第8章 污染生态学

第8章污染生态学18.1环境污染及其生态过程8.2污染生态效应及其评价8.3污染生态诊断与监测分析8.4生态系统污染控制与污染生态工程8.5生态系统污染的综合整治28.1环境污染及其生态过程8.1.1环境污染的概念与类型1.环境的组成与结构环境科学中，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。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。342.环境污染的发生与环境问题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。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。①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；②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：①全球性的大气环境变化；②大面积的生态破坏；③突发性的严重污染事件。53.环境污染物及其来源环境污染物是指人们在生产生活过程中，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”（废水、废渣、废气）。农业生产中长期使用的农药，如六六六、DDT。（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。6

输入过多有机废物能够造成水体环境缺氧的条件。

（图示溪流中鱼类，由于有机污染造成缺氧引起的全部死亡。）

7

德国被酸雨损害的树林,这些树更易遭受干旱、疾病和昆虫的危害。

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有毒重金属是从开矿和炼矿产生的废物释放到环境中的。（图示犹他州Bingham露天开采的铜矿，其废弃物含有高浓度的重金属，阻碍了植物的再移植和群落的重新建立）94.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水污染、废气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为全球性污染、区域性污染和局部性污染等。10（2）环境污染的特征1）影响范围广2）作用时间长3）污染情况复杂4）污染清除难118.1.2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）机械迁移包括：①水的机械迁移作用；②大气的机械迁移作用；③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。（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。122.污染物在大气中的转化以光化学氧化、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。133.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。（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。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。168.1.3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1）对气态污染物的粘附和吸收主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度。2）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）。（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。172.动物对污染物的吸收与迁移（1）动物对污染物的吸收

1）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，刺激气管壁产生反应性咳嗽而排出。

2）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。

3）皮肤及其他途径吸收（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。183.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。198.2污染生态效应及其评价8.2.1污染的生态效应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，使生态系统由于污染物而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。201.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、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。21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作用与间接作用；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。（3）污染生态效应的综合性即复合污染生态效应，包括协同作用、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。8.2.2污染生态效应评价的原则与指标体系22污染生态效应评价指标体系的建立（1）生物个体指标①个体形态指标；②生理生化指标（2）生物种群指标①种群密度和大小；②种群结构；③种群数量（3）生物群落指标①群落的结构；②群落的生态；③群落的动态；④群落的分布（4）生物群落结构指标①物种多样性指数；②个体数量变化指标（5）生态系统生态效应指标①生态系统结构变化；②生态系统稳定性；③系统中的生产者、消费者和分解者与非生物环境的关系238.2.3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。242.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、列表清单法与相关矩阵法和网络法等。25（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。P.2892）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、细长摇蚊幼虫、绿色裸藻、小颤藻等。指示水体中等程度污染的生物，主要有居栉水虱、瓶螺、被甲栅藻、四角盘星藻、环绿藻、脆弱刚毛藻、蜂巢席藻等。指示清水水体的生物，如纹石蚕、扁蜉、蜻蜓、田螺、簇生枝竹藻等。静水中主要采用底栖生物或着生生物。26（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。27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<1.20）；II级：轻度污染（KIPC：1.21～2.0）；III级：中度污染（KIPC：2.01～3.0）；IV级：严重污染（KIPC>3.0）。28

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，表示水体受有机物严重污染；IB值1～10，表示水体受有机物中度污染；IB值>10，表示水体为清洁水体。29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。30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<60%为水质良好；60～80%为中度有机污染；>80%为严重有机污染。31（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多样性指数32综合评价法。（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。（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。338.2.4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348.3污染生态诊断与监测分析

8.3.1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。352.污染生态诊断的依据（1）生物对污染的适应①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；②对污染物自身的适应。

（2）污染条件下的生物进化①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；②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。368.3.2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。371.大气污染生物监测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。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。382.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。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。393.土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。408.3.3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。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。412.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：①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；②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；③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。423.生物群落结构分析以在昆阳磷肥厂附近氟污染林地的地衣调查结果为例：①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。②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。③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。④无污染：松萝属及树花属地衣在树木和灌木上普遍出现，梅衣属等叶状地衣在树干上大片分布到树冠内部的小枝上。434.生物生长量变化分析动物、植物、微生物都可作为这一技术的材