环境管理_环境生物学课件

环 境 生 物 学,第一章 绪论 第二章 环境污染与生物 第三章 环境污染的生物监测与评价 第四章 环境污染的生物治理,一 什么叫环境问题,如果从引起环境问题的根源考虑，可将环境问题分为两类。由自然力引起的为原生环境问题，以称第一环境问题，它主要是指火山、海啸、地震、洪涝、干旱等自然灾害问题。对于这类环境问题，目前人类的抵御能力还很薄弱。由人类活动引起的为次生环境问题，也叫第二环境问题，它又可分为环境污染和生态环境破坏两类。,第一章 绪论,什么是环境污染？是指有害物质或因子进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使环境系统结构与功能发生变化，对人类以及其他生物的生存和发展产生不利影响的现象。 具体来说，环境污染是指有害的物质，主要是工业的“三废”对大气、水体、土壤和生物的污染。赤潮 生态环境破坏则是人类对自然资源的不合理开发利用而引起的生态系统破坏。 例如乱砍滥伐引起的森林破坏；过度放牧引起的草原退化；大面积开垦草原引起的沙漠化；滥采滥捕使珍稀物种灭绝，危及地球物种多样性的特点，植被破坏引起的水土流失等等。,第一章 绪论,二、环境问题的发生和发展,（一） 早期环境问题 人类再现以后直到工业革命的漫长时期。 （二） 近代城市环境问题 从工业革命到1984年发现南极臭氧空洞止(八大公害） （三） 全球性大气环境问题 它始于1984年由英国科学家发现，1985年美国科学家证实在南极上空出现“臭氧空洞” 。 农业文明：自然的奴隶；工业文明：战胜自然；绿色文明：与自然为友，天人合一。,第一章 绪论,三 环境保护与可持续发展,1、环保意识的形成 寂静的春天 、 “罗马俱乐部”的增长的极限。 2、环境保护与可持续发展 1972年在瑞典斯德哥尔摩召开联合国环境大会，发表了人类环境宣言。只谈环境污染问题，没能与经济和社会发展联系起来，未能找到解决问题的根本出路。 拉斯奥尔夫彼昂院士,第一章 绪论,1987年, 以挪威首相布伦特兰夫人为首的22人国际委员会, 在受联合国秘书长(1983)的委托4年后, 正式提交我们共同的未来报告, 全面分析了全球面临的人口、资源、粮食和环境等方面的挑战, 正式提出应接受“ 可持续的发展” 的概念, 即“ 不以破坏子孙后代的资源为代价的发展”并在此指导下提出了一系列可行的解决危机的对策。 1992在巴西里约热内卢召开了联合国环境与发展大会，通过了里约环境与发展宣言，提出了可持续发展。,可持续发展，既要满足当代人的基本需求，又不能危害子孙后代的生存和发展。包括经济持续、生态持续和社会持续。 （1）必须提高环境意识 树立新的环境道德观：天人合一 确立正确的环境价值观：除了经济价值外，还具有生态、社会、科学、教育、娱乐和美学价值。孙院士。生态系统生产总值（Gross Ecosystem Production ，简称GEP）建立一套与国内生产总值（Gross Domestic Product，简称GDP) 相对应的、能够衡量生态良好的统计与核算体系。谁开发，谁保护；谁破坏，谁恢复；谁利用，谁补偿。生态环境补偿费 （2）实施一系列持续发展政策 清洁生产：改变先发展后治理、末端治理的思维，实施零排放 生态农业,中国的环境保护与可持续发展,中国的森林破坏、围湖造田 98年洪水、退田还湖、退耕还林 环境保护法：环境保护是基本国策 2002.10.28，环境影响评价法 科学发展观，全面、协调，可持续发展。 绿色GTP：单位GDP所消耗的能源中国是日本的6倍，资源是有限的，日本搞煤碳贮备。 节能减排,第一章 绪论,广州环境保护与持续发展,调整优化产业结构，以产业的生态转型为核心，改变高投入、高消耗、高污染的经济增长方式，建立可持续的发展模式。