污染生态学_第1章.ppt

污染生态学pollutionecology,生态学（Ecology）定义,生态学（Ecology）是研究生物与其环境之间相互关系的科学。“Ecology”来自希腊文“Oikos”(住所,栖息地)和“Logos”(学问，研究)，亦即生态学在创建之初就表达为研究生物有机体与其栖息场所之间相互关系的科学。上述生态学的定义是德国生物学家赫克尔（Haeckel,1866）首次提出的。这是生态学至今最为全面的定义。但是首先使用“Ecology”一词学者是亨利.索瑞（HenryThoreau,1858)。,污染生态学概念,定义：研究生物系统与被污染的环境之间系统相互作用的机理和规律及采用生态学原理和方法对污染环境进行控制和修复的科学。环境生物学的分支。是应用生态学最主要的组成部分。是生态学和环境科学相互交叉、相互融合的结果。环境污染不仅对人群健康产生极大危害，而且对生物种群、群落以至整个生态系统的结构和功能都会有很大影响。,污染生态学是以生态系统理论为基础，用生物学、化学、数学分析等方法研究在污染条件下生物与环境之间灼相互关系。,污染生态学的主要研究内容为,污染物在生物体内的积累、富集、放大、同和拮抗等作用，以及污染物在生态系统中迁移、转化、积累及其规律。污染物对生态系统结构与功能的影响，建立各类生态系统模型，评价和预测污染状况和趋势，制定环境生态规划。环境污染的生物净化，包括绿色植物对大气污染物的吸收、吸附、滞尘以及杀菌作用，土壤植物系统的净化功能，植物根系和土壤微生物的降解、转化作用，以及生物对水体污染的净化作用。受污染环境质量的生物监测、生态监测和生物学评价等。,污染生态学的研究方法：把生态系统作为一个整体来研究生物与受污染环境之间的相互关系。常采用野外实地调查研究,各种规模的模拟试验相结合的研究方法。具体有：,l、用生物、化学等方法，研究污染物在生态系统中迁移、转化规律，以及在生态系统各单元之间的积累规律：2、研究交生态系统中污染物迁移过程中生物的吸收、宙菜、降解规律，生物受窃状况与机削以及利用生物净化环境的可行措施。3、研究污染物刘生态系统结构和功能的影响，建立生态模型，以阐明污染物对生态系统的稳定性和生物产旦的影响，预测今后生怒系统发展趋势以及采取相应的对策。4、研究备类生态系统(森林、草原、农田、水域、工矿、城市)内部各组分之间和各类生态系统之间的物流、和污染物流通的关系，以及采取相应的对策。5、根据各类模型，制定环境规划和区域整体净化措施。,第一章污染物在生物体内的迁移规律,生物体对污染物吸收、迁移是研究污染物在生物体内富集、毒害以及生物体解毒、抗性作用的基础是污染物对生物体产生生理、生态、遗传及分子毒性效应的第一步。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。,第一节污染物的概念、性质及分类,一、污染物的概念辞海的定义是：进入环境后能直接或间接危害人类的物质，如火山灰、二氧化硫、汞等。中国大百科全书环境科学卷解释为：进入环境后使环境的正常组成发生育接或间接有害于人类的变化的物质。这两种解释都把污染物的作用对象仅指向于人类，而污染生态研究的污染物作用对象包括人在内的所有生物。因而污染物可作如下定义：进入环境后使环境的正常组成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。污染物有自然排放的，也有人类活动产生的。环境科学研究的主要是人类生产和生活排放的污染物。,二、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。只有高于一定数量、浓度、持续时间一定时间才会产生影响（二）污染物再环境中发生转化，即具有易变性。如农药会分解,三、污染物的分类1、来源分：自然、人为2、环境因素分：大气、水土、土壤3、形态分：气体、液体、固体4、性质分：化学、物理、生物5、物理化学性质的变化分：一次、二次p5,第二节有关生物对污染物吸收迁移的几个基本概念,一、安全浓度(safeconcentration)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(maximuma11owconcentration)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，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。