环境生态工程

1、污染生态与环境生态工程18.1 环境污染问题8.2 污染生态过程效应评价8.3 污染生态效应与毒性8.4 污染生态诊断与毒理8.5 污染控制与环境生态工程 第8章 污染生态与环境生态工程28.1 环境污染问题8.1.1 环境污染问题及其发展8.1.2 在生态系统中的迁移与转化8.1.3生物在污染生态过程中的作用3环境科学中，环境是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。自然环境是直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质及其能量的总体。社会环境是人类在自然环境的基础上，通过长期有意识的社会劳动所创造的人工环境。8.1.1 环境污染问题及其发展48.

2、1.1环境污染问题及其发展环境具有多层次、多结构的特性。环境科学把环境作为一个整体进行综合研究。环境污染产生的原因，大都是资源的浪费和不合理使用，使有用的资源变为废物进入环境而造成的。5环境问题主要是由于人类活动所引起的环境质量下降，对人类及其他生物的正常生长和发育产生危害的现象。包括：是因工、农业生产和人类生活向环境排放过量污染物质而造成环境污染；是由于人们不合理地开发利用资源、而产生的环境破坏。人类面临的环境问题主要有3类：全球性的大气环境变化；大面积的生态破坏；突发性的严重污染事件。8.1.1 环境污染问题及其发展68.1.1 环境污染问题及其发展1.环境污染物及其来源环境污染物是指人们

3、在生产生活过程中，排入大气、水、土壤中并引起环境污染或导致环境破坏的物质。（1）生产性污染物工业生产所形成的“三废” 。农业生产中长期使用的农药。（2）生活性污染物粪便、垃圾、污水等生活废弃物。（3）放射性污染物核能工业排放的放射性废弃物，医用及工农业用放射源，以及核武器生产及试验所排放出来的废弃物和飘尘。72.环境污染的类型与特征（1）环境污染的类型按环境要素可分为大气污染、水体污染和土壤污染等；按污染物的性质可分为生物污染、化学污染和物理污染等；按污染物的形态可分为废气污染、废水污染和固体废物污染，以及噪声污染、辐射污染等；按污染产生的原因可分为生产污染和生活污染；按污染物的分布范围又可分

4、为全球性污染、区域性污染和局部性污染等。8.1.1 环境污染问题及其发展8（2）环境污染的特征影响范围广 作用时间长 污染情况复杂 污染清除难8.1.1 环境污染问题及其发展98.1.2 污染物在生态系统中的迁移与转化1. 污染物在环境中的迁移（1）机械迁移 水的机械迁移作用；大气的机械迁移作用；重力的机械迁移作用。（2）物理-化学迁移污染物在环境中迁移的最重要的形式，这类迁移的结果决定了污染物在环境中的存在形式、富集状况和潜在危害程度。101. 污染物在环境中的迁移（3）生物迁移污染物通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现的迁移。选择吸收和积累作用，降解作用，放大累积作用。11以光化学

5、氧化、催化氧化反应为主。大气中的碳氢化合物和氮氧化物等，在阳光（紫外线）作用下发生光化学氧化反应产生臭氧（O3）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等物质。一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾称为光化学烟雾。二氧化硫，经光化学氧化作用和金属氧化物催化氧化后转化为三氧化硫，与溶于大气中的水形成硫酸或硫酸盐，在空气中形成硫酸雾，是形成酸雨的重要物质之一。2. 污染物在大气中的转化123. 污染物在水体中的转化（1）氧化-还原作用天然水体含有许多无机及有机氧化剂和还原剂，这些物质对污染物的转化起重要作用。（2）络合作用天然水体中存在许多无机配位体和有机配位体，水体中各种配位体可以与污染物，特别是重金属污

6、染物进行络合反应，影响污染物在水体中的发生、迁移、反应和生物效应等。13（3）生物降解作用水体中的微生物，特别是底泥中的厌氧微生物，可使一些污染物发生转化。3. 污染物在水体中的转化144. 污染物在土壤中的转化与残留污染物在土壤中的转化及其行为，取决于污染物和土壤的理化性质。土壤是自然环境中微生物最活跃的场所，生物降解在这里起重要的作用。土壤的pH、温度、湿度、通气和微生物种群等，是污染物转化的重要条件。金属的转化受土壤pH的影响：pH小于7时，金属溶于水呈离子状态；pH大于7时，金属易与碱性物质化合呈不溶性盐类。155. 污染物在生物体内的富集与残留不易分解、脂溶性较强、与蛋白质或酶有较高

