污染生态学第四讲污染物在生物体内的迁移规律.ppt

污染生态学 Pollution Ecology,上官铁梁 2012年3月6日,污染物在生物体内的迁移规律,第四讲,污染物在生物体内的迁移规律p4,本章介绍污染物的基本概念、性质、分类以及生物对污染物的吸收、迁移规律，最后阐述影响植物吸收、迁移污染物的几个主要因素。,概念 污染物（pollutant）的概念 辞海的定义:进入环境后能直接或间接危害人类的物质。,污染物的概念、性质及分类,中国大百科全书 环境科学卷:进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于人类的变化的物质。 本书作者:进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害于生物生长、发育和繁殖的变化的物质。,污染物在生物体内的迁移规律,污染物的性质 （一）一种物质成为污染物，必须在特定的环境中达到一定的数量或浓度，并且持续一定的时间 污染物原本是生产中的有用物质，有的甚至是人和生物必需的营养元素。生物是吸收、同化环境中非生物的物质演化来的，因而，环境中的物质特点和各元素的组成能深刻地反应在生物体的组成成分中；同时，由于长期适应的结果，生物对环境中各元素形成依赖和共存关系。因此，环境中化学元素及其比例和生物体内所含的元素及其比例有其相似性。其污染物的数量或浓度低于某个水平或只短暂存在，就不产生毒害，甚至还有益。但是，若这些物质排放量过大，超过了环境的承受负荷，便会转变为污染物。,污染物的概念、性质及分类,污染物在生物体内的迁移规律,（二）污染物会在环境中发生转化，即具有易变形 污染物进入环境后并非一成不变，它们会发生一系列复杂的物理、化学或生物的反应生成其他物质，生成的新物质可能危害更大，但也可能无害或毒性减轻。如人体吸收的硝酸盐会转变成毒性更大的强致癌物亚硝酸盐，一些污染物（如农药）通过生物体降解后毒性降低。不同污染物共存时相互间会发生加和、协同等作用使毒性增大或降低。,污染物的概念、性质及分类,污染物在生物体内的迁移规律,污染物可有多种分类方法，按中国大百科全书 环境科学卷的分类方法可作如下分类： 按污染物来源分 按受污染物影响的环境要素分 按污染物的形态分 按污染物的性质分 按污染物在环境中物理、化学性状的变化分 按污染物对人类（生物）的危害程度及潜在危害性分可分为一般性污染物和优先污染物。 此外，为了强调某些污染物对人体的有害作用，还可以划分出致畸物、致突变物和致癌物、可吸入的颗粒物以及恶臭物质等。,污染物的分类,污染物的概念、性质及分类,污染物在生物体内的迁移规律,一、安全浓度（safe concentration） 生物与某种污染物长期接触，仍未发现受害症状，这种不会产生受害症状的浓度称为安全浓度。 二、最高允许浓度（maximum allow concentration） 生物在整个生长发育周期内，或者是对污染物最敏感的时期内，该污染物对生物的生命活动能力和生产力没有发生明显影响的浓度，称为最高允许浓度。,有关的几个基本概念 p6,污染物在生物体内的迁移规律,三、效应浓度（effective concentration） 超过最高允许浓度，生物开始出现受害症状，接触毒物时间越长，受害越重。这种使生物开始出现受害症状的浓度称为效应浓度，可以用EC50、EC70、EC90分别代表在该浓度下有50、70、90的个体出现特殊效应，即开始出现受害症状。 四、致死浓度（lethal concentration） 当污染物浓度继续上升到某一定浓度，生物开始死亡，这样的浓度称为致死浓度，也称致死阈值。可以用LC50、LC70、LC90、LC100分别代表毒害致死50、70、90、100的个体的阈值。,有关的几个基本概念,污染物在生物体内的迁移规律,植物对污染物的吸收 植物对气态污染物的粘附和吸收 植物能粘附和吸收气态污染物。 植物粘附污染物的数量，主要决定于植物表面积的大小和粗糙程度等。 气态污染物通过叶片气孔或茎部皮孔进入植物体。