第章生物环境学时

第一节生物与环境

第二节环境污染与生物

第三节生物安全第四节环境生物技术目前一页\总数七十一页\编于十七点一、生物与环境的相互作用

生物必须适应环境

生物可以改变环境第一节生物与环境目前二页\总数七十一页\编于十七点二、环境中的生态因子1、生态因子的概念

生态因子是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素，即环境生物及人类生存繁衍的环境要素。

所有的生态因子构成生物的生态环境。

具体的生物个体的群落生活地段上的生态环境称谓生境。目前三页\总数七十一页\编于十七点生态因子的分类

根据生态因子的性质，生态因子可分为五类：（1）气候因子，包括光、温度、湿度、降水、风和气压等；

（2）土壤因子，包括土壤的各种特性，如土壤的理化性质、有机和无机营养、土壤微生物等；

（3）地形因子，包括各种地面特征，如坡度、坡向、海拔高度等；

（4）生物因子，包括同种或异种生物之间的各种相互关系，如种群内部的社会结构、领域、社会等级等，以及竞争、捕食、寄生、共生等行为；

（5）人为因子，主要指人类对生物和环境的各种作用。现在，人类活动对生物的影响和对环境的改变作用越来越大。目前四页\总数七十一页\编于十七点

生态因子的分类

生态因子也可以划分为生物因子和非生物因子：

生物因子包括（4）生物因子和（5）人为因子；

非生物因子包括（1）气候因子、（2）土壤因子

和（3）地形因子，

目前五页\总数七十一页\编于十七点2、生态因子与生物适应

生物在与环境的相互作用中，形成了一些具有生存意义的特征。生物依靠这些特征能免受各种环境因素的不利影响，同时还能有效的从其生境中获取所需的物质、能量和信息，以确保其正常生长发育，这种现象称为生物适应。

目前六页\总数七十一页\编于十七点生物对环境的适应主要表现为趋同适应和趋异适应。

趋同适应是指亲缘关系相当疏远的生物，由于长期生活在相同或类似的环境条件下，通过变异、选择和适应，在器官形态等方面出现很相似的现象，其结果是不同种的生物在形态、生理和发育上表现出很强的一致性和相似性。

趋异适应是指同种生物的不同个体群，由于分布地区的差异，长期生活在不同的环境条件下，不同个体群之间在形态、生理等方面产生相应的变异。目前七页\总数七十一页\编于十七点

光照、温度、水和土壤等环境要素在生物适应和生物进化过程中起决定的作用。目前八页\总数七十一页\编于十七点1、光照

光照是一个十分复杂的环境因子。

其生物效应主要包括：

(1)光是地球上所有生物生存和繁衍的最基本能源。(2)光照、以及其周期性变化对生物的生长发育和地理分布都产生深刻的影响，而生物本身对这些光的变化也有着各种不同的反应。(3)光的强度对生物的生长发育和形态构建有重要的作用。目前九页\总数七十一页\编于十七点

根据对光强的适应性，植物可分为:(1)阳生植物：适合于强光照地区生活；(2)阴生植物：适合于弱光照地区生活；(3)耐阴植物：对光照具有较广泛适应能力；根据对日照长度的反应，植物可分为：

长日照植物：如冬小麦、大麦、油菜、菠菜等

短日照植物：如水稻、玉米、大豆、棉、麻等

中日照植物：如甘蔗等。鸟类的迁徙、哺乳动物的换毛和生殖、昆虫的冬眠与滞育也与日照长度的变化密切相关。目前十页\总数七十一页\编于十七点2、温度

太阳辐射使地表受热，产生气温、水温和土温的变化，导致温度因子和光照因子一样，存在周期性变化，称为节律性变温。

目前十一页\总数七十一页\编于十七点温度因子的生物效应：

（1）节律性变温对生物有影响。尤其是极端温度对食物的生长发育存在极大的影响。

生物必须在温度达到一定界限以上，才能开始发育和生长，这一界限称为生物学零度，它因生物种类不同而异。

在生物学零度以上，温度的提高可加速生物的发育，但温度超过生物适宜温度的上限后也会对生物产生有害作用。

当温度低于某一数值，生物便会因低温而受害，低温对植物的伤害主要是冷害（0℃以上的低温）和冻害（0℃以下的低温).目前十二页\总数七十一页\编于十七点（2）温度是决定物种分布区域的主要生态因子。每个区域都生长着适应于该地区气候特点的生物。其中年平均气温、年冷月平均气温、最热月平均气温是影响生物分布的重要指标。

