污染生态学课件

课程讲义

污染生态学

PollutionEcology

林匡飞

二零零柒年十二月

课程讲义工污染生态学

目录

第1章绪论......................................................................1

第一节生态系统..........................................................1

一、生态系统基本概念................................................1

二、生态系统组成成分和结构..........................................1

三、生态系统基本功能................................................4

四、生态系统基本特征................................................6

五、生态系统类型划分................................................7

第二节生态环境问题......................................................8

一、生态系统的化学品污染...........................................8

二、全球大气污染与气候变化及生态灾难...............................8

三、酸雨对生态系统的污染...........................................9

四、水生生态系统污染与湖泊富营养化及海洋赤潮......................9

五、臭氧层耗竭及其对人类生态系统的危害.............................9

六、土壤侵蚀与沙漠化加剧及其对生态系统的污染胁迫.................10

第三节污染生态学.......................................................10

二学科定义与内涵.................................................10

二、学科未源及归属.................................................11

三、学科分支及划分.................................................11

四、学科的基本原理.................................................12

五、土壤一植物系统污染生态学特征及其指标..........................13

第2章污染生态过程.............................................................15

第一节生态系统中化学污染物的扩散一混合过程............................15

一、大气湍流扩散过程...............................................15

二、海洋湍流扩散过程...............................................15

三、河流湍流扩散一混合过程........................................16

四、土壤污染及扩散过程.............................................16

第二节化学污染物的吸附一解吸过程......................................18

一、吸附的一般概念.................................................18

二、吸附一解吸过程中的几个概念....................................18

三、土壤/沉积物的吸附作用..........................................19

四、影响污染物在土壤及其他载体上吸附过程的因素...................20

五、疏水性有机污染物在土壤/沉积物中的吸附机理...................22

第三节化学污染物的溶解一沉淀过程......................................23

第四节化学污染物的络合一解离过程......................................23

第五节污染生态系统中的烷基化过程......................................24

一、生物烷基化过程.................................................24

二、非生物烷基化过程..............................................25

第六节化学污染物的生物降解一合成过程..................................25

一、生物降解过程...................................................25

二、共代谢过程.....................................................26

三、生物合成过程...................................................26

第七节化学污染物的动植物吸收一摄取过程................................27

I

课程讲义工污染生态学

一、植物吸收过程...................................................27

二、动物摄取一吸收过程............................................28

第八节化学污染物的生物累积一放大过程..................................29

第3章污染生态效应及其评价....................................................30

第一节污染生态效应的概念...............................................30

一、什么是污染生态效应............................................30

二、污染生态效应的发生及其机制....................................30

三、污染生态效应的基本类型........................................32

第二节生态系统污染效应.................................................35

一、森林生态系统污染效应..........................................35

二、草原生态系统污染效应..........................................35

三、水生生态系统污染效应..........................................37

四、海洋生态系统污染效应..........................................41

五、农田生态系统污染效应.........................................43

六、城市生态系统污染效应..........................................46

第三节污染生态效应评价原则与指标体系..................................46

一、污染生态效应评价的重要性......................................46

二、生态效应评价的基本原则........................................47

三、污染生态效应评价指标体系......................................47

第四节污染生态效应评价的类型与方法....................................49

一、评价的类型.....................................................49

二、评价的方法.....................................................49

第五节污染生态效应评价的内容..........................................50

一、生态系统组成、结构与功能变化的研究............................51

二、污染物的物理化学性质及生态毒理学效应的研究...................51

三、监测网点的布设与模拟系统的建立................................51

四、获得生态系统污染的数据........................................51

五、污染生态效应预测研究..........................................52

六、提出污染生态效应控制对策......................................52

第六节案例研究一霍林河露天煤矿污染生态效应评价.......................52

一、霍林河矿区自然环境状况........................................52

