第十章水环境毒理学.ppt

第十章水环境毒理学 第一节污染物在水体与生物体内的迁移转化第二节污染物的毒性作用及机理第三节水体污染对人及水生生物的影响第四节水域生态毒理学 2003年10月15日 神州五号载人航天飞船上天 杨利伟在太空中拍摄到地球是一个兰色的星球 水占地球表面的四分之三 水环境是人类生存空间的重要组成 水环境特点有 1 密度大 具有较大的浮力 2 具有折射性 能将太阳光的一部分反射到大气中 其长波辐射被吸收 水深处则以绿光为主 3 水域中物质循环的速度比陆地快 4 水域具有复杂的垂直分层和流动性 5 浮游生物代谢率高 繁殖快 水域生态环境的组成 1 非生物组成 水及主要离子 溶解性气体 微量元素 胶体和悬浮物质等 2 生物组成生产者 各种藻类 浮游植物 消费者 浮游动物 底栖动物和鱼类等 分解者 水底沉积物表面的数量为最多 因为这里积累了大量的死亡有机物质 随着全球经济和社会的发展 近50年来 生产和生活过程中产生大量的废水 不能循环利用 造成水体污染 严重影响水生生态系统的结构 功能和水资源的利用 还直接危害人类的身体健康 20世纪60年代美国把水中污染物大体分为8类 1 耗氧污染物 2 致病污染物 3 合成有机物 4 植物营养物 5 无机及矿物质 6 土壤 岩石等冲刷下来的沉积物 7 放射性物质 8 热污染 从环境科学的角度 根据污染物的物理 化学和生物性质及其污染特性 水体污染物分为 1无机无毒物质 2无机有毒物质 包括重金属毒性物质和非金属的无机毒性物质 3有机无毒物质 4有机有毒物质 包括农药 酚类化合物 多环芳烃 PAHs 多氯联苯 PCBs 和表面活性剂 从环境毒理学的角度 水体污染物分为 物理性污染物 包括非溶解性污染物 热污染 及放射性污染 化学性污染物 有机污染物 如酚类 苯类 卤烃类 油类等 无机污染物 如砷 铜 铅 镉 汞 氰化物等 生物性污染 包括致病细菌 致病病毒及寄生虫等 水环境毒理学 就是研究水环境中的外源化学物质对水生生物的毒性作用及其规律的科学 第一节污染物在水体与生物体内的迁移转化 一 污染物的来源及其进入水体的途径1 污染物的来源 工业生产排污 城市生活污水 农业灌溉 大气污染物及固体废弃物的淋溶作用等都是水体污染物的来源 水生生态系统内部产生或贮存的一些污染物质的释放也是一个污染物质的来源 比如有些水生生物自身会产生一些生物毒物 2 污染物进入水体的途径 1 通过大气沉降或污水直接排放进入地表水环境 2 通过下渗进入地下水环境 3 通过地表径流进入地表水环境 l在化学品生产 排放 流通和使用过程中 有毒化学物质或直接释放于环境 或随废水排入水体 l由于突发事故造成大量有毒化学品外泄 进而污染水体 如油污染 l有毒有害废弃物处理 处置不当 有毒化学品经淋溶 渗透等途径进入水体 二 污染物在水体中的分布和转移 1 相对静水的水环境的特点 以湖泊为例 湖边缘的潜水湖滨区 在这个区域内生存着大量的水生植物 无脊椎动物和小鱼 在这个区域内形成了完整的食物链关系 由湖滨区向湖心的亚湖滨区 这个区域内的生物相对较少 深水区 在这个区域内由于很少有水的对流运动 水体中氧气的含量也较低 几乎没有生物的活动 另外在湖泊的底部有一些底栖生物存在 他们也可能构成一个独立的生物群落 二 污染物在水体中的分布和转移 2 污染物在水体中的分布 一部分以悬浮物的形式分布在水体中还有一部分沉积在水体的底泥中 气象条件和季节等因素会影响到污染物在水体中的分布 