环境生物学新-第一章

1、第一篇 环境污染的生物效应第一章 环境污染物在生态系统中的行为本章将讨论以下内容：环境污染概述污染物在环境中的迁移与转化污染物在生物体内的生物转运和生物转化污染物在生物体内的浓缩、积累与放大生物对污染物在环境中行为的影响第一节 环境污染概述一、环境污染（Environmental Pollution）1、定义：环境污染主要指人类活动所引起的环境质量下降而有害于人类及其它生物的正常生存和发展的现象。而自然过程引起的同类现象称为自然突变或异常。2、分类：生物污染 化学污染物理污染按污染物性质废气污染 废水污染固体废弃物污染噪声污染 辐射污染按污染物形态 3、环境效应环境污染导致的环境变化 、环境生

2、物效应：各种环境因素变化而导致生态系统变异的结果。 、环境化学效应：在多种环境条件的影响下，物质之间的化学反应所引起的环境效果。如：酸雨、光化学烟雾等。 、环境物理效应：物理作用引起的环境效果。如热污染、噪声污染等。4、公害与公害病：public nuisance (disease)严重污染，可引起生态和人健康损害。公害病特点：疾患，长期，新病种，法律意义、天然污染源（Natural Source ） : 自然界向环境排放，如：活动的火山或矿床；交通农业人为污染源：（Artificial Source ）:人类社会活动所形成，影响范围广、危害大，分类方法多样，按人类社会活动功能分为，二、污染源

3、（Pollution Source）1、定义：造成环境污染的污染物发生源。通常指向环境排放有害物质或对环境产生有害物质的场所、设备和装置，是利用环境资源的主要场所。工业生活2、分类： 、点源、面源三、污染物（Pollutant）1、定义：进入环境后使环境的正常组成结构、状态和性质发生变化，直接或间接有害于人类的生存和发展的物质。2、分类： 、途径：生产性污染物和生活污染物：前者人类的生产活动，后者是人类新陈代谢产生的。、性状：一次污染物和二次污染物：二次污染物是指进人大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物，它

4、常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。四、优先污染物（Priority Pollutant）1、环境中存在量较大2、高毒性污染物（非急性毒性） 难降解、具有生物积累性 三致效应(致癌、致畸、致突变) 3、环境激素 微量，效应复杂 效应时间长，影响种群 “非优先”新型污染物小结环境污染的特点：影响范围大作用时间长污染物浓度低、情况复杂污染容易、治理难第二节 污染物的迁移与转化一、污染物在环境中的迁移1、概述：（1）定义：指污染物在环境中发生的空间位置的移动及其引起的富集、分散和消失的过程。（2）污染物进入环境的途径包括：人类活动过程中无意排放工业三废人类活动过程中故意应用注：进入环境的污染物

5、可以在各个环境要素（水、气、土）中发生迁移并输送到很远的距离。污染物的长距离传送，往往由局部性污染引发区域性污染甚至全球性污染，这也是环境污染成为当代主要环境问题的原因之一。2、迁移的方式（1）机械迁移a、水的机械迁移作用b、气的机械迁移作用c、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。a、溶解沉淀作用、络合螯合作用、吸附解吸作用、氧化还原作用、水解作用b、化学分解、光化学分解、生物化学分解（3）生物迁移 非常复杂，通过生物的吸收、代谢、生长、死亡等过程所实现例：生物通过食物链对重金属的放大积累作用3、影响迁移的因素：（1）内部因素：污染物自身的物理化学性质： a

6、、组成该物质的元素所具有的组成化合物的能力 b 、形成不同的电价离子能力、 c 、水解能力、 d 、形成络合物的能力、 e 、被胶体吸附的能力 f 、原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性、溶解度（2）外部因素：外界环境理化条件以及区域自然地理条件 酸碱条件 氧化还原条件 胶体的种类、数量 络合配位体的数量、性质二、 污染物的形态和分布1、形态：环境中污染物的外部形状、化学组成和内部结构的表现形式。form：外观（形式）；species：内在包括：价态，如Cr（VI）、 Cr（III）化合态，如有机汞和无机汞结构态，如同分异构体络合态几种重要的形态分类离子态代换态胶体有机结合态难

7、溶态2、分布：污染物在环境多组分间分布，不仅指在环境空间的浓度分布，而且还指污染物不同形态、不同相态之间的分配。例：汞形态的分布大气：以金属汞和汞蒸汽、二甲基汞以及颗粒态汞等形式存在水体：水溶性汞，不同价态、多种络合物沉积物：颗粒态汞三、转化1、定义指污染物在环境中通过物理、化学或生物的作用改变形态或转变成另一种物质的过程。2、形式物理转化：通过蒸发、渗透、凝聚、吸附以及放射性元素的蜕变化学转化：通过各种化学反应生物转化：通过生物的吸收和代谢作用3、转化的结果：两种可能：污染物转化为无毒物质或易降解结构污染物的毒性增强或转化为难降解结构以光化学氧化、催化氧化反应为主例一：光化学烟雾（Photo