二、污染生态效应预测研究..........................................53

三、污染生态效应预测研究..........................................53

第4章污染生态诊断与监测分析..................................................56

第一节污染生态诊断.....................................................56

一、生态系统污染诊断的目的和意义..................................56

二、污染生态诊断原理...............................................56

三、污染生态诊断方法...............................................60

第二节污染生态监测.....................................................69

一、什么是污染生态监测............................................69

二、监测点和采样时间的选择........................................69

三、污染生态监测程序及质量保证....................................72

第三节污染生态分析方法.................................................73

-、化学分析法.....................................................73

课程讲义工污染生态学

二、光谱分析法.....................................................76

三、色谱分析法.....................................................78

四、酶学分析法.....................................................82

第5章微生物污染生态学........................................................84

第一节微生物生态效应...................................................84

一、土壤污染的产生.................................................84

二、土壤微生物.....................................................84

三、微生物功能对土壤生态的指示作用................................85

四、农药对土壤微生物的生态效应....................................85

五、重金属对土壤微生物的生态效应..................................88

六、有机污染物对土壤微生物的生态效应..............................91

第二节土壤污染物的微生物净化与修复....................................93

一、生物净化.......................................................93

二、生物修复.......................................................94

三、主要生物修复技术...............................................94

第三节植物修复及其对土壤微生物生物修复的促进作用....................100

一、植物生物修复法的基本假设.....................................100

二、植物修复的特点................................................100

三、植物根圈对微生物活性的促进效应...............................101

四、植物根圈化学因素对微生物群落的影响...........................101

五、植物根圈的物理因素............................................102

六、生物可利用性..................................................102

七、植物一微生物一污染物在根圈的相互作用.........................102

八、植物对PAHs脱毒的可能机理....................................103

九、植物对PAHs污染土壤生物修复的短期效应.......................103

十、植物对PAHs污染土壤植物修复的方法论.........................103

十一、影响植物修复的因素..........................................103

十二、植物很圈的生物降解过程.....................................104

十三、微生物一植物相互作用.......................................105

十四、植物生物修复研究现状、优缺点及今后任务....................107

十五、植物修复技术尚待研究的问题.................................108

第6章生态系统污染控制与污染生态工程........................................109

第一节污染生态工程学的原理与方法.....................................109

二生态工程学产生的背景..........................................109

二、生态系统的自净功能............................................109

三、生态工程学原理................................................109

四、生态工程的建设程序............................................111

第二节生态系统对环境污染的净化功能...................................111

一、土壤-植物系统及其净化功能.....................................111

二、水生生态系统及其净化功能.....................................113

三、生态工程系统净化污染物的生态学特征与优势....................115

第三节污水生态工程土地处理技术......................................116

一、污水土地处理的总体特征.......................................116

二、污水土地处理工艺类型概述.....................................117

III

课程讲义工污染生态学

三、土地处理系统的净化机理.......................................120

四、土地处理系统的净化功能.......................................121

五、土地处理系统的设计............................................121

第四节污水稳定塘处理技术..............................................122

一、稳定塘系统分类................................................122

二、兼性塘........................................................123

三、厌氧塘........................................................123

四、曝气塘........................................................123

五、好氧塘........................................................124

六、水生植物塘....................................................124

七、生态系统塘....................................................124

第五节固体废物处理生态工程............................................125

一、固体废物处理生态工程模式.....................................125

二、城市生活垃圾堆肥技术..........................................125

三、城市垃圾的蚯蚓处理生态工程方法...............................126

四、污水污泥的堆肥与土地处理利用.................................127

第六节大气污染防治的生态工程..........................................128