污染物的类型 二 污染物在水体中的分布和转移 3 污染物在水体中的迁移转化 取决于污染物的性质以及水体的环境特点 有机污染物 通过吸附 挥发 水解 光解 生物富集和生物降解等作用进行迁移转化 重金属 通过沉淀 络合 吸附 氧化还原等反应发生形态间的相互转化及分散和富集过程 三 污染物的吸收 1 水生植物和微生物 受其生活型的影响 水生微生物和浮游植物主要是吸收水中的污染物 尤其是离子态的污染物 沉水植物既吸收水中的污染物 又利用底泥中的污染物 挺水植物和浮叶植物的污染物来源最多 水 陆 底泥 空都有 2 水生动物对污染物的吸收 水体中的污染物进入动物体主要有三条途径 动物的体表 鳃和肠道吸收污染物 水生动物对污染物的吸收有如下特点 1 较小的动物体或处于食物链低营养级的生物 直接从水中吸收污染物是一条主要的途径 而个体较大或处于高营养级的生物 主要通过取食来吸收污染物 2 同一种动物对不同污染物的吸收途径是不同的 3 在急性污染的情况下 动物主要从水中吸收污染物 而在慢性污染的情况下 动物主要通过取食来吸收污染物 4 与食物的供应情况有关 食物充足时 主要通过取食的途径来吸收污染物 四 污染物的代谢 水生生物可以通过体内的生物转化作用改变它从环境中吸收的污染物质 污染物质发生生物转化作用以后会影响其在环境及生物体内的分布 积累及其毒性作用 五 污染物的蓄积 化学物质的理化性质与其在生物体内的累积和生物富集有密切的关系 其中脂溶性是一个重要的因素 一般不易被生物转化和具有脂溶性的物质容易在生物体内发生蓄积 六 生物富集 不同种类生物 处在不同发育期的生物和不同的器官生物富集规律不同 以链鱼为例 其不同器官富集重金属铅的量从大到小的顺序为 鳃 鳞 内脏 骨骼 头部 肌肉 水稻各器官铅的富集量差别很大 各器官含铅量的大小顺序为 根 叶 茎 谷壳 米 水生维管束植物各器官富集污染物的一般规律与陆生植物相似 但器官之间的差异没有陆生植物明显 它的所有器官都能吸收水中的污染物 都可称为吸收器官 生物在不同生育期接触污染物 体内富集量有明显差异 水稻的根在不同时期对铅富集量大小顺序为 拨节期 分蘖期 苗期 抽穗期 结实期 七 影响污染物吸收和代谢的因素 1 污染物的浓度 2 不同器官的差异 链鱼体内铅的含量 鳃 鳞 内脏 骨骼 头部 肌肉 水稻各器官含铅量为 根 叶 茎 谷壳 米 3 毒物的性质 渗透力强的种类 能穿透表皮并转移到内部组织 渗透力弱的种类 则多停留在植物表面上 污染物的存在形态直接影响生物对污染物的吸收和积累 如污染物是以离子态 结合态 还是有机物的形式存在 七 影响污染物吸收和代谢的因素 4 环境因子 温度 盐度和光照等环境物理因素 比如在较高的温度下 一些贝类的代谢率较高 以至对镉 汞的吸收量也较大 5 生物因素 年龄 体重 不同发育阶段和性别等生物因素对污染物的吸收和代谢有一定的影响 6 食物链和食物网 比较稳定的 能够被生物吸收的 以及不易被生物体代谢分解的污染物质容易通过食物链或食物网进行迁移和转化或者发生富集 水体中的DDT浓度约为0 00005ppm 浮游生物0 04ppm 刚毛藻0 08ppm 网茅0 33ppm 蛤0 42ppm鱼1 24ppm 燕鸥3 42ppm 河鸥幼体55 3ppm成体18 5ppm 秋沙鸭22 8ppm 鹭鸟26 4ppm 银鸥75 5ppm 放大150万倍 第二节污染物的毒性作用及机理 一 分子水平的毒性效应由于分子生物学技术的快速发展 