第七章-环境污染的监测与评价

1,一、污染物与毒物,指进入环境后能够直接或间接危害人类的物质。进入环境后使环境的正常组成发生变化，直接或间接有害于人类的物质。进入环境后使环境的正常组成发生变化，直接或间接有害于生物生长、发育和繁殖的物质。污染物的作用对象是包括人在内的所有生物。,（一）污染物,第七章环境污染的监测与评价,第一节环境污染物与毒物,2,毒物：是指对机体产生有害作用（毒作用）的化学物质。环境污染物属于毒物的范畴。外来化合物：是指在所研究的生物体内，正常情况下不产生的化合物。有毒化学物质，通过各种途径排放至大气、水源、土壤等人类生存的环境中，通常称为环境毒物。毒物的相对性：铜、锌、钙、氟、硒等。,（二）毒物,3,二、环境污染物的毒害过程,时间范围上,瞬时毒害过程：需要较短时间就能表现出的生态适应与生态进化过程。,漫长毒害过程：环境污染物的稀释过程、慢性中毒反应过程和环境毒物的生物积累、生物放大过程等。,空间尺度上,微观的毒害过程主要指环境毒物通过生态系统的物理、化学和生物过程，水土、气土、根土、植土界面的毒物传输等过程。,宏观的毒害过程则指跨流域、跨区域乃至全球范围的环境毒物传输与扩散，即长距离迁移、毒害的过程。,4,环境污染物的毒害过程具有明显的复杂性和不稳定性特征。,生态系统中环境污染物的种类和数量，已经由单一或少量的环境毒物向多种环境毒物的联合毒害发展，毒害效应过程更加复杂。,不稳定性取决于生态系统中环境毒物种类和数量的可变性，以及环境毒物在环境介质，空气、水、土壤中的相互作用效应与迁移转化过程。,5,三、主要环境污染物及其环境毒理学效应,（一）重金属,重金属和配位体的相互作用，重金属的有机化，重金属的氧化还原反应，重金属的蓄积作用是重金属毒性作用的特性。,特性,原因,重金属与生物成分的相互作用，即和大分子物质的作用可能是大多数金属产生毒性效应的原因。,过程,毒性作用的受体可能是有催化作用的官能团、结构单元，或细胞膜上的转运成分，氨基酸、肽、蛋白质、核酸等生物成分多有与金属结合的基团。,6,（二）大气污染物,指大气污染物或由它转化成的二次污染物的含量远远超过正常本底含量，对人体和生物体产生不良影响的大气状况。,根据物理形态：,大气污染,根据化学形态：,分成含硫化合物，含氮化合物，碳氢化合物，碳氧化合物，卤素化合物，颗粒物质和放射性物质七类。,分为气态污染物和颗粒污染物。,7,SO2大气中最主要的污染物,酸雨使水体、土壤酸化，破坏森林，伤害庄稼，损伤古迹文物，影响人体健康和生物生存。,极易与呼吸道表面的水相作用，形成亚硫酸或硫酸，损伤呼吸粘膜，甚至引起死亡。,对微生物具有致突变作用，是一种极强的亲核剂，可引起植物、动物细胞染色体畸变。,危害人体健康,致突变/致畸作用,形成酸雨,8,（三）农药,大剂量的有机氯农药进入机体，可引起中枢神经及某些实质脏器特别是肝脏与肾脏的严重损害，慢性中毒表现为食欲不振，体重减轻，有时也可产生小脑失调、造血器官障碍等加之其化学性质稳定，对人体危害的特征具有蓄积性和远期效应。,有机氯农药,常用有机氯农药具有系列特性：蒸气压低，挥发性小，使用后消失缓慢；脂溶性强，水中溶解度大多低于1pm；氯苯架构稳定，不易为体内酶降解，在生物体内消失缓慢；土壤微生物作用的产物，也象亲体一样存在着残留毒性；有些有机氯农药，如DDT能悬浮于水面，可随水分子一起蒸发。环境中有机氯农药，通过生物富集和食物链作用，危害生物。,9,四、影响毒作用的主要因素,物理环境,湿度,通常高温可促进毒物的吸收使毒性增强，而温度下降可使毒性降低。,湿度可以促进化学毒物经皮肤吸收。