如苹果，不适宜在热带栽培；椰子、可可只能在热带地区栽培。

动物的分布也受温度的限制。如昆虫，其发育需要一定的总热量，生存地区的有效积温少于发育所需要的积温时，昆虫就不能完成生活史。目前十三页\总数七十一页\编于十七点3、水

（1）水是生命现象的基础。

水是生物体不可或缺的重要成分，是重要的环境物质。如

植物体一般含水量为60%~80%，动物更高，最高达95%（水母），哺乳动物为70%~75%。

水是很好的溶剂，对很多化合物有水解和解离作用，许多化学元素都是在水溶液状态下被生物吸收和转运的。

水是生物新陈代谢的直接参与者；水是光合作用的原料。

水可起缓和与调节体温的作用；水能维持细胞和组织的紧张度，使生物保持一定的形态，维持正常的生活。目前十四页\总数七十一页\编于十七点3、水

（2）水对植物的生长、发育、繁殖、分布等许多方面有重要影响。

如根据环境中水的多少、植物对水分的需求量和依赖程度，植物分为水生植物和陆生植物。

（3）水对动物的生长发育及其分布也有重要的影响。

动物也可以分为水生和陆生两类。

目前十五页\总数七十一页\编于十七点4、土壤

土壤是生态系统中生物与无机环境相互作用的产物。无论是动物，还是植物，土壤都是重要的生态因子。

绝大多数植物以土壤为生活的基质，土壤提供了植物生活的空间、水分和必须的矿质元素；

土壤也是许多生物栖居的场所，如微生物、原生动物、节肢动物等；

植物对长期生活的土壤会产生一定的适应性，从而形成了各种以土壤为主导因素的植物生态类型。如酸性土植物、碱性土植物、沙生植物等。

目前十六页\总数七十一页\编于十七点第二节环境污染与生物目前十七页\总数七十一页\编于十七点环境污染物的吸收与分布环境污染物是以大气、环境和土壤为媒介作用于生态系统中各生物组分的。植物主要通过根系吸收可溶性污染物，通过叶片的气孔吸收挥发性污染物。同时可吸收一定量的难溶、难挥发的污染物。吸收后的污染物一般转移至叶、花、果实等特定器官并产生毒害。动物摄入污染物的途径“皮肤和黏膜的接触吸收、呼吸道吸入、消化道摄入。大多数动物一般三种途径都有。污染物在动物体内的分布取决于其化学性质，易通过生物膜的污染物可在全身分布；反之，则局限于特定部位。目前十八页\总数七十一页\编于十七点污染物在环境中迁移与转化目前十九页\总数七十一页\编于十七点污染物在生物体内的归宿转运生物转化储存/蓄积毒性作用污染物排泄吸收目前二十页\总数七十一页\编于十七点分子水平细胞水平组织、器官个体污染物种群群落系统目前二十一页\总数七十一页\编于十七点环境污染物在分子水平的危害环境污染物或其活性代谢物在对生物体产生毒害作用，主要是与细胞中的生物大分子共价或非共价结合，改变其结构与功能，进而引起一系列对机体有害的生物学改变，其危害有：