到2010年、2020年将单位GDP物耗能耗降低到现状的1/2、1/4，单位GDP污染物排放指标降低到现状的1/3和1/6。 1、推广生态农业： 2、发展生态工业： 3、促进可持续消费 （1）推广清洁能源；（2）发展绿色交通 广州市发展战略,第一章 绪论,四 环境生物学(environmental biology),本世纪60年代初才从生物学中派生出来，70年代才初具雏型，以后才慢慢成为较活跃的研究领域。环境生物学是研究生物与受人为干预的环境之间相互作用的规律及其机理的科学。 研究生物与环境关系实际上是一个生态学的范畴，但生态学主要研究生态系统的结构、功能和生产力等。而环境生物学是以生态学的基本原理为基础，着重研究生物与受人为干预污染环境之间的相互关系。因此，有人把环境生物学称为“污染生物学”或“生物污染学”。,第一章 绪论,第二章 环境污染与生物,一 污染物在生物体内的浓缩和放大 二 大气污染与生物 三 水体污染与生物 四 土壤污染与生物,一 污染物的生物浓缩与生物放大,1 生物浓缩(生物富集) 生物机体或处于同一营养级的各个生物种群，从周围环境中蓄积某种元素或化合物，使生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象，称为生物浓缩(biological concentration)，也称生物富集。 2 生物放大 生物放大(biological magnification)是指环境中某种元素或化合物，在同一食物链上的各种生物体内的浓度，随营养级的增高而不断增大的现象。,第二章 环境污染与生物,二 大气污染与生物,（一） 大气的结构 1 大气的结构 （1） 对流层 对流层是地球大气中最低的一层，其底界是地面。由于对流层和地面接触，它从地面得到热能，使得大气温度随高度的增加而降低。 （2） 平流层 对流层顶之上是平流层，其高度大约至50一55公里左右止。温度则随高度的上升而增加。,第二章 环境污染与生物,（3） 中间层 在平流层顶之上是温度逐渐随着高度上升而下降的中间层，在这层内又出现有较强的垂直对流运动。 （4） 热成层 中间层之上为热成层，上界达800公里，由于原子吸收了太阳紫外光的能量，使该层的温度随高度上升而迅速升高。 （5） 逸散层 这是大气圈的最外层，高度达800公里以上。,第二章 环境污染与生物,（二） 大气污染物及大气污染类型,1 一次污染物 指直接从各种排放源进人大气中的各种气体、蒸气和颗粒物，最主要的一次污染物是二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、颗粒物、碳氢化物等物质。 2 二次污染物 指进入大气的一次污染物在大气中互相作用，或与大气中正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射的参与下引起光化学反应而产生的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物。最常见的二次污染物有硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、过氧乙酸硝酸酯，以及许多活性中间物（又称自由基）。,第二章 环境污染与生物,3 主要大气污染物,（1） 颗粒物质 除气体之外的所有包含在大气中的物质，包括所有各种各样的固体或液体气溶胶。其中有固体的灰尘、烟尘、烟雾，以及液体的云雾和雾滴。 1）降尘：一般指粒径大于10微米的粉尘。 2）飘尘(可吸入颗粒PM10) ：一般指粒径小于10微米的粉尘。 3）PM2.5：直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称可入肺颗粒物。 4）总悬浮微粒（TSP）：大气中粒径小于100微米的所有颗粒。 （2） SOx 由污染源排放的最主要的硫氧化物是二氧化硫。,第二章 环境污染与生物,（3） 碳的氧化物,主要包括二氧化碳和一氧化碳。 （4） 氮氧化物（NOx） NO、NO2主要来源于矿物燃料的燃烧过程。NO对人体无害，NO2有害，是形成光化学烟雾的主要因素之一。 （5） 碳氢化合物（HC） 碳氢化合物的自然源大部分是生物活动产生的，其中甲烷占的比重较高，有些植物产生挥发性的萜烯和异戊二烯，它们都是复杂的环烃。已发现碳氢化合物是形成光化学烟雾的主要成分。,第二章 环境污染与生物,（6） 臭氧（O3）,臭氧在平流层吸收紫外光，起到保护人类与环境的重要作用。但是，在对流层大气中如果臭氧浓度增高，就会造成一系列的不利于人体健康的影响。因为臭氧是一反应性极高的气体，也是一个强氧化剂。当臭氧被吸入呼吸道时，就会与呼吸道中的细胞反应。,第二章 环境污染与生物,（四） 光化学烟雾,光化学烟雾（photochemical smong）指太阳光、氮氧化物、碳氢化合物存在的体系在特定的气象条件下（低风速、强光照），经过一系列复杂的化学反应，产生氧化性很强的产物如臭氧（O3）和其它氧化剂（PAN、RCHO）等的过程。,第二章 环境污染与生物,（五） 大气污染的危害,1 大气污染对全球气候的影响 （1） 温室效应(greenhouse effect)及其防治对策 1）太阳的短波辐射和地球的长波辐射 任何物体只要其温度在绝对零度（0k=-273oC）以上，就会有热辐射而散失热量；同时，不同温度的物体辐射波长是不同的，温度越高，辐射波长越短。太阳表面温度约为6000K，辐射的最强波段为可见光部分，地球表面温度为288K，地表辐射最强波段为红外部分。一般将前者称为太阳波辐射或短波辐射，后者称为红外辐射或长波辐射。,2）温室气体及温室效应 大气层可以让大部分太阳短波辐射穿过，致使地面温度升高；而大气中的温室气体（CO2）却能强烈地吸收地面发出的长波辐射，只有少部分辐射散失到宇宙空间，就像玻璃温室或塑料薄膜温室一样，阳光的能量多进少出，造成地球的温度上升，所以把这种现象称为温室效应。随着温室气体CO2浓度的不断上升，温室效应越来越显著。Miller认为如果没有温室气体存在，地球的平均气温将是-18而不是现在的15。,3）温室气体的种类及其对温室效应的分担率 大气中含量最高、温室效应最强的气体成分是水汽。水汽在大气中浓度介于千分之一到百分之几，存在一个巨大的自然源占地表70%的海洋，所以，大气水汽的变化对人为影响很不敏感。增温潜势(GWP)-Global Warming Potentials ，以CO2的GWP为1来表示相同质量的不同温室气体对温室效应增强的相对辐射效应。 A、CO2 在所有温室效应气体中，二氧化碳对温室效应的贡献最大，占56%，而且在大气中含量最高。,B、CH4 分为人为源和自然源。人为源包括天然气泄漏、石油煤矿开采及其他生产活动，城市垃圾处理场、稻田等。自然源包括天然沼泽、湿地、海洋等。CH4对温室效应的分担率约为为18%(GWP： 21)。 C、N2O N2O用作麻醉剂并被叫作笑气，大气N2O均来源于地面排放，分担率约为6%(GWP ：290)。 O3和CFCs(chlorofluorocarbons, 氯氟烃)也是温室气体，CFCs的分担率约为13%（GWP：103104）， O3分担率约为7%。,4）影响,A、冰川融化，海平面上升。 B、病虫害加剧，对人体、动植物产生影响。 C、气候带移动。包括温度带和降水带的移动。森林生态系统将发生变化。 D、CO2浓度升高对植物的影响。,5)形成原因及防治对策,原因 矿物质的使用和森林的破坏。 对策 减少矿物质使用，开发新能源，恢复森林。 固封二氧化碳 二氧化碳埋海底：电站不再将二氧化碳排放到大气中，而是通过液化技术，经由一条输油管，重新泵回油田。 