高湿度可加速毒物的水解作用，使某些毒物改变状态毒性增大。,（一）环境因素,气压,时间,一般情况下，气压对毒物无明显影响。但气压增高时，往往影响大气中污染物的浓度。,生物体许多功能随季节和昼夜节律产生规律性的变动。生物对化学物质作用的反应，也受季节和昼夜的影响。,10,作用方式,污染物进入机体后的作用方式，也是决定毒性的重要因素。环境污染物的联合作用类型包括：独立作用、相加作用、协同作用与拮抗作用。,独立作用,相加作用,多种化学物各自对机体产生不同的效应，其作用的方式、途径和部位也不相同，彼此之间互无影响。,多种化学物混合产生的生物学作用强度是各种化学物分别产生的作用强度总和。有机磷农药：乐果、敌百虫及敌敌畏等,11,协同作用,拮抗作用,两种或两种以上化学物同时或在数分钟内先后与机体接触，其对机体产生生物学作用的强度远远超过它们分别单独与机体接触时所产生的生物学作用的总和。如四氯化碳、乙醇,两种化学物同时或在数分钟内先后输入机体，其中一种化学物可干扰另一种化学物原有的生物学作用，使其减弱，或两种化学物相互干扰，使混合物的生物学作用或毒性作用的强度低于两种化学物输入机体时强度的总和。钙对铅具有抑制作用；Se可降低As所诱导的致畸毒性；Se对Hg的毒作用影响最为明显。,12,物理性状与生物学效应,溶解度,挥发度,化学物质在体液中的溶解度大小与毒性强弱有关，溶解度越大，在体内吸收率越高，毒性越大。,化学物质的挥发度大小常与本身的熔点、沸点、蒸气压有关。化学物质的挥发度愈大，空气中的浓度愈大，通过呼吸道引起中毒的危险性就愈大。,物质颗粒大小的程度，化学毒物的分散度愈大，表示其颗粒愈小，其化学活性增大，同时容易随空气吸入呼吸道深部，其危害性也较大。,分散度,化学物质在体液中的溶解度对毒性的影响为正相关关系；挥发度大小也可决定化学物对人体的影响程度；而分散度大的化学毒物，其危害性也较大。,氧化铅金属铅硫化铅,（二）化学毒物的理化性状及效应,13,化学结构与毒性,QSAR法,用数学模型来定量地描述化学物质的结构与生物活性的相关关系。QSAR法（定量结构与活性关系法）是目前定量研究化学物质结构与生物学活性关系的常用方法。,毒物的化学结构决定在体内参与和干扰的生化过程，决定毒作用的性质。,14,种属、品系和个体差异,年龄和发育,由于机体的结构与功能方面的差异，外来化合物在不同种属和品系动物体内的生物转运和生物转化过程不一定完全相同，以致其毒性作用亦可能存在差异。,新生动物对中枢神经剂敏感性较差，对中枢神经抑制剂较敏感；机体老年后代谢功能减退，对一般化学物质的毒性作用较敏感，但对于需经生物转化后才具有毒性作用的化学物质则相反。,（三）个体因素,15,性别与激素,遗传因素,健康状况与营养,对大多数毒物而言，雌性动物往往较雄性动物敏感。这种差异，主要与性激素和其代谢毒物的功能不同有关。,动物的健康状态，营养条件等，影响代谢水平和酶活性，影响毒性。,先天性代谢缺陷或生理变异，可导致对某些化合物效应的敏感性。如磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏的人，对苯、苯胺等比较敏感，容易引起溶血。,16,第二节,17,一、污染物在生物体内的吸收、分布和排泄,（一）吸收,1.消化道吸收,最主要的吸收途径，主要以简单扩散方式通过细胞膜被吸收。,2.呼吸道吸收,主要经肺吸收直接进入血液循环而分布全身。,3.经皮肤吸收,皮肤并不具有高度的通透性，但是有些外来化合物可以通过皮肤吸收，引起全身作用，如CCl4、有机磷农药。