,植物对污染物的吸收与迁移 p7,污染物在生物体内的迁移规律 植物对污染物的吸收与迁移,植物对水溶态污染物的吸收 植物吸收污染物的主要器官是根，但叶片也能吸收污染物。 水溶态污染物到达植物根（或叶）表面 水溶态的污染物到达根表面，主要有两个途径：一条是质体流途径（mass flow），即污染物随蒸腾拉力，在植物吸收水分时与水一起到达植物根部；另一条是扩散途径，即通过扩散而到达根表面。 近几年来农药在农业生产中的大量施用，使植物面临一个新的生活环境，植物对有机污染物的吸收和迁移也就成了许多研究者关注的对象。植物对农药的吸收经两种途径进行，即气孔吸收和角质层吸收。,污染物在生物体内的迁移规律,水溶态污染物进入细胞的过程 植物的细胞壁是污染物进入植物细胞的第一道屏障，在细胞壁中的果胶质成分为结合污染物提供了大量的交换位置。 目前，已经被许多实验所证实：除了细胞壁的吸附、非共质体沉积的方式吸收重金属外，重金属可以透过质膜在细胞内积累。 污染物通过植物细胞膜进入细胞的过程，目前认为有两种方式：一种是被动的扩散，一种是物质的主动传递过程，需要能量。,植物对污染物的吸收与迁移,污染物在生物体内的迁移规律,Park把细胞膜透过机制归纳为以下几个主要方面 p10： （1）流动输送 生物膜有许多孔隙和细孔，水溶性的化学物质和难脂溶性的微粒子化合物随水流通过细胞膜。 （2）脂质层受控扩散 脂溶性化合物在水中扩散是以乳液状态存在，当与生物体细胞膜接触，部分脂溶性化合物溶解在细胞膜中，借助扩散作用而进入细胞内。 （3）媒介输送和能动载体输送 担任化合物输送任务的是生物膜内的载体，它使化合物在生物体内得以输送。促使媒介输送的能量为浓度比（扩散）；促使能动载体输送的能量来自生物化学作用。因此，前者称为被动输送（passive transport），后者称为主动输送（active transport）。,植物对污染物的吸收与迁移,污染物在生物体内的迁移规律,污染物在植物体内迁移 p15 从根表面吸收的污染物能横穿根的中柱，被送入导管。进入导管后随蒸腾拉力向地上部移动。一般认为穿过根表面的无机离子到达内皮层可能有两种通路：第一条为非共质体通道，即无机离子和水在根内横向迁移，到达内皮层是通过细胞壁和细胞间隙等质外空间；第二条是共质体通道，即通过细胞内原生质流动和通过细胞之间相连接的细胞质通道。,植物对污染物的吸收与迁移,污染物在生物体内的迁移规律,包括人体在内的动物机体都能吸收和迁移污染物。与植物细胞不同，动物细胞缺乏细胞壁，因此细胞膜起着很大的屏障作用。 污染物通过动物细胞膜的方式 污染物通过动物细胞膜的方式有两大类：被动运输和特殊转运。被动运输又包括简单扩散和滤过作用；特殊转运又可分为载体转运、主动运输、吞噬和胞饮作用。可见，这些方式与植物体有类似之处，体现了生物膜结构与功能的高度统一。下面简要介绍吞噬和胞饮作用。,动物对污染物的吸收与迁移 p20,污染物在生物体内的迁移规律,某些固态物质与细胞膜上某种蛋白质有特殊亲和力，当其与细胞膜接触后，可以改变这部分膜的表面张力，引起细胞膜外包或内凹，将固态物质包围进入细胞，这种方式称为吞噬作用；如吞食细胞外液的微粒和胶体物质（即液态物质，特别是蛋白质）也可通过这种方式进入细胞称为胞饮作用。,动物对污染物的吸收与迁移,污染物在生物体内的迁移规律,动物机体对污染物质的吸收 动物对污染物质的吸收一般是通过呼吸道、消化管、皮肤等途径。 经呼吸道吸收 空气中的污染物呼吸道气管肺部，其中直径小于5nm的粉尘颗粒能穿过肺泡被吞噬细胞所吞食；部分毒物如苯并芘等能在肺部长期停留，会使肺部致敏纤维化或致癌；部分毒物运至支气管时刺激器官壁产生反应性咳嗽而吐出或被咽入消化管。肺泡上皮细胞膜对脂溶性、非脂溶性分子及离子都具有高度的通透性。因此，当肺泡中吸入的污染物达到一定量，容易进入血液很快引起中毒。,动物对污染物的吸收与迁移,污染物在生物体内的迁移规律,经消化管吸收 消化管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。整个消化管对污染物都有吸收能力，但主要吸收部位是在胃和小肠。 经皮肤及其他途径吸收 皮肤是动物体对污染物吸收的一道重要防卫体系，它由表皮和真皮构成。