8、chemical Smog）光化学烟雾是大气中氮氧化物和碳氢化合物在紫外线照射下反应生成的多种污染物的混合物。光化学烟雾最具危害的两种物质是臭氧(O3)和过氧乙酰硝酸酯(peroxyacetylnitrates , PAN)。例二：酸雨（Acid Rain）：SO2 SO3 4、大气中的转化图11光化学烟雾实例*图1-2光化学烟雾形成过程自然源、电厂以及内燃机等排放出的污染物在大气中发生化学反应产生导致酸沉降的化学物质。图13 酸沉降形成示意图5、水体中的转化主要是生化作用氧化还原作用天然水体本身是一个氧化还原体系，含有多种无机、有机氧化剂和还原剂，如DO、Fe3+、Mn4+、S2、有机化合物

9、等，对污染物的转化起重要作用。水体中的氧化还原类型、速率和平衡，在很大程度上决定了水中重要污染物的性质。如：厌氧性湖泊水体中的许多氧化还原反应均为微生物催化反应。氧垂曲线（Oxygen Sag Curve）（P36）氧垂曲线的定义在河流受到有机物污染时，由于有机物的氧化分解作用，水体的DO发生变化。从污染源到河流下游一定距离内，可绘制一条DO逐渐变化的曲线，称之为氧垂曲线。根据有机物在水体中分解变化和DO的变化，可把受污河流分成几段:清洁区：未受污染分解区： 细菌分解有机物， DO下降腐败区： DO消耗殆尽，进行缺氧分解恢复区：有机物分解接近完成， DO上升并接近饱和清洁区：恢复原始状态配合作

10、用无机配位体：OH、Cl、CO32-、HCO3等有机配位体：氨基酸、腐植酸、洗涤剂、清洁剂等生物降解作用：微生物6、土壤中的转化结构复杂，固、液、气三相污染物和土壤的理化性质都很重要生物降解起重要作用。各种污染物在环境中的转化过程是复杂的，往往存在相互影响、制约的关系，研究污染物的物理化学和生物的转化机制和过程是阐明污染物的环境行为，迁移转化与归宿和对生态系统影响的基础工作。四、生物地球化学循环1、概述、定义：生物的合成作用和矿化作用所引起的污染物周而复始的循环运动过程。注：合成作用指生物（主要是绿色植物）将吸收的环境化学物质转变为生物体本身的有机物质的过程。矿化作用指生物通过代谢作用（包括微

11、生物的分解作用）将生物体的有机物质转化为无机物质或简单的有机物。 、循环过程：生物小循环 、循环机理：污染物与营养物质一同被生物体吸收，在环境与生物体间交换，引起污染物的生物地球化学循环第三节 体内的转运和转化一、生物转运 环境污染物经各种途径和方式同生物机体接触而被吸收、分布和排泄等过程的总称。这些过程都需要通过细胞的膜结构。细胞膜（生物膜）包括：细胞外层的细胞膜（质膜）、细胞内的内质网膜、线粒体膜、核膜等；它们基本的化学组成、分子结构、功能有共同的特征。一般生物膜由蛋白质分子和脂质分子（主要是磷脂类）组成细胞质膜结构图图14 细胞质膜结构图1、污染物透过细胞膜的方式 特点 方式浓度梯度有无

12、载体是否耗能其它特点简单扩散高浓度低浓度（顺）无否脂溶性有机化合物的主要转运方式滤过过程通过膜上的亲水性孔道主动转运低浓度高浓度（逆）有耗能水溶性大分子化合物的主要方式易化扩散高浓度低浓度（顺）有否胞饮作用内吞物质为液体吞噬作用内吞物质为固体物质表11 污染物透过细胞膜的方式被动特殊2、污染物的吸收：指污染物在多种因素影响下，自接触部位透过体内细胞膜进入血液循环的过程。（1）动物吸收的主要途径有：呼吸系统、消化管和皮肤a 、呼吸系统吸收特点:吸收对象主要针对气体、蒸汽、气溶胶等形式的污染物。吸收方式多以被动扩散的方式，通过呼吸膜吸收入血。主要部位例如：肺，肺泡数量多，表面积大，遍布毛细血管，便