,18,（二）分布,指污染物经各种途径吸收后，随血液和体液循环分布到全身组织细胞的过程。,（三）排泄,一种化学物及其代谢产物向机体外转运的过程，是机体内物质代谢全过程的最后一个环节。,主要通过肾脏随同尿液排出或经过肝脏随同胆汁混入粪便中而排出。经过呼吸器官随同气体呼出。通过皮肤随同汗液以及唾液、乳汁、泪液和胃肠道分泌物排出等。,排泄途径,19,二、污染物的生物转化,是指进入体内的外来化合物，在体内酶催化下发生一系列代谢变化的过程，亦称为生物代谢转化。,生物转化,生物代谢转化成的衍生物称为代谢物。,代谢物,肝、肾、胃、肠、肺、皮肤和胎盘等都具有代谢转化功能，其中以肝脏代谢最为活跃，其次为肾和肺等。,20,根据化学物结构和反应性，经过生物代谢转化，原无毒或毒性小的化合物，能够被转化成有毒或毒性大的产物，这种转化叫做生物活化作用或生物增毒作用。,生物活化作用,生物灭活作用,有毒的化学物，经代谢转化变成无毒或低毒的产物，这种转化叫做生物灭活作用或生物解毒作用。,有些毒物经生物转化，在体内生成新的毒性更强的化合物，称为致死性合成。,21,大多数外来化合物的生物转化过程中都包括氧化反应。此反应主要由微粒体中的混合功能氧化酶催化。微粒体混合功能氧化酶是镶嵌在细胞内质网膜上的一组酶，是毒物代谢反应的主要酶系。,通常将氧化、还原、水解称为外来化合物代谢转化的第一阶段，或第一相反应。结合反应为第二阶段，或第二相反应。,1.微粒体混合功能氧化反应,（一）降解反应,22,毒物在生物体内可被还原酶催化还原，但在哺乳动物组织内还原反应不活跃，在肠道细菌体内还原反应能力较强。,在肝组织胞液、血浆和线粒体中，有一些专一性相对不太强的酶，可以催化某些外来化合物氧化与还原。,2.微粒体外的氧化反应,许多毒物水解后毒性大都降低。,3.还原反应,4.水解反应,23,进入机体的毒物在代谢过程中与某些内源性化合物或基团发生的生物合成反应。,使毒物分子上某些功能基团失去活性以及丧失毒性；使毒物极性（水溶性）增强，脂溶性降低，加速排泄过程。,作用,内源性化合物,毒物及其代谢物与体内某些内源性化合物或基团结合所形成的产物。,是体内正常代谢过程中的产物。,结合物,（二）结合反应,24,三、污染物在食物链中的传递与放大,指生物或处于同一营养级的许多生物种群，从周围环境中吸收并积累某种元素或难分解的化合物，导致生物体内该物质的浓度超过环境中浓度的现象。生物富集也称为生物浓缩、生物积累和生物放大。生物富集通常随着食物链的延伸而急剧增大，其富集量通常用富集系数（或浓缩系数、积累系数，BCF）表示。,生物富集,25,重金属具有沿食物链积累和放大的特征。重金属中，汞、镉、锌、铜、铅沿食物链积累和放大的现象都很明显。其中汞和镉的食物链富集、积累对人类的威胁最大。,（一）重金属的食物链积累,26,有机氯农药能在环境中长期残留，同时具有很高的脂水分配系数，从水中食物链途径积累于生物体，沿食物链逐级放大。,（二）农药的食物链积累与放大,27,多氯联苯化学性质比DDT更稳定，极易在食物链中积累，在南极企鹅和北极熊体内也有检出。,（三）多氯联苯的食物链积累,28,第三节,29,一、环境污染物的毒性,毒性研究必须考虑它们与生物体接触的剂量、方式、途径和时间分布。,在短时间内，大量毒物进入机体，引起中毒，症状严重甚至死亡。,急性中毒,慢性中毒,亚急性或亚慢性中毒,少量毒物长期逐渐进入机体内，在体内蓄积到一定程度后出现中毒症状。,介于急性中毒和慢性中毒之间，界限并不十分明显。,毒性是一种污染物质对生物体造成损害的能力。,（一）毒性,30,指给予机体或机体接触的数量、外来化合物被吸收进入机体的数量，外来化合物在关键器官或体液中的浓度。