掩埋温室效应气体：把排放的二氧化碳注入地下(海底）。 向海洋施铁：增加海洋的含铁量能导致浮游植物繁荣生长，从而达到阻止全球变暖。 京都议定书 2012年中国成为CO2最大排放国 生物能源,化石能源是一种碳氢化合物或其衍生物。它由古代生物的化石沉积而来，属于不再生能源。 化石能源所包含的天然资源有煤炭、石油和天然气。 生物能源是指从生物质得到的能源，属于可再生能源。生物能源是从太阳能转化而来的。其转化的过程是通过绿色植物的光合作用将二氧化碳和水合成生物质，生物能的使用过程又生成二氧化碳和水，形成一个物质的循环，理论上二氧化碳的净排放为零。 当前生物能源的主要形式有四种：沼气、生物柴油、燃料乙醇和生物制氢 。 生物柴油提炼自动植物油。它是指以油料作物如大豆、油菜、棉、棕榈等，野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂油以及动物油脂、餐饮垃圾油等为原料油通过酯交换工艺制成的可代替石化柴油的再生性柴油燃料。,生物能源,（2） 臭氧层破坏,1）大气臭氧层 臭氧空洞的发现：在1985年，美国的“雨云-7”号气象卫星测到了这个臭氧洞，其面积与美国领土相等，深度相当于珠穆朗玛峰的高度。 臭氧的分布：臭氧在平流层浓度最高，90%O3在平流层，10%在对流层 臭氧的作用：能阻止过量的有害短波辐射主要是紫外线B段辐射（UV-B）。 紫外辐射对生物的危害：臭氧层的损耗会使生物受过量的紫外辐射而受害。植物因此会降低光合作用的水平。人类则会增加皮癌与白内障的患病率。,2）臭氧破坏的原因,氯氟烃类物质（chlorofluoro-carbons，简称CFCs）。紫外线辐射引起氯氟代烃光解而放出氯原子，一个氯原子能破坏近10万个臭氧分子）。 氯氟甲烷（CFCls）光解Cl Cl+O3ClO+O2 ClO+OCl+O2 净反应：O+O32O2 3）拯救臭氧层 寻找氯氟代烃替代品或减少氯氟代烃使用量,（3） 酸沉降,酸沉降(acid deposition)的科学概念包括“湿沉降”和“干沉降”。 湿沉降通常指pH值低于5.6的降水。 干沉降指大气中所有酸性物质转移到大地的过程。 1）原因 CO2、SO2、NOx、HF等弱酸性气体。 2）对生态系统的影响 湖泊酸化,植物受害 酸雨对森林危害的机制（四个阶段） 第一阶段：酸雨增加了S和N，使树木生长呈现受益倾向。20世纪4050年代，瑞典“天赐氮肥”。 第二阶段：常年酸雨使土壤中和能力下降，以及K、Ca、Mg、Al等元素淋溶，使土壤贫瘠。 第三阶段：土壤中的铝和重金属元素被活化，对树木生长产生毒害，抑制树木生长。而且酸性条件有利于病虫害的扩散，危害树木，这时生态系统已失去恢复力。 第四阶段：如树木遇到持续干旱等诱发因素，土壤酸化程度加剧，就会引起根系严重枯萎，致使树木死亡。,2）对生态系统的影响,土壤酸化 在土壤酸化过程中，植物生长所需的Ca、Mg、K等营养元素从土壤中淋洗出来，从而降低了土壤肥力。 由于土壤酸碱度的变化，使许多原来适应某种土壤的微生物不再适应新的土壤环境，影响土壤中有机质的分解。 建筑物腐蚀 危害人类健康 湖泊和地下水酸化后，由于金属的溶解，对饮用者产生危害。 含酸的空气使多种呼吸道疾病增加。,3）防止措施 使用低硫燃料和改进燃烧装置。 烟道气脱硫脱氮。喷石灰，碳酸钙与SO2反应，生成CaSO3，然后由空气氧化为CaSO4。 控制汽车尾气排放。,三 水体污染与生物,水体指的是以相对稳定的陆地为边界的天然水域。“水质”主要指水相的性质，“水体”则包含有除水相以外的固相物质如悬浮物质、溶解的盐类，底泥和水生生物。例如，重金属易于从水相转移到底泥中，水相重金属含量不高，若论水质似乎未受污染，但从水体看，受到重金属污染。 环境对污染物具有一定的自净能力。