污染生态学2011年思考题.doc

思考题1、简述污染物在植物体内的迁移方式。答：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。污染物可以从根部向地上部运输，通过叶片吸收的污染物也可从地上部向根部运输。不同的污染物在植物体内的迁移、分布规律存在差异。由于污染物具有易变性，可通过不同的形态和结合方式在植物体内运输和储存。根吸收的部位不同，向地上部移动的速率也有差异。此外，土壤或培养液中离子浓度的高低，能直接影响离子的运输速率。浓度过高时，离子向地上部运输的速率相应变小。土壤中离子浓度高低还影响离子的形态。重金属的物理形态不同，植物对其吸收、迁移的方式也不同。根是植物吸收重金属的主要器官，大量的重金属分布在根部。流动性大的元素则可向上运输到茎、叶、果实中。叶片吸收的重金属也能向下移动。2、在实际生产中如何减少植物对土壤中污染物的吸收？答：（1）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。（2）土壤中有机质含量愈多，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愈强，根系吸毒量就愈少。（3）不同类型的金属离子，被土壤吸附的数量、强弱是不同的。粘土矿物、蒙脱石和高岭石对金属离子吸附都有差异。金属离子被土壤胶体吸附是它们从液相转入固相的重要途径之一。金属元素若被吸附在粘土矿物表面交换点上，则较易被交换，如被吸附在晶格中，则很难被释放。（4）金属离子形成有机螯合物后，植物对它们的吸收主要取决于所形成螯合物的溶解性。（5）土壤对农药的吸附作用，有物理和物理化学吸附两类。其中主要是物理化学吸附(或称离子交换吸附)。（6）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。（7）添加腐殖质等土壤改良剂还能影响重金属形态的变化，进而影响植物的吸收。（8）污染土壤上石灰加Ca、Mg、P肥处理对重金属迁移、积累的影响以及重金属对作物的效应，结果表明处理后可减少重金属向作物籽实的迁移和积累。3、研究生物富集的最佳方法有哪些？请你设计一个研究生物富集的方案。答：生物富集的研究，可在个体（单独生物种）和食物链两个水平上进行。生物富集的研究，无论在哪个水平上进行，都可以采取野外采样调查、室内分析的方法和室内模拟实验的方法。前者的优点在于污染物的富集是各种因素综合作用的结果，与实际情况相符。后者的优点在于影响富集的各种因素便于控制，便于分析各个因素各自的作用和它们的综合作用。也可以将两种方法相结合，互相印证。例如，设计玻璃缸一只（25 cm30 cm50cm），内装15kg石英砂作陆相，加入一定量的营养液作水相。在陆相中栽种50株高粱苗，并放养若干条毛虫。在水相中放养一定量的藻类、浮游生物、瓶螺、孑孓和食蚊鱼。上述生物可组成两条食物链：高粱毛虫硅藻浮游生物孑孓食蚊鱼。高粱毛虫绿藻瓶螺。将放射性标记农药涂在石英砂、植物上或直接加入水相中。间隔一定时间后，测定砂和水中各种生物的放射性标记农药及其代谢产物。实验的目的是：（1）水相中放射性农药的污染速度；（2）在生态系统中，农药对生物的毒害作用；（3）水相和各种生物体内，放射性农药代谢、变化情况；（4）测定农药在各生物体内的富集系数。根据上述设计，把5.0mg的14C-DDT（1%丙酮溶液）涂在模拟生态系统的高粱叶上，经一个月后测定的结果，从表中可明显看出：DDT进入生物体中，能很快地转化为DDE，它比DDT更易在生物体内富集，富集系数可高达20 000112 309。表2-14 DDT在生物系统中的转移农药及其代谢产 物水中残留量(mg/kg)孑孓瓶螺食蚊鱼残留量(mg/kg)富集系数残留量(mg/kg)富集系数(mg/kg)残留量(mg/kg)富集系数(mg/kg)14C-DDT14C-DDE14C-DDD14C水溶性代谢产物0.000220.000260.000120.00321.85.20.41.581812000033334677.612.01.60.983454546154133330618.629.25.30.8584545112309441662654、化学元素之间为什么会出现拮抗和协同关系？有哪些因素决定元素之间的拮抗和协同关系？