一、大气污染的主要类型............................................128

二、植物对大气中化学污染物的净化作用.............................128

三、植物对大气物理性污染的净化作用...............................129

四、植物对大气生物污染的净化效果.................................129

第七节矿山生态恢复与环境污染控制.....................................130

一、矿山开发生态破坏的过程与特征.................................130

二、矿山生态恢复与环境污染控制的生态工程技术....................130

第八节污染生态工程的效益分析..........................................130

一、污染生态工程的效益............................................130

二、污染生态工程效益评价的基本特点...............................131

三、污染生态工程的效益评价方法...................................131

四、污染生态工程的综合评价指标体系...............................133

五、污染生态工程效益分析实例.....................................133

第7章污染土地就地修复革新技术...............................................136

第一节就地土壤蒸气浸提技术............................................136

一、一般概述.....................................................136

二、技术关键......................................................136

三、技术创新......................................................137

第二节就地土壤淋洗及泥浆反应器技术...................................137

一、一般概述......................................................137

二、技术关键及适用性..............................................137

三、泥浆反应器技术................................................138

第三节就地化学修复及化学活性栅技术...................................138

一、一般概述......................................................138

二、技术关键......................................................139

第四节就地生态修复及综合技术系统.....................................140

一、一般概述......................................................140

IV

课程讲义工污染生态学

二、技术关键.....................................................140

第8章生态系统污染综合防治规划...............................................143

第一节生态系统污染综合防治的概念.....................................143

一、什么是生态系统污染综合防治...................................143

二、生态系统污染综合防治的重要性.................................143

三、生态系统污染综合防治规划.....................................143

第二节生态系统污染综合防治规划的指导思想、原则和依据生态系统........143

一、指导思想......................................................143

二、生态系统污染综合防治规划的原则和依据.........................144

第三节生态系统污染综合防治规划编制的程序、内容与方法.................144

一、环境调查与评价................................................144

二、污染生态预测..................................................146

三、提出生态系统污染综合防治方案.................................149

第四节生态系统污染防治规划的实施.....................................150

第五节水污染综合防治规划案例研究.....................................150

一、技术支撑......................................................151

二、三峡工程区水污染综合防治规划的基础...........................151

三、三峡工程区水污染综合防治规划的建立...........................152

第9章污染生态学研究前沿及展望...............................................153

第一节污染生态过程一污染生态学研究的核心.............................153

第二节污染生态化学及生态毒理与风险分析...............................154

第三节污染生态修复与污染生态工程.....................................155

第四节未来展望........................................................156

第10章污染生态学前沿讲座....................................................157

第一节分析上的困难阻碍了全氟烷基化合物的研究.........................157

一、全氟烷基化合物在全世界的范围内存在...........................157

二、需求：合适的化学标样..........................................158

三、改进色谱分离和定量技术.......................................159

四、质量保证(QA)和质量控制(QC).................................................................160

五、仪器分析......................................................160

六、多实验室间的比较..............................................161

第二节评估人造纳米材抖的潜在风险.....................................161

一、纳米材料的生产................................................162

二、风险因素......................................................162

三、纳米材料的负面影响............................................163

四、纳米材料生产的责任............................................166

第三节PFOAinPeopleFoodwrappersmaybeanimportant,overlookedsourceof

perfluorochemicalsinhumans.........................................................................167

一、Whattheratsate.................................................................................................168

二、Greatbagsofpopcorn........................................................................................168

三、Foodsurveysmissthemark..............................................................................170

四、Blooddata...........................................................................................................170