13、于污染物经肺迅速吸收进入血管。b 、消化管吸收特点：吸收对象主要为饮水和由大气、水、土壤进入食物链中的污染物。吸收方式多以简单扩散方式通过细胞膜而被吸收。主要部位如胃和小肠。c 、皮肤吸收：如有机磷农药可透过完整皮肤引起中毒。经皮吸收的两条途径：通过表皮脂质屏障；通过汗腺、毛囊、皮脂腺等皮肤附属器 经皮吸收的两个阶段： 穿透相：通过表皮进入真皮 吸收相：由真皮进入乳头层毛细血管 植物吸收的主要途径：a 、根部吸收以及随后随蒸腾流而输送到植物各部分；b 、通过植物叶片上的气孔从周围空气中吸收污染物，是植物对大气污染物吸收的主要方式；c 、有机化合物的蒸汽经过植物地上部分表皮渗透而摄入体内3、分布

14、指环境污染物随血液或其它体液的流动，分散到全身各组织细胞的过程。4、排泄指进入机体的环境污染物及其代谢产物被机体清除的过程。排泄的主要途径是通过肾脏进入尿液和通过肝脏的胆汁（乳化作用）进入粪便，有的环境污染物还可随同呼出的气体、汁液等排出体外。二、生物转化1、概念：生物转化指外源化合物进入生物机体后在有关酶系统的催化作用下的代谢变化过程。注1：外源化合物（Xenobiotic compounds）指除了营养元素及维持正常生理功能和生命所必需的物质以外，存在于环境之中，可与机体接触并进入机体引起机体发生生物学变化的物质。又叫外来化合物或外源性生物活性物质。例如：药物、日用化学品、食品添加剂、环境

15、污染物等。生物外源性物质是指那些人工合成的，具有不被现有降解酶系所识别和作用的分子结构和化学键序列的化合物，简而言之，就是不能被生物降解的化合物。如DDT、多氯联苯、染料、塑料、合成橡胶等。注2：内源性化合物指生物机体正常的生理活动产生的物质。注3：酶（Enzyme）是由活细胞产生的，能在体内和体外起同样催化作用的一类具有活性中心和特殊构象的生物大分子，包括蛋白质和核酸。注4：生物转化的主要场所是肝脏，其它有肺、胃、肠、皮肤等。2、过程相I过程（反应）外源性化合物在有关酶系统的催化下经由氧化、还原或水解反应改变其化学结构，形成某些活性基团（OH、SH、COOH、NH2）或进一步使这些活性基团暴

16、露。相II过程（反应）相I过程产生的一级代谢物在另外的酶系统催化下通过上述活性基团与细胞内的某些化合物结合，生成结合产物（二级代谢物）或带有相应活性基团的外源性化合物与细胞内物质进行结合反应。排出体外外源性化合物一级代谢物 结合产物（二级代谢物）毒害作用过程I （相I反应）图15 生物转化过程示意图过程II （相II反应）相I反应的主要类型：氧化反应：微粒体混合功能氧化酶参与的反应，例如脂肪族羟化 非微粒体反应还原反应：微粒体还原 非微粒体还原水解反应相II反应的主要类型：葡萄糖醛酸化、硫酸化、甲基化、乙酰化、甘氨酸结合、谷胱甘肽结合3、微生物对生物外源性物质的转化作用 形式：脱卤（主要是脱氯

17、），如DDT的脱氯还原，将生物外源性物质上的取代基，特别是硝基，进行还原；水合反应，如对有机氰的水合反应，形成无毒的含氮有机化合物 影响生物转化的因素（酶体系不同）物种差异和个体差异由各自的遗传因素决定，主要表现在体内酶的种类和活力不同上。饮食营养状况蛋白质、无机盐、维生素等营养缺乏时会不同方式地影响生物转化作用。生理因素年龄因素性别因素健康因素激素和昼夜规律：机体在每日不同时间的生物转化能力有高低差异，与内分泌功能的昼夜规律有关。代谢酶的抑制和诱导小结任何一种外源性化合物的生物转化方式不是简单的，它们可同时进行不同的氧化还原或水解反应，此后又可继续进行不同类型的结合反应。生物转化的结果有两方

18、面：解毒作用（失活）：使外源性化合物毒性降低，易于排出，或使其转变为易于被其它微生物所降解的化合物。一般规律增毒作用（活化）：使其毒性增加。普遍存在第四节 污染物在生物体内的浓缩、积累和放大一、生物浓缩（Bioconcentration）1、概念：生物机体或处于同一营养级上的许多生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或难分解化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中的浓度的现象，又称生物学浓缩、生物学富集。（体内/环境中）2、特点 是物化过程 直接吸收，基本属于简单扩散 与体内亲和力、外界条件有关3、生物浓缩系数KBCF 、KBCF生物体内/环境介质中、污染物达到平衡时的比值二、生物积累（Bioac