,三效应浓度,超过最高允许浓度，生物开始出现出现受害症状的浓度。EC50、EC70、EC80、EC90，表示改浓度下有50、70、80、90的生物出现受害症状,四、致死浓度(lethalconcentration)当污染物浓度继续上升到某一定浓度，生物开始死亡，这时的浓度称为致死浓度也称致死阈值。用LC50、LC70、Lc90、LC100分别代表毒害致死50、70、90、100的个体的阈值。甲基汞周致死阈值：0.2mg/人（按0.0033mg/kg计）总汞周致死阈值：0.32mg/人（按0.005mg/kg计）镉周致死阈值：0.40.5mg/人按0.00670.083mg/kg计）铅周致死阈值：3.02mg/人（按0.05mg/kg计）,第三节植物对污染物的吸收,一、植物对污染物的吸收（一）植物对大气污染物的黏附和吸收种类：SO2、NOx光化学烟雾、飘尘、浮尘降尘。过程：1、黏附和吸收2、气孔、皮孔进入。（二）植物对水溶态污染物的的吸收1，污染物到达植物根部途径两个：1）、质体流途径（主要途径）2）、扩散,（二）、植物对水溶态污染物的吸收1、污染物到达植物表面（根和叶）到达根的表面两个途径：A、质体流途径（massflow）在蒸腾拉力的作用下，随水流到达根的表面。B、扩散途径浓度梯度的扩散到达表面。重金属移动速度(扩散)是很慢的（Zn2+：310-10cm/s,Mn:310-8cm/s），只是靠近根部的重金属才能通过扩散作用到达根表面。所以污染物主要通过质体流途径到达根表面。,到达茎、叶表面：A、直接喷施。如农药B、随降水到。2、水溶性污染物进入细胞的过程1)、污染物在细胞壁上的吸附有的污染物不易穿过细胞膜和细胞壁，通过非共质体进入体内在细胞壁上沉积。通过非共质体中的非代谢扩散细胞，果胶质提供交换点。如：Pb2+在皮层细胞和表皮细胞的壁上沉积：在浓度较低时先在壁上沉积，和壁上的负电荷结合，达到平衡时多余的Pb2+会沿非共质体迁移。只有浓度较大时才有部分穿过细胞膜。细胞膜和细胞壁是Pb2+的屏障。,2、穿过细胞膜，共质体迁移有的金属用以穿过细胞膜进入共质体，同过共质体迁移，如镉(Cd)容易穿过细胞壁和细胞膜，进入细胞内。大豆等植物中镉的亚细胞分布，大约70的镐沉积在细胞质部分，只有810结合到细胞壁及其他细胞器中。镉的可溶性成分所占比例最大，约为4569，铅则以沉积于细胞壁成分占绝大比例，可达77一79，可溶性成分仅占02一38,污染物穿过细胞膜的机制：细胞膜是半透性膜，有的分子能通过，有的不能。有两种机制：流动传输：水溶性、难质溶性的化合物透过空隙和微孔被动扩散脂质层受控扩散：脂溶性化合物通过脂脂膜媒介传输：能量为浓度比(扩散)，被动运输主动运输：(载体传输)能动载体传输：能量来自生物化学能，主动运输载体为蛋白质，载体和某些物质结合由于变构作用将离子或化合物转移到膜内，然后吸收能量，恢复原状，卸下离子。这种作用的能量来自ATP分解过程中释放出的能量。,二、污染物在植物体内的迁移无机物从表皮到中柱（横向移动）的两个途径：,非共质体通道：细胞壁和胞间隙运动。水和无机离子共质体通道：胞内原生质体流动和胞间连丝不同的物质途径不同：镉以共质体方式运动铅以非共质体方式运动在植物横切面上：,表皮（皮层和内皮层）中Pd2+高，向中柱内降低，以非共质体运输。扩散运动。,进入中柱的Pd主要集中在导管的薄壁细胞中，而导管的很少。镉Cd，不同：在玉米幼苗根中：皮层的少，中柱的大。在中柱中：导管的大，木质部薄壁细胞的少。说明主动运输为主、在高浓度是镉可以通过共质体运输。,纵向运输：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。途径：导管（木质部）、筛管（韧皮部）尽管很多实验表明更金属主要分布在植物根部，但还可以通过导管向上迁移到叶片。,有研究发现，在较低浓度铅处理时(100mgL处理玉米5天)，玉米叶肉细胞内只沉积少量铅；而经高浓度铅处理(1000凹L时)，在叶片维管束内的导管中有大量铅沉积。在透射电镜下，发现铅主要沉积在导管壁上，导管内沉积铅量较少。