其次，环境污染物还能干扰细胞内钙稳态，非生理性增高细胞内钙浓度。目前二十二页\总数七十一页\编于十七点

1、攻击核酸的碱基、核酸或脱氧核糖及磷酸，引起脱氧核糖核酸链的局部扭曲和二级结构异常，导致脱氧核糖核酸在复制中碱基排列顺序改变，形成基因突变、甚至畸变、癌变。

2、与蛋白质和酶的巯基结合，导致蛋白质巯基氧化成二硫键，使酶活性丧失；或作为抑制剂抑制酶的活性，从而影响细胞的代谢过程；

3、与细胞膜的多不饱和脂肪酸作用，引起脂质过氧化，导致膜完整性的丧失和细胞膜的破裂；

4、作为半抗体，与内源性蛋白质结合，引起过敏反应目前二十三页\总数七十一页\编于十七点

其次，环境污染物还能干扰细胞内钙稳态，非生理性增高细胞内钙浓度：

1、可激活磷酸酯酶而促进膜磷脂分解；

2、可激活核酸内切酶而引起脱氧核糖核酸断裂和染色质浓缩；

3、可激活非溶酶体酶而破坏细胞骨架蛋白，导致细胞损伤甚至死亡。目前二十四页\总数七十一页\编于十七点环境污染物在细胞水平的危害

1、损害细胞膜的结构和功能；如有机磷农药“对硫磷”，可与红细胞镶嵌蛋白结合，降低红细胞膜脂流动性，影响膜的通透性和膜镶嵌蛋白的活性；

2、损害细胞器的结构和功能；如甲基汞，不仅可引起大鼠肝细胞线粒体膜的形态结构改变，还可影响线粒体的氧化磷酸化和电子传递功能，使线粒体膜结构蛋白下降，呼吸功能和酶活性受到抑制；目前二十五页\总数七十一页\编于十七点三、环境污染物在细胞水平的危害3、引起变态反应。如铬可作为半抗原与内源性蛋白质结合，形成完全抗原，从而激发抗体发生。当机体再一次接触铬时，就会产生抗原-抗体反应，导致过敏反应。目前二十六页\总数七十一页\编于十七点四、环境污染物在组织器官水平上的危害

环境污染物在特定的植物组织器官中积累到一定浓度后，会造成组织器官的损伤。

如铅：可使根细胞的有丝分裂速率减慢。根尖变性扭曲甚至变黄，显著需要根系的生长，造成根系短少动物的肝、肾、血液、呼吸器官、生殖器官和神经系统是最易受到环境污染物损害的组织器官。

如有机磷损害神经系统；

金属汞、甲基汞等损害脑组织目前二十七页\总数七十一页\编于十七点五、环境污染物在个体水平上的危害

植物在受到环境污染物损害后，个体会表现出生长减慢、发育受阻、失绿黄化、早衰等症状。

如水稻受铅污染后，植株矮化、根系短小，叶片出现褐色斑点。目前二十八页\总数七十一页\编于十七点

动物个体受到的危害比较复杂，主要表现在：1、通过影响动物的摄食率，导致动物生长发育障碍；2、环境污染物达到一定水平后，会导致动物的死亡；3、环境污染物会引起动物行为改变。4、危害动物的繁殖。如对水生动物行为的影响

一是使鱼虾、水生昆虫等水生动物产生回避行为，使水环境中水生动物种类组成、区系分布改变，打乱原有生态系统的平衡；

二是破坏水生动物的捕食行为，使之出现食欲减退、拒食和捕食能力下降；

三是破坏水生动物的警惕行为，降低其逃避被捕食的能力。首先，环境污染物会使动物产卵（产仔）率、孵化率和幼仔存活率下降，有些污染物（如有机氯杀虫剂、汞、铅等）还能引起鸟类的蛋壳变薄易破；其次，杀虫剂、洗涤剂、化妆品、食品添加剂和油漆具有动物和人激素的活性（环境激素），导致动物和人体发育异常。目前二十九页\总数七十一页\编于十七点六、污染物在种群水平的影响种群密度年龄结构性别比例种间关系种群进化目前三十页\总数七十一页\编于十七点生境：单一化物种结构：敏感种下降，耐污种上升营养结构：食物链缩短，食物网简化初级生产力：减少营养循环：降低有机质分解和矿化速率七、污染物在群落和生态系统的影响目前三十一页\总数七十一页\编于十七点第三节生物安全一、生物入侵二、转基因技术的生物安全三、生物多样性目前三十二页\总数七十一页\编于十七点人类的健康安全人类赖以生存的农业生物安全与人类生存有关的环境生物安全广义狭义现代生物技术（主要指转基因技术）可能产生的负面影响生物安全的定义目前三十三页\总数七十一页\编于十七点一、生物入侵概念：

又称为生物污染或生态入侵。是指当外来物种进入一个新的地区不仅能存活、繁殖，而且形成种群，其种群的进一步扩散已经或将造成明显的生态破坏和经济负面后果的事件。目前三十四页\总数七十一页\编于十七点入侵物种：是指某种原本生活在异地、通过自然或人为途径进入本地生态环境中成为野化状态，并带来危害到人畜健康的物质。

发生生物入侵的物种必须具备两个条件：1、外来的，不是本地原有的；2、外来物种对本地生态系统造成了危害。目前三十五页\总数七十一页\编于十七点目前三十六页\总数七十一页\编于十七点目前三十七页\总数七十一页\编于十七点目前三十八页\总数七十一页\编于十七点途径