,致死剂量(致死浓度),引起有机体死亡的剂量(浓度),指能引起一群动物全部死亡的最低剂量,绝对致死剂量lethaldose（LD100）绝对致死浓度lethalconcentration（LC100）,（二）剂量,指能引起一群动物50死亡所需的剂量,半数致死剂量（medianlethaldoseLD50）半数致死浓度（medianlethalconcentrationLC50）,31,最大无作用剂量(最大无作用浓度),即在一定时间内，按一定方式或途径与生物体接触，按照最敏感的观察指标或一定的检测方法，未能观察到任何损害作用的最高剂量。,在进行全生活周期或持续几代的慢性试验时，对试验动物无影响的毒物浓度。可采用经验公式计算。,安全浓度,32,指使生物体某项观察指标发生异常变化所需的最小剂量，亦即能使生物体开始出现毒性反应的最低剂量。最小有作用剂量略高于最大无作用剂量，亦可称为中毒阈剂量。,最小有作用剂量(最小有作用浓度),在某一期限内导致某一特殊反应的毒物剂量或浓度，例如平衡的丧失、生长抑制等。表示方式为ED50或EC50，ED50为半数有效剂量，EC50为半数有效浓度。,效应剂量(效应浓度),33,二、环境污染物毒性的评价方法,通过急性毒性实验获得结果可阐明外来化学物质的相对毒性及毒作用的特点和方式，确定毒作用剂量反应关系，为进一步进行其它毒理试验的设计提供有价值的直接参考依据。,1.急性毒性评价,急性毒性,指外来化学物质大剂量一次或24h内多次接触于机体后，在短时间内对机体引起的毒性作用。,采用体内试验方法，根据实验生物染毒时间的长短或次数分为急性、亚急性（亚慢性）、慢性，以及长期和终生毒性试验。,（一）一般毒性评价,34,研究受试物大剂量给予受试动物后，在短时间内所引起毒作用的这一过程，谓之急性毒性试验。,急性毒性试验,评价环境污染物毒性的重要手段，是一种控制工业废水排放的常规监测方法。鱼和大型无脊椎动物96小时LC50的急性毒性试验，无脊椎动物多采用EC50试验,急性致死毒性试验,水生生物急性毒性试验,常采用半数致死量（半数致死剂量）表示受试物的急性毒性大小。是衡量毒性大小的公认和基本方法。,35,具有蓄积作用的外来化学物质，如果较小剂量与机体接触，并不引起急性中毒，但是如果机体与此种小剂量的外来化学物质反复多次接触，一定时间后可出现明显中毒现象，称为蓄积毒性。,2.蓄积毒性评价,蓄积性毒性,蓄积性作用,外来化学物质进入机体的速度或数量超过机体消除的速度或数量，进而造成外来化学物质在体内不断积累的过程。,蓄积毒性是评价某些外来化学物质亚急性和慢性中毒的主要指标。,36,蓄积系数,蓄积性,多次染毒所引起某种效应总量ED50(n)与一次作用时所得相同效应的剂量ED50(1)之比。,以死亡率指标作为观察效应时，此时：,Kcum值的大小，表示蓄积作用的强弱。Kcum越小，表示受试物质蓄积性越大。,蓄积毒性评价采用蓄积系数测定法,37,3.亚慢性毒性和慢性毒性评价,亦称短期毒性试验，研究受试动物在其1/10左右生命时间内，少量反复接触受试物后所致损害作用的观测过程，是慢性毒性的预试步骤。,亚慢性毒性试验,亦称长期毒性试验，是指在试验动物生命的大部分时间或终生时间内，连续长期接触低剂量的受试物的毒性试验。,慢性毒性试验,38,通常采用致突变试验来检测某些化学物质的致突变性。,（二）特殊毒性评价,39,三、环境污染物毒理学安全评价程序,1.收集受试物有关的基本资料,应用情况及其用量,受试物的化学结构,各种化学物质的毒性与其结构有一定的关系。同一类化合物，结构不同，毒性差异很大。