经皮肤吸收一般有两个阶段：第一阶段是污染物以扩散的方式通过表皮，表皮的角质层是最重要的屏障；第二阶段是污染物以扩散的方式通过真皮。,动物对污染物的吸收与迁移,污染物在生物体内的迁移规律,污染物在动物机体内的迁移与排出 以汞为例，汞在体内迁移，血浆可作为主要途径，红细胞直接参与金属在组织内的迁移。无机离子态汞在肾内积累的最多，其次是肝、脾、甲状腺。 接触汞蒸气后，被吸入体内的金属汞都被氧化成无机离子态汞，因而分布几乎遍及脏器。金属汞极易通过血脑屏障而到达脑中枢，进入后很快被氧化为Hg2，就很难从脑中排除。 有关动物排除污染物的机制，目前尚不清楚，但由于粪便中含有剥离的肠膜，证明可以从消化管直接排出。除粪和尿以外的排出途径还有乳汁、呼吸、毛发等。,动物对污染物的吸收与迁移,吸收机制 影响吸收的因素,污染物在生物体内的迁移规律,微生物对污染物的吸收与迁移 p23,污染物在生物体内的迁移规律,影响植物吸收、迁移污染物的因素很多，主要决定于植物种的生物学、生态学特性、污染物的种类、形态以及外界环境等特点。 一、植物种的生物学、生态学特性 二、污染物的种类及其形态差异. 三、 pH 四、 氧化还原电位.重金属是过渡元素，在不同的氧化还原状态下，有不同的形态。 五、 土壤阳离子交换量. 六、 污染物间的不同效应.在现实环境中，单种污染物对生物体孤立作用的情况是比较少见的，在大多数情况下，往往是多种生物体产生复合污染。,影响植物吸收、迁移污染物的因素 p25,污染物在生物体内的迁移规律,一般而言，复合污染时污染物的联合作用方式有以下4种类型：p31 相加作用（addition） M=M1+M2。 协同作用（synergism） MM1+M2。 颉颃作用（antagonism） MM1+M2。 独立作用（independent joint action） M=M1+M2（1-M1） 或M=1-（1-M1）（1-M2）,影响植物吸收、迁移污染物的因素,污染物在生物体内的迁移规律,七、土壤性质的影响 p34 土壤类型和特性不同,能影响植物根系对污染物的吸收。某些重金属常形成络合物，其溶解度提高后，增加根系对它的吸收。 土壤中有机质含量越多，提供了更多的能沉淀、络合污染物的基团，从而对污染物吸附能力越强，根系吸毒量就越少。 根据土壤能吸附、 螯合、络合污染物的特点，因此，可以从改良土壤入手以减少植物对污染物的吸收。,影响植物吸收、迁移污染物的因素,稷山珍稀瀕危植物矮牡丹体内 矿质元素的迁移规律,在不同器官中的矿质元素含量有显著差异， K、Mg、Mn、Ni、Cd、Cr、Pb以叶中为高， Fe、Zn、Cu分别以根、茎、叶柄中含量最高；大多数元素在叶柄中含量最低。矮牡丹对K、Mg、Mn、Fe、Zn有较强的吸收富集能力，一般叶的富集系数较其它器官为高。元素间相关分析表明：Zn、Cd、Cr、Pb 、Mn、Fe、Ni、Cu之间有显著的相关性， K、Mg之间的相关性显著。此外，土壤与植物体内元素含量表现出显著的相关性。,植 街 研 究2001,21（2）,案例,矮牡丹各部位及生境土壤中元素含量（mg/kg） The elements contents in paeonia suffruticosa subsp. spontanea and soil (mg/kg),稷山矮牡丹各部位对土壤的富集系数 Accumulation index of paeonia suffruticosa subsp. spontanea to soil in jisha,稷山矮牡丹元素间相关矩阵 Correlation matrix of elements about paeonia suffruticosa subsp. spontanea,永济珍稀瀕危植物矮牡丹体内 矿质元素的迁移规律,无机元素在植物体内的含量大多以叶、根为最多，叶柄中最少，矮牡丹对必需元素K、Mg、Fe、Cu、Zn 有较强的吸收富集能力，但对有害的重金属元素Cd、Pb吸收也较大。元素间相关分析表明：Cd、Cr、Mn、Ni、Pb、Cu、Fe、Zn 都有较好的相关，而K、Mg与Cu、Fe、Zn的相关不显著。此外，对植物体内