（1）人为有意引入

①为了保护生态环境引入物种，但无法得到有效控制，导致外来物种成灾；

②为了生物防治引入物种

③为了提高经济效益，改善人们的生活引入物种

④为了丰富人们的生活引入物种，尤其的、是园林植物引种时带入

⑤在战争中运用细菌、病毒等作为武器目前三十九页\总数七十一页\编于十七点途径（2）无意识引入①国际人员来往，如旅游、商务活动等，通过其行李入境；②商品贸易渠道入境，特别是农产品、木材、牲畜等的贸易；③交通工具带入④通过海洋垃圾或者随压舱水入境目前四十页\总数七十一页\编于十七点途径（3）自然入侵

一是自然界中的植物靠自身扩散慢慢侵入到其他生态系统：如根、茎、叶的繁殖；种子的传播；鸟等的飞行进行远距离传播；等另一方面是通过自然媒介（风、水等）和动物媒介（食用或携带）将种子传播到其他地区。目前四十一页\总数七十一页\编于十七点外来物种引入丰富当地生物多样性：中国引进小麦、玉米、花生、甘薯，澳大利亚引进蜣螂破坏本地生物多样性：中国引进水葫芦、大米草，澳大利亚引入野兔生态环境危害目前四十二页\总数七十一页\编于十七点入侵物种形成大面积的优势种群影响本地物质的生存压迫、排斥本地物种、造成物种单一化，导致生态系统受到破坏与本地物种争夺食物或直接取食本地物种破坏景观的完整性和自然性影响遗传多样性危害农林业和经济的发展对人体健康的危害目前四十三页\总数七十一页\编于十七点二、转基因技术的生物安全人类通过基因（甚至是人工合成的基因）在动物、植物、微生物之间的相互转移，创造出前所未有的新的性状甚至新物种，打破了物种原有的生殖屏障，改变了自然界长期进化的规律。转基因：就是以人为的方法改变物种的基因排序，通常涉及将某种生物的某个功能基因，从一连串的基因中分离，再植入另一个生物体内，使其具备或增强此功能的技术。转基因技术广泛应用于农产品生产开发、医药和环境治理产业中。为人类解决粮食短缺、医药、环境及能源问题，带来美好的前景。最早的转基因食物：西红柿目前四十四页\总数七十一页\编于十七点危害分类生态系统形成超级杂草、超级病毒；对生物多样性的威胁；对生物链的破坏；天然物种基因污染人体健康致病性；抗药性；其他：营养结构失衡；基因武器转基因生物技术的潜在危害目前四十五页\总数七十一页\编于十七点转基因的生物安全1995年，《生物安全议定书》美国为代表，相对宽松：以产品为基础，监管的对象是生物技术产品而非技术本身。欧盟国家为代表，比较严格：一技术为基础，认为基因技术存在潜在的危险，对转基因潜在风险、产品实验、商品化与环境释放等有严格的规定1992年，《生物多样性公约》管理模式目前四十六页\总数七十一页\编于十七点安全措施产品标签技术措施国际合作安全评估和风险控制（核心）首先，对转基因生物的实验、商品化生产和使用、运输、处理和处置等全过程进行逐步评估，根据技术对人和环境的危险性大小及可能造成后果的可控程度，由低到高分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个安全等级。然后，依据安全等级，并结合转基因生物的用途和接受环境特点，设定不同的生物安全水平。最后，在全过程中采取与当前技术水平相适应的安全控制措施。目前四十七页\总数七十一页\编于十七点生物多样性的定义基因细胞组织器官种群群落生态系统景观三、生物多样性

是指生物、生物赖以生存的生态复合体以及各种生态过程中的多样性和变异性总和.

是环境多样性的重要内容之一。是生命系统的基本特征。目前四十八页\总数七十一页\编于十七点生物多样性的层次遗传多样性物种多样性生态多样性景观多样性定义：同一物种内不同种群之间和同一种群内不同个体之间的遗传变异的总和。包括：染色体水平的多样性和DNA水平（基因）的变异性是物种多样性和生态系统多样性的基础定义：是指一定区域内物种的多样性及其变化，包括一定区域内生物区系的状况、形成、演化、分布格局及其维护机制等。包括：一定区域内物种的多样化；生态学方面的物种分布的均匀程度。是生物多样性的基础和核心内容。是指生物圈内生境、生物群落和生态过程的多样性以及生态系统内生境、生物群落忽然生态过程变化的多样性。生境：是指生物体或生物种群自然分布的区域。如地形、地貌、气候等。生物群落的多样性：群落的组成、结构和动态方面的多样性和变异性。生态过程的多样性：生态系统的组成、结构和功能在时间、空间上的变化，主要表现在系统的能量流动、物质循环和信息传递等方面。由不同类型的景观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样性或变异性。景观要素：斑块、廊道和基质目前四十九页\总数七十一页\编于十七点生物多样性的分布极不均衡