答：一、两元素之间由于直接发生化学反应而产生拮抗(1) 凡两种元素能生成难解离的稳定化合物的，它们之间便可能存在着生物的拮抗。(2)凡两种元素能生成稳定络合物的，它们之间便可能存在生物拮抗作用。(3)凡两种元素可发生氧化还原反应的，它们之间有可能存在生物拮抗作用。二、破坏金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团而产生拮抗某元素作用于金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团，使酶或蛋白质受到破坏，从而实现对酶或蛋白质中有益金属元素的间接拮抗作用。这有三种情况：1.干扰离子与生物体中的有机质（如酶的辅基）更稳定的结合，从而使机体中某些元素被置换出来。2.由于干扰离子的氧化还原作用，使辅基中的双硫键还原、裂解：2CN-+R-S-S-R2R-2SCN。由于酶辅基中二硫键的裂解而使酶遭到破坏，则酶中的金属元素也将随酶的破坏而失去活性。3.重金属（Hg、Ag、Pb等）作用于金属酶中蛋白质的巯基或羧基，使蛋白质变性，使金属酶失去活性，表现为重金属离子对金属酶中的有益元素的生物拮抗。三、使金属酶反应体系受阻而产生拮抗由于某一元素的作用，使金属酶反应体系中的一环受阻，从而产生对另一元素的间接拮抗。四、相似原子结构的元素有机络合中互相取代而造成的拮抗在生物体中相似原子结构的元素在有机络合中互相取代而造成的拮抗作用决定因素：（一）两元素之间由于直接发生化学反应而产生拮抗：1. 凡两种元素能生成难解离的稳定化合物的，它们之间便可能存在着生物的拮抗。2.凡两种元素能生成稳定络合物的，它们之间便可能存在生物拮抗作用。3.凡两种元素可发生氧化还原反应的，它们之间有可能存在生物拮抗作用。（二）破坏金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团而产生拮抗：某元素作用于金属酶的辅基或金属蛋白的蛋白质活性基团，使酶或蛋白质受到破坏，从而实现对酶或蛋白质中有益金属元素的间接拮抗作用。1.干扰离子与生物体中的有机质（如酶的辅基）更稳定的结合，从而使机体中某些元素被置换出来。2.由于干扰离子的氧化还原作用，使辅基中的双硫键还原、裂解：2CN-+R-S-S-R2R-2SCN。3.重金属（Hg、Ag、Pb等）作用于金属酶中蛋白质的巯基或羧基，使蛋白质变性，使金属酶失去活性，表现为重金属离子对金属酶中的有益元素的生物拮抗。（三）使金属酶反应体系受阻而产生拮抗：由于某一元素的作用，使金属酶反应体系中的一环受阻，从而产生对另一元素的间接拮抗。（四）相似原子结构的元素有机络合中互相取代而造成的拮抗：在生物体中相似原子结构的元素在有机络合中互相取代而造成的拮抗作用，拮抗元素生成络合物的配位数、离子半径、离子体积以及半径比率等值都非常接近，这就构成了它们之间相互取代的基本条件，所不同的只是它们的晶格能和电离势差别较大，而正是这两个常数的差别，决定了元素间生物拮抗能力的大小。晶格能和电离势数值大，元素生成的络合物就稳定，就不易被晶格能、电离势小的元素所取代；反之亦然。5、试比较动物、植物和微生物对环境污染物抗性作用的异同。答:植物、动物和微生物对环境污染物抗性作用基本相同，可以大致归结为四个途径：1.避性2.螯合或代谢转化入体内的污染物3.改变细胞的生理生化过程，使其对毒物的敏感性降低4.植物将进入体内的有毒污染物及其代谢产物排出体外。其中，微生物对污染物抗性作用除上述四种途径外，还有一种是质粒对微生物的抗性。在一般条件下，质粒的得失对细菌生长影响不大，但在特殊环境中，质粒的存在与否对细菌的生存与发展是至关重要的。质粒根据其功能可分为抗性质粒和载体质粒，其中抗性质粒与微生物对环境污染物的抗性关系密切。质粒具有转移性和消除性，通过转移和消除质粒可研究质粒在细菌中的功能。在不同细菌中发现了与生物抗性有关的不同质粒。这些质粒有的可单独产生抗性功能，有的要与细菌染色体编码的产物共同发挥作用才能产生抗性。根据质粒抗性功能不同可将其分为：抗药质粒，指能分解各类抗生素的质粒，如抗氨苄青霉素、四环素的pBR322质粒；污染物外排质粒，是指参与将污染物排出体外的质粒，如一些参与将重金属镉、锌外排的质粒，如质粒p1258、质粒pI147等；降解性质粒，此类质粒种类最为繁多，现已发现能降解各类污染物的不同质粒，根据其降解对象不同可将降解质粒分为四类：假单孢菌属中的石油降解质粒，其上编码可降解石油及其衍生物如樟脑、辛烷、萘、水杨酸盐、甲苯和二甲苯等的酶类。