,理化性质和纯度,化学物质的物理化学性质和纯度与其毒性有一定的关系。,目的是了解人类接触受试物的可能途径及摄入的总量，其发生的社会效益、经济效益、人群健康效益等方面的基本资料，以便为进行毒性试验及经过毒性试验后，对受试物综合分析取舍及生产使用的安全措施提供参考。,（一）试验前的准备工作,40,2.选择受试物样品及试验动物,所选的动物种类对受试物的代谢方式尽可能与人类相似。试验中最好采用纯系动物。它们具有稳定的遗传性，生理常数，营养需要和应激反应都比较稳定，试验中个体差异小，重复性好。,是实际生产和使用中人类直接或间接接触的样品。原料、成分、配方、工艺流程和产品规格要稳定。,受试物,试验动物,41,第一阶段：急性毒性试验,1.食品安全性毒理学评价程序,第二阶段：蓄积性毒性、致突变试验,了解受试物的毒性强度和性质；为蓄积性和亚急性毒性试验的剂量选择提供依据。,了解受试物在体内的蓄积情况；对受试物是否具有致癌作用的可能性进行筛检。,试验目的,试验目的,（二）安全性毒理学毒性试验程序,42,第三阶段：亚急性毒性试验和代谢试验,试验目的,在不同剂量水平长期喂养后，观察受试物对动物的毒性作用和靶器官，并确定最大无作用剂量；了解受试物对动物繁殖及对后代的致畸作用；对慢性毒性和致癌试验的剂量、观察指标等的设计选择提供直接的参考依据；为评价受试物能否应用于食品或为制定其卫生标准提供依据。,43,第四阶段：慢性毒性试验,找出只在长期接触受试物后出现的毒性作用，尤其是进行性或不可逆的毒性作用以及致癌作用；根据试验结果，确定最大无作用剂量，为最终评价受验物能否应用于食品和制订其卫生标准提供依据。,试验目的,44,急性毒性试验；亚急性毒性试验；慢性毒性试验；致畸、致癌、致突变试验；中毒作用机理及动物体内代谢的研究；生产和使用现场劳动卫生学与人群流行病调查；确定农药的急性毒性分级标准。,2.环境安全性毒理学评价程序,农药毒性试验方法暂行规定（试行）（1982），是迄今我国开展环境安全性毒理学评价程序的依据。,评价程序：动物实验；接触人群的调查研究。,45,2003年9月12日由国家环境保护总局颁布新化学物质环境管理办法（总局17号令）（以下简称“办法”），并于2003年10月15日开始实施新化学物质生产前或进口前申报登记制度。,（三）新化学物质环境管理,46,第四节,47,一、生态监测,二者都是利用生命系统各层次对环境变化的反应来监测与评价环境质量的一套方法和技术体系。,概念,是比生物监测更复杂、更综合的一种监测技术(王焕校等，1986)。是生态系统层次的生物监测(刘培哲，1989)。就是用可比的方法，在时间和空间上对稳定区域内生态系统或生态系统组合体的类型、结构和功能及其组合要素进行系统的观测和测定的过程(孔繁德等，2007)。,（一）生态监测的概念及依据,48,依据,生命与环境的统一性和协同进化是生态监测的基础生物适应的相对性决定生态监测的可能性生命过程的关联和积累生态监测结果的具有可比性,49,（二）生态监测的主要内容和特点,1.主要内容,50,综合性,生态监测理论与技术的综合性,宏观监测与微观监测相结合,复杂性,宏观监测需要以微观监测为基础，微观监测也需要考虑和重视宏观尺度的影响和作用。一个完整的生态监测计划必须把各个空间尺度的监测结合起来，才能全面而又清楚地了解生态系统在人类活动影响下的综合变化。,生态监测中既要区分人类的干扰作用和自然变异以及自然干扰的作用，又要在人类干扰作用不明显的情况下研究各种生态过程。,2.特点,51,3.