7、亲和力的物质，如DDT、有机氯化合物和一些重金属，在生物体内不易被降解。生物个体或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，叫做生物富集。生物积累是指同一生物个体在生长发育的不同阶段生物富集系数不断增加的现象；生物放大是指在同一食物链上，生物富集系数从低位营养级到高位营养级逐级增大的现象。16影响生物富集的因素：生物的特性；污染物的性质；浓度；作用时间；环境特点。5. 污染物在生物体内的富集与残留178.1.3 生物在污染生态过程中的作用1. 植物对污染物的吸收与迁移（1）植物对污染物的吸收对气态污染物的粘附和吸

8、收 主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度。对水溶态污染物的吸收 水溶态的污染物到达根表面，主要通过扩散和质体流途径（即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时一起到达植物根部）。18（2）污染物在植物体内的迁移从根吸收的污染物，能进入导管，随蒸腾拉力向地上部移动。通过叶片吸收的污染物，可从地上部向根部运输。环境中重金属元素浓度低时，以有机络合物的形态迁移；浓度高时，以游离的离子态形式存在。8.1.3 生物在污染生态过程中的作用192. 动物对污染物的吸收与迁移（1）动物对污染物的吸收呼吸吸收 部分污染物能穿过肺泡；部分污染物能在肺部长期停留，使肺部致敏纤维化或致癌；部分污染物运至支气管，刺激气管壁产

9、生反应性咳嗽而排出。消化道吸收 消化道是动物吸收污染物的主要途径，肠道粘膜是吸收污染物的主要部位之一。皮肤及其他途径吸收8.1.3 生物在污染生态过程中的作用20（2）污染物在动物体内的迁移和排出动物主要以粪便和尿的形式直接将污染物排出，或通过胆汁、乳汁、呼气、毛发等将污染物排出。8.1.3 生物在污染生态过程中的作用213. 微生物对污染物的吸收与迁移微生物对污染物有着很强的吸收和分解能力。大多数微生物的细胞壁都具有能结合和固定污染物的能力。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物质是否为代谢所需物质，所以，一些污染物可能随代谢必需物进入微生物细胞。8.1.3 生物在污染生态

10、过程中的作用228. 2 污染生态效应及其评价23当污染物进入生态系统，参与生态系统的物质循环，对生态系统的组分、结构和功能产生某些影响，在生态系统中由污染物引起的响应即为污染生态效应。1）生物个体污染效应 指环境污染对生物的影响表现在生物个体层次上的反应。2）生物群落污染效应 指环境污染在生物种群以上层次上的反应。3）生态系统污染效应 指环境污染对生态系统结构与功能的影响。8.2.1 污染的生态效应241. 环境污染的生态响应种群内对污染适应程度不同的个体，在种群中的比率发生调整，伴随抗性个体比例的升高，种群的遗传结构发生变化，这种遗传变化在世代间的不断积累，将提高种群对污染的适应水平。在进

11、化过程中，长期处于单一环境的生物，很难适应这种环境的变迁，有的分布区退缩到偏僻的地带，有的则会消失。25污染的选择力大于“自然”环境的选择力，大多数生物因此改变了进化方向，以前主要是对“自然”环境的适应，现在转而对人类改变的污染环境的适应。1. 环境污染的生态响应262. 环境污染的短期效应（1）污染物对生物的毒害作用1）污染物对植物的影响 首先能影响植物根系对营养元素的吸收，其次能抑制植物根系的呼吸作用，再者对植物细胞的超微结构、种子生活力以及植物生长、发育、生理生化诸方面的影响。2）对动物和人体的影响 如重金属对鱼类的影响：首先重金属能粘附在鱼鳃的表面，造成鳃上皮和粘液细胞的营养失调，影响

12、对氧的吸收，降低血液输送氧的能力；其次重金属还能降低血液中呼吸色素的浓度，使红细胞减少。27（2）生物对污染物的抗性生物对各种不良环境具有一定的适应性和抵抗力，称为生物的耐性或抗性。生物对污染物的抗性机制是外部排斥（通过形态学机制、生理生化机制、生态学机制等将污染物阻挡于体外）和内部忍耐（通过结合固定、代谢解毒等过程，将污染物在体内富集、解毒）的综合结果。解毒是抗性的基础，但不是抗性的全部。2. 环境污染的短期效应28生物抗性可概括为：拒绝吸收、结合钝化、代谢转化、排出体外、改变代谢途径等。对于生物本身来说，抗性是它们在逆境中得以生存和延续的保证，是污染环境中生物多样性得以保持的基础。2. 环