农药降解质粒：如编码降解2,4-D, 六六六等农药的酶类的质粒。化工污染物降解质粒：如对氯联苯和尼龙低聚体降解质粒等。抗重金属离子质粒：目前研究最清楚的抗重金属质粒是抗汞质粒。6、为什么说环境污染是现存生物面临的全新环境？植物应对这种环境面临的最大挑战是什么？答：工业革命以来短短数百年中，环境污染使大气、水体、土壤的物理和化学性质发生了很大的改变，而且由于大气环流和生物圈环境的一体化，使这种改变不仅局限在城市或工业化程度较高的地区，而且使地球的各个角落程度不同都受到了污染 。目前，这种作用正在以惊人的加速度发展。已有的研究表明，除地球历史时期的部分地质灾变以外，几乎没有哪一个时期的环境变化象当今的环境污染那样快速而高强度地改变着全球的环境面貌。由于环境污染发生的速度快、强度大， 范围广，构成生物系统发育过程中从未有过的全新环境形式。在进化过程中长期处于单一环境的生物，很难适应这种环境的变迁，有的分布区退缩到偏僻的地带，有的则会消失；另一方面，污染的选择力大于“自然”环境的选择力，大多数生物因此改变了适应及进化方向，以前主要是对“自然”环境的适应，现在转而对人类改变的污染环境的适应，生命的进化进程程度不同地都要被打上对污染适应的烙印。植物应对环境污染需要面临的最大挑战是：在长期污染条件下，植物与环境间的生态效应以及植物与环境间的适应进化问题。在长期的污染条件下，植物的这种生态效应包括两个方面， 其一，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；其二，能够适应的生物，在强大的污染选择作用下，将产生快速分化并形成了旨在提高污染适应性的进化取向。由于对污染的适应机制不完全等同于对“自然”环境的适应机制，从而使生物改变了自己“自然”进化模式，发生了适应污染的进化。7、简述监测生物的筛选原则。答：生物监测是利用生物分子、细胞、组织器官、个体、种群和群落等各层次对环境污染程度所产生的反应来阐明环境状况，从生物学的角度为环境质量的监测和评价提供依据。一、针对大气污染的监测生物筛选大气受到污染时，生物会不同程度地作出反应，如某些动物的生病、死亡或成群迁移；植物叶片的变色、脱落或枯死等；微生物种类和数量的变化等。因此，可以利用生物对大气污染的这些异常反应监测大气中有害物质的成分和含量，了解大气质量状况。利用指示植物来监测大气质量，既灵敏可靠，又简单易行。例如SO2的指示植物有紫花苜蓿、棉株、大麦、小麦、大豆等；氟化物指示植物有唐菖蒲、金荞麦、葡萄等； NOx指示植物有烟草、悬铃木、番茄等；POPs指示植物有地衣、苔藓等； 二、针对水污染的监测生物筛选水体监测时，可以用鱼、原生动物、水生植物或微生物作监测生物。三、针对土壤污染的监测生物筛选土壤中的污染物质主要有重金属、农药、化肥、洗涤剂等。生活在污染土壤上的生物，其生活力、代谢特点、行为方式、种类组成、数量分布、体内污染物及其代谢产物含量等均不同程度地受到污染物的影响，因此土壤生物的这些特征变化可以用来监测土壤污染的成分和浓度。通过利用一些对特定污染物较为敏感的植物，以此作为土壤污染物的预测和监测指示。Cu的指示植物有马齿苋科、唇形科、罂粟科等；Pb、Zn的指示植物有豆科、马齿苋科等。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即会影响到土壤动物的繁衍和生存，甚至死亡。研究表明在重金属污染的土壤中土壤动物种类数量随污染程度的减轻而逐渐增加，并且与重金属的浓度具有显著的负相关。8、简述水体富营养化的危害及生物防治方法。答：危害：由于湖泊水体的富营养化，使水质变劣，造成一系列影响和损失，主要方面是：(一)感官恶化，不利观光富营养化的湖泊水体，直接导致感官性状恶化，不仅透明度低、水色不良、表面有“水华”现象，藻体成片成团地漂浮，而且导致有机质在缺氧条件下分解，产生大量的CH4、 H2S和NH3等气体，散发出难闻臭味，降低旅游价值。(二)鱼类窒息或中毒死亡富营养化水体中溶解氧降低，特别是深层水呈缺氧状态，影响鱼类及其它需氧生物的生存直至死亡，造成经济损失。另外，富营养化水域中大量繁殖的微孢藻等蓝藻死亡后，蛋白质分解产生羟胺、硫化氢等物质，对鱼类有直接毒害，甚至造成鱼类死亡。 (三)影响作物生长以富营养化的水作灌溉用水，由于水中含有机质过多，会使