使人们可以尽快确定环境污染物的毒性效应进行早期预测 检测的指标包括 DNA损伤 混合功能氧化酶和胆碱酯酶等 鱼脑中乙酰胆碱酯酶的活性下降可以反映出水中有机磷和氨基甲酸酯的污染程度 鱼血清中谷氨酸草酰乙酸转氨酶升高 指示水体中有机氯杀虫剂和汞污染严重 鱼体内肝脏受损 二 细胞与亚细胞水平的毒性效应 出现可见症状之前 植物在组织和细胞中出现的生理生化和亚细胞结构等微观方面的变化 1 对植物根 叶细胞核的影响 如镉污染会引起根和叶细胞内核变形 外膜肿大 内腔扩大 严重的核膜内陷 2 对植物根 叶线粒体 叶绿体等细胞结构的影响 如镉污染会使线粒体表现为凝聚性线粒体 膜扩张 铅污染导致叶绿体膜系统溃解 叶绿体呈球形皱缩等 3 对植物根尖细胞分裂和染色体的影响 大麦根尖经重金属离子处理后 细胞有丝分裂指数不同程度下降 重金属对根生长的抑制主要是由于抑制了细胞的有丝分裂 同时 重金属处理后的细胞中 有丝分裂出现异常 染色体畸变率与对照相比显著增高 一般来说 汞和镉的细胞学毒性最大 其次是铅和镍 再其次是铜和锌 4 对植物核仁的影响 在重金属作用下 大麦细胞中核仁的结构和数量也发生很大变化 如出现多核仁现象等 三 个体水平的毒性效应 1 对动 植物形态结构的影响 防腐漆添加剂TBT 三丁基锡 可引起软体动物的畸形等 2 对种子生活力的影响 由于种子中蛋白水解酶活性严重受抑制 贮藏蛋白质难以水解为简单氮化合物以满足幼胚发育的需要 重金属对种子萌发和早期生长发育的影响 三 个体水平的毒性效应 3 对动物生长 繁殖的影响 水体中污染物对动物内脏的破坏作用极明显 如氯丹使鳟鱼肝脏退化 DDT使鳟鱼鱼苗肝脏出现空泡 有机氯和汞使鱼的肝脏受损导致血清中转氨酶含量增加等 有机氯农药使鱼类 水鸟 哺乳动物的繁殖率下降或幼体死亡率增加 有些激素类物质引起动物只长肉不产卵 水污染对动物的行为产生严重影响 在含有一定浓度的DDT的水中生长的鲑鱼对低温非常敏感 它被迫改变产卵区 把卵产在温度偏高的鱼苗不能成活的水中 引起鱼类对盐度敏感度改变而改变产卵区 四 种群 群落水平的毒性效应 1 种群效应 较高浓度污染物使水生生物种群在短时间内发生种群数量的减少甚至趋于灭亡 而较低浓度下长期接触污染物的生物种群可能对毒物产生耐性和抗性 2 群落效应 关于群落变化的研究多以大型底栖生物为对象 因为其种类和数量多 生活相对固定且易于采集 在受到严重污染之后 一些种类已不复存在 某些种类的种群明显减小 其他的种类具有很大的波动变化 五 生态系统水平的毒性效应 在水环境中 污染物影响水生生物种群和群落结构变化 使生态系统结构与功能受到损害 生态系统中的相互作用亦可使水生生物种类组成发生变化 当污染物在一定的时空范围内持续作用于水生生态系统时 生态系统物质循环和能量流动受阻 生态系统健康受到影响 逐步走向衰退 长期环境污染对生态系统的生态效应 1 生物多样性的丧失 包括遗传多样性的丧失 物种多样性的丧失和生态系统多样性的丧失 2 生态系统复杂性降低 3 自我调控能力下降 六 不同生态环境因子对污染物毒性的影响 1 水体温度 温度主要影响变温动物的生理过程 改变生物的代谢活动和生物积累能力 同时也影响污染物质的酶的诱导 生物转化作用 停滞时间和毒性大小 如温度增加鱼的好氧量增加 对污染物的吸收量也增加 2 水体pH 鱼类生长的最适pH为5 9 pH在5 5以下时鱼类生长受阻 产量下降 pH在5以下时鱼类生殖功能失调 