13、境污染的短期效应29环境污染的长期效应，是生物多样性的丧失和遗传多样性的丧失。环境污染引起的物种丧失程度，并不亚于生态破坏。（1）遗传多样性的丧失 包括已有的遗传基因库的减少和新的遗传变异来源的降低。（2）物种多样性的丧失 在过去的400多年间，地球上约有2% 的哺乳动物、1.2% 的鸟类已经灭绝；（3）生态系统结构的简单化、食物网简化、食物链不完整、物质循环路径减少或不畅通、能量供给渠道减少、供给程度降低、信息传递受阻等。3. 环境污染的长期效应308.2.2 污染生态效应评价的原则与指标体系1. 污染生态效应评价的指导思想生物体与地球环境化学组成的同一性、污染物质在生物组织中分布的选择性、

14、以及生物体对化学物质的必需性，是污染生态效应评价的指导思想。评价污染物在生态系统中的污染程度以及所引起的生态系统质量变异，应以生态环境条件及其组成成分变化为基础，以污染物质对人体、动物、植物以及微生物的个体、种群的健康效应及相关效应为依据。312. 污染生态效应评价的基本原则（1）污染生态效应的多样性直接与间接；线性关系与非线性关系，时滞效应、反馈效应、复合污染生态效应等。（2）污染生态效应分析的全面性污染物质的产生和释放机理，污染物质在不同环境条件下的存在形态与转化规律，污染物质在不同环境介质中的迁移规律及污染物质作用于生物体的毒害机理等。32（3）污染生态效应的综合性即复合污染生态效应，包

15、括协同作用、拮抗作用、加和作用、独立作用等。（4）生态系统抗冲击能力的有限性当污染物浓度或者数量的变化，超出生态系统或者生命个体的适应能力的上、下限时，才可能产生污染生态效应。2. 污染生态效应评价的基本原则333. 污染生态效应评价指标体系的建立（1）生物个体指标个体形态指标 ；生理生化指标 。（2）生物种群指标 种群密度和大小；种群结构；种群数量 34（3）生物群落指标群落的结构；群落的生态 ；群落的动态；群落的分布 。 （4）生物群落结构指标物种多样性指数；个体数量变化指标 。 3. 污染生态效应评价指标体系的建立35（5）生态系统生态效应指标 生态系统结构变化；生态系统稳定性；系统中的

16、生产者、消费者和分解者与非生物环境的关系3. 污染生态效应评价指标体系的建立368.2.3 污染生态效应评价的类型与方法1. 污染生态效应评价的主要类型（1）短期效应评价指污染物对生物个体毒害作用的评价，包括生物生理、生化过程受阻，生长发育停滞，最后可能导致死亡。（2）长期效应评价指污染物对群落和生态系统影响的评价，包括遗传多样性的丧失、物种多样性的丧失、生态系统结构的简单化等。372. 污染生态效应评价的基本方法生物学评价法和综合评价法。生物学评价法是指用生物学方法，按一定标准对一定范围内的环境质量进行评定和预测，具体有：指示生物法、生物指数法和种类多样性指数法等。综合评价法则包括重叠法、列

17、表清单法与相关矩阵法和网络法等。382. 污染生态效应评价的基本方法（1）指示生物法 指示生物是指对某些物质（进入环境中的污染物）能够产生各种反应而被用来监测和评价环境质量的生物。1）大气污染指示植物：作物、花卉、野生植物等均可用作指示植物。 2）水污染指示生物：浮游生物、水生微型动物、大型底栖无脊椎动物均可作为水污染的指示生物。指示水体严重污染的生物，如颤蚓类、毛蠓、小颤藻等。指示水体中等程度污染的生物，主要有居栉水虱、蜂巢席藻等。指示清水水体的生物，如纹石蚕、扁蜉、簇生枝竹藻等。39（2）生物指数法1）污染量指数法 污染量指数法（IPC）是以分析叶片中污染物含量为基础，监测大气污染的一种方

18、法。 2）生物指数法 评价水质用的生物指数，主要是依据不利环境因素（如各种污染物）对生物群落结构的影响，用数学形式来表现群落结构指示环境质量的状况。2. 污染生态效应评价的基本方法40污染量指数法：KIPC = Cm / CC 式中：Cm为监测点指示植物叶片中污染物含量；CC为对照点同种植物叶片中污染物的含量。根据IPC值，对各监测点污染程度进行分级： I级：清洁大气（KIPC 3.0）。2. 污染生态效应评价的基本方法41 Beck生物指数（ Beck ，1955）：IB = 2nA + nB 式中：IB是 生物指数；nA为不耐有机污染的种数； nB为耐中度有机污染的种数。IB值= 0，表示