低浓度情况下，通过水体的稀释、扩散、沉降及微生物的作用，水体得以自净，生态系统仍处于平衡状态；当污染物浓度超过水体的自净能力时，积累过多的污染物，消耗大量的溶解氧，厌氧微生物大量繁殖，生态平衡被打破，则会出现水体污染。可利用的水源非常有限。,（一） 需氧污染物,有机物进行生物氧化分解需要消耗水中溶解氧，而在缺氧条件下就发生腐败分解。（如厌氧微生物产生H2S、Fe2+、，继而生成黑色沉淀物FeS，沉积在底泥中），故常称这些有机物质为耗氧有机物。 溶解氧（DO） 呼吸作用：DO 光合作用:DO 再充气作用:DO 有机物的种类繁多，组成复杂，很难一一分辩，逐种进行测定。一般是利用它们的共性，用某种指标间接地反映其总量或者粗分类含量。最常应用的就是有机物比较容易被氧化这一共同特性。,1 COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量),COD是指用强氧化剂使被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量。KMnO4氧化力较弱，往往只有一部分有机污染物被氧化，因此，测定结果与实际情况往往差别较大。K2Cr2O7氧化能力很强，能使废水中绝大部分有机物氧化。因此，实际使用中常常将重铬酸钾的化学耗氧量CODCr的测定值近似地代表废水中的全部有机物含量。 化学需氧量不仅能氧化有机物，而且对各种还原态的无机物具有氧化作。,2 BOD(Biochemical Oxygen Demand生化需氧量),BOD是指1L废水中的有机污染物在好氧微生物作用下进行氧化分解时所消耗的溶氧量。实际测定时常采用 BOD5，即水样在20条件下培养五天的生化需氧量。 生物氧化不如化学氧化进行得彻底，而五日生物化学氧化又只是一部分生化需氧量，所以BOD5比COD值要低得多。但是，它在一定程度上反映了有机物在一定条件下进行生物氧化的难易程度。,（二） 植物营养液,1 富营养化（eutrophication） 生物营养物质过多积累而导致藻类大量繁殖所引起的水体污染。赤潮 2 富营养化的危害 （1） 湖泊、水库水质恶化 使水味变得腥臭难闻。 降低水体的透明度。 向水体释放有毒物质。主要是蓝藻。 消耗水体的溶解氧：富营养湖泊的表层，藻类光合作用而放出氧气；但表层密集的藻类使得阳光难以进入湖泊深层，藻类死亡后向湖底沉积，也会消耗深层水体溶解氧。,2 富营养化的危害,（2） 影响水厂的供水 湖泊富营养化最大的危害之一是影响水厂的供水系统和自来水水质。作为自来水水源的湖泊，由于藻类的繁殖，造成自来水厂过滤池的堵塞和过滤效率降低。 （3） 影响湖泊水产养殖 由于藻类的大量繁殖，引起水中缺氧，鱼类等水生动物面临被窒息死亡的威胁。 （4） 对旅游业的影响,3 防治对策,（1） 控制营养物质污染源 1）减少或脱除洗涤剂中的磷 洗涤剂都含5%12%的磷酸盐成分。 禁磷问题是一个缓慢而持续不间断的过程，直到目前为止，还有不少人持有异议，这些异议的主要论点是：进入水体的磷酸盐主要有几方面来源，一是合成洗涤剂中的三聚磷酸盐（STPP）、二是农田磷肥的径流流失、三是生活污水及人畜的粪便、四是长期沉积在底泥中的磷酸盐释放等。可见洗涤剂是水中磷的主要来源之一，但不是唯一来源。,2）合理使用土地和肥料，减少面源污染,3）截流污水,（2）综合治理,1）理化方法 理化方法包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻等。 2）工程措施 包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀等。 3）生物方法 利用植物 水生动物 水体富营养化高考试题,（三） 重金属,汞、镉、铅、铬以及类金属砷，有人称之为“五毒”，汞毒性最大。汞甲基化后成为甲基汞，毒性增强，如日本的水俣病。 