还发现从导管向外直到周围的叶肉细胞，铅的沉积虽大为减少(彭鸣等1989)。因此，铅主要通过本质部导管到达叶片。,进入叶导管的铅跨过维管束鞘，进入叶肉细胞；叶肉细胞壁的部分铅进入细胞后，沿叶绿体外膜沉积，少数进入叶绿体，沉积在类囊体上。在叶肉纫胞中沉积的铅，有一部分通过筛管进入可食部分。有实验证明、豆科植物根吸收的锌经导管输送到成熟叶片，经沉淀后，有一部分进入筛管而运到可食部分。而水稻的Zn经根的导管上升似乎是通过茎节直接转移到筛管，再转移到幼嫩器官。筛管进行短距离运输。叶片吸收的重金属通过导管向下运输。表18，p920,影响因素：1、物质的形态和结合方式在植物体内运输和储存。络和活离子状态。2、吸收部位：根吸收的部位不同，向地上部移动的速率也有差异。如小麦根尖端14cm区域吸收的离子最易向地上部转移；由更成熟的部位吸收的离子，移动速度就僵得多。3、和植物的发育阶段有关，幼小部位吸收的物质易向上迁移王焕校等(1990)在水稻不同发育阶段施硝酸铅，结果以拔节期施铅的地上部含铅量最高。,4、土壤或培养液中离子浓度的高低。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影响离子的形态：环境中重金属元素浓度低时，则以络合成有机络合物的形态迁移，并按第二种通路进行向效移动，在高浓度情况下，是以游离的离子态形式存在，主要是按非代谢的第一种通路移动。当离子进入内皮层中柱周围的细胞内，就会在这里沉积，使移动速度变侵。,植物对金属离子的吸收,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。如镉的吸收（杨居荣等，1994)作物吸收Cd量及自根部向地上部的转运比率决定和其耐受性机制有关：吸收量相对较低，并且大部分果积在根部较少向地上部移动的作物，耐受性相对较强；反之易向地上部输送的作物，耐受性差(表17)。,影响因素：1、不同的植物对Cr的积累部位不同：小白菜：根地上部分；萝卜：地上部分(叶)直根；莴苣：根叶茎。植物对Cr的吸收和迁移能力比Hg、Cd弱得多，一般在植物中的含量是根茎叶籽粒铅的迁移性更小。主要分布在根部：水稻根部分布的铅为9098。糙米中只有0.050.5。,2、重金属的物理形态不同，植物对其吸收、迁移的方式不同。植物可吸收大气汞，也可吸收土壤汞。当植物汞源于气汞时，其地上部汞含量高于根部；源于土壤时，则根汞高于地上部汞,第四节动物对污染物的吸收与迁移,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，出此细胞膜起着很大的屏障作用。,一、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：被动运输与特殊转运。被功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。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。,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人细胞，这种方式称为吞噬作用；如吞食细胞外液的微滴和胶体物质(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。,二、动物机体对污染物质的吸收,动物对污染物的吸收一般是通过呼吸道、消化管、皮肤等途径,(一)经呼吸道吸收,空气中的污染物进入呼吸道后通过气管进入肺部，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(a)花、石棉、铍等能在肺部长期停留，会使肺部致敏纤维化或致癌；,肺泡总面积约55m2，是皮肤的40倍。肺泡上皮细胞膜对脂溶性、非脂湾性分子及离子都具有高度的通透性。因此，当肺泡中吸人的污染物达到一定量，容易进人血液很快引起中毒。当然，肺泡壁有丰富的毛细血管网，能起到部分解毒的作用。吸收的物质：NO2、SO2、O3汞蒸气等，,(二)、经消化管吸收消化管是动物吸收行染物的主要途径，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，一般情况下主要出小肠吸收，因小肠粘膜上有微绒毛，可增加吸收面积约600倍。