19、水体受有机物严重污染；IB值110， 表示水体受有机物中度污染；IB值10 ，表示水体为清洁水体。 2. 污染生态效应评价的基本方法42 硅藻生物指数 ： 用河流中硅藻的种类数来计算 I = 式中：I 为硅藻生物指数； A为不耐污的种类数；B是对有机污染无所谓的种类数；C为在污染区内独有的种类数。2. 污染生态效应评价的基本方法43生物指数法（Goodnight，1961）： 利用颤蚓类与全部底栖动物的比值生物指数= 100若指数80%为严重有机污染。2. 污染生态效应评价的基本方法44水生昆虫与寡毛类湿重的比值 (King,1964) 应用这种方法无需将生物鉴定到种，将底栖动物中昆虫和寡毛类

20、检出，分别称重并按下式计算： I = 此值数值越小，表示污染越严重；反之，数值越大，表示水质越清洁。2. 污染生态效应评价的基本方法45污染生物指数（BIP） IBIP是指无叶绿素微生物占全部微生物的百分比，其指数按下式计算： IBIP= 式中A为有叶绿素微生物数；B为无叶绿素微生物数。指数08为清洁水，820为轻度污染水，2060为中度污染水，60100为严重污染水。 2. 污染生态效应评价的基本方法46 （3）种类多样性指数 生物群落中的种数与个体数的比值。常用的指数有： Gleason丰富度指数 Margalef 丰富度指数 Shannon-Weaver 多样性指数 Simpson多样性

21、指数2. 污染生态效应评价的基本方法47（1）重叠法做成一套复合图，表示生态系统的特征，指明污染物在生态系统各部位的污染效应的性质和程度。（2）列表清单法可鉴别污染物质在生态系统中不良的或有益的生态效应，并表示其相对强弱，但不能进行定量计算。 2. 污染生态效应评价的基本方法（综合评价法）48（3）Leopold相关矩阵法矩阵 “行”方向列出生态系统的生物与非生物因子，“列”方向列出污染物因子，对角线左上方标出影响大小的分值，右下方标出污染物影响的相对重要度。（4）网络法利用影响树表示出污染物对生态系统产生的各种原发性效应和继发性效应。2. 污染生态效应评价的基本方法（综合评价法）498.2.

22、4 污染生态效应评价的内容污染物的毒害效应遗传多样性的丧失物种多样性的丧失生态系统结构的变化501. 污染物的毒害效应 对生态系统中已经存在或者即将存在的污染物的物理、化学与生物学特性进行系统的研究分析，推测污染物的毒性。生态毒理学实验确定污染物的急性与慢性毒性效应。512. 遗传多样性的丧失污染条件下，种群的敏感性个体消失，从而使整个种群的遗传多样性水平降低；污染引起种群规模减小，降低了种群的遗传多样性水平； 使种群实现对污染完全适应，并恢复到原来的种群数量，由于建立者效应，造成遗传来源单一，变异性的来源大大降低。523. 物种多样性的丧失污染引起物种多样性降低的机理：污染物的直接毒害作用，

23、使生物丧失生存或繁衍的能力；污染引起生境的改变，使生物丧失了生存的环境；生态系统中的富集和积累作用，使食物链后端的生物中毒而难以存活或繁育。534. 生态系统结构的变化应用生态学方法，对生态系统中的生产者、消费者、分解者以及非生物环境进行具体的调查分析，确定待评价生态系统中能量流动、物质循环、信息传递的特定规律。548. 3 污染生态诊断与监测分析558.3.1 污染生态诊断1. 污染生态诊断的概念按照一套综合会诊程序和行之有效的检验方法（物理、化学、生物学以及生态毒理学方法等），对一定区域内的生态系统质量进行说明、评价和预测。通过对污染源的全面调查，确定主要污染源和主要污染物及其排放特征，了

24、解主要污染物的污染程度及范围，研究污染物的分布和运动规律，探讨污染发生的机制，掌握生态系统质量的变化规律。562. 污染生态诊断的依据（1）生物对污染的适应对污染引起的“自然”环境（外环境）及生物生理（内环境）条件变化的适应；对污染物自身的适应。（2）污染条件下的生物进化不能适应污染的生物，种群衰退，物种消亡，引起生物多样性的丧失；能够适应的生物，在污染条件下，将产生快速分化，形成高污染适应性的进化取向。578.3.2 污染生物监测生物监测是指利用生物个体、种群或群落对环境中污染物质的反应，即利用生物在各种污染环境下所发出的各种信息，来判断环境污染状况的一种手段，从生物学角度为环境质量的监测和