1 重金属污染的特点 （1） 微量重金属即可产生毒性 汞：0.01-0.001mg/L. （2） 某些重金属在微生物作用下转化为毒性更强的化合物 如汞的甲基化. （3） 有生物放大作用.,2 汞污染,（1） 汞的甲基化 水中的二价汞离子能经过微生物的作用转变为有剧烈毒性的甲基汞，称为汞的甲基化。瑞典人Jensent 和Jernelov 1967-1968年进行了一项出色的实验：将淡水湖底的污泥与氯化汞溶液混合在一起加以培养，结果在培养物中检出了甲基汞。如果事先将污泥加热灭菌，则不能获得此结果。产甲烷杆菌在制造甲烷的过程中，如环境中有二价汞离子存在，则出现产甲基汞过程替代产甲烷过程。 甲烷(CH4) 细菌甲基钴胺素 甲基汞（CH3Hg+）,（2） 汞及其化合物在自然环境中的食物链富集,多数研究认为汞在食物链的富集途径为“汞浮游植物浮游动物小鱼大鱼人”，汞通过如此逐级传递，可富集到很高的倍数。 （3） 甲基汞中毒机理 甲基汞是剧毒性物质，是水俣病的致病因子，主要侵害人体神经系统，它对人体健康的影响除引起水俣病外。 巯基是构成酶蛋白的辅基，汞能与酶中的巯基稳定结合，属不可逆抑制。,四 土壤污染与生物,（一） 化肥污染（以氮肥为例） 1、氨挥发，污染大气 2、反硝化产生N2及N2O，造成大气污染 在通气不良，反硝化细菌活动增强 3、硝酸盐流失，引起富营养化。 4、植物的硝酸盐残留。 5、长期单施化学氮肥使土壤板结。 有机肥C/N有一定的比例，当大量单施N肥，迫使微生物向土壤腐质殖（土壤有机质的重要组成）寻求C源和其它营养，腐质殖被分解，土壤板结。,生物肥料,微生物肥料：固氮菌、磷细菌、钾细菌 生物固氮 工业合成氨：N2+H2NH3（高温、高压） 生物固氮：N2+H2NH3（常温、常压） 豆科植物 根瘤和根瘤菌,（二） 化学农药污染,1、不降解性和化学稳定性，残留量高。 2、农药的生物浓缩和生物放大。 3、毒性广,对害虫的天敌和其它生物有杀伤作用。 4、使害虫产生抗药性。 日本长野县使用DDT防治苹果红蜘蛛，短期内红蜘蛛被消灭了；但秋后又发现红蜘蛛，数量比用药前还要多，试分析形成这种现象的原因。 （1）害虫的数目一般比天敌多，故少数害虫有较大的几率逃避死亡而幸存下来。 （2）DDT的生物放大。 （3）害虫产生了抗药性。,生物农药,生物农药是指利用生物活体（真菌，细菌，昆虫病毒，转基因生物，天敌等）或其代谢产物针对农业有害生物进行杀灭或抑制的制剂。又称天然农药，系指非化学合成，来自天然的化学物质或生命体，而具有杀菌农药和杀虫农药的作用。,毒力岛主要成分： 蟑螂交配信息素（用于诱引蟑螂）、蟑螂病毒和食饵。 毒力岛杀蟑机理： 胶饵中的信息素发出求爱信息和取食信息，引诱蟑螂争相前来取食，蟑螂病毒顺势进入其体内，尔后迅速增殖，导致蟑螂细胞破裂死亡并形成“人造虫瘟”自然传播，彻底改变了人们在室内长期使用化学农药毒杀、触杀蟑螂同时也在伤害自己的传统习俗。 方法出奇：有趣的是蟑螂取食后并不会当场死去，而是爬回巢穴，随着药效的发作，形成“虫瘟”，通过交配后蟑螂顺势将病毒传染给同伴，祸及种群，产生“多米诺”连锁效效应。具有“一蟑染病、纵横传播、杀蟑灭卵、彻底根除”之奇效。,病毒的应用,苏云金芽孢杆菌（Bt） 的应用,1、液体或固体发酵生产菌体在农田直接施用,苏云金芽孢杆菌（Bt） 的应用,2、将苏云金杆菌基因克隆到植物中构建基因工程抗虫作物,美国孟山都公司把苏云金杆菌基因插入棉花植株获得了转基因棉花植株，经与农业研究局和一些大学科学家连续两年的田间试验，防治虫害效果良好。,（三） 发展生态农业,1 有机农业（organic agriculture）(传统农业) 保持了土壤肥力，使连续耕作的土壤不致衰退；投入少；有利于维持自然生态系统的基本稳定和平衡。但也存在许多问题，有机农业生产体系的生产力水平较低，难