生态监测方法的多元性,3S技术,生态监测作为目前生态学和环境科学的重要研究手段，具有多学科理论交叉、新技术新方法不断应用的鲜明特点。,电磁台网监测系统,遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）等高新技术,以中长电磁波近地表传播衰减因子观测为基础的环境调查监测系统,52,二、生态环境影响评价,（一）程序,生态环境影响识别现状调查与评价影响预测与评价减缓措施和替代方案,通过定量揭示和预测人类活动对生态影响及对人类健康和经济发展的作用，分析确定一个地区的生态负荷或环境容量。,53,生态图法,将生态学的研究结果用图的方式表达。即以同一张图上表示两个或更多的环境特征重叠，指明被影响的生态环境特征及影响的相对范围程度。,（一）基本方法,54,该方法针对将实施开发的建设项目的影响因素和可能受影响的影响因子，分别列在同一张表格的行与列内，并以正负号、其他符号、数字表示影响性质和程度，逐点分析开发的建设项目的生态环境影响。该方法是一种定性分析方法。,列表清单法,55,调查环境背景现状和搜集有关资料；调查植物和动物分布、动物栖息地和迁徙路线；根据调查结果分别对植物或动物按种群、群落和生态系统进行划分，描述其分布特点、结构特征和演化等级；识别有无珍稀濒危物种及重要经济、历史、景观和科研价值的物种；观测项目建成后该地区动物植物生长环境的变化；根据兴建项目后的环境变化，对照无开发项目条件下动物植物或生态系统演替趋势，预测对动物和植物个体、种群的影响以及生态系统演替的方向。,生态机理分析法,56,分为整体类比和单项类比。单项类比是一种比较常用的定性和半定量评价方法。整体类比是根据已建成的项目对植物、动物或生态系统产生的影响，预测拟建项目的生态环境效应。,类比法,综合指数法,通过评价环境因子性质及变化规律的函数曲线，将这些环境因子的现状值与预测值转换为统一的无量纲的环境质量指标，由好至差用10表示，由此可计算出项目建设前、后各因子环境质量指标的变化值。然后，根据各因子的重要性赋予权重，得出项目对生态环境的综合影响。,系统分析法,包括专家咨询法、层次分析法、模糊综合评价法、系统动力学等方法。,57,生物量,一定空间内某个时期全部活有机体的数量，又称现有量，一般选用标定相对生物量作表征指数（Pb）。,其中：Bm生物量Bmo标定生物量P标定相对生物量,Pb值增大，表示生态环境质量趋好,确定某一时刻单位面积内实存生活的有机物质总量，通常用kg/m2或t/ha表示,生产力评价法,该方法的评价由生物生产力、生物量、物种量分指数综合而成。,生物生产力,指生物在单位时间所产生的有机物质的重量，亦即生产的速度，以t(hm2a)表示。,58,Bs物种量，种数/hm2；Bso标定物种量，种数/hm2；P标定相对物种量,物种量,指单位空间（如单位面积）内的物种数量。生态环境影响评价中亦用标定物种量的概念，并且将物种量与标定物种的比值，即标定相对物种量，作为评价的指标（Ps）。,Ps值增大，环境质量越好,59,生物多样性定量评价生物多样性指数,物种多样性指数,Pi第i种的个体数占个体数N的比例，即Pini/N,Shannon-Winer多样性指数。,60,均匀度,E均匀度Hmax最大多样性,种的多样性与种间个体分布的均匀程度有关。,其中：,优势度,D优势度；T群落中物种总数。,优势度表明群落中占统治地位的物种及其分布。,其中：,61,通过景观空间结构分析、功能与稳定性分析，评价生态环境质量状况。,景观生态学方法,景观是由斑块、基质和廊道组成。,通过计算植被重要值方法进行基质的判定；斑块的表征则采用多样性指数和优势度指数