效应（独立作用、相加作用、协同作用、拮抗作用）。 532. 毒物的理化性状溶解