25、评价提供依据。生物监测包括水污染监测、土壤污染监测和大气污染监测。58利用生物对大气污染物的反应，监测有害气体的成分和含量，以了解大气环境质量的状况。大气污染的生物监测包括动物监测和植物监测。指示动物和指示植物有些植物对大气污染的反应极为敏感，在污染物达到人和动物的受害浓度之前，它们就显示出受害症状，如紫花苜蓿、贴梗海棠、香石竹、番茄、唐菖蒲等。1. 大气污染生物监测591. 大气污染生物监测利用动物也能够起到指示、监测环境的作用。事实上，利用生物监测环境污染是从动物开始的。利用微生物生物区系组成及数量变化，监测环境污染程度完全可行。环境污染影响生物的组成和分布，生物的区系变化可用于监测环境。

26、602. 水体污染生物监测以滇池为例，水生植被与水体污染程度的关系： 1）重污染 各种高等沉水植物全部死亡； 2）中度污染 敏感植物如海菜花、轮藻等消失，篦齿眼子菜稀少，抗性强的如红线草、狐尾藻等相当繁茂； 3）轻度污染 海菜花、轮藻等渐趋消失，中等敏感植物和抗污植物均有生长； 4）无污染 各类植物包括轮藻、海菜正常生长。61水污染指示动物，采用底栖动物中的环节动物、软体动物、固着生活的甲壳动物以及水生昆虫等。鱼类可作为水体污染的监测生物。鱼的呼吸系统最敏感，利用鱼类受毒害前后呼吸频率的变化，可判断污染物的毒性大小和污染程度。微生物是有机污染物的良好监测生物。2. 水体污染生物监测623. 土

27、壤污染生物监测利用一些对特定污染物较为敏感的植物，作为土壤污染物的预测和监测指标。一般来说，指示植物主要起到预警作用。土壤动物是反映环境变化的敏感指示生物，当某些环境因素的变化发展到一定限度时，会影响到土壤动物的繁衍和生存，甚至死亡。微生物种群数量变化、微生物酶活性变化等，都可以用作土壤受污染程度的监测指标。638.3.3 污染生态分析方法1. 生物典型受害症状分析通过肉眼观察生物体受污染后发生的形态变化，如植物叶片伤害症状、动物器官畸形等来进行环境污染的监测。处在大气环境中的敏感植物受污染后，叶片会出现伤害症状。根据受害症状与大气中污染物浓度的相关性，将污染伤害植物的程度同已知的环境污染物浓

28、度联系起来，能够凭借叶片典型症状，反映大气中相应污染物的浓度。641. 生物典型受害症状分析在根据形态结构变化监测水体污染时，最常见的生物材料是鱼类。土壤中的污染物对植物的根，茎、叶都可能产生影响，出现一定的症状。652. 生物生理生化指标分析生物受污染时某些生理生化指标的变化灵敏、迅速，更适宜作环境监测。如：氨和铵离子使植物的6-磷酸葡萄糖脱氢酶、苹果酸脱氢酶和过氧化物酶活性升高；过氧乙酰硝酸酯抑制6- 磷酸葡萄糖脱氢酶和苹果酸脱氢酶的活性；植物对臭氧、二氧化硫、亚硫酸根离子、硫酸根离子、氨和铵离子都敏感，过氧化物酶活性会有所升高。如：鳃盖运动频率、呼吸频率、呼吸代谢、侧线感观机能、渗透压调

29、节、摄食量与能量转换率、抗病力、神经内分泌活动及血液成分变化、血糖水平、酶（如鱼脑胆碱酯酶、转氨酶、血浆酶、ATP酶等）活性变化、糖类、酯类代谢等。663. 生物细胞遗传学指标分析采用细胞遗传学的方法来筛选化学诱变因子，监测环境中具有致癌、致畸、致突变的化学物质。常用的方法主要有：微核测定法、染色体畸变分析、姐妹染色体交换率、非预定DNA合成等。高等植物被认为是进行环境化学物质的遗传毒性效应研究的极好材料，如紫露草和蚕豆。在动物方面常用蝌蚪肠细胞、小鼠外周血淋巴细胞、蟾蜍血液细胞等为材料，观察细胞染色体畸变情况、微核率、非预定DNA合成等指标来监测大气和水污染。674. 生物群落结构分析以某磷肥厂附近氟污染林地的地衣调查结果为例： 严重污染：树干上没有梅衣属地衣，石蕊属地衣不能够形成子囊盘，甚至不能够形成柱体。中等污染：梅衣属地衣出现在树干高度4m以下，石蕊属的几个种虽然有柱体及子囊盘，但原植体小于正常生长者。轻污染：树花属地衣较多，梅花属叶状及粉状地衣分布高达树冠内部的主干上。无污染：松萝属及树花属地衣在树木和灌木上普遍出