,肠道吸收因污染物化学形念不同而有很大差异。例如，甲基汞和乙基汞被肠道的吸收量远高于离子态汞。因为有机汞是脂溶性，能随脂类物质被消化管吸收，其吸收率达95以上；而无机汞中的离子态和金属末的吸收牢在20以下，人体为力14156，平均为7。Hg2+不易为肠劈吸收，主要是易与氨基酸(特别是含硫氨基酸)形成络合物，不易被吸收即使进入肠道上表皮细胞的Hg2+也容易随细胞的脱落勺粪便一起诽出体外。镉在呼吸道的吸收率为10一14，消化管为5一10。,肠道吸收可因某种物质的存在而加强或减弱。当投以甲基汞时，当存在足够的半胱氨酸就会促进肠道黏膜上的氯基酸特别是半胱氨酸的主动运输。利用半胱氨酸与甲基汞的结合就能增加肠道对甲基汞的吸收。而乙醇对肺泡吸收汞有抑制作用，这是因为组织内金属汞转变为无机离子态汞要经过氧化酶的作用，而乙醇能阻止氧化酶的氧化。,（三）、通过皮肤和其他途径吸收皮肤吸收的少。一般通过扩散穿过表皮和真皮,1、在不同部位积累镉在肝脏和肾脏中积累，和硫蛋白结合。汞和红细胞和血浆中的蛋白质结合，向各部分运输。特别是甲基汞。不同形态的汞在动物体内的积累不同：有机汞，如甲基汞、低级烷基汞、对膜的透性好易进入血液。无机汞，易在肾脏积累，其次为肝脏、脾脏、甲状腺。金属汞进入人体后被氧化为无机汞。遍布全身,三、污染物在动物体内的迁移和排除,2、排除粪便：胆汁消化管粪便尿肾脏尿液乳汁、汗腺、呼吸、毛发,第五节微生物对污染物的吸收,微生物是分布广、种类多、繁殖快和生存能力强的一大类生物，微生物对污染物有着很强的吸收与分解能力。利用这一性质，在环境污染的治理过程中已筛选出一批优良的微生物品种。,一、微生物细胞吸收污染物的机制污染物连接到微牛物细胞壁上有三种作用机制：离子交换反应沉淀作用络合作用。,二、影响微生物吸收污染物的因素培养液的PH、培养时间、污染物的浓度及培养温度等都能影响微生物对污染物的吸收。,1、PH值：芽技状枝抱吸附Au3+的最适pH是5以下，该范围内吸附率都在97以上，随pH升高，吸附率降低,2、培养时间,细胞和含Au溶液接触5min吸附率达到875，随时间延长吸附率增加较慢,3、浓度Au浓度越低，吸附速度越快(图l6)；,一、植物种的生物学、生态学特征,第六节影响植物吸收、迁移污染物的因素,1、不同植物种对污染物的吸收、积累量差异很。蕨类植物吸收镉的量特别多，体内含镉量可高达l200mgkg；双子叶植物吸镉的量也相当高，如向日葵、菊花体内含镉量可高达400mg/kg和180mg/kg单子叶植物含镉量比双子叶植物少。,再如：在酸性土壤中，石松科植物的铺地蜈松、石松、地刷子、野牡丹科的野牡丹及铺地锦能富集大量的铝，有的竞高达1以上(占干重)，而酸性土上生长的其他植物只有O05生长在含硒土壤上的黄芪，灰分中硒的含量可高达15000mgkg，而伴生的牧草却小于0.01mgkg，两者相差高达100万倍。,2、生态型之间的差异也很明显。把生长在冶炼厂的hisbiscuss的种和生长在非污染区的种同时栽种在含铅量相同的土壤上，结果前者比后者的吸铅量要少得多。这是因为生长在污染区的生态型在生理、生化和遗传上发生相应的变化，形成与环境相适应的抗铅生态型。湿生、沼生植物吸收重金属量比中、早生植物少。是因为它们生长在终年淹水的还原性土壤环境中，重金属多与硫化物等结合、沉淀。植物不易吸收；中生、旱生植物的土壤处于氧化状态，重金属多呈离于态容易被吸收。水生维管束植物对水体铅污染吸收、富集铅的能力与植物的生态习性有关：沉水植物整个植株都是吸收而，相对吸收量就比浮水、挺水植物高。,3、同一植物的不同部位吸收污染物也有差异：,如：第一叶位桑叶表面吸氟变化幅度(913ugdm2)明显大于第五叶位桑叶(424ugdm2)，这可能与它处于桑树顶端，较易受环境因素影响有关，而第五叶位桑叶由于上面叶片的阻挡作用，其吸附氟变化量明显减少。,4、不同生育期吸收量差别很大,如：水稻对镉的吸收大部分在抽穗期、开花期和灌浆期：,二、污染物的种类及其形态差异,1、元素的种类。植物对有些元素容易吸收而对另一些愿素很难吸收。如：,2、元素的价态。同一元素的不同价态吸收系数差别很大。如：Cr6+Cr3+;CdSCdSO4CdI2M1+M2,（三）拮抗作用两种或两种