两极最少，热带雨林、珊瑚礁、热带湖泊及深海区最丰富。

物种多样性与地形、气候及局部环境的复杂性有关。中国、墨西哥、巴西、哥斯达黎加、哥伦比亚、厄瓜多尔、印度、印度尼西亚、肯尼亚、秘鲁、南非和委内瑞拉目前五十页\总数七十一页\编于十七点生物多样性的价值直接价值间接价值备择价值存在价值目前五十一页\总数七十一页\编于十七点直接价值食物：基本来自生物，仅小麦、水稻和玉米三个物种就提供70%以上的粮食。

药物：发展中国家有80%、发达国家有40%的药物直接或间接依赖生物资源。

工业原料：皮革、木材、纤维、橡胶等，甚至煤、原油、天然气等能源也是生物质的。科研：改良基因、实验材料、雷达、声纳。如杂交水稻：转育了普通野稻中雄性不育的资源得到的。主要体现在提供食物、药物、工业原料和科学研究素材等方面。分为消耗使用价值（没有经过市场直接消耗掉的）和生产使用价值（通过市场交换的）。

目前五十二页\总数七十一页\编于十七点间接价值主要体现在生态和环境价值，还有美学价值通常没有进入宏观经济指标（如GDP和国民收入）间接价值一般大于直接价值。如每年中国生物多样性的直接价值2000亿美元，间接价值4万亿美元目前五十三页\总数七十一页\编于十七点间接价值在生态价值上的体现1、地球上生态系统的初级生产力，主要都依靠绿色植物通过光合作用固定太阳能，使光能通过绿色植物进入食物链，为地球上绝大多数的物种提供物质和能量。2、对于维持生态系统功能具有重要意义。多样性越高，生态系统越稳定。3、促进植被发育，保护水土资源。4、调节气候。植物吸收CO2，树木降低地表温度等5、某些生物对污染物有抗性，可以吸收和分解污染物，净化环境；另一些生物对污染物敏感，对环境具有指示意义。6、良好、多样的自然景观有利于人类身心健康，提高人们的生活水平。目前五十四页\总数七十一页\编于十七点备择价值为人类适应自然变化提供了更多的选择机会。可能成为药物、生物防治、农作物和物种改良的重要资源。

生物多样性具有自身的内在价值，任何物种有生存的权利。存在价值目前五十五页\总数七十一页\编于十七点物种灭绝

生物多样性面临的威胁1600—1700年间大约每十年灭绝一种，1850—1950年间大约每两年灭绝一种，目前地球每个小时有1个物种消失。陆地环境净初级生产力中40%被人类用掉或浪费掉。

物种灭绝速率是自然灭绝速度的1000倍，比形成速度快100万倍。人类活动对生物多样性的影响目前五十六页\总数七十一页\编于十七点物种灭绝

灭绝：是指个体、种群或物种从一个给定的生境或生物区系中消失的过程。野外灭绝：某个物种的个体仅在圈养或其他人类控制的条件下存活；生态灭绝：一个物种虽然存在，但其数量已经减少到对同一群落中其他物种的影响可以忽略不计的地步。

一旦物种灭绝，包含其DNA分子中独有的遗传信息和特有的性状组合将永远消失。目前五十七页\总数七十一页\编于十七点

影响因素：地理分布区狭窄、只有少数种群、种群规模小、需要较大的生活空间、体型大、个体增长速率低、不能有效散布、季节性迁移、遗传变异很少。需要特殊生态位和特异性地生活于稳定环境等。

但条件的改变对物种的影响是有差别的：有的易于受环境影响；有的不敏感。物种灭绝目前五十八页\总数七十一页\编于十七点威胁生物多样性的因素生境破坏和破碎

生物资源过度开发外来物种入侵

环境污染农林种植品种的单一化目前五十九页\总数七十一页\编于十七点生境破碎是指一些人类活动，如铁路、公路、油管、农田、城镇和其他大范围的人工地带等，使得一个大面积连续的生境，变成很多面积较小的斑块。斑块内的物种不能适应周围的退化区域，不宜扩散，从而形成“生境的岛屿”。破碎化使得单位面积的生境中有更长的边界线，各个斑块中心距边缘更近，会极大影响生物多样性。目前六十页\总数七十一页\编于十七点800米道路（宽10米）内积＝8.7公顷×4＝34.8公顷1000米1000米内积＝64公顷8.7公顷8.7公顷8.7公顷8.7公顷（A