第四节废水中的医药制品和个人护理用品(PPCPs)....................................................171

一、存在的问题....................................................172

V

课程讲义工污染生态学

二、目前的认识水平................................................172

三、废水处理的重点................................................173

四、废水处理工艺对环境激素的去除效率.............................174

五、灵活的设计....................................................175

六、结论..........................................................175

第五节环境中澳化阻燃剂综述............................................175

一、介绍..........................................................175

二、溪化阻燃剂的化学性质..........................................177

三、溪化阻燃剂的分析方法..........................................178

四、毒性..........................................................178

五、在环境中的浓度................................................185

六、趋势..........................................................194

七、总结和结论....................................................196

第六节了解水生环境内分泌干扰剂.......................................199

一、污水排放口调查................................................200

二、什么是活性成分................................................200

三、对水生生物区的影响如何.......................................201

四、对含雌激素废水排放的管理.....................................202

五、下一步的研究方向.............................................203

第七节六浪环十二烷对科学和政策制定者提出了挑战......................203

一、HBCD复杂的立体化学特性.....................................204

二、HBCD的分析方法.............................................204

三、在环境中......................................................205

四、毒性..........................................................206

五、法规和风险评估................................................206

六、面临的挑战....................................................207

第八节人类医药品对水生生物的策响.....................................207

一、如何表征对水生生物的潜在影响.................................208

二、如何估算化合物在环境中的浓度.................................208

三、如何评估水生生物的效应.......................................209

四、传统的慢性效应预测方法有什么不妥之处........................209

五、展望..........................................................210

第九节水生生态系统中的微量污染物带来的挑战..........................210

一、水生生态系统中微量污染物的评估...............................211

二、减少水体中的微量污染物.......................................213

三、水质的预防性管理.............................................214

四、最新研究揭示美国西部鱼类汞污染状况..........................215

五、展望..........................................................215

第十节废水中新型高风险化学物质带来的挑战.............................215

一、进入环境的途径................................................216

二、起因和结果....................................................216

三、污水处理厂的去除效果.........................................217

四、如何处理与处置................................................219

VI

课程讲义工污染生态学

第1章绪论

生态学，简而言之，是研究生物与环境相互关系及其调控的科学。它是门既古老、又

新颖的科学。其朦胧的生态学思想，最早可追溯到公元前2000〜1000年的古希腊和古代的中

国。现代生态学的发展，是解决日益严重的生态环境问题的需要。因此，污染生态学在生态