繁殖停止 鱼胚和鱼苗阶段是鱼类生活周期中对低pH最为敏感而且最易死亡的阶段 某些污染物在酸性条件下对水生生物产生协同作用 如重金属 3 光照 太阳光可以直接诱发有机污染物发生光解作用 不可逆地改变了反应分子 影响其在水环境中的归趋 一个有毒化合物的光化学分解的产物可能还是有毒的 例如 辐照DDT反应的产物DDE在环境中滞留时间比DDT还长 4 水流速和流量的影响 影响污染物在水中的稀释和沉淀量 第三节水体污染对人及水生生物的影响 一 水污染对人体健康的影响1 生物地球化学性疾病微量元素虽然在人体内的含量很少 但它们有些是人体必须的组成部分 在一些地区由于某种元素的缺乏或过多 会引起一些地方性的疾病 比如长期饮用含砷量高的水会引起 乌脚病 的发生 长期摄入含氟量高的水可引起氟斑牙和氟骨症 2 急性 慢性中毒当水体中的有害物质超过容许浓度时 饮用后可能产生急性和慢性中毒 如氰化物含量过高时 饮用后会产生急性中毒 但环境中污染物质浓度很低 长期反复接触后也可能产生慢性疾病的发病率或死亡率升高 另外水中的污染物可以通过食物链进入到食物中 对人体健康产生严重的危害 如水俣病和骨通病的发生 我国桂林阳朔镉污染区农民中有类似骨通病早期和中期的症状 污染区居民日摄入镉量达到0 422mg 是世界卫生组织规定的6倍 污灌区居民食用的稻米的粘度低 粮菜味道不好 蔬菜易腐烂不易贮存 土豆畸型 黑心等 沈阳和抚顺污灌区用高浓度石油废水灌溉水稻后 引起芳香烃在稻米中累积 米饭有异味 3 三致作用 比如苯并芘 氯乙烯 四氯化碳 艾氏剂 甲基苯等化学物质对人体有三致作用 4 公害病 如水俣病 骨通病等 5 传染病 人类的生活垃圾以及医院垃圾中的细菌 病毒 寄生虫污染物随水传播和流行 如霍乱 伤寒 痢疾 胃肠炎以及肝炎等 二 水生生物毒素对人体健康的危害 毒素主要有 藻类毒素 贝类毒素 鱼类毒素 螺类毒素 沙蚕毒素 海葵毒素等 如豚毒鱼类中 河豚毒素可阻碍神经信号和肌肉的传导 使骨骼肌 横隔肌及呼吸神经中枢麻痹 人一般在食用后10 45分钟内出现眩晕 恶心呕吐 全身麻木 运动不协调甚至瘫痪等现象 严重时呼吸困难 血压下降 心律失常 最终因呼吸循环衰竭而死亡 贝类通过滤食有毒藻类 主要是藻黄素 经过生物累积和放大转化为有机毒素 即贝毒 贝毒的形成与海洋中有毒藻类赤潮密切相关 贝类毒素主要有 麻痹性贝类毒素 腹泻性贝类毒素 神经性贝类毒素 记忆缺损性贝类毒素海兔 有毒贝类 的体内有毒腺 含有一种海兔素 对神经系统有麻痹作用 接触部位可发生皮肤感觉障碍 有刺痛感 大量食用会引起多汗 流泪 流涎不止 头痛 腹泻 瞳孔缩小 呼吸困难等 严重时出现肌颤和全身痉挛 可因呼吸衰竭而死亡 三 赤潮和水华的毒性作用 1 赤潮 海洋中某些微小的浮游藻类 原生动物或更小的细菌 在一定的条件下爆发性繁殖或突然性聚集 引起水体变色的一种现象 赤潮是海洋环境污染的一种危险信号 赤潮种中约有70余种能产生毒素 可通过食用鱼或贝类等对人体造成毒害 造成人类消化系统或神经系统中毒 严重的还可致死 1997年11月中旬至12月下旬 北起福建泉州湾 南至广东汕尾的数千km2的近岸 内湾水域发生了有史以来规模最大的棕囊藻赤潮 造成巨大经济损失 水体中布满棕色胶质囊和死亡的白色透明空囊 1998年春季3月下旬至4月底 以香港为中心的珠江口海域发生了裸甲藻赤潮 给香港和广东珠江口两岸的养殖渔业造成近10亿元的直接经济损失 短短4个月内在我国东南沿海发生的两次大规模赤潮 