19、cumulation）1、概念：生物在其整个代谢活跃期间通过吸收、吸附、吞食等各种过程，从周围环境中蓄积某些元素或难分解化合物，以致随着生长发育，浓缩系数不断增大的现象，又称生物学积累。（体内后期/体内前期）2、特点：不同生物，比例不同三、生物放大（Biomagnification）1、概念：指在生态系统中，由于高营养级生物以低营养级生物为食物，某元素或难分解化合物在生物机体中浓度随营养级的提高而逐步增大的现象，称生物学放大。（体内/食物内）2、特点 间接吸收 生物学过程 达到平衡时间长，有波动。与年龄、脂肪量有关3、思考：许多生物外源性物质在环境中的含量很低，通常在ppb级，为什么这么低的浓

20、度还会引起严重的问题？这正是由于生物放大作用造成的，这样的生物外源性物质必须满足以下两个条件：一、难以生物降解；二、具有亲脂性。4、思考：三个概念有何区别？有何意义？生物浓缩：C体内C环境生物积累：t（生长期），KBCF 生物放大：营养级 ， KBCF 四、生物浓缩系数1、概念：生物体内某种元素或难分解的化合物的浓度同它所生存的环境中该物质的浓度比值，可用以表示生物浓缩的程度，又称浓缩系数、生物富集系数、生物积累率等。2、平衡浓缩系数：物质交换达到动态平衡时的浓缩系数。3、测定方法： 优缺点实验室饲养法： 条件易于控制，但数值不够准确野外调查法： 数值标准，技术难度大，时间周期长动力学方法：

21、节省试验时间，更适合大个体生物4、影响因素生理因素：如生物的生长、发育、大小、年龄环境因素：如污染物的浓度、化学形态、环境温度、pH值、光照条件及季节表12汞在水生物富集生物类型汞浓度（ppm）浓缩系数食肉娃鱼1-210000-20000小鱼0.1-0.31000-3000低等动物0.02-0.05200-500植物0.01-0.02100-200海水0.0001q v C BiVBCBVTCTK2CTq v C Bo血液组织图16 生物体某一组织生物浓缩的机理模型由此可知：生物组织中化合物的浓度不仅与该化合物在该组织中的代谢速率有关，还与进出组织的血液中的化合物浓度差成正比。五、生物浓缩机理

22、六、外来物动力学 0级动力学过程：物质的转运速率与浓度无关，是恒定值。 一级动力学过程：物质的转运速率与所在部位的量（或浓度）的一次方成正比。 二级动力学过程：两种物质参与反应，非线形。速率：mg/min.速率常数：K=总量（浓度）/速率= mg/（mg/min.）=min.-1 七、生物浓缩模型水cw生物cfK1K-11、从以上讨论可以看出，生物浓缩系数由分配系数K和速度常数组合而成，这种组合可分三种情况：a. K1K-1，t ，KBCF为分配系数Kb. K1K-1，t ，KBCF为分配系数的一半K/2c. K1K-1，t ，KBCF为K/K-1八、影响生物浓缩的因素1、生物种的生物学特征2

23、、不同组织器官的影响3、不同生育期4、与性别的关系5、污染物的性质6、污染物浓度和作用时间7、环境条件第五节 生物对污染物环境行为的影响一、生物污染（Biological Pollution）1、环境中的病原微生物，例如：沙门氏菌、霍乱弧菌、肠道病毒等2、水体的富营养化概念：指大量的氮磷等营养元素物质进入水体，使水中藻类等浮游生物旺盛增殖，从而破坏水体的生态平衡的现象。不良后果：3、微生物代谢产物产生的污染硫化氢酸性矿水硝酸和亚硝酸4、微生物毒素指微生物在其生长、代谢过程中所产生的毒素，可污染食品和环境，危害人类健康。如黄曲霉毒素、葡萄球菌肠毒素、藻类毒素等。酸性矿水（p61）成因由黄铁矿（F

24、eS2）氧化所产生的硫酸引起，微生物与形成酸性矿水的整个过程密切相关。当pH3.5时，铁细菌即氧化亚铁硫杆菌可催化铁的氧化，其它如氧化硫硫杆菌和氧化亚铁铁杆菌都与酸性矿水的形成密切相关。危害酸性矿水中最有破坏性的组分是硫酸，有直接的毒性及其他不良影响。防治利用碳酸钙矿石中和过量酸性矿水，但Fe(III)往往同时存在，反应后，pH上升，Fe(OH)3立即覆盖在碳酸钙矿石的表面成为不透水层，这种保护效应阻止了碳酸钙对酸的进一步中和。二、金属的生物转化1、金属的毒性影响因素：金属的浓度、金属的形态例如，六价铬比三价铬毒得多；甲基汞的毒性比其他的汞化合物毒性大得多；有机锡比无机锡毒，有机锡中的烷基锡比芳香基锡毒，烷基锡中三烷基又比其他烷基锡毒。2、金属的微生物转化微生物对金属的毒性转化，主要是氧化、还原和甲基化作用。3、汞的转化a、汞的存在形式无机