学发展中，只有重要的地位。

第一节生态系统

一、生态系统基本概念

生态系统(ecosystem)是生态学也是污染生态学最重要的概念之一。这一概念最早是由英

国植物生态学家A.G坦斯利(lansly)于1935年首先提出的。他认为，生态系统的基本概念是

物理学上使用的"系统”整体，这个系统不仅包括有机复合体，而且包括形成环境的整个物

理因素复合体。因此.生态系统可定义为在任何规模的时空单位内由物理一化学一生物学活

动所组成的一个系统。可以看出，坦斯利定义的实质强调的是生态系统各组分之间功能上的

统一性。这一概念在20世纪50年代得到了较为广泛地传播，60年代以后逐渐成为生态学

研究的中心。

1971年，世界著名生态学家E.P.奥德姆(Odum)根据许多生态学者的观点，对生态系统

这一重要概念进行了科学凝炼，指出：生态系统就是包括特定地段中的全部生物和物理环境

的统•体。他认为，只要有主要成分，并能相互作用和得到某种机能上的稳定性，那怕是短

暂的，这个整体就可视为生态系统；具体讲，生态系统又可定义为一定空间内生物和非生物

成分通过物质的循环、能量的流动和信息的交换而相互作用、相互依存所构成的生态学功能

单元。按生物学谱划分的组织层次，生态系统是研究生物群落与其环境间相万作用关系及其

作用规律的、所以，生态系统是个功能单位而不是生物学的分类单位。

早在20世纪五六件年代，我国生态学界曾引用过由前苏联生态学家苏卡乔夫(1944)提

出的“生物地理群落”这个科学概念，它是指在一定地表范围内相似的自然现象即人气、岩

石、植物、动物、微生物、土壤、水文等条件的总和。1965年在哥本哈根国际生态学会上

决定，生态系统和生物地理群落是同义语这个决定已被各国广大生态学家所接受，但.目前各

国使用最广泛的还是生态系统这一术语，我国的情况也是如此。

生态系统可以是一个很具体的概念，一个池塘、一座别墅、一片森林或一块草地都是一

个生态系统。同时:它又是在空间范围上抽象的概念。生态系统和生物困只是研究的空间范

畴及其复杂程度不同。小的生态系统联合成大的生态系统，简单的生态系统组合成复杂的生

态系统，而最大、最复杂的生态系统就是生物圈。

总之，生态系统可以概括为：自然界一定空间的生物与环境之间相互作用、相互制约、

不断演变、达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。生态系统

的核也问题，是结构、功能及其调节机制。

二、生态系统组成成分和结构

1.生态系统的组成成分

生态系统的组成成分是指系统内所包括的若干类相互联系的各种要素。生态系统由两部

分、四个基本成分所组成。两大部分就是生物和非生物环境，或称之为生命系统和环境系统。

四个基本成分是指生产者、消费者、还原者和非生物环境。

课程讲义工污染生态学

(1)非生物环境

包括气候因子(如光照、热量、酶水、温度、空气等)和营养因子(无机物质，如c、H、

。2、N2及矿质盐分等；有机物质，如碳水化合物、蛋白质、脂类及腐殖质等)以及生物赖以

生存的元机介质(土壤和水体)。

随着工农业生产的发展，非生物环境受到了人类活动的强烈干扰。例如，长期的工业燃

烧，大气中C02浓度不断上升，由此导致了全球气温的升高；有毒化学品的长期释放，水

体和土壤环境中有害物质大量增加。由于生物和人类本身对非生物环境变化和有毒物质都有

一个忍受区间(图1-1)，必须采取适当措施.限制C02的释放、消除化学污染的发生。

■ri生

(2)生产者

是生物成分中能利用太阳能等能源，将简单元机构合成复杂有机物的自养生物，如陆生

的各种植物、水生的高等植物和藻类，还包括一些光能纫菌和化能细菌。生产者是生态系统

的必要成分，它们将光能转化为化学能，是生态系统所需一切能量的基础。

(3)消费者

是靠自养生物或其他生物为食而获得生存能量的异养生物，主要是各类动物。消费者包

括的范围很广。其中，有的直接以植物为食，如牛、马、免、池塘中的草鱼以及许多陆生昆

虫等。这些食草动物称为韧级消费者。有的消费者以贪草动物为食，如食昆虫的鸟类、青蛙、

蜘蛛、蛇、狐狸等。这些食肉动物可统称为次级消费者。食肉动物之间又是“弱肉强食”，

由此，可进一步分为三级消费者、四级消费者，这些消费者通常是生物群落中体型较大、性

情凶猛的种类。消费者中最常见的是杂食性消费者，如池塘中的鲤鱼、大型兽类中的熊等，

它们的食性很杂，食物成分季节性变化大，在生态系统中，正是杂食性消费者的这种营养特

点构成了极其复杂的营养网络关系。

生态系统中还有两类特殊的消费者，一类是腐食消费者，它们是以动植物尸体为食，如

白蚁、冗鹰等；另一类是寄生生物，它们寄生于生活着的动植物体表或体内，靠吸收寄主芹

分为生，如虱子、蛔虫、线虫和菌类等。

(4)还原者

亦称分解者，这类生物也属异养生物，故又称小型消费者，包括细菌、真菌、放线菌和

原生动物。它们在生态系统中的重要作用是把复杂的有机物分解为简单的无机物，归还到环

境中供生产者重新利用。大部分自然生态系统都具有上述四个组成成分。一个独立发生功能

的生态系统至少应包括非生物环境、生产者和还原者三个组成成分。生态系统四个基本成分

间的相互关系和作用见图1-2。

2

课程讲义工污染生态学

EI-2

2.生态系统的结构

生态系统的结构包括营养结构、物种结构、空间结构和时间结构。

（1）营养结构

生态系统各组成成分之间建立起来的营养关系，构成了生态系统的营养结构（图1-3）,

它是生态系统中能量流动和物质循环的基础。一般地，生态系统通过这种营养关系建立起来

的链锁关系，又称为“食物链”，可以分为这样四类：①捕食性食物链，以植物为基础，其

基本形式为：绿色植物一小动物一大动物；②碎食性食物链，以碎屑物（由经微生物作用的

植物性半降解性物质及微小藻类构成）为基础，其基本形式为：碎屑物一碎屑物消费者一小

肉食性动物一大肉食性动物；③寄生性食物链，以大动物为基础，由小动物寄生到大动物身

上构成，如大型动物一跳蚤一原生动物一细菌一过滤性病毒；④腐生性食物链，以腐烂的动

植物尸体为基础，由微生物的降解作用构成这类食物链。

因1-3生态系猊营养结构的一般模式

在早期的生态学研究中，生态学者大多围绕生态系统内食物网及其相互关系进行研究。

近一二十年来，人们对食物网的研究，已取得了重要进展，已经从理论上认识到：①食物网

很少是环状的；②食物链不长，平均为4节；③顶极种、中位种、底基种的比例相当稳定；

④各类链节（顶一基节、中一中节、中一顶节等）的相对比例也很稳定；⑤链节数/物种数比率

也相当稳定。考亨指出，食物网理论是非常有用的，它至少能起到的作