水体富营养化是两次赤潮发生的物质基础 而1997 1998年强烈的厄尔尼诺引起的全球气候异常是诱因 三 赤潮和水华的毒性作用 2 水华 是一种普遍发生的淡水污染现象 发生时 水体呈蓝色或绿色 水华 产生的藻毒素造成的最大危害是引起鱼类死亡 使饮用水源受到威胁并通过食物链影响人类的健康 蓝藻 水华 能损害肝脏 具有促癌效应 直接威胁人类的健康和生存 澳大利亚以铜绿微囊藻污染严重的水库为饮用水源的居民作为研究对象 发现引起血清中某些肝脏酶含量增高江苏泰兴肝癌高发区研究发现 长期饮用微囊藻毒素污染的水 血清丙氨酸氨基转移酶等指标显著高于对照组 四 对水生生物的影响 1 对水生植物的影响 污染物进入植物体以后 对植物的生长发育 生理过程都有影响 1 水生植物生长发育的影响 比如随着汞 镉浓度的升高 对绿藻的生长有明显的抑制作用 生长明显降低 首先是抑制了根的生长 2 水生植物生理生化过程的影响 对细胞膜通透性的影响 镉等污染物对植物细胞膜有严重的破坏作用 对光合作用的影响 镉能破坏绿藻中的叶绿素使光合作用能力下降 随着铅浓度的增加 水稻叶片中叶绿素含量递减 对呼吸作用的影响 铅对水稻种子萌发时的呼吸作用 也叫生物氧化作用 有明显的抑制作用 影响植物体内的化学组成成分 抗氧化酶系统和可溶性糖类等的变化 2 对水生动物的影响 1 对呼吸器官及血液输送氧气能力的影响 重金属元素能严重影响和破坏鱼类的呼吸器官 导致呼吸机能减弱 首先 这些重金属元素能黏结在鳃的表面 从而影响对氧气的吸收和抑制氧气与血红蛋白的结合 从而降低血液输送氧气的能力 重金属还能使血液中红血球减少 2 对生殖发育的影响 有机氯农药DDT对鱼卵中胚胎的发育 鱼卵的孵化 孵化后幼苗的成活率等都有影响 3 对生物遗传的影响 由于重金属容易与 SH及核酸中的碱基 磷酸结合 金属离子进入细胞后与DNA RNA和蛋白质结合 加速细胞的老化 有些金属进入血液可促进脑细胞的老化 第四节水域生态毒理学 生态毒理学研究毒物 环境 生态系统三者之间的相互关系 目的是控制污染物对生态系统的毒性影响 保护人类及其生活环境 水生态毒理学研究集中在个体 种群 群落 生态系统这4个层次 主要探讨因受环境污染物影响而产生异常变化的信号指标 污染物的生物转化 生物降解 致毒和解毒机制 1 河口生态毒理学 河口 指海水和淡水交汇和混合的部分封闭的沿岸海湾 它受潮汐作用的强烈影响 理化条件具有很大的波动性 河口生态系统位于河流生态系统与海洋生态系统的交汇处 是地球上两类水城生态系统之间的过渡区 河口区环境特征 环境条件比较恶劣 生物种类少 广盐性 广温性和耐低氧性是河口生物的重要生态特征 造成河口生态系统危机的主要原因是 1 河口区城市人口的急剧增加 工厂的污水和居民生活废水大量倾泻到河口区 2 河流经过农田时冲刷部分的肥料和农药汇入河口区 3 局部水产养殖过度 大量养殖废水进入河口区 4 停留在河口湾的船舶所产生的燃料油泄漏和生活废水等倾倒入海 河口生态毒理学是以河口为研究对象 定量研究污染物在个体 种群 群落 生态系统各个层次上的毒性机制 环境行为及其与环境因素的相互影响 探索毒物在河口生态系统中的迁移 转化与归宿 建立可预测模型 目的在于减少人类对河口生态系统造成的破坏 并遏制生态环境的继续恶化 